Regelung einer Wärmepumpenanlage
Unterrichtseinheit
Mit den immer aktueller und dringender werdenden Diskussionen über Energiesparen nimmt das Interesse an Wärmepumpenanlagen zu. Lerngegenstand der Unterrichtseinheit ist die Funktionsweise einer Wärmepumpenanlage und deren Regelung.Die Schülerinnen und Schüler analysieren methodisch die Funktionsweise einer Wärmepumpenanlage. Diese wird durch eine Animation veranschaulicht. Sie ziehen Kennzahlen von Wärmepumpen heran und vergleichen mithilfe von Tabellenkalkulationsprogrammen den Energieverbrauch zweier Wärmepumpen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Analyse der Regelung der Wärmepumpenanlage. Die Schülerinnen und Schüler bilden die Zweipunktregelung in das Modul BORIS des Programms WinFACT ab und lernen den Einfluss der Schalthysterese auf die Schalthäufigkeit kennen.Lerngegenstand ist eine zweipunktgeregelte monovalente Elektrowärmepumpenanlage zur Raumheizung. Aufgrund der Komplexität des Systems ist die Anforderung an die Schülerinnen und Schüler hoch. Der Lerngegenstand eröffnet ihnen die Chance, komplexe Systeme fachgerecht verstehen zu lernen. Eine geeignete fachspezifische Methode ist die Analysemethode. Zunächst wird die Funktionsweise der Wärmepumpenanlage und anschließend die Regelung der Anlage analysiert. Aufgabenstellung Das Erläutern der Aufgabenstellung steht zu Beginn des Unterrichtsverlaufs. Die Lehrkraft sollte in die Fragestellungen einführen. Funktionsweise einer Wärmepumpenanlage Die Schülerinnen und Schüler setzen sich intensiv mit den Arten von Wärmepumpen, mit Energiebilanzen und Kennwerten dieser Bilanzen auseinander. Regelungen einer Wärmepumpenanlage Um die Ursache der Unterbrechungsmeldung und die Auswirkungen einer Änderung der Schalthysterese auf die Raumtemperatur verstehen zu können, analysieren die Schülerinnen und Schüler die Regelung einer Wärmepumpenanlage. Methodenkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler sollen ihre methodischen Fähigkeiten im Umgang mit komplexen technischen Systemen weiterentwickeln. die Analysemethode einüben und anwenden lernen. mit Bedienungsanleitungen vertraut werden und diese einsetzen. Fachkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler sollen die Funktionsweise einer Wärmepumpenanlage verstehen. mit Kennzahlen von Wärmepumpenanlagen rechnen. die Regelung einer Wärmepumpenanlage verstehen. die Funktionsweise einer Zweipunktregelung, den Begriff Schalthysterese und die Begriffe oberer beziehungsweise unterer Schaltpunkt verstehen. Thema Regelung einer Wärmepumpenanlage Autor Markus Asmuth Zielgruppe Handwerkliche und industrielle Elektroberufe Lernfeld Energie- und gebäudetechnische Anlagen in Stand halten und ändern Zeitraum 10 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Tabellenkalkulationsprogramm (MS-Excel oder OpenOffice Calc), Software WinFACT mit dem Modul BORIS Planung Regelung einer Wärmepumpenanlage Am Beispiel einer zweipunktgeregelten Wärmepumpenanlage soll das Verhalten unstetiger Regler in Regelkreisen mit Einfluss der Hysterese untersucht werden. Geeignet ist folgende praxisbezogene Aufgabenstellung: Die Aufgabenstellung spiegelt eine reale Situation authentisch wieder. Eine Unterbrechungsmeldung am Display von Waterkotte Wärmepumpenanlagen kann auftreten und es sollte dann Einfluss auf den Anlagenbetrieb genommen werden. Parameter können direkt am Bedienteil des Reglers geändert werden. Optional kann der Regler mit einem Telefonmodem ausgestattet werden und so jederzeit mit der Servicefirma in Verbindung treten. Auf dem Bildschrim ist dann