Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel des Projektes ist die Konzeption und anlagentechnische Umsetzung eines innovativen, prim\u00e4renergieoptimierten W\u00e4rmeversorgungssystems f\u00fcr Niedrigstenergie-Wohngeb\u00e4ude. Es werden zwei Systemvarianten auf der Basis einer Schichtenladespeicher gekoppelten CO2-W\u00e4rmepumpe entwickelt. Das W\u00e4rmeversorgungssystem soll im Gegensatz zu derzeit am Markt verf\u00fcgbaren und mit konventionellen K\u00e4ltemitteln betriebenen Ger\u00e4ten eine energetisch effiziente kombinierte Nutzung mit Solarenergie erm\u00f6glichen. Dieses vollst\u00e4ndig neu zu entwickelnde System stellt aufgrund der Betriebscharakteristik und der erreichbaren Arbeitszahlen bzw. Systemnutzungsgrade eine echte Alternative zum derzeitigen Standard der Kombianlagen als Kombination aus Gas-Brennwert-Heizkessel und thermischer Solarenergienutzung dar.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenInnerhalb des Projektes werden zwei eigenst\u00e4ndige Systemvarianten entwickelt sowie theoretisch und als Prototypen experimentell untersucht. Eine Systemvariante wird als Low-Power-W\u00e4rmepumpe mit einer Heizleistung von etwa 2 kW f\u00fcr den Einsatz in Passivh\u00e4usern konzipiert. Die zweite High-Power-Variante weist eine h\u00f6here W\u00e4rmleistung von 4 bis 6 kW auf und kann damit zur W\u00e4rmeversorgung von Niedrigst- oder Niedrigenergieh\u00e4usern verwendet werden. Beide W\u00e4rmepumpen werden zun\u00e4chst sepa-rat im Labor bei verschiedenen Quellen- und Senkentemperaturen getestet. Die Messergebnisse dienen zur Ermittlung von Kennlinien, die im Rahmen von simulationsgest\u00fctzter Systemoptimierung in die Weiterentwicklung der Prototypen einflie\u00dfen. Hierbei werden unterschiedliche m\u00f6gliche W\u00e4rmequellen nachgebildet. Der CO2-Kreislauf wird den leistungsbedingten und regelungstechnischen Erfordernissen des jeweiligen Gesamtsystems angepasst. Abh\u00e4ngig von der Leistungsst\u00e4rke kommen verschiedene Verdichtertypen zum Einsatz. Nach der ersten Testphase werden die CO2-W\u00e4rmepumpen in Kombination mit einem Schichtenlade-Pufferspeicher als W\u00e4rmepumpen-Heizsystem mit realen Heizlastverl\u00e4ufen und Warmwasser-Zapfprofilen im Labor getestet. Die Einkoppelung der W\u00e4rme des CO2-Gask\u00fchlers in den Speicher wird hinsichtlich verschiedener Aspekte betrachtet. Die Kombinationsm\u00f6glichkeit mit dem Solar-W\u00e4rme\u00fcbertrager und den spezifischen Anforderungen des CO2-Kreislaufs erfordert eine innovative L\u00f6sung. Es werden verschiedene M\u00f6glichkeiten der Einkoppelung der Energie in den Heizkreislauf sowie in das Brauchwasserverteilungssystem beleuchtet. Es wird ein Gesamtregelungskonzept f\u00fcr die W\u00e4rmeversorgungssysteme entwickelt und im Rahmen einer Konzeptstudie die Erweiterung beider Systeme auf Klimatisierungs- und Entfeuchtungsfunktionalit\u00e4t untersucht.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Funktionalit\u00e4t der Konzepte wird in Simulationsuntersuchungen sowie in Labortests nachgewiesen. Die auch bei Austrittstemperaturen von 60 \u00b0C erreichbaren hohen COP-Werte der W\u00e4rmepumpen stellen die CO2-Technologie insbesondere f\u00fcr Passivh\u00e4user mit Luftheizungen und einem hohen anteiligen W\u00e4rmebedarf zur Warmwasserbereitung als \u00f6konomisch und \u00f6kologisch zukunftsf\u00e4hige Technologie dar. Auch f\u00fcr die Verwendung in einem Niedrigstenergiehaus mit einem Jahres-Heizw\u00e4rmebedarf von 30 kWh\/(m\u00b2 a) sind CO2-W\u00e4rmepumpen energetisch und \u00f6kologisch eine echte Alternative zu konventionel-len Feuerungsheizungen und zu W\u00e4rmepumpen mit konventionellen Arbeitsmitteln.
\nDas Funktionsprinzip der CO2-W\u00e4rmepumpen mit hohen Austrittstemperaturen bei geringen Massenstr\u00f6men entspricht dem einer Low-Flow-Solaranlage. Die CO2-W\u00e4rmepumpe stellt somit eine ideale Erg\u00e4nzung zu einer thermischen Solaranlage mit Schichtenladespeicher dar. Die Systemintegration sowie die regelungstechnische Einbindung wird aufgrund des vergleichbaren Funktionsprinzips in Anlehnung an vorhandenen L\u00f6sungen aus dem Bereich der effizienten Solartechnik realisiert. \u00dcber die Einfachheit der Regelalgorithmen ist ein sicherer Betrieb in der Praxis und eine hohe Nutzerakzeptanz zu erwarten.
