VDI 4650 Blatt 1-2016 Calculation of the seasonal coefficient of performance of heat pumps - Electric heat pumps for space heating and domestic hot water.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREBerechnung der Jahresarbeitszahl von WrmepumpenanlagenElektrowrmepumpen zur Raumheizung und TrinkwassererwrmungCalculation of the seasonal coefficient of performance of heat pumpsElectric heat pumps for space heating and domestic hot waterVDI 4650Blatt 1 / Part 1Ausg. deuts

2、ch/englischIssue German/EnglishVDI-Gesellschaft Energie und Umwelt (GEU)Fachbereich Energiewandlung und -anwendungVDI-Handbuch EnergietechnikVDI-Handbuch Ressourcenmanagement in der UmwelttechnikVDI-Handbuch Wrme-/HeiztechnikVDI-RICHTLINIENFormereditions: 03/09; 11/14, Draft, inGermanonlyZu beziehen

3、 durch/ Available at BeuthVerlag GmbH,10772Berlin Alle Rechte vorbehalten/ All rights reserved (a) Verein Deutscher Ingenieure e.V.,Dsseldorf2016Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie is

4、t verbindlich.ICS 27.080, 91.140.10Dezember 2016December 2016The German version of this standard shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation. Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . .

5、. . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 42 Normative Verweise. . . . . . . . . . . . . . . 53Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Formelzeichen, Abkrzungen und Indizes . . 85 Grundlagen der Berechnung. . . . . . . . . . 105.1 Bilanzgrenze . . . . . . . . . . .

6、 . . . . . . 115.2 Einflussfaktoren auf die Berechnung der Jahresarbeitszahlen . . . . . . . . . . . 115.3 Zustzliche Annahmen und Einflussfaktorenfr die Trinkwassererwrmung . . . . . . . 135.4 Betriebsweise einer Wrmepumpe . . . . . 146 Berechnung der Jahresarbeitszahl . . . . . . 176.1 Berechnung

7、der JahresarbeitszahlRaumheizung . . . . . . . . . . . . . . . . 176.2 Berechnung der Jahresarbeitszahl Trinkwassererwrmung . . . . . . . . . . . 296.3 Monoenergetische und bivalente Betriebsweise . . . . . . . . . . . . . . . . 396.4 Solaruntersttzung . . . . . . . . . . . . . . 416.5 Khlung . . .

8、. . . . . . . . . . . . . . . . 426.6 Berechnung der Gesamtjahresarbeitszahl . . 447 Primrenergetische Bewertung. . . . . . . . . . . .457.1 Monovalente Wrmepumpenanlage . . . . 457.2 Bivalente Wrmepumpenanlage mit mehreren Wrmeerzeugern . . . . . . . . . 46Contents PagePreliminary note . . . . . .

9、. . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Normative references . . . . . . . . . . . . . . 53 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . . 64 Symbols, abbreviations and indices . . . . . . 85 Basics

10、 of calculation. . . . . . . . . . . . . . . 105.1 System boundaries . . . . . . . . . . . . . . 115.2 Factors influencing the calculation of the seasonal coefficients of performance. . . . . 115.3 Additional assumptions and influencing factors for domestic hot water heating . . . . 135.4 Operating

11、mode of the heat pump . . . . . . 146 Calculation of the seasonal coefficient of performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176.1 Calculation of the seasonal coefficient of performance for space heating . . . . . . 176.2 Calculation of the seasonal coefficient of performance for domestic hot wa

12、ter heating. 296.3 Mono-energetic and bivalent operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.4 Solar support . . . . . . . . . . . . . . . . . 416.5 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.6 Calculation of the overall seasonal coefficient of performance . . . . . . . . . . 447 Primary

13、 energy assessment . . . . . . . . . . 457.1 Monovalent heat pump system. . . . . . . . 457.2 Bivalent heat pump system with several heat generators . . . . . . . . . . . . 46Frhere Ausgaben: 03.09;11.14,Entwurf,deutschFormer editions: 03/09; 11/14, Draft, in German onlyB974908A824A6748CAAAA99BAB349

14、F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-02Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 20162 VDI 4650 Blatt 1 / Part 1Seite8 Beispielrechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478.1 Erdwrmesonden-Wrmep

15、umpe . . . . . . 478.2 Grundwasser-Wrmepumpe . . . . . . . . 498.3 Luft-Wasser-Wrmepumpe . . . . . . . . . 528.4 Warmwasser-Wrmepumpe. . . . . . . . . 538.5 Heizungsanlagen mit zwei Wrme-erzeugern (bivalenter oder mono-energetischer Betrieb) . . . . . . . . . . . . 54Schrifttum . . . . . . . . . . .

