Comparison of annual performance factors of normatively designed heat pump systems

Heat pumps play a key role in decarbonizing the heat supply for buildings. To exploit heat pump's potential in a resource-efficient way, high coefficients of performance (COP) are required. For air-source heat pumps, the COP is subject to outside temperature, building dynamics, and user demands. To achieve high COPs, it is necessary to design heat pumps to meet the demands and to optimize operation in terms of COP.
In this study, we compare design methods according to DIN EN 15450 and VDI Guideline 4645. Based on these, heat pump systems (heat pump, auxiliary heater and thermal storages) are designed for an example building, and a controller is set up. Following VDI Guideline 4650, an Annual Performance Factor (APF) is used for comparison on the basis of dynamic simulations. For the same building, the study proves both systems to ensure supply temperatures at APFs about 3.5 to 4. In order to achieve optimal APF, a consideration of operation already in the design should be suggested.

Vergleich der Jahresarbeitszahlen normativ ausgelegter Wärmepumpensysteme
Wärmepumpen spielen eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung der Wärmeversorgung von Gebäuden. Um das Potenzial der Wärmepumpe ressourceneffizient auszuschöpfen, sind hohe Leistungszahlen (COP) erforderlich. Insbesondere bei Luft- Wärmepumpen ist der COP-Wert abhängig von der Außentemperatur, der Gebäudedynamik und den Nutzeranforderungen. Um hohe COPs zu erreichen, ist es notwendig, Wärmepumpen entsprechend den Anforderungen auszulegen und ihren Betrieb hinsichtlich des COP zu optimieren.
In dieser Studie werden die Auslegungsmethoden nach DIN EN 15450 und VDI-Richtlinie 4645 dargestellt und verglichen. Darauf aufbauend werden für ein Beispielgebäude verschiedene Wärmepumpensysteme (Wärmepumpe, Zusatzheizer, thermische Speicher) nach beiden Methoden ausgelegt und anschließend wird eine Regelung aufgebaut. In Anlehnung an die VDI-Richtlinie 4650 wird eine Jahresarbeitszahl (Annual Performance Factor, APF) als Leistungskennzahl verwendet. Anhand dynamischer Jahressimulationen werden die ausgelegten Systeme hinsichtlich ihres APF verglichen. Die Studie beweist, dass beide Systeme die geforderten Vorlauftemperaturen bei APFs um 3,5 bis 4 je nach Systemauslegung für das gleiche Gebäude sicherstellen. Die Ergebnisse unterstreichen die gegenseitige Abhängigkeit von Auslegung und Betrieb. Um in weiteren Studien optimale APFs zu erreichen, sollte eine Berücksichtigung des Betriebs bereits im Auslegungsschritt vorgeschlagen werden, um die Dekarbonisierung von Gebäuden zu beschleunigen.