der Systemzustand ersichtlich und aus der Ferne kann eingegriffen werden. Wärmepumpenanlagen sind Wärmekraftmaschinen, die zur Raumbeheizung, zur Warmwasserbereitung und in der Verfahrenstechnik eingesetzt werden. Hierbei wird die in der Umgebung (Erdreich, Grundwasser, Umgebungsluft) zwischengespeicherte Sonnenenergie oder Abwärme aus Produktionsprozessen genutzt. Neben der Umgebungsenergie benötigt die Wärmepumpe elektrische Energie, Verbrennungsenergie (Kompressionswärmepumpen) oder thermische Energie (Absorptionswärmepumpen). Der größte Anteil der in Deutschland installierten Wärmepumpenanlagen fällt auf elektrische Wärmepumpenanlagen zur Wohnraumbeheizung und auf Kleinstanlagen zur Warmwasserbereitung. Meistens werden Wärmepumpen mit monovalenter Betriebsweise installiert. Monovalente Anlagen decken als alleiniger Wärmeerzeuger den gesamten Wärmebedarf des Gebäudes. In den letzten Jahren ist die Zahl neu installierter Wärmepumpen zur Wohnraumbeheizung deutlich gestiegen. Grund für diesen Marktaufschwung sind die steigenden Energiepreise und vor allem die Diskussion bezüglich der ökologischen Nebenwirkungen von Anlagen zur Raumheizung. Die Raumheizung ist in Deutschland besonders in der Diskussion, da auf sie ca. 30 % des Primärenergieverbrauchs fällt und somit entsprechend hohe Minderungspotentiale der C02-Emissionen bestehen. Impulse erhielt der Wärmepumpenmarkt durch die Energieeinsparverordnung von 2002 und Fördermaßnahmen von Bund, Ländern, Kommunen und Energieversorgungsunternehmen. bmvbw.de Die Energiesparverordnung können Sie auf der Seite des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen nachlesen. Die Anzahl der Niedrigenergie- und Passivhäuser wird durch die Klimaschutzbemühungen weiter wachsen und damit auch die Anwendungsmöglichkeiten von Wärmepumpen. Insbesondere bei Niedrigenergie- und Passivhäusern hat die Wärmepumpe günstige Einsatzbedingungen. Ob der Einsatz einer Wärmepumpe zur Raumheizung sinnvoll ist, muss im Einzelfall entschieden werden. Mehr Anwendungsfelder könnten mit dem zunehmenden Einsatz kohlenstoffärmerer Brennstoffe in der Stromerzeugung und damit einer besseren ökologischen Bilanz der Wärmepumpe ergeben. Die Warmwasserversorgung wird in die unterrichtliche Betrachtung nicht mit einbezogen. Einerseits um die Komplexität zu verringern, andererseits, da empfohlen wird, die Warmwasserversorgung möglichst nicht mit der Heizungswärmepumpe sicherzustellen. Als Systemgrenze wird die Wärmepumpenanlage (mit den Komponenten Wärmezuführung, Wärmepumpe, Wärmeverteilsystem) einschließlich Wohnraum festgelegt. Die Wärmepumpe selbst besteht aus den Wärmetauschern, dem Kompressor und dem Expansionsventil. Die Umwälzpumpen, der Motorschutz, eine Anlaufstrombegrenzung, der Tonfrequenz-Rundsteuerempfänger und andere "Details" werden nicht betrachtet. Das so abgegrenzte und reduzierte System wird in den vier Schritten der Analysemethode von den Schülerinnen und Schülern analysiert. Wichtig für das Verständnis einer Wärmepumpe ist, dass neben elektrischer Energie Umgebungsenergie zur Raumerwärmung beziehungsweise zur Wassererwärmung genutzt wird. Die Unterrichtseinheit soll technisches Basiswissen vermitteln, um eine Diskursfähigkeit in Hinblick auf das Minderungspotential von C02-Emissionen und der Wirtschaftlichkeit zu ermöglichen. Die Leistungsziffer und die Jahresarbeitszahl als Kennwerte der ökologischen Bilanz einer Wärmepumpenanlage sind Unterrichtsinhalt. Das Thema "Regelung einer Wärmepumpenanlage" dient als Einführung in die Regelungstechnik. Die Regelung der Temperatur der abgegebenen