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Bis zum Jahr 2030 sollen die CO₂-Emissionen im Gebäudebereich um 40 % im Ver­gleich zu 2022 sinken. So steht es im Klimaschutzgesetz, welches bereits 2019 von der Großen Koalition unter Kanzlerschaft der CDU und mit dem seinerzeitigen Koa­litionspartner SPD beschlossen wurde. Das Gesetz musste nachgebessert werden, weil das Bundesverfassungsgericht mangelnde Generationengerechtigkeit und Ver­stöße gegen die in der Verfassung garantierten Freiheitsrechte festgestellt hatte. Da­her kann auch die aktuelle Ampel-Regierung nur sehr schwer an den grundsätzlichen Zielen etwas ändern. Obwohl oder gerade weil uns eine derart umfassende Umstel­lung auf eine neue Heizungstechnologie vor große Herausforderungen stellt, sollte diese Aufgabe mit Blick auf das wichtige Ziel des Klimaschutzes dringend angegangen werden. Hierfür weist die geplante 65 %-Regel einen geeigneten Weg. Es sind nur noch sieben Jahre, die uns bleiben, um 40 % der Treibhausgasemissionen im Gebäu­desektor einzusparen. Das entspricht einer Absenkung von 112 auf 66 Mio. Tonnen CO₂-Äquivalent. In der Politik und in den Medien wird diese Debatte in Form einer hitzigen Diskussion über das Gebäude-Energiegesetz (GEG) geführt, die Verunsicherungen bei Gebäude­eigentümer:innen und Mieter:innen hervorruft. Mit dieser Stellungnahme wollen wir als Energiefachleute von den Scientists for Future dazu beitragen, den Diskurs auf eine sachliche und faktenbasierte Grundlage zurückzuführen., Zitiervorschlag / suggested citation: Clausen, J., et al. (2023). Die schnelle Verbreitung der Wärmepumpe ist zentral für eine schnelle Wärmewende. Online-Publikation, Berlin. Scientists for Future. 7 Seiten. doi: 10.5281/zenodo.8003360

Der durch fossile Brennstoffe verursachte anthropogene Klimawandel stellt eine große Bedrohung für unseren Planeten dar. Die Dekarbonisierung der Industrie ist daher entscheidend, um das Ziel einer nachhaltigen Zukunft zu erreichen. Eine Möglichkeit zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen in der Industrie ist der Einsatz von Hochtemperatur-Wärmepumpen, die mit Abwärme und geringen Mengen Strom betrieben werden und so fossile Brennstoffe ersetzen. Herkömmliche Expansionsventile, die in Wärmepumpen eingesetzt werden, sind jedoch aufgrund des irreversiblen Dissipationsprozesses ineffizient. Eine alternative Expansionsvorrichtung, der Ejektor, hat das Potenzial den Coefficient of Performance (COP) von Wärmepumpen um bis zu 26% zu verbessern. Dies macht Wärmepumpen nicht nur effizienter, sondern senkt auch deren Betriebskosten. In dieser Arbeit werden mit Hilfe von Numerischer Strömungsmechanik, Ejektoren für den Einsatz in einer industriellen Wärmepumpe, mit R1233zd(E) als Kältemittel, untersucht. Um den Rechenaufwand für die Simulation der im Ejektor auftretenden Zweiphasenströmung zu reduzieren, wird das Homogeneous Equilibrium Model(HEM) angewendet, welches ein thermisches und mechanisches Gleichgewicht zwischen den beiden Phasen annimmt. Dieses Modell wurde in die kommerzielle Software Ansys Fluent implementiert. Aus den Simulationen ging hervor, dass Ejektorgeometrien in allen Koordinatenrichtungen mit demselben Faktor skaliert werden können, ohne Einfluss auf die Performance des Ejektors. Dies führt zu einer Erhöhung des Massenstroms und damit zu einer Steigerung der maximalen Leistung. Bei Wärmepumpen, welche eine andere Leistungsabgabe haben als die, für die der Ejektor ursprünglich ausgelegt wurde, kann die Ejektorgeometrie einfach entsprechend skaliert werden. Die Simulation von 300 verschiedenen Geometrien in achsensymmetrischen 2D Simulationen führte zu einer Geometrie mit einem theoretischen Ejektorwirkungsgrad von ≈ 0.3907. Es wurde gezeigt, dass der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden kann, wenn der Wärmepumpenkreislauf eine Anpassung der Betriebsbedingungen erlaubt, da das Saugdruckverhältnis den Ejektorwirkungsgrad direkt beeinflusst. Der Vergleich der 2D-Simulationen mit 3D-Simulationen zeigte, dass die 2D-Simulationen ein gutes erstes Ergebnis liefern und damit erste Schritte zur Optimierung der Geometrie durchgeführt werden können. Für weitere Untersuchungen werden jedoch 3D-Simulationen empfohlen, insbesondere wenn tangentiale Saugeinlässe gewählt werden., Anthropogenic climate change caused by fossil fuels is a major threat to our planet. Decarbonization of the industry therefore is crucial to achieve the goal of a sustainable future. One way to reduce carbon emissions in the industry is by the use of high temperature heat pumps, which operate with waste heat and small amounts of electricity, thus replacing fossil fuels. However, traditional expansion valves used in heat pumps are inefficient, due to the irreversible dissipation process occurring inside. An alternative expansion device, the ejector, has the potential to improve the COP (Coefficient of Performance) of heat pumps up to 26\%. This makes heat pumps not only more efficient, but also reduces their operational costs. Utilizing Numerical Fluid Dynamics, ejectors for the use in an industrial heat pump with R1233zd(E) as a refrigerant are investigated in this thesis.To reduce the computational demand of simulating the two-phase flow inside the ejector, the Homogeneous Equilibrium Model (HEM), which assumes thermal and mechanical equilibrium between both phases, is applied. This model was implemented into the commercial software Ansys Fluent. From the simulations it was found that ejector geometries can be scaled with the same factor in all coordinate directions without changing the performance. This leads to an increased mass flow rate, therefore increasing the maximum power output. Thus, for heat pumps which have a power output different from the one for which the ejector was originally designed for, the ejector geometry must simply be scaled accordingly.The testing of 300 different geometries in 2D axisymmetric simulations led to a geometry with a theoretical ejector efficiency of ≈0.3907.It was shown that if the heat pump cycle allows an adaption of the operating conditions, the efficiency can further be increased, as the suction pressure ratio directly influences the ejector efficiency. By a comparison of the 2D simulations with 3D simulations, it was concluded that the 2D simulations give a valuable first result and thus first steps can be taken to optimize the geometry. However for further investigations 3D simulations are recommended, especially if tangential suction inlets are chosen.