16、 . . . . . . . . . 58VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind

17、vorbehalten.Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung desUrheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedin-gungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserRichtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der

18、aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinienreihe ist im Internet abrufbar unterwww.vdi.de/4650.EinleitungUm die energie- und umweltpolitischen Ziele derBundesregierung (Verminderung des Primrenergie-verbrauchs und der CO2-Emissionen sowie ein ver-mehrter Einsatz von regenerativer Energie) zu errei-c

19、hen, sind Anstrengungen in allen Verbrauchssekto-ren ntig. Bei der Raumheizung, mit ihrem sehr gro-en Anteil am Energieverbrauch, bietet neben derVerminderung des Bedarfs durch Wrmeschutz eineeffiziente Heiztechnik erhebliches Potenzial zur Er-reichung der Ziele.Insbesondere das thermodynamische“ He

20、izen mitWrmepumpen kann fr neue und vor allem fr Mil-lionen bestehende Gebude betrchtliche Primr-energie- und CO2-Einsparungen bringen, indem dievon der Sonne eingestrahlte Umweltwrme genutztwird (bodennahe Atmosphrenschichten, Gewsserund oberflchennahe Erdwrme). Die kobilanz ei-ner Wrmepumpe ist u.

21、a. abhngig von ihrer Effizienz, dem Strommix,Page8 Calculation examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478.1 Heat pump with borehole heat exchangers . 478.2 Groundwater-source heat pump . . . . . . . 498.3 Air-water heat pump . . . . . . . . . . . . . 528.4 Hot water heat pump . . . . . . .

22、. . . . . . 538.5 Heating Systems with two heat generators (bivalent or mono-energetic operation mode) . . . . . . . . . . 54Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Preliminary noteThe content of this standard has been developed instrict accordance with the requirements and recom-me

23、ndations of the standard VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting,reproduction (photocopying, micro copying), storagein data processing systems and translation, either ofthe full text or of extracts.The use of this standard without infringement ofcopyright is permitted subject

24、 to the licensing condi-tions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDINotices.We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this standard.A catalogue of all available parts of this series ofstandards can be accessed on the Internet atwww.vdi.de/4650.IntroductionIn order to a

25、chieve the energy and environmental pol-icy targets of the German federal government,namely the reduction of primary energy consumptionand CO2emissions, as well as an increased deploy-ment of energy from renewable sources, efforts arenecessary in all consuming sectors. In space heating,which account

26、s for a very large proportion of energyconsumption, heating technology has a considerablepotential of contributing to these targets, in additionto a cutback on the demand by means of thermal in-sulation.In particular, the “thermodynamic” heating usingheat pumps can lead to significant primary energy

27、and CO2savings in new, and mainly in millions of ex-isting buildings, by making use of the ambient heatresulting from solar radiation (ground-level layers ofthe atmosphere, water bodies and near-surface geo-thermal energy). The life cycle assessment of a heatpump depends, among other factors, on the

28、 efficiency of the heat pump, the electricity mix,B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-02All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 VDI 4650 Blatt 1 / Part 1 3 der Art des Klte

29、mittels und dem Umgang mit dem Kltemittel.Durch die zunehmende Bereitstellung von Strom ausregenerativen Energiequellen und effizientererStromerzeugung verbessern sich die Primrenergie-und kobilanz von Wrmepumpen kontinuierlich.Dies betrifft auch die bereits seit Jahren in Betrieb be-findlichen Wrme

30、pumpenanlagen, die automatischohne zustzliche Manahmen und Investitionen pri-mrenergetisch effizienter werden.In der Europischen Union wird die Anwendung derWrmepumpe als wichtiger Bestandteil zur Errei-chung der Energieeinspar- und Klimagasredukti-onsziele angesehen. Wrmepumpen sind daher in denEU-

31、Richtlinien zu erneuerbaren Energien ausdrck-lich bercksichtigt (Richtlinie 2009/28/EG und Be-schluss 2013/114/EU). Mit dem zunehmenden Anteil an regenerativ erzeug-tem Strom, steigt die Diskrepanz zwischen Strombe-darf und Stromerzeugung. Die Wrmepumpe kanneinen wertvollen Beitrag zum Lastausgleich

32、 und zurStabilisierung des Stromnetzes leisten. Bereits heutewird der Betrieb von Wrmepumpen durch Netzbe-treiber lastabhngig ohne Komforteinbuen fr denNutzer unterbrochen, da die thermische Trgheit desGebudes und gegebenenfalls installierte Pufferspei-cher den Temperaturabfall verlangsamen. Zuknfti

33、gkann die Wrmepumpe auch derart an eine unsteteStromlieferung angepasst werden, dass im VorausWrme produziert und gespeichert wird. Diese VDI-Richtlinie beschreibt ein einfach zu hand-habendes, aber gengend genaues, Verfahren, zur Be-rechnung der energetischen Effizienz, das alle tech-nisch bedeuten