Wärme erfolgt üblicherweise durch Ein- und Ausschalten der Wärmepumpe (Zweipunktregelung). Neben einer Zweipunktregelung besteht neuerdings noch die Möglichkeit der Leistungsregelung mittels Frequenzumformer. In Deutschland zeichnet sich bisher nicht ab, dass sich solche drehzahlgeregelten Elektrowärmepumpen zur Hausheizung durchsetzen werden. Es wird eine konstante Außentemperatur über den betrachteten Zeitraum angenommen und es wird eine ausbleibende Wärmeeinstrahlung auf den Raum, beispielsweise durch Sonnenstrahlung, Personen oder Beleuchtung, vorausgesetzt. Durch diese Annahmen wird erreicht, dass die Lüftungs- und Transmissionswärmeverluste konstant sind und somit die Rücklauftemperatur der Fußbodenheizung als Regelziel konstant gehalten werden soll, das heisst das Führungsverhalten des Regelkreises bei konstantem Sollwert der Rücklauftemperatur wird untersucht. Gewählt wurde eine Anlage ohne Einzelraumregelung, um die Komplexität des Systems weiter zu verringern. Im Wirkungsplan ist die Regelung einer Wärmepumpenanlage der Firma Waterkotte dargestellt. Der Wärmepumpenregler "RESÜMAT CD" besteht aus der Reglerplatine und einem Bedienteil, das in die Blende der Wärmepumpe eingebaut ist. Folgende Texte enthalten die Anleitung für die Wärmepumpenalage der Firma Waterkotte: Nachdem die Regelung mittels der Analysemethode von den Schülerinnen und Schülern untersucht wurde, ordnen sie die Größen und die Elemente der Wärmepumpenregelung dem Wirkungsplan einer Regelung nach DIN 19226 zu. Der Regelkreis wird von den Schülerinnen und Schülern im Modul BORIS des Programms WinFACT abgebildet. Sie setzen die Software erstmalig ein. Das Programm ist in verschiedenen Varianten von Komponenten und Lizenzen erhätlich. Auf der Site des Ingeneurbüro Kahlert gibt es eine Preisliste mit den günstigeren Studienlizenzen. Eine Demo-Version (ohne die Möglichkeit des Speicherns und Druckens) kann kostenlos angefordert werden. In dem Fachbuch "Regelungstechnik - Projekte für den Lernfeldunterricht" vom Bildungsverlag EINS gibt es eine Light-Version des Programms. In der Aufgabenstellung ist die Behebung des Unterbrechungsbetriebs gefordert. Grund für den Unterbrechungsbetrieb sind Vorschriften des Versorgungsnetzbetreibers. Er verlangt eine Begrenzung der Schalthäufigkeit auf maximal drei Einschaltungen pro Stunde. Die Begrenzung der Schalthäufigkeit vermindert die Netzrückwirkungen. Der Unterbrechungsbetrieb des Wärmepumpenreglers ist im Regler "RESÜMAT CD" programmtechnisch wie folgt realisiert: Sind 20 Minuten zu dem vorherigen Einschaltpunkt vergangen? Wenn ja -> Einschalten Wenn nein -> Warten bis 20 Minuten um sind und dann einschalten Die Begriffe Schalthäufigkeit und Schalthysterese wurden während der Analyse der Wärmepumpenregelung geklärt. Die einzige sinnvolle Lösung zur Aufgabe besteht in der Vergrößerung der Schalthysterese. Nur theoretisch wäre der Einbau eines Pufferspeichers eine Alternative. Die Schülerinnen und Schüler lesen die Ein- und Ausschaltzeit und die Schalthysterese aus dem Diagramm ab. Sie berechnen die Schaltzyklusdauer und die Schalthäufigkeit. Der gestrichelte Zeitverlauf wurde für eine Hysterese von 2°C und der durchgezogene Zeitverlauf für eine Hysterese von 3°C aufgenommen. Da die Regelstrecke träge ist, überschreitet die Rücklauftemperatur den oberen Schaltpunkt und unterschreitet den unteren Schaltpunkt. Dieses Nachheizen und das Abkühlen sind im Zeitverlauf erkennbar. Die Auswirkungen der Erhöhung der Schalthysterese wird in der Simulation mittels BORIS deutlich. Der Unterbrechungsbetrieb wurde aufgehoben.
