Untersuchung von Systemkonzepten zur Integration von Haushaltsgeräten als Wärmequelle und Wärmesenke in ein multifunktionales Wärmepumpensystem

Abstract

Solange der Gesamtstrombedarf nicht aus erneuerbaren Energien gedeckt wird, lassen sich durch Stromeinsparungen CO2-Emissionen reduzieren. Zunehmend rückt dabei das Optimierungspotential von Teil- oder Gesamtsystemen in den Vordergrund. Mit rd. 25 % des Gesamtenergiebedarfs der EU bietet sich im Gebäudetechnik- und Haushaltsgerätebereich ein großes Potential an, um durch Effizienzverbesserungen Stromeinsparungen zu erzielen. Effizienzsteigerungen werden für Einzelgeräte seit Einführung des Energielabels bzw. der EU-Energieverbrauchs-Kennzeichnung im Jahr 1998 vorangetrieben. Nicht zuletzt, da Gerätehersteller durch die Weiterentwicklungen der Konkurrenz zu immer neuen Entwicklungsschritten gezwungen sind, um selbst weiterhin Geräte abzusetzen. Dem Optimierungspotential der einzelnen Geräte sind jedoch Grenzen gesetzt, die durch den starken Konkurrenzdruck und die damit über Jahrzehnte weiterentwickelten Komponenten auch in vielen Bereichen bereits erreicht wurden. Zum einen ist ein hoher Entwicklungsstand zwar nur schwer durch neue Ansätze zu übertreffen, zum anderen eröffnet eine Stagnation aber auch erst die Möglichkeit neue Ansätze zu entwickeln, die im Anfangsstadium eines Entwicklungsprozesses noch sehr komplex und kostenspezifisch wenig interessant erscheinen.

Durch die Zusammenlegung der Heizungs-/Lüftungstechnik mit Wärmepumpe und der Haushaltsgeräte mit Wärme- und/oder Kühlbedarf bietet sich ein innovativer Systemansatz an, um Synergieeffekte im Gesamtsystem auszunutzen. D.h. Stromeinsparungen für die einzelnen Geräte durch die effiziente Bereitstellung der Wärme zu erreichen, die Abwärme von Kühlgeräten dabei als Wärmequelle für das System zu nutzen und Kosteneinsparungen durch den Wegfall redundanter Komponenten zu erzielen. Die genannten Charakteristiken können in einem integrierten Gesamtsystem nutzungsseitig profitabel hinsichtlich der Strom- und Anschaffungskosten sein, wobei die Funktionalität der einzelnen Geräte erhalten bleibt.

In der vorliegenden Arbeit werden Entwicklungsschritte abgehandelt, um den dargelegten Ansatz experimentell zu untersuchen und das Potential eines aufeinander abgestimmten Gesamtsystems zu bestimmen. Dazu wird ein Funktionsmuster des Systems entwickelt und im Labor aufgebaut, an dem Testreihen der Einzelgeräte und der Geräte in unterschiedlichen Systemkombinationen sowie Reihenfolgen durchgeführt werden. Durch den Betrieb der Geräte in sinnvollen Betriebsreihenfolgen können Vorzüge und Nachteile ausgearbeitet werden, die sich durch den Systembetrieb für die einzelnen Geräte unter realen Betriebsbedingungen ergeben. Der Messaufbau erlaubt außerdem eine energetische Charakterisierung der Einzelgeräte und der durch den Systemaufbau anfallenden Wärmeverluste, womit auch eine Datengrundlage für theoretische Potentialbetrachtungen des Gesamtsystems gegeben ist. Auf Grundlage der Untersuchungen zu den Einzelgeräten und den Systemkombinationen erfolgt die Konzeptionierung eines funktionalen Technikkonzepts als Produktentwurf. Unter Berücksichtigung von zusätzlichen Kosten, dem Wegfall redundanter Komponenten und dem Stromeinsparpotential nach reduzierten Wärmeverlusten über den Systemaufbau erfolgt eine wirtschaftliche Betrachtung des neuen Technikkonzepts. Für den betrachteten Fall werden Wärmeverluste über den Systemaufbau vermieden und die Abwärme der Kühlgeräte wird zum Heizen über die Wärmepumpe genutzt. Letztendlich zeigt sich, dass der Stromverbrauch der Haushaltsgeräte in einem einzelnen Haushalt von 985 kWh/a um bis zu 36 % reduziert werden kann, wenn die Geräte über das zentrale Wärmepumpensystem mit Wärme versorgt bzw. gekühlt werden. Im Szenario für das Jahr 2040 betrachtet, nachdem die CO2-Emissionen des Gebäudesektors durch energetische Sanierungen auf 50 Mio. t CO2-Äquivalent reduziert wurden, beträgt das Potential zur weiteren Reduzierung durch die Anwendung der entwickelten Technologie maximal 4,78 Mio. t CO2-Äquivalent, rd. 10 % der prognostizierten CO2-Emissionen des Sektors.

