Wärmepumpen

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).

COP-Berechnung

Der COP wird aus den mittleren Temperaturen von Verdampfer ($T_E$) und Kondensator ($T_C$), jeweils in Kelvin, berechnet:

$COP = c_0 + c_1 T_E + c_2 T_C + c_3 T_E T_C + c_4 T_E^2 + c_5 T_C^2$

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:

$P_{el} = \frac{\dot Q_{Kond}}{COP} \qquad\qquad \dot Q_{Verd} = \dot Q_{Kond} \cdot \frac{COP - 1}{COP}$

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 $\dot Q_{Verd}$ 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 $c_0 \dots c_5$
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:

$\dot Q_{Kond} = \dot m \, c_p \, (T_{VL,soll} - T_{ein})$

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 $c_0 \dots c_5$
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.

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