Diese Bachelorarbeit mit dem Titel „Sanierung von Bestandsgebäuden – Alternativen zur Gasversorgung“ beschäftigt sich mit einer sehr aktuellen Problematik und hat zum Ziel, den Austausch bestehender Gasheizungen in Wien aus der ökologischen und ökonomischen Perspektive zu beleuchten und die Forschungsfrage: „Wie können all die bestehenden Gasthermen in Bestandsgebäuden im Wohnbausektor ersetzt werden, um die Energiewende zu schaffen?“ zu beantworten. Zur Beantwortung der Forschungsfrage wurden verschiedene Literaturquellen in Form von Fachbüchern, Studien und Artikel von öffentlichen Einrichtungen herangezogen. Hierbei wird aufgezeigt, welche klimafreundlichen Alternativen auf welche Art und Weise in welcher Ausgangssituation zum Einsatz kommen können. Durch eine Gegenüberstellung mit Kostenaufstellung und Vor- und Nachteilen der alternativen Systeme wird eine Bewertung auf ökologischer und ökonomischer Ebene durchgeführt. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden zur Erweiterung des Blickwinkels die Herausforderungen aufgezeigt und bereits geplante und realisierte Beispiele aus Wien vorgestellt. In der Schlussfolgerung werden die Beobachtungen zusammengefasst und erläutert, ob und inwiefern der Ersatz der bestehenden Gasthermen hinsichtlich der Energiewende, geschafft werden kann. This bachelor’s thesis with the title “Refurbishment of existing buildings - Alternatives to gas supply” deals with the problem while looking at the replacement of existing gas heaters in Vienna from an ecological and economic perspective and to address the research question: “How can all the existing gas heaters in existing residential building sector be replaced in order to manage the energy transition?” Various sources of literature in the form of books, studies and articles form public institutions were used to answer the research question. In that way, it is shown, which climate-friendly alternatives can be used in which way and in which initial situation. By comparing the costs and advantages and disadvantages of the alternative systems, an evaluation is carried out on an ecological and economic level. Based on the insights gained, the challenges are highlighted to broaden the perspective and already planned and implemented examples from Vienna are presented. The conclusion summarizes the observations und explains, whether and to what extent the replacement of existing gas heater can be achieved regarding the energy transition.

Erstellt u. a. im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsprojekte: „Verbundvorhaben: Geosolare Nahwärmeversorgung für die Siedlung ‚Zum Feldlager‘“ (FKZ: 03ET1336C) im Rahmen des Förderkonzeptes „Energieeffiziente Stadt (EnEff:Stadt)" gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie; „Verbundvorhaben: EnEff: Wärme – Smart Thermal Subgrid: Effiziente und erneuerbare Gestaltung von Subnetzen – Umsetzung eines systemischen Ansatzes am Beispiel des Konversionsgebiets Benjamin Franklin Village / Mannheim; Teilvorhaben: Anlagentechnische Integration Erneuerbarer Energien; Betriebsstrategien“ (FKZ: 03ET1580A-C) gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei der Autorin.

Detaillierte Simulationen zeigen, dass mit dem Klimawandel und durch einen Wechsel von passiven zu aktiven Kühlmassnahmen bei energieeffizienten Bauten viel Wärme aus Gebäuden "gewonnen" und zur Regeneration von EWS eingesetzt werden kann. Bei modernen Wohngebäudenmüssen in diesen Fällen keine zusätzlichen Regenerationstechnologien realisiert werden, um eine problematische Langzeitauskühlung desUntergrundes in dicht bebauten Quartieren zu verhindern. Die für die aktive Kühlung benötigte elektrische Energie könnte zu einem grossen Teildurch gleichzeitig lokal erzeugten PV-Strom gedeckt werden. Andererseits zeigt eine Analyse von unterschiedlichen realen Quartieren, dass dieSituation bei Bestandbauten mit beschränktem Sanierungspotenzial anders ist und die bei der Kühlung anfallende Abwärme nicht ausreicht. Beieinem vollständigen Umstieg auf EWSWärmepumpen würde in diesen Fällen eine sehr starke Unterkühlung des Untergrundes drohen., + ID der Publikation: hslu_94088 + Art des Beitrages: Keynote an Praxisveranstaltung + Veranstalter: IBPSA + Sprache: Deutsch + Letzte Aktualisierung: 2023-07-10 16:24:46

