Projekt 20866/01

Entwicklung und Untersuchung eines neuartigen primärenergieoptimierten Wärmeversorgungssystems für Niedrigstenergie-Wohngebäude

Projektträger

Technische Universität Braunschweig Institut für Thermodynamik
Hans-Sommer-Str. 5
38106 Braunschweig
Telefon: 0531/391-2627 (Sekre

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes ist die Konzeption und anlagentechnische Umsetzung eines innovativen, primärenergieoptimierten Wärmeversorgungssystems für Niedrigstenergie-Wohngebäude. Es werden zwei Systemvarianten auf der Basis einer Schichtenladespeicher gekoppelten CO2-Wärmepumpe entwickelt. Das Wärmeversorgungssystem soll im Gegensatz zu derzeit am Markt verfügbaren und mit konventionellen Kältemitteln betriebenen Geräten eine energetisch effiziente kombinierte Nutzung mit Solarenergie ermöglichen. Dieses vollständig 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.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenInnerhalb des Projektes werden zwei eigenständige Systemvarianten entwickelt sowie theoretisch und als Prototypen experimentell untersucht. Eine Systemvariante wird als Low-Power-Wärmepumpe mit einer Heizleistung von etwa 2 kW für den Einsatz in Passivhäusern konzipiert. Die zweite High-Power-Variante weist eine höhere Wärmleistung von 4 bis 6 kW auf und kann damit zur Wärmeversorgung von Niedrigst- oder Niedrigenergiehäusern verwendet werden. Beide Wärmepumpen werden zunächst sepa-rat im Labor bei verschiedenen Quellen- und Senkentemperaturen getestet. Die Messergebnisse dienen zur Ermittlung von Kennlinien, die im Rahmen von simulationsgestützter Systemoptimierung in die Weiterentwicklung der Prototypen einfließen. Hierbei werden unterschiedliche mögliche Wärmequellen nachgebildet. Der CO2-Kreislauf wird den leistungsbedingten und regelungstechnischen Erfordernissen des jeweiligen Gesamtsystems angepasst. Abhängig von der Leistungsstärke kommen verschiedene Verdichtertypen zum Einsatz. Nach der ersten Testphase werden die CO2-Wärmepumpen in Kombination mit einem Schichtenlade-Pufferspeicher als Wärmepumpen-Heizsystem mit realen Heizlastverläufen und Warmwasser-Zapfprofilen im Labor getestet. Die Einkoppelung der Wärme des CO2-Gaskühlers in den Speicher wird hinsichtlich verschiedener Aspekte betrachtet. Die Kombinationsmöglichkeit mit dem Solar-Wärmeübertrager und den spezifischen Anforderungen des CO2-Kreislaufs erfordert eine innovative Lösung. Es werden verschiedene Möglichkeiten der Einkoppelung der Energie in den Heizkreislauf sowie in das Brauchwasserverteilungssystem beleuchtet. Es wird ein Gesamtregelungskonzept für die Wärmeversorgungssysteme entwickelt und im Rahmen einer Konzeptstudie die Erweiterung beider Systeme auf Klimatisierungs- und Entfeuchtungsfunktionalität untersucht.