\nDie Systemvariante A mit einer Heizleistung von ca. 2 kW ist f\u00fcr den Anwendungsfall eines Passivhauses konzipiert, in dem die Beheizung \u00fcberwiegend auf einem hohen Temperaturniveau \u00fcber die kontrollierte Bel\u00fcftung erfolgt. Eine Gegen\u00fcberstellung der konzipierten CO2-W\u00e4rmepumpe mit einem vergleichbaren, auf dem Markt befindlichem System mit herk\u00f6mmlichem K\u00e4ltemittel zeigt, dass unter Ber\u00fccksichtigung der Nebenaggregate das CO2-W\u00e4rmepumpensystem eine um ca. 24% h\u00f6here Systemleistungszahl auf-weist. Die Systemvariante B, die mit einer Heizleistung von ca. 6 kW f\u00fcr ein Niedrigstenergiehaus konzi-piert wird, ist unter Ber\u00fccksichtigung der Nebenaggregate selbst effizienten konventionellen W\u00e4rmepumpenanlage gegen\u00fcber hinsichtlich der Effizienz um ca. 17% \u00fcberlegen. Im direkten Vergleich mit einem Gas-Brennwert-Heizkessel ist mit diesem neuartigen CO2-W\u00e4rmepumpensystem eine Prim\u00e4renergieeinsparung von 35,2% bzw. eine Reduzierung der CO2-Emission um 37,8% m\u00f6glich.
\nWie die Laborversuche zeigen, haben insbesondere die Vereisung aufgrund fallender Verdampfungstemperaturen, h\u00f6here Luftwiderst\u00e4nde und die erforderlichen Abtauungsvorg\u00e4nge einen bedeutenden Einfluss auf den COP. Hinzu kommt, dass f\u00fcr Passivh\u00e4user der spezifische Heizenergiebedarf bei Umgebungstemperaturen von 2 bis 7\u00b0C die Vereisungsgefahr bedeutend h\u00f6her ist, als bei konventionellen H\u00e4usern. Hier soll ein Nachfolgeprojekt ansetzen, um mit Ma\u00dfnahmen, die die spezifischen thermophysi-kalischen Eigenschaften von CO2 ausnutzen, die Vereisung zu vermeiden oder die Enteisung effizienter zu gestalten.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Messeauftritt auf der IKK 2005 in Hannover, 2.-4.11.2005
\n\tK. Kosowski, W. Tegethoff, J. K\u00f6hler, L. K\u00fchl: W\u00e4rmeversorgungssystem mit einer Schichtenladespeicher gekoppelten CO2-W\u00e4rmepumpe;DKV-Tagung, 16.-18.November, 2005, W\u00fcrzburg
\n\tW. Tegethoff: CO2-W\u00e4rmepumpe f\u00fcr Passivh\u00e4user, Vortrag, DKV-Bezirksverein, 10.Januar 2006, Berlin
\n\tK. Kosowski, W. Tegethoff, J. K\u00f6hler, L. K\u00fchl: CO2-W\u00e4rmepumpe f\u00fcr Niedrigstenergieh\u00e4user; 6. FKS-Symposium, 17.\/18.Mai, 2006, Braunschweig
\n\tMesseauftritt auf dem Innovationspark zum Tag der Niedersachsen in Melle, 14.-16.Juli 2006.
\n\tL. K\u00fchl, K. Kosowski: Innovative W\u00e4rmeversorgung in einem Passivhaus; Tag der Niedersachsen, Innovationspark – Begleitendes Vortragsprogramm, 14.-16. Juli, 2006, Melle
\n\tInstitut f\u00fcr Thermodynamik, TU Braunschweig: W\u00e4rmeversorgungssystem mit CO2-W\u00e4rmepumpe, KI Luft und K\u00e4ltetechnik 9\/2006, Rubrik: Aktuell, H\u00fcthig Verlag
\n\tK. Kosowski, L. K\u00fchl, W. Tegethoff, J. K\u00f6hler: W\u00e4rmeversorgungssystem mit einer Schichtenladespeicher gekoppelten CO2-W\u00e4rmepumpe, Ver\u00f6ffentlichung des Abschlussberichts in gek\u00fcrzter Version in KI Luft und K\u00e4ltetechnik (H\u00fcthig Verlag) geplant.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Insgesamt hat sich das Konzept des W\u00e4rmeversorgungssystems mit einer CO2-W\u00e4rmepumpe als sehr viel versprechend herausgestellt. Durch die Vermeidung synthetischer K\u00e4ltemittel und die deutlich h\u00f6heren Leistungsziffern bei der Erw\u00e4rmung des Trinkwarmwassers auf ein hohes Temperaturniveau von 55 \u00b0C- 60 \u00b0C im Vergleich zu konventionellen Systemen lassen sich einerseits die Freisetzung von Treibhausgasen deutlich reduzieren und andererseits er\u00f6ffnen sich neue M\u00f6glichkeiten der W\u00e4rmeversorgung in Zusammenhang mit Niedrigstenergiegeb\u00e4uden und Passivh\u00e4usern.
\nEine Integration des Systems in ein Passivhaus und dessen Anpassung an die Solaranlage sollten die n\u00e4chsten logischen Schritte zur Umsetzung der im Rahmen des Projektes entwickelten Technologien sein.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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