Neben Effizienzmaßnahmen zur Reduzierung des Energiebedarfs müssen neue Konzepte zur Bereitstellung regenerativer Wärme für den Gebäudesektor entwickelt werden. Das Konzept der Kalten Nahwärme in Kombination mit dezentralen Wärmepumpen ist eines dieser neuen Konzepte. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer übergreifenden Methodik zur Untersuchung Kalter Nahwärmenetze in Bestands- und Neubauquartieren. Dazu wird im ersten Schritt die technische Umsetzbarkeit durch eine deutschlandweite Potenzialabschätzung bewertet. Im nächsten Schritt werden anhand zweier Realquartiere ökonomische Randbedingungen und ökologische Auswirkungen berechnet. Als weiterer Baustein werden Wärmeprosumer und deren Einfluss auf die Wärmeversorgung eines Quartiers betrachtet. In dieser Arbeit wird erstmalig eine integrierte und übergreifende Betrachtung Kalter Nahwärmenetze in Verbindung mit PV und Wärmeprosumern für Neubau- und Bestandsquartiere durchgeführt.

Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2021

Unsere Art zu Wohnen hat sich 2040 nicht sehr verändert. Dafür haben fast alle Gebäude jetzt Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen, und wir nutzen Ökostrom. Die Kosten der Umstellung wurden sozial gerecht verteilt. – Projekt Zukunftsbilder: Wissenschaftler:innen stellen auf Basis aktueller Forschungsergebnisse und Studien dar, wie eine nachhaltige Welt aussehen könnte. Dieser Text beschreibt eine von über 40 Facetten des Lebens und Wirtschaftens in einem von vier Zukunftsbildern. Weitere Texte finden sich in der Zenodo-Community des Projekts ‘Zukunftsbilder’. Neben einem Weiter-so-Bild (Titel: „Langsam“) werden drei verschiedene positive Zukünfte geschildert (Titel: „Groß“, „Fokussiert“ und „Graswurzel“), die soziale Ziele erreichen und planetare Grenzen (zum Beispiel die Pariser Klimaziele oder Biodiversitätsziele) einhalten. Unsere Texte sind keine formellen wissenschaftlichen Zukunftsszenarien, sondern Beschreibungen von möglichen Zukünften. Sie wurden gemeinsam von Wissenschaftler:innen und Menschen aus sozialen Bewegungen erarbeitet und von Wissenschaftler:innen begutachtet. Die Texte stellen die Sichtweise der Autor:innen dar und sind nicht innerhalb aller beteiligten Organisationen abgestimmt. Das Projekt dient dazu, eine neue, konstruktive Diskussion um unsere Zukunft mit möglichst vielen Menschen anzuregen. Mehr Informationen unter www.zukunftsbilder.net. Bitte die aktuellste Version beachten!

Der fortschreitende Klimawandel verlangt ein Umschwenken, weg von der fossilen Energieversorgung und hin zu den Erneuerbaren, wobei nachhaltige Tourismusangebote auch verstärkt einbezogen werden müssen. Der Campingplatz Treviris liegt auf dem Gelände des Rudervereins Treviris Trier und verzeichnet jährlich von Mitte April bis Mitte Oktober zwischen 40 und 50.000 Übernachtungen. Im Zuge des Neubaus des Bootshauses wird der vorhandene Gasanschluss zurückgebaut und die gesamte Wärme- und Stromversorgung der Liegenschaft muss auf regenerative Energien umgestellt werden. So soll der Bedarf des Campingplatzes, des Bootshauses (KfW 40 EE), der angegliederten Wohnbebauung mit zehn Wohneinheiten (KfW 40+) sowie mehrere Ladestationen emissionsneutral durch Sonnenenergie versorgt werden. Hauptbestandteile des Konzeptes sind eine 105 kWpeak PV Anlage mit 90 kWh Batteriespeicher sowie zwei Wärmepumpen, die um eine 80 m² hybride solarthermische Photovoltaikanlage (PVT) auf dem Campingplatz ergänzt werden soll. Insbesondere die Warmwasserversorgung des Campingplatzes ist hierbei eine Herausforderung, da die auftretenden Leistungsspitzen von 4m3 Warmwasser (WW) in 2 h nicht ausschließlich mittels Wärmepumpe bereitgestellt werden können. Es wird auf Wärmespeicher mit zentraler Frischwasserstation zurückgegriffen. Für die Dimensionierung der Hauptkomponenten: PVT Feld, Wärmepumpe und Pufferspeicher wird eine Zeitreihenanalyse mit variierendem Bedarf und schwankendem Solarangebot durchgeführt.

Im Projekt „Digitalisierung der Bestandsaufnahme und Angebotserstellung im Sanitär-, Heizungs- und Klima- (SHK) Handwerk“ (DiBesAnSHK) liegen die zwei Aspekte der Kundenkommunikation "Bestandsaufnahme" und "Angebotserstellung" für die Ertüchtigung und Erneuerung von Heizungsanlagen in Bestandsgebäuden im Fokus. Im Projekt werden eigene Software-Tools entwickelt, die Betriebe mit ihrer vorhanden IT-Hardware in diesen Bereichen unterstützen und mit bestehenden Systemen interoperabel sein sollen.