34、den Einflussgren bercksichtigt. Um den technischen Fortschritt besser abzubilden(z.B. andere Kltemittel, Verdichtertechnologien,oder Leistungsregelungen), wurden auf Basis der Er-gebnisse der Feldmonitoringprojekte des Fraunhofer-Instituts fr solare Energiesysteme (ISE), wichtigeErkenntnisse aus der

35、 Praxis fr die Berechnungen be-rcksichtigt. Die vielfltigen Eingriffe des Nutzers,z.B. gewhlte Raumtemperatur, Lftungsgewohn-heiten und Reglereinstellungen, haben einen starkenEinfluss auf die Betriebsbedingungen der Wrme-pumpe. Dadurch kann die in der Praxis erreichte Jah-resarbeitszahl deutlich vo

36、n der berechneten abwei-chen.Diese Richtlinie befasst sich mit Elektrowrmepum-pen, insbesondere zur Versorgung von Wohngebu-den mit Wrme fr Raumheizung und Trinkwasserer-wrmung, und gibt Hinweise zur Raumkhlung. Eswerden hauptschlich die am Markt anzutreffendentechnischen Varianten behandelt. the ty

37、pe of the refrigerant and the application of the refrigerant.Owing to the increasing supply of electricity from re-newable sources of energy and more efficient elec-tricity generation, the primary energy balance and lifecycle assessment of heat pumps are constantly im-proving. This also applies to h

38、eat pump systems thathave been operated for years, which are automati-cally becoming more efficient in terms of primary en-ergy consumption, without any additional measuresor capital expenditure.In the European Union, the use of heat pumps is con-sidered to be an important element of the efforts toa

39、chieve the energy saving and greenhouse gas reduc-tion targets. Therefore, heat pumps have been explic-itly considered in the EU directives on energy fromrenewable sources (directive 2009/28/EC and deci-sion 2013/114/EU). With the increasing share of electricity from renew-able sources, the mismatch

40、 between electricity de-mand and electricity generation is increasing. Heatpumps can make a valuable contribution to load bal-ancing and to the stabilisation of the electrical grid.Already today, grid operators disconnect heat pumpsif the load situation so requires, with no detriment tocomfort for t

41、he users, as the drop in temperature isslowed down by the thermal inertia of the buildingand buffer tanks that may be installed. In the future,heat pumps can also be adapted to fluctuating elec-tricity supply by producing heat in advance and stor-ing it. This VDI Standard describes an easy to use wh

42、ile suf-ficiently accurate procedure for a calculation of theenergy efficiency, which considers all technically rel-evant influencing parameters. In order to map the technical progress better (e.g.other refrigerants, compressor technologies, or out-put control), important findings from practice were

43、considered for the calculations, based on the resultsof the field monitoring projects conducted by theFraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE).The many and diverse interventions by the user, suchas room temperature chosen, airing habits and con-troller adjustments, strongly impact on the

44、operatingconditions of the heat pump. As a consequence, theseasonal performance factor achieved in practicemay deviate significantly from the calculated sea-sonal coefficient of performance .This standard deals with electric heat pumps, partic-ularly those providing residential buildings with heatfo

45、r space heating and domestic hot water heating, andprovides some advice on space cooling. The standarddeals mainly with technical variants that are commer-cially available.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stan

46、d 2017-02Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 20164 VDI 4650 Blatt 1 / Part 1Gegenber der Ausgabe vom Mrz 2009 dieserRichtlinie sind folgende Berechnungsverfahren, Aus-gangswerte und Themen verndert oder neu bearbei-tet worden: leistungsgeregelte Wrmepumpen Anlagen mit

47、 Zwischenkreis-Wrmebertrager und Sole-Wasser-Wrmepumpen Trinkwassererwrmung Hocheffizienzpumpen SolaruntersttzungKhlung primrenergetische Bewertung Anpassungen aufgrund genderter europischer NormenNeu aufgenommen in die Berechnung der Jahresar-beitszahl von Wrmepumpen sind leistungsgeregelteWrmepump

48、en. Die einfachste Ausfhrung sind An-lagen mit zwei Verdichtern im selben Arbeitskreis.Der Verdichter kann aber auch durch unterschiedli-che elektronische Verfahren innerhalb von Grenzenkontinuierlich in seiner Leistung geregelt werden. ImGegensatz zu herkmmlichen Fixed-speed-Wrme-pumpen, ermglicht

49、der Betrieb von leistungsgere-gelten Wrmepumpen, je nach Technologie, einemehr oder weniger gute Anpassung der jeweiligenWrmeabgabe des Gerts an den Wrmebedarf derNutzanwendung. Die niedrigeren mittleren Vorlauf-temperaturen fhren zu einer Verbesserung der Jah-resarbeitszahlen, die in der Berechnung leistungsge-regelter Wrmepumpen bercksichtigt werden.1 AnwendungsbereichStaatliche und andere Untersttzung gewhrende In