Wärmepumpen
Wärmepumpenmodell mit biquadratischem COP-Polynom: quellenseitig für kalte Nahwärme, versorgungsseitig als zentraler Erzeuger, mit Betriebsgrenzen.
Überblick
Das Wärmepumpenmodell berechnet Leistungszahl (COP) und elektrische Leistung über ein biquadratisches Polynom aus Verdampfer- und Kondensatortemperatur, das an Herstellerdaten angepasst werden kann. Es gibt zwei Einbindungsvarianten:
- quellenseitig (Heat pump source side) – ein Abnehmermodell: Die Wärmepumpe sitzt beim Gebäude, ihr Verdampfer ist Teil des Netzes. Sie entnimmt dem Netz Wärme und hebt sie auf das Temperaturniveau der Gebäudeheizung. Typische Anwendungen: Abnehmer in der kalten Nahwärme sowie Booster-Wärmepumpen in Niedertemperaturnetzen, deren Vorlauftemperatur für Heizung oder Trinkwarmwasser einzelner Gebäude nicht ausreicht.
- versorgungsseitig (Heat pump supply side) – ein Modell für die Energiezentrale: Die Wärmepumpe speist als zentraler Erzeuger in das Netz ein, ihr Kondensator ist Teil des Netzes. Die Quellwärme bezieht sie von außen (z. B. Erdwärme, Abwärme).
Gut zu wissen
Merkregel für die Einbindung: quellenseitig = die Wärmepumpe steht beim Gebäude und entnimmt dem Netz über ihren Verdampfer Wärme (kalte Nahwärme, Booster). Versorgungsseitig = die Wärmepumpe speist als zentraler Erzeuger über ihren Kondensator in das Netz ein. Gleiche COP-Physik, gegensätzliche Rolle im Netz.
COP-Berechnung
Der COP wird aus den mittleren Temperaturen von Verdampfer () und Kondensator (), jeweils in Kelvin, berechnet:
Die Koeffizienten werden im Komponenten-Editor als COP-Polynom hinterlegt und lassen sich aus Datenblatt-Kennfeldern (COP bei verschiedenen Quell-/Senkentemperaturen) anpassen. Die Standardkoeffizienten beschreiben eine typische Sole/Wasser-Wärmepumpe (z. B. COP ≈ 5,8 bei 10 °C Quell- und 35 °C Senkentemperatur).
Betriebsgrenzen des Modells:
- Zwischen Kondensator- und Verdampfertemperatur müssen mindestens 4 K liegen, sonst schaltet die Wärmepumpe ab.
- Ergibt das Polynom einen COP ≤ 1 (Betriebspunkt außerhalb des Kennfelds), schaltet die Wärmepumpe ebenfalls ab.
Elektrische Leistung und Verdampferleistung folgen aus der Energiebilanz:
Wärmepumpe quellenseitig (Abnehmer)
Diese Variante wird in Abnehmer-Anlagen eingesetzt – in der kalten Nahwärme als reguläre Übergabe an das Gebäude oder als Booster-Wärmepumpe. Die Kondensatorleistung ist der aktuelle Heizbedarf des Gebäudes, begrenzt durch die maximale Heizleistung. Die Kondensatortemperatur folgt aus der Heizkurve des Gebäudes (Temperaturniveau des Heizsystems). Dem Netz wird die Verdampferleistung entzogen – also der Gebäudebedarf abzüglich des elektrischen Anteils.
Bei negativem Gebäudebedarf (Kühlfall) arbeitet das Modell als passive Kühlung: Die Wärmepumpe ist aus, und die Kühllast wird dem Netz direkt als Wärme zugeführt – das übliche Sommerverhalten in kalten Nahwärmenetzen.
| Parameter | Einheit | Standard | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| Maximale Heizleistung | kW | – | Obergrenze der Kondensatorleistung; bei der dimensionierten Variante automatisch aus dem Gebäudebedarf |
| COP-Polynom | – | Standardkoeffizienten | Koeffizienten |
| Nennvolumenstrom | m³/h | 2 | Bezugsvolumenstrom für den Druckverlust; dimensionierte Variante: automatisch aus der Anschlussleistung |
| Nenndruckverlust | bar | 0,5 | Druckverlust beim Nennvolumenstrom (quadratische Skalierung) |
| Fluidvolumen | L | 3 | Fluidvolumen (netzseitig, Verdampfer) |
Wärmepumpe versorgungsseitig (zentraler Erzeuger)
Diese Variante wird in der Anlage der Energiezentrale eingesetzt. Als zentraler Erzeuger heizt die Wärmepumpe das Netz auf den Vorlauf-Sollwert der Heizkurve der Energiezentrale:
begrenzt durch die maximale Heizleistung. Die Verdampfertemperatur (Wärmequelle) wird als Randbedingung vorgegeben – konstant oder als Zeitreihe über den Reiter Wärmeaustausch. Eine Heizkurve ist erforderlich.
| Parameter | Einheit | Standard | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| Maximale Heizleistung | kW | – | Obergrenze der Kondensatorleistung |
| COP-Polynom | – | Standardkoeffizienten | Koeffizienten |
| Nennvolumenstrom | m³/h | 2 | Bezugsvolumenstrom für den Druckverlust |
| Nenndruckverlust | bar | 0,5 | Druckverlust beim Nennvolumenstrom |
| Fluidvolumen | L | 3 | Fluidvolumen (netzseitig, Kondensator) |
Ausgabegrößen
| Größe | Bedeutung |
|---|---|
| COP | Aktuelle Leistungszahl |
| ElectricalPower | Elektrische Leistungsaufnahme |
| CondenserHeatFlux | Kondensatorleistung (Heizleistung) |
| EvaporatorHeatFlux | Verdampferleistung (Quellwärme) |
| EvaporatorMeanTemperature / CondenserMeanTemperature | Mittlere Temperaturen für die COP-Berechnung |
Aus ElectricalPower lassen sich Jahresarbeitszahlen und Stromkosten auswerten – siehe Liniendiagramme.
Hinweise
- Kalte Nahwärme: Für Abnehmer mit quellenseitiger Wärmepumpe bezieht sich die Anschlussleistung auf die dem Netz entnommene Verdampferleistung; bei der automatischen Dimensionierung wird das berücksichtigt.
- Sinkt die Netztemperatur im Winter stark ab, sinkt der COP der quellenseitigen Wärmepumpen – die elektrische Leistung steigt. Ein Blick auf die COP-Zeitreihen der kritischen Abnehmer gehört zur Auswertung kalter Netze.