Die Investitions- und Betriebskosten von Heizungstechnologien über eine Lebensdauer von 20 Jahren stehen im Zentrum einer neuen Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE. Wie klimafreundlich die Heizungstechnologien sind, war ebenfalls ein Untersuchungsgegenstand der Forscherinnen und Forscher. Das Ergebnis: In vielen Fällen sind Wärmepumpen in Kombination mit Photovoltaik günstiger als Gaskessel. Die Studie wurde kurz vor dem aktuellen starken Anstieg der Energiepreise erstellt. Deutlich klimafreundlicher sind Wärmepumpen außerdem, wie die Daten zeigen. Fach-planer sollten die neuen Zahlen kennen.

In batterieelektrischen Fahrzeugen werden Wärmepumpen zur energieeffizienten Beheizung eingesetzt. Wird die Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt, kann sich bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen Reif auf der Oberfläche des Verdampfers bzw. Umgebungswärmeübertragers niederschlagen. Bei signifikanter Bereifung muss der Wärmeübertrager enteist werden. Das übergeordnete Ziel der Arbeit ist die Analyse und energetische Bewertung eines zyklischen Ver- und Enteisungsbetriebs einer Pkw-Wärmepumpe. Es werden unterschiedliche MPET-Wärmeübertragerkonstruktionen hinsichtlich ihrer Eignung für einen zyklischen Ver- und Enteisungsbetrieb als Direktverdampfer analysiert und bewertet. Die besonderen zusätzlichen Anforderungen an einen Wärmeübertrager für diesen Betrieb sind ein spätes Versperren des Luftpfads durch die Reifbildung und das Rückhalten einer möglichst geringen Schmelzwassermasse nach einer Enteisung. Die Wärmeübertragereigenschaften Lamellenabstand, Lamellenüberstand, Wärmeübertragertiefe sowie Entfall von Louvern und unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen werden hinsichtlich der genannten Anforderungen experimentell analysiert. Es stellt sich heraus, dass Wärmeübertrager mit gelouverten Lamellen, unbeschichteter Oberfläche, Lamellenabständen ≥1,15mm und zunehmender Tiefe für einen effizienten zyklischen Ver- und Enteisungsprozess förderlich sind. Ein neuartiges, numerisches Berechnungsmodell für einen MPET-Wärmeübertrager im zyklischen Ver- und Enteisungsbetrieb unter Berücksichtigung der Transportvorgänge und Zustände des rückgehaltenenWassers wird entwickelt. Der Vergleich mit experimentellen Daten weist eine mittlere Abweichung der gewählten Vergleichsgrößen kleiner als 4% auf. Eine experimentelle Analyse des Verhaltens einer Pkw-Wärmepumpe im Ver- und Enteisungsbetrieb zeigt, dass die Vereisungsbetriebszeit sich mit abnehmender Ventilatordrehzahl und zunehmender Zyklenanzahl verringert. Bei Enteisungen während der Fahrt sind kurze Enteisungszeiten durch die Wahl hoher Verdichterdrehzahlen für einen geringen elektrischen Gesamtenergiebedarf der Klimatisierung zu bevorzugen. Die durch die Wärmepumpe erzeugte Heizleistung während einer Enteisung ist begrenzt und muss durch einen vergleichsweise hohen Energiebedarf des elektrischen Widerstandheizers kompensiert werden. Bei einer Enteisung ohne Heizanforderung sind niedrige Verdichterdrehzahlen zu favorisieren. Ein Vergleich zwischen den experimentellen Daten und den numerischen Daten eines Wärmepumpenmodells im zyklischen Ver- und Enteisungsbetrieb zeigt eine mittlere relative Abweichung der gewählten Vergleichsgrößen von weniger als 7 %. Mit einer zyklischen Ver- und Enteisungsbetriebsstrategie kann die mittlere aufgenommene elektrische Gesamtleistung des Wärmepumpensystems bei Experimenten mit einem prototypischen Fahrzeugaufbau um bis zu 39% gegenüber einer Vereisungsvermeidungsstrategie im Umgebungslufttemperaturbereich zwischen −7,8 °C und −1,4 °C verringert werden. Die mittlere Abweichung des Berechnungsmodells liegt im Vergleich zu den experimentellen Daten bei 4,4 %. Anhand des Berechnungsmodells kann die Wärmepumpe bei unterschiedlichen Randbedingungen des Wärmepumpensystems verglichen werden. An exemplarischen numerischen Szenarien bei Umgebungslufttemperaturen von −10 °C und 0 °C wird ein energetischer Vorteil einer zyklischen Ver- und Enteisungsstrategie ab einer relativen Luftfeuchtigkeit größer als 50% gegenüber einer Vereisungsvermeidungsstrategie nachgewiesen. Bei 100% relativer Luftfeuchtigkeit liegt der energetische Vorteil der betrachteten Szenarien bei 42 %. Die zu Beginn des Wärmepumpenbetriebs rückgehaltene Wassermasse, die Umgebungslüfterdrehzahl und die Fahrgeschwindigkeit haben einen geringen Einfluss auf die elektrische Gesamtleistung des Klimatisierungssystems, In battery electric vehicles, heat pumps are applied for energy-efficient heating. If the ambient air is used as a heat source, frost may form on the surface of the evaporator or external heat exchanger at low ambient air temperatures. If significant amounts of frost accumulate, the heat exchanger must be defrosted. The primary aim of this work is the analysis and evaluation of the energy use of cyclic frosting and defrosting operation for a vehicle heat pump. Different MPET heat exchanger designs are analyzed and evaluated with regard to their suitability for cyclic frosting and defrosting operation as direct evaporators. The desired characteristics for a heat exchanger in this operation are a delayed blocking of the air path due to the frost formation, and the retention of as small a mass of melt water as possible after defrosting. The heat exchanger properties fin pitch, fin overlap, and heat exchanger depth, as well as the presence or omission of louvers and the effect of different surface coatings, are analyzed experimentally with regard to these desired characteristics. It is found that heat exchangers with louvered fins, an uncoated surface, fin pitch ≥1.15 mm, and greater depth are advantageous for an efficient cyclic frosting and defrosting process. A novel, numerical computational model for a MPET heat exchanger in cyclic frosting and defrosting operation is developed that accounts the transport processes and states of the retained water. The comparison with experimental data shows an average deviation of the chosen comparative variables to be less than 4 %. An experimental analysis of the performance of a vehicle heat pump in frosting and defrosting operation indicates a frosting operating time decrease with decreasing fan speed and increasing number of cycles. In the case of defrosting while driving, short defrosting times are preferred and can be achieved by operating at high compressor speeds, which will result in a low total electrical energy demand of the air conditioning. The heating capacity generated by the heat pump during defrosting operation is limited and has to be compensated by the comparatively high energy demand of the resistance heater. When defrosting during periods when cabin heating is not needed, low compressor speeds are preferred. A comparison between the experimental data and results of the heat pump model in cyclic frosting and defrosting operation shows an average relative deviation of the selected comparative variables of less than 7 %. Experiments with a prototype vehicle demonstrate that a cyclic frosting and defrosting operation strategy can reduce the mean total electrical power consumed by the heat pump system by up to 39% compared to a frosting prevention strategy in an ambient air temperature range of −7.8 °C to −1.4 °C. The average deviation of the computational model compared to the experimental data is 4.4 %. The computational model can be used to compare the heat pump system at different boundary conditions. Using exemplary numerical scenarios at ambient temperatures of −10 °C and 0 °C, a cyclic frosting and defrosting strategy is demonstrated to have an energy advantage compared to a frosting prevention strategy for ambient conditions with an air relative humidity greater than 50 %. At 100% relative humidity, the energy advantage of the cyclic frosting and defrosting strategy under the investigated scenarios is 42 %. The retained water mass at the beginning of the heat pump operation, the fan speed of the external heat exchanger and the driving speed have minor impact on the overall electrical power of the air conditioning system.

Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob Wärmepumpen im Sektor der Industrie bzw. im Sektor der produzierenden Betriebe, als technisch sinnvolle Variante zu den bestehenden Gas- und Ölkesseln einsetzbar sind. Die Motivation hinter dieser Fragestellung ist, den Dekarbonisierungspfad, wie er im EU Green Deal festgelegt ist, umsetzen zu können. Der Text dreht sich um zwei Forschungsfragen: • Welches Gesamtkonzept, aus Sicht der Industriebetriebe, ist notwendig, um im Zuge des Green Deals Wärmepumpen flächendeckend als Alternative zu verwenden? • Ist es technisch möglich und sinnvoll, bestehende Produktionsanlagen bei produzierenden Mittel- und Großbetrieben auf Wärmepumpen umzurüsten? Um diese Fragen beantworten zu können, wird mit der Methode der systemischen Literarturrecherche zuerst der nationale Energiemarkt, inklusive aller relevanten Branchen in der produzierenden Industrie, analysiert. In weiterer Folge werden zwei Betriebe aus dem Bereich der Lebensmittelindustrie anhand der extrahierten Daten aus ihren Nachhaltigkeitsberichten miteinander verglichen. Hier wird untersucht, ob sich eine Umstellung der thermischen Erzeugung auf ein Wärmepumpensystem, ökonomisch rentieren kann und wenn ja, welche Rahmenbedingungen dazu vorherrschen müssen. Die Ergebnisse zeigen, dass es – sofern die in der Arbeit definierten Rahmenbedingungen eingehalten werden können – wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll ist, auf Wärmepumpentechnologie umzusteigen. Die gewonnen Erkenntnisse helfen dabei ein Verständnis zu entwickeln, dass auch eine großflächige Adaptierung der bestehenden Industrieanlagen möglich wäre. Die benötigten Grundvoraussetzungen können von vielen Betrieben erfüllt werden, bzw. besteht die Möglichkeit diese in naher Zukunft zu erfüllen. Dies lässt auf eine Reduktion der Treibhausgasmissionen einer der größten Emittenten, nämlich den Industriebetrieben – hoffen. This thesis deals with the question whether heat pumps can be used in the industrial sector or in the sector of manufacturing companies as a technically reasonable alternative to the existing gas and oil boilers. The motivation behind this question is to be able to implement the decarbonization path as defined in the EU Green Deal. The text revolves around two research questions: • What overall concept, from the perspective of industrial companies, is necessary to use heat pumps as an alternative across the board as part of the Green Deal? • Is it technically possible and sensible to convert existing production facilities at medium-sized and large manufacturing companies to heat pumps? To answer these questions, the method of systemic literature research is first used to analyze the national energy market, including all relevant sectors in the manufacturing industry. Subsequently, two companies from the food industry are compared with each other based on the extracted data from their sustainability reports. Here it is examined whether a conversion of the thermal production to a heat pump system can be economically profitable and if so, which basic conditions must prevail for this. The results show that - provided the framework conditions defined in the paper can be met - it makes economic and ecological sense to switch to heat pump technology. The knowledge gained helps to develop an understanding that large-scale adaptation of existing industrial plants would also be possible. The required basic conditions can be fulfilled by many plants, or there is the possibility to fulfill them in the near future. This gives hope for a reduction of the greenhouse gas emissions of one the largest emitters, the industrial plants. Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Masterarbeit Wien, FH Campus Wien 2022

