Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Luftbeaufschlagte Verdampfer von W\u00e4rmepumpen kondensieren unter bestimmten Bedingungen Wasserdampf aus der Luft. Bei Lamellentemperaturen unterhalb von 0\u00b0C beginnen diese zu vereisen. Eine periodische Abtauung des Verdampfers, die mit einem Energieaufwand verbunden ist, senkt die Arbeitszahl der W\u00e4rmepumpe, ist aber f\u00fcr die Betriebssicherheit erforderlich. Niedrigstenergieh\u00e4user besitzen den maximalen Heizenergiebedarf bei Umgebungstemperaturen zwischen 3\u00b0C und 7\u00b0C. Allerdings liegt hier auch die maximale Vereisungsh\u00e4ufigkeit konventioneller W\u00e4rmepumpen. Ziel dieses Projektes ist eine signifikante Effizienzsteigerung einer W\u00e4rmepumpe mit dem nat\u00fcrlichen K\u00e4ltemittel CO2 und Luft als W\u00e4rmequelle f\u00fcr den Einsatz in einem Niedrigstenergiehaus. Das Ziel soll erstens durch die Vermeidung von Vereisung am Verdampfer mittels CO2-spezifischer Ma\u00dfnahmen und zweitens, im Falle von Reifbildung, durch innovative auf das K\u00e4ltemittel CO2 angepasste Abtauverfahren erreicht werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZun\u00e4chst werden die physikalischen Prozesse und Abl\u00e4ufe der Reif- bzw. Eisbildung am Verdampfer detailliert qualitativ und quantitativ auf der Basis vorhandener wissenschaftlicher Literatur diskutiert und dargestellt. Die wissenschaftlich bekannten Verfahren zur Abtauung eines Verdampfers werden vorgestellt und auf eine W\u00e4rmepumpe mit dem K\u00e4ltemittel CO2 rechnerisch \u00fcbertragen. Die Vermeidung von Vereisung \u00fcber die Anhebung der Verdampfungstemperatur wird rechnerisch behandelt. Dazu wird die Vergr\u00f6\u00dferung der W\u00e4rme\u00fcbertragungsf\u00e4che des Verdampfers und die Auslagerung der \u00dcberhitzungsstrecke in einem mit Abluft beaufschlagten W\u00e4rme\u00fcbertrager berechnet. Es wird ein aufwendiger Versuch zum neuartigen System der Verdampferabtauung mit Naturumlauf aufgebaut. Die Funktionsweise wird anhand des Versuchsstandes experimentell und theoretisch untersucht. Auf der Basis der experimentellen und rechnerischen Ergebnisse erfolgt schlie\u00dflich eine energetische Bewertung.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das im Rahmen des Projektes entwickelte neuartige Abtauverfahren mit gravitationsbedingtem Naturumlauf entzieht die erforderliche Abtauleistung der untersten kalten Schicht eines Warmwasser-Schichtenspeichers. Hierzu wird das kalte Wasser im Abtaubetrieb durch den Gask\u00fchler der W\u00e4rmepumpe geleitet, der nun als Verdampfer arbeitet. Das gasf\u00f6rmige K\u00e4ltemittel steigt \u00fcber nat\u00fcrliche Konvektion in den h\u00f6her gelegenen vereisten Verdampfer auf und kondensiert dort aus. Die Kondensationsenergie f\u00fchrt schlie\u00dflich zum Schmelzen der Eisschicht. Das verfl\u00fcssigte CO2 str\u00f6mt \u00fcber die Rohrleitung zur\u00fcck in den unteren W\u00e4rme\u00fcbertrager. Die Prozessf\u00fchrung kann durch einfache Umschaltung des konventionellen W\u00e4rmepumpenprozesses realisiert werden. Im Heizbetrieb f\u00fchrt die CO2-W\u00e4rmepumpe die entnommene niedrigwertige Energie des unteren Speicherniveaus nahezu ohne zus\u00e4tzlichen Energieaufwand wieder zur\u00fcck. Durch Abtauung mittels Naturumlauf kann gegen\u00fcber der konventionellen