Less energy consumption results into less CO2-emission. This remains a matter of fact as long as renewables do not cover the entire energy demand and belongs among others nowadays more than ever to key drivers in research and development. For that reason, energy efficiency improvements became very important to reduce the impact of abundant consuming technology sectors while comfort criteria need to be kept on a high level. In order to reduce the energy consumption by efficiency improvements the relevance of part and entire system solutions becomes increasingly significant for further CO2 reduction steps. Buildings and domestic appliances are responsible for around 25 % of the European electricity demand. Primarily, residential areas, where the choice of application and behaviour adjustments are up to one’s own, provide suitable preconditions for new and energy efficient technologies. Efficiency improvements of single appliances are driven by factors like the evaluation of products by the European energy label since 1998 and not least the rivalry between manufactures. Therefore, manufactures are challenged with advancements since several decades in order to keep a high technology level according to the state of the art, which in the end results into an exhaustion of efficiency improvements for single components. On the one hand, a high development status comes along with high standards but, on the other hand, it possibly opens new fields in research and development that before appeared as much to complex and cost specifically irrelevant.

Combined system solutions like the combination of heating/air conditioning via the heat pump and domestic appliances with heating and/or cooling demand have the potential to benefit from synergy effects. I.e., first, to achieve a reduction of the electricity consumption for single appliances by providing heat efficiently, second, to utilize the waste heat from cooling appliances as the heat source of the heat pump and, third, to reduce investment costs by removing unnecessarily redundant components. As the consequence from the considered characteristics, consumers benefit in electricity and cost effectiveness while the functionality of single appliances should not suffer.

In this thesis, several steps in the development process of a combined system concept are processed in order to determine the potential for a synchronized operation of domestic appliances and the centralized heat pump unit. Therefore, a functional model is developed as the test rig for the experimental investigations at the laboratory. The system allows for the interconnection of domestic appliances to the heat pump system to investigate the operating characteristics of the modified appliances in single mode as well as in different combinations of the integrated system. Due to the operation of the appliances in reasonable system combinations and sequences at the laboratory advantages and disadvantages can be concluded for the real-life conditions. The measurement concept is designed to allow for both the characterization of efficiency improvements of the appliances and the characterization of heat flows within the appliances as well as the system construction. Theoretically, an analysis of loss and demand is carried out to determine the overall system performance for the integrated operation mode. Finally, based on the explored experimental sequences a technology concept for the overall system is evolved, where also the economic potential is evaluated by the system cost and the year-round cost effectiveness yielded from efficiency improvements. For the considered case, heat losses over the system construction are avoided and the waste heat of cooling appliances is utilized for heating purposes by the heat pump. In the end, the electricity consumption of domestic appliances of around 985 kWh/a for a single household can be reduced by 36 % if the appliances are coupled to the centralized heat pump system for cooling and heating purposes. For the scenario for the year 2040, after CO2-emissions in the building sector have been reduced to 50 Mio. t CO2-equivalent by energetic refurbishments, the potential for a further reduction step by the application of the evolved technology amounts to a maximum of 4,78 Mio. t CO2-equivalent, around 10 % of the predicted CO2-emissions in this sector.