Im Zuge der fortschreitenden Elektrifizierung der Fahrzeuge f��llt mit steigender Effizienz die zur Verf��gung stehende Abw��rme der Antriebsstrangs zur Deckung des W��rmebedarfs des Innenraums. Die zus��tzlich notwendigen Ma��nahmen zur thermischen Konditionierung des Innenraums ��u��ern sich in einem rein elektrischen Betrieb bei kalten Umgebungstemperaturen in einer signifikant reduzierten Reichweite. Um diesem Problem entgegenzuwirken, befasst sich diese Dissertation mit der Entwicklung eines ganzheitlichen energieeffizienten Thermomanagement-Systems auf Basis einer umkehrbarenW��rmepumpe. Die Nutzung der Umgebungsw��rme senkt den elektrischen Energiebedarf des Thermomanagement-Systems im Vergleich zu herk��mmlichen Systemen basierend auf elektrischen Zuheizern bereits deutlich. Die anfallende Abw��rme der elektrischen Komponenten kann zus��tzlich eingebracht werden und tr��gt zu einer weiteren Reduktion des elektrischen Energiebedarfs durch Drosselung des Kompressors bei. Um das Potenzial dieses Mehrgr����ensystems vollst��ndig zu nutzen, wird eine nichtlineare modellpr��diktive Regelung (NMPC) entwickelt. Dieser fortschrittliche Regelungsansatz bedient sich eines mathematischen Modells des Systems und optimiert die Stellgr����en in einem definierten Zeithorizont auf Basis aktueller Messdaten. Es wird gezeigt, dass bei Kenntnis des zu erwartenden Geschwindigkeitsprofils und damit der zuk��nftig im Antriebsstrang entstehenden Abw��rme eine hochpr��zise Regelung m��glich ist. Ein experimenteller Machbarkeitsnachweis wird gezeigt, welcher eine echtzeitf��hige NMPC-Regelung einer W��rmepumpe in einem Fahrzeug-Demonstrator darstellt.

