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July 20, 2023
Diploma Thesis
Title
Simulationsmodelle für Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Fokus auf Vereisung und Abtauung
Other Title
Simulation models for air-to-water heat pumps with focus on frost and defrosting
Abstract
Wärmepumpen gewinnen auf dem Gebiet der nachhaltigen Energieversorgung von Gebäuden zunehmend an Bedeutung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Heizkesseln sind Wärmepumpen, die Luft als Energiequelle nutzen, in ihrer Anwendung eingeschränkt, aufgrund der hohen Vereisungsgefahr bei niedrigen Außenlufttemperaturen. Das Fraunhofer IIS/EAS verwendet zur Untersuchung von Betriebs- bzw. Regelstrategien in der Gebäudeenergietechnik Simulationsmodelle in Modelica. Insbesondere die Simulationsmodelle von Wärmepumpen aus der AixLib, einer frei zugänglichen Modelica-Bibliothek, weisen jedoch Defizite bei der Berücksichtigung von Vereisung und Abtauung von Wärmeübertragern auf. In der vorliegenden Arbeit wird die Vereisungsthematik von Luftwärmepumpen aufgegriffen. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf der Modellierung und Simulation. Nach eingehender Recherche zur Vereisung und Abtauung von Wärmeübertragern, wurde mit der Simulationssoftware Dymola ein Simulationsmodell entwickelt, welches das Vereisungsverhalten von Luft-Wasser-Wärmepumpen nachstellt. Das Modell beschreibt detailliert die thermodynamischen Zusammenhänge, welche während der Vereisung, auch als Frost- oder Reifbildung bezeichnet, auftreten. Hierbei wurde angenommen, dass die Vereisung in Form von Desublimation auftritt. Die luftseitigen Wärme- und Stoffübertragungseffekte wurden dabei in den Mittelpunkt der Modellierungsaufgabe gestellt. Darüber hinaus wurde diese um Aspekte zur Darstellung der Effizienz erweitert. Damit ist es möglich die Leistungszahl (COP) aber auch die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe simulativ darzustellen. Die Plausibiltät des Modells wurde sowohl für die Vereisung als auch Abtauung anhand von Messdaten geprüft. Diese wurden aus einer Studie zu bereiften Verdampfern von Christoph Reichl zusammengetragen und dienen als Vergleichswerte für die Simulationsergebnisse. Anschließend wurde der Einfluss der Vereisung sowie der Abtauung auf die Wärmepumpe, basierend auf der Jahresarbeitszahl, untersucht und diskutiert. Es wurden qualitativ plausible Simulationsergebnisse erzielt, die auf den detaillierten Modellierungsansatz zurückgeführt werden können. Allerdings ergaben sich auch Abweichungen zu den Messdaten der Vergleichsstudie. Eine Auswahl möglicher Ursachen dieser wurden ebenfalls im Rahmen der Auswertung zusammengestellt. Abschließend wurde ein Konzept für die Integration des Simulationsmodells in AixLib beschrieben und mögliche Ansätze für die Implementierung vorgeschlagen.
Thesis Note
Dresden, TU, Dipl.-Arb., 2023
Advisor(s)
Funder
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz -BMWK-