Thema dieser Bachelorarbeit ist die Ausarbeitung von effizienten Wassererwärmungsanlagen. Wassererwärmungsanlagen müssen die Komfort- und Hygienenforderungen erfüllen. Daher werden Zirkulationssysteme verbaut. Diese Systeme bringen in ihrer konventionellen Ausführung jedoch unerwünschte Konsequenzen mit sich. Durch die Rückführung der Zirkulation in den Warmwasserspeicher wird dieser durchmischt. Dies führt zum häufigen Nachladen durch den Brauchwarmwasser-Erzeuger bei gleichzeitig hohen Rücklauftemperaturen. Hohe Rücklauftemperaturen sorgen für einen Effizienzverlust.
Eine Literaturrecherche diente als Grundlage für die Entwicklung der Konzepte. Nach einer theoretischen Ausarbeitung und Evaluation der Konzepte wurde die vielversprechendste Variante in einem Versuchsaufbau des Institut für Gebäudetechnik und Energie (IGE) der Hochschule Luzern untersucht. Die Ergebnisse der Versuche wurden dokumentiert und ausgewertet, sodass Konzeptempfehlungen formuliert werden konnten.
Entwickelt wurde ein Konzept, das die Zirkulation speicherextern durch eine Zirkulationswärme-pumpe nacherwärmt. Dabei wurden unterschiedliche Varianten erprobt – 1) eine nicht-modulierende Zirkulationswärmepumpe mit hydraulischer Entkoppelung über den Warmwasserspeicher, 2) eine modulierende Zirkulationswärmepumpe und 3) eine Zirkulationswärmepumpe mit Puffer. Analysiert wurden die Varianten nach definierten Kriterien.
Aus Sicht der Kriterien Hygiene, Komfort, Warmwasserbereitstellung und Energieeffizienz konnten alle drei Varianten eine deutliche Verbesserung im Vergleich zur konventionellen Zirkulation erzielen. Die zwei Varianten modulierende Zirkulationswärmepumpe (2) und Zirkulationswärmepumpe mit Puffer (3) wiesen weitere Vorteile auf. Beide Varianten zeigten einen kontinuierlichen und störungsarmen Verlauf auf hohem Temperaturniveau.
Eine Rückführung der Zirkulation in den Warmwasserspeicher ist dabei der Rückführung direkt in die Warmwasserleitung vorzuziehen, da der Speicher Temperaturschwankungen des Nacherwärmers aufnehmen kann. Grundsätzlich sind aber beide Arten der Rückführung der Zirkulation möglich.
Auf Grund der zusätzlichen Komponenten, wie zum Beispiel Wärmepumpe, Regelung etc., verursachen die erarbeiteten Varianten höhere Investitionskosten. Durch günstigere Betriebskosten können die Investitionskosten aber bereits nach 5 bis 10 Jahren amortisiert werden.
Auf Grund der Messdaten und Erfahrungen konnten Anforderungskriterien an Wärmepumpen-Fabrikate formuliert werden. Die Wärmepumpen müssen mit hohen Rücklauftemperaturen umgehen können und eine geringe Temperaturspreizung ermöglichen.
Die Messungen bestätigen, dass das Konzept des Einsatzes einer Zirkulationswärmepumpe (modulierend oder mit separatem Puffer) die Rückführung der Zirkulation ohne eine wesentliche Durchmischung des Speichers erlaubt. Dieses Konzept kann den Hygiene- und Komfortansprüchen gerecht werden. Gleichzeitig verbessert es die Energieeffizienz von Wassererwärmungsanlagen.
Aufgrund der verschiedenen Rahmenbedingungen vor Ort (Platzverhältnisse, Warmwasserspeicher, Bestand oder Neubau) haben die Varianten ihren Einsatzbereich in verschiedenen Setups. Um eine individuelle und angemessene Empfehlung basierend auf der Komplexizität, die sich aus der Vielzahl der Variablen ergibt, abgeben zu können, wurde ein Entscheidungsframework entwickelt. Je nach Auswahl erhält man am Schluss ein passendes Konzept mit entsprechenden Infos und Planungshinweisen.
The topic of this bachelor thesis is the development of efficient hot water heating systems. Hot water heating systems must meet comfort and hygiene requirements, which is why circulation systems are installed. However, conventional circulation systems have undesired consequences. By circulating the water back into the hot water storage tank, the water gets mixed, resulting in frequent reheating by the hot water generator with high return temperatures, leading to energy inefficiency.
A literature review served as the basis for concept development. After theoretical elaboration and evaluation of the concepts, the most promising variants were examined in a test setup at the Institute of Building Technology and Energy (IGE) at Lucerne University of Applied Sciences and Arts. The results of the experiments were documented and evaluated to formulate concept recommendations.
Multiple concepts were developed that use an external circulation heat pump for re-heating. Different variants were tested: 1) a non-modulating circulation heat pump with hydraulic decoupling via the hot water storage tank, 2) a modulating circulation heat pump, and 3) a circulation heat pump with a buffer. The variants were analyzed based on criteria, defined for this thesis.
From a hygiene, comfort, hot water supply, and energy efficiency perspective, all three variants achieved a significant improvement compared to conventional circulation. The two variants, modulating circulation heat pump (2) and circulation heat pump with a buffer (3), showed additional advantages. Both variants exhibited continuous and trouble-free operation at a high temperature level.
Returning the circulation to the hot water storage tank is preferable to returning it directly to the hot water pipe, as the storage tank can absorb temperature fluctuations from the reheater. However, both methods of circulation return are possible.
Due to additional components such as heat pumps, control systems, etc., the developed variants require higher investment costs. However, with lower operating costs, the investment costs can be amortized within 5 to 10 years.
Based on the measurement data and experiences, requirements for heat pump manufacturers could be formulated. The heat pumps must be capable of handling high return temperatures and enable a low temperature difference.
The measurements confirm that the concept of using a circulation heat pump (modulating or with a separate buffer) allows for circulation return without significant mixing of the hot water storage tank. This concept can meet the hygiene and comfort requirements while improving the energy efficiency of hot water heating systems.
Due to various on-site conditions such as space limitations, existing or new construction, the two preferred variants have their application areas in different setups. To provide an individual and appropriate recommendation based on the complexity arising from multiple variables, a decision-
making framework was developed. Depending on the selection, a suitable concept with corresponding information and planning recommendations can be obtained.