Solange der Gesamtstrombedarf nicht aus erneuerbaren Energien gedeckt wird, lassen sich durch Stromeinsparungen CO2-Emissionen reduzieren. Zunehmend rückt dabei das Optimierungspotential von Teil- oder Gesamtsystemen in den Vordergrund. Mit rd. 25 % des Gesamtenergiebedarfs der EU bietet sich im Gebäudetechnik- und Haushaltsgerätebereich ein großes Potential an, um durch Effizienzverbesserungen Stromeinsparungen zu erzielen. Effizienzsteigerungen werden für Einzelgeräte seit Einführung des Energielabels bzw. der EU-Energieverbrauchs-Kennzeichnung im Jahr 1998 vorangetrieben. Nicht zuletzt, da Gerätehersteller durch die Weiterentwicklungen der Konkurrenz zu immer neuen Entwicklungsschritten gezwungen sind, um selbst weiterhin Geräte abzusetzen. Dem Optimierungspotential der einzelnen Geräte sind jedoch Grenzen gesetzt, die durch den starken Konkurrenzdruck und die damit über Jahrzehnte weiterentwickelten Komponenten auch in vielen Bereichen bereits erreicht wurden. Zum einen ist ein hoher Entwicklungsstand zwar nur schwer durch neue Ansätze zu übertreffen, zum anderen eröffnet eine Stagnation aber auch erst die Möglichkeit neue Ansätze zu entwickeln, die im Anfangsstadium eines Entwicklungsprozesses noch sehr komplex und kostenspezifisch wenig interessant erscheinen. Durch die Zusammenlegung der Heizungs-/Lüftungstechnik mit Wärmepumpe und der Haushaltsgeräte mit Wärme- und/oder Kühlbedarf bietet sich ein innovativer Systemansatz an, um Synergieeffekte im Gesamtsystem auszunutzen. D.h. Stromeinsparungen für die einzelnen Geräte durch die effiziente Bereitstellung der Wärme zu erreichen, die Abwärme von Kühlgeräten dabei als Wärmequelle für das System zu nutzen und Kosteneinsparungen durch den Wegfall redundanter Komponenten zu erzielen. Die genannten Charakteristiken können in einem integrierten Gesamtsystem nutzungsseitig profitabel hinsichtlich der Strom- und Anschaffungskosten sein, wobei die Funktionalität der einzelnen Geräte erhalten bleibt. In der vorliegenden Arbeit werden Entwicklungsschritte abgehandelt, um den dargelegten Ansatz experimentell zu untersuchen und das Potential eines aufeinander abgestimmten Gesamtsystems zu bestimmen. Dazu wird ein Funktionsmuster des Systems entwickelt und im Labor aufgebaut, an dem Testreihen der Einzelgeräte und der Geräte in unterschiedlichen Systemkombinationen sowie Reihenfolgen durchgeführt werden. Durch den Betrieb der Geräte in sinnvollen Betriebsreihenfolgen können Vorzüge und Nachteile ausgearbeitet werden, die sich durch den Systembetrieb für die einzelnen Geräte unter realen Betriebsbedingungen ergeben. Der Messaufbau erlaubt außerdem eine energetische Charakterisierung der Einzelgeräte und der durch den Systemaufbau anfallenden Wärmeverluste, womit auch eine Datengrundlage für theoretische Potentialbetrachtungen des Gesamtsystems gegeben ist. Auf Grundlage der Untersuchungen zu den Einzelgeräten und den Systemkombinationen erfolgt die Konzeptionierung eines funktionalen Technikkonzepts als Produktentwurf. Unter Berücksichtigung von zusätzlichen Kosten, dem Wegfall redundanter Komponenten und dem Stromeinsparpotential nach reduzierten Wärmeverlusten über den Systemaufbau erfolgt eine wirtschaftliche Betrachtung des neuen Technikkonzepts. Für den betrachteten Fall werden Wärmeverluste über den Systemaufbau vermieden und die Abwärme der Kühlgeräte wird zum Heizen über die Wärmepumpe genutzt. Letztendlich zeigt sich, dass der Stromverbrauch der Haushaltsgeräte in einem einzelnen Haushalt von 985 kWh/a um bis zu 36 % reduziert werden kann, wenn die Geräte über das zentrale Wärmepumpensystem mit Wärme versorgt bzw. gekühlt werden. Im Szenario für das Jahr 2040 betrachtet, nachdem die CO2-Emissionen des Gebäudesektors durch energetische Sanierungen auf 50 Mio. t CO2-Äquivalent reduziert wurden, beträgt das Potential zur weiteren Reduzierung durch die Anwendung der entwickelten Technologie maximal 4,78 Mio. t CO2-Äquivalent, rd. 10 % der prognostizierten CO2-Emissionen des Sektors., Less energy consumption results into less CO2-emission. This remains a matter of fact as long as renewables do not cover the entire energy demand and belongs among others nowadays more than ever to key drivers in research and development. For that reason, energy efficiency improvements became very important to reduce the impact of abundant consuming technology sectors while comfort criteria need to be kept on a high level. In order to reduce the energy consumption by efficiency improvements the relevance of part and entire system solutions becomes increasingly significant for further CO2 reduction steps. Buildings and domestic appliances are responsible for around 25 % of the European electricity demand. Primarily, residential areas, where the choice of application and behaviour adjustments are up to one’s own, provide suitable preconditions for new and energy efficient technologies. Efficiency improvements of single appliances are driven by factors like the evaluation of products by the European energy label since 1998 and not least the rivalry between manufactures. Therefore, manufactures are challenged with advancements since several decades in order to keep a high technology level according to the state of the art, which in the end results into an exhaustion of efficiency improvements for single components. On the one hand, a high development status comes along with high standards but, on the other hand, it possibly opens new fields in research and development that before appeared as much to complex and cost specifically irrelevant. Combined system solutions like the combination of heating/air conditioning via the heat pump and domestic appliances with heating and/or cooling demand have the potential to benefit from synergy effects. I.e., first, to achieve a reduction of the electricity consumption for single appliances by providing heat efficiently, second, to utilize the waste heat from cooling appliances as the heat source of the heat pump and, third, to reduce investment costs by removing unnecessarily redundant components. As the consequence from the considered characteristics, consumers benefit in electricity and cost effectiveness while the functionality of single appliances should not suffer. In this thesis, several steps in the development process of a combined system concept are processed in order to determine the potential for a synchronized operation of domestic appliances and the centralized heat pump unit. Therefore, a functional model is developed as the test rig for the experimental investigations at the laboratory. The system allows for the interconnection of domestic appliances to the heat pump system to investigate the operating characteristics of the modified appliances in single mode as well as in different combinations of the integrated system. Due to the operation of the appliances in reasonable system combinations and sequences at the laboratory advantages and disadvantages can be concluded for the real-life conditions. The measurement concept is designed to allow for both the characterization of efficiency improvements of the appliances and the characterization of heat flows within the appliances as well as the system construction. Theoretically, an analysis of loss and demand is carried out to determine the overall system performance for the integrated operation mode. Finally, based on the explored experimental sequences a technology concept for the overall system is evolved, where also the economic potential is evaluated by the system cost and the year-round cost effectiveness yielded from efficiency improvements. For the considered case, heat losses over the system construction are avoided and the waste heat of cooling appliances is utilized for heating purposes by the heat pump. In the end, the electricity consumption of domestic appliances of around 985 kWh/a for a single household can be reduced by 36 % if the appliances are coupled to the centralized heat pump system for cooling and heating purposes. For the scenario for the year 2040, after CO2-emissions in the building sector have been reduced to 50 Mio. t CO2-equivalent by energetic refurbishments, the potential for a further reduction step by the application of the evolved technology amounts to a maximum of 4,78 Mio. t CO2-equivalent, around 10 % of the predicted CO2-emissions in this sector.