Hei\u00dfgasabtauung eine j\u00e4hrliche Energieeinsparung von ca. 142kWh bei dem betrachteten Niedrigstenergiehaus realisiert werden. Die Jahresarbeitszahl verbessert sich dadurch um 4,9%. Die Tendenzen k\u00f6nnen auch auf Passivh\u00e4user \u00fcbertragen werden. Das aufgezeigte Prinzip des Naturumlaufs k\u00f6nnte auch in anderen Bereichen Anwendung finden. Es stellt ein sehr energieeeffizientes Verfahren dar, da auf ein fluidf\u00f6rderndes Bauteil, wie beispielsweise eine Pumpe, verzichtet wird. Bei Anhebung der Verdampfungstemperatur f\u00e4llt pro Kelvin je nach Vergleichsverdampfer f\u00fcr die Randbedingungen eines Niedrigstenergiehauses bis zu 13% weniger Eis im Verdampfer an. Die zur Enteisung ben\u00f6tigte W\u00e4rmemenge verringert sich dadurch. F\u00fcr eine W\u00e4rmepumpe mit Hei\u00dfgasabtauung ergibt sich eine Gesamtenergieeinsparung von ca. 0,8% pro Kelvin. Dagegen sind die Vorteile f\u00fcr eine W\u00e4rmepumpe mit Naturumlaufabtauung minimal, da die Abtauung selber nur einen geringen Energieaufwand erfordert. Die Anhebung der Verdampfungstemperatur wirkt sich hingegen energetisch viel bedeutender auf die Verringerung der Kompressionsarbeit aus. Pro Kelvin Anhebung ben\u00f6tigt der K\u00e4ltemittelverdichter ca. 2,7% weniger Antriebsleistung. Eine typische Ma\u00dfnahme zur Erh\u00f6hung der Verdampfungstemperatur ist die bauliche Vergr\u00f6\u00dferung des Verdampfers, die sich besonders gut durch den Einsatz von CO2, aufgrund des auf den Absolutdruck bezogen relativ kleinen Druckabfalls, umsetzen l\u00e4sst. Eine weitere Ma\u00dfnahme zur Erh\u00f6hung der Verdampfungstemperatur ist die Auslagerung der \u00dcberhitzungsstrecke in einem mit Abluft beaufschlagten W\u00e4rme\u00fcbertrager. F\u00fcr typische Randbedingungen wird hierdurch die Verdampfungstemperatur um ca. 1 bis 2,5 K gesteigert.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Kling, M.: Vereisungsproblematik von CO2-Luft-W\u00e4rmepumpen bei niedrigen
\n Umgebungstemperaturen, Institut f\u00fcr Thermodynamik, Technische Universit\u00e4t Braunschweig,
\n Leibniz Universit\u00e4t Hannover, Theoretische Studienarbeit, 2007
\n\tM\u00f6hlenkamp, A.: Modellerstellung und Simulation eines Naturumlaufs mit Kohlendioxid,
\n Technische Universit\u00e4t Braunschweig, Institut f\u00fcr Thermodynamik, Studienarbeit, 2008
\n\tMildenberger, J.: Aufbau eines Pr\u00fcfstandes zur Untersuchung der Vereisungsproblematik einer
\n CO2-Luft\/Wasser-W\u00e4rmepumpe mit Naturumlaufabtauung, Technische Universit\u00e4t
\n Braunschweig, Institut f\u00fcr Thermodynamik, Diplomarbeit, 2008
\n\tKosowski, K.: Energieeffiziente Naturumlaufabtauung einer CO2-W\u00e4rmepumpe, Technische
\n Universit\u00e4t Braunschweig, bisher unver\u00f6ffentlicht, Dissertation, 2009<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Durch die im Rahmen des Projektes erarbeiteten Innovationen, Naturumlaufabtauung und Anhebung der Verdampfungstemperatur, kann die Effizienz von CO2-W\u00e4rmepumpen f\u00fcr Niedrigstenergieh\u00e4user zwischen 5 und mehr als 10% gesteigert werden. Insbesondere die Innovation der W\u00e4rme\u00fcbertragung und Abtauung durch Naturumlauf kann auf andere energietechnische Anwendungen \u00fcbertragen werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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