Ergebnisse und Diskussion

Die Funktionalität der Konzepte wird in Simulationsuntersuchungen sowie in Labortests nachgewiesen. Die auch bei Austrittstemperaturen von 60 °C erreichbaren hohen COP-Werte der Wärmepumpen stellen die CO2-Technologie insbesondere für Passivhäuser mit Luftheizungen und einem hohen anteiligen Wärmebedarf zur Warmwasserbereitung als ökonomisch und ökologisch zukunftsfähige Technologie dar. Auch für die Verwendung in einem Niedrigstenergiehaus mit einem Jahres-Heizwärmebedarf von 30 kWh/(m² a) sind CO2-Wärmepumpen energetisch und ökologisch eine echte Alternative zu konventionel-len Feuerungsheizungen und zu Wärmepumpen mit konventionellen Arbeitsmitteln.
Das Funktionsprinzip der CO2-Wärmepumpen mit hohen Austrittstemperaturen bei geringen Massenströmen entspricht dem einer Low-Flow-Solaranlage. Die CO2-Wärmepumpe stellt somit eine ideale Ergänzung zu einer thermischen Solaranlage mit Schichtenladespeicher dar. Die Systemintegration sowie die regelungstechnische Einbindung wird aufgrund des vergleichbaren Funktionsprinzips in Anlehnung an vorhandenen Lösungen aus dem Bereich der effizienten Solartechnik realisiert. Über die Einfachheit der Regelalgorithmen ist ein sicherer Betrieb in der Praxis und eine hohe Nutzerakzeptanz zu erwarten.
Die Systemvariante A mit einer Heizleistung von ca. 2 kW ist für den Anwendungsfall eines Passivhauses konzipiert, in dem die Beheizung überwiegend auf einem hohen Temperaturniveau über die kontrollierte Belüftung erfolgt. Eine Gegenüberstellung der konzipierten CO2-Wärmepumpe mit einem vergleichbaren, auf dem Markt befindlichem System mit herkömmlichem Kältemittel zeigt, dass unter Berücksichtigung der Nebenaggregate das CO2-Wärmepumpensystem eine um ca. 24% höhere Systemleistungszahl auf-weist. Die Systemvariante B, die mit einer Heizleistung von ca. 6 kW für ein Niedrigstenergiehaus konzi-piert wird, ist unter Berücksichtigung der Nebenaggregate selbst effizienten konventionellen Wärmepumpenanlage gegenüber hinsichtlich der Effizienz um ca. 17% überlegen. Im direkten Vergleich mit einem Gas-Brennwert-Heizkessel ist mit diesem neuartigen CO2-Wärmepumpensystem eine Primärenergieeinsparung von 35,2% bzw. eine Reduzierung der CO2-Emission um 37,8% möglich.
Wie die Laborversuche zeigen, haben insbesondere die Vereisung aufgrund fallender Verdampfungstemperaturen, höhere Luftwiderstände und die erforderlichen Abtauungsvorgänge einen bedeutenden Einfluss auf den COP. Hinzu kommt, dass für Passivhäuser der spezifische Heizenergiebedarf bei Umgebungstemperaturen von 2 bis 7°C die Vereisungsgefahr bedeutend höher ist, als bei konventionellen Häusern. Hier soll ein Nachfolgeprojekt ansetzen, um mit Maßnahmen, die die spezifischen thermophysi-kalischen Eigenschaften von CO2 ausnutzen, die Vereisung zu vermeiden oder die Enteisung effizienter zu gestalten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Messeauftritt auf der IKK 2005 in Hannover, 2.-4.11.2005
K. Kosowski, W. Tegethoff, J. Köhler, L. Kühl: Wärmeversorgungssystem mit einer Schichtenladespeicher gekoppelten CO2-Wärmepumpe;DKV-Tagung, 16.-18.November, 2005, Würzburg
W. Tegethoff: CO2-Wärmepumpe für Passivhäuser, Vortrag, DKV-Bezirksverein, 10.Januar 2006, Berlin
K. Kosowski, W. Tegethoff, J. Köhler, L. Kühl: CO2-Wärmepumpe für Niedrigstenergiehäuser; 6. FKS-Symposium, 17./18.Mai, 2006, Braunschweig
Messeauftritt auf dem Innovationspark zum Tag der Niedersachsen in Melle, 14.-16.Juli 2006.
L. Kühl, K. Kosowski: Innovative Wärmeversorgung in einem Passivhaus; Tag der Niedersachsen, Innovationspark - Begleitendes Vortragsprogramm, 14.-16. Juli, 2006, Melle
Institut für Thermodynamik, TU Braunschweig: Wärmeversorgungssystem mit CO2-Wärmepumpe, KI Luft und Kältetechnik 9/2006, Rubrik: Aktuell, Hüthig Verlag
K. Kosowski, L. Kühl, W. Tegethoff, J. Köhler: Wärmeversorgungssystem mit einer Schichtenladespeicher gekoppelten CO2-Wärmepumpe, Veröffentlichung des Abschlussberichts in gekürzter Version in KI Luft und Kältetechnik (Hüthig Verlag) geplant.


Fazit