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit dem Thema der Abwasserwärmnutzung in Österreich. Abwasser ist in ausreichender Menge vorhanden und weist ein thermisches Potenzial auf, welches als Wärmequelle für den Einsatz von Wärmepumpen genutzt werden kann. Das Wissen und die Ausführung über die bestehende alternative Variante zur Öl- und Gasheizung sind am österreichischen Markt kaum vorhanden. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, das Bewusstsein für diese Energiequelle zu schaffen. Zu-nächst werden das System und die verschiedenen Ausführungsvarianten erörtert, gefolgt von den standortbedingten und gesetzlichen Rahmenbedingungen sowie der Zielgruppe - für wen ist diese Energienutzung geeignet bzw. ungeeignet?Der wirtschaftliche Aspekt, realisierte Referenzprojekte sowie die Schritte für eine Projektumsetzung vervollständigen die Arbeit. This diploma thesis deals with the topic of wastewater heat utilization in Austria. Wastewater is available in sufficient quantities and has a thermal potential that can be used as a heat source for the application of heat pumps. The knowledge and the execution about the existing alternative to oil and gas heating are barely available on the Austrian market. The aim of this diploma thesis is to create awareness for this energy source. First, the system and the different construction variants are explained, followed by the location-related and legal conditions, the target group - for whom is this use of energy suitable or unsuitable. The economic aspect realized reference projects as well as the steps for a project imple-mentation complete the work. vorgelegt von Christina Nicole Schifter Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Masterarbeit FH JOANNEUM 2022

Heat pumps are a key technology for decarbonizing the building sector, as they use electricity from renewable energy sources to supply heating and cooling in a resource-saving way. To reliably estimate the potential of resource conservation, it is essential to realistically predict the efficiency of energy conversion systems. However, common evaluation methods significantly neglect dynamics and the holistic evaluation of the system as a whole when determining the seasonal coefficient of performance (SCOP), which is a long-term efficiency metric for heat pumps. Predicted SCOPs are generally overestimated compared to real measured values. In addition to the energetic considerations, the demand for thermal comfort in indoor environments, which must be ensured by the energy conversion systems through space heating or cooling, is increasing nowadays. Thus, there is need to be able to evaluate energy conversion systems with respect to multi-criteria key performance indicators (KPIs) such as efficiency and comfort, which current assessment methods do not allow. This dissertation presents a novel method, which allows a holistic, multi-criteria KPI evaluation of complex energy conversion systems under realistic, dynamic boundary conditions. Applied to scenarios of heat pump systems for single-family houses, the evaluation objectives are the SCOP and the deviation of indoor temperature from its set point as representative of thermal comfort. The novel method uses the hardware-in-the-loop (HiL) concept and is referred to as “Dynamic System Evaluation” (DSE). Applying the HiL approach in this scope, the real energy system under test interacts in real-time and frequently exchanges data with dynamic simulation models of a heat transfer system and a building envelope. To apply the DSE method, the evaluation period is reduced from one year to a selection of experimental test days. In this work, we apply k-medoids clustering and demonstrate an information loss regarding the SCOP of 1.87 % due to the test time reduction from one year to four test days. Moreover, we show that the DSE method is repeatable and can be reproduced independently of the test facility and modeling language. To score the obtained results, we compare the DSE method to a pure system simulation, where the entire evaluation period of one year is assessed. In order to ensure valid system behavior of the air-to-water heat pump, which is the system under test, we perform a detailed model calibration. It turns out that the physical properties of the heat pump system can be calibrated well. In contrast, there are deviations in the operational behavior, which we can mainly ascribe to the actions of the created model of the real system controller. With respect to SCOP, the investigation leads to a relative difference of 8.43 %. The assessment of thermal comfort – primarily based on the deviations of set and actual room air temperatures – proves that the demand of space heating can be covered. In terms of the predicted mean vote (PMV) and the mean deviation of temperature residuals on each test day, the heat pump system ensures a comparable thermal comfort between the DSE method and system simulation. The mean deviation is between 2.12 K and 2.34 K. This maximum difference of 0.22 K remains in a range which is almost non-perceivable for the human body. To conclude: When a dedicated multi-criteria KPI can be defined and quantified, the reduction of the evaluation period to a selection of representative test days is verified. Hence, we recommend applying the DSE method for holistic evaluations of energy conversion systems.

Kalte Nahwärmenetze im Temperaturbereich bis 20°C bieten die Möglichkeit der CO\(_{2}\) armen Wärmeversorgung von Wohngebäuden mit Hilfe von dezentralen Wärmepumpen. Dazu muss eine zentrale Wärmequelle erschlossen werden. Hierfür kommen verschiedene regenerative Niedertemperatur-Wärmequellen wie Geothermie oder Umweltwärme in Frage. Um zu ermitteln, welche Wärmequelle sich für die Einbindung in ein kaltes Nahwärmenetz eignet, wird eine Methodik für die Auslegung der Wärmequelle, des kalten Nahwärmenetzes und der Wärmepumpen entwickelt. Im Rahmen einer technischen und wirtschaftlichen Bewertung liefert die Arbeit eine Entscheidungshilfe für die Wahl der Wärmequelle. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärmequellen zwar einen Einfluss auf die Gesamteffizienz des Wärmeversorgungssystems haben, die größten Unterschiede aber im Flächenbedarf und den Betriebs- sowie Kapitalkosten liegen. Die Wärmepreise der erzeugten Wärme bewegen sich je nach Wärmequelle zwischen 17,7 und 31,2 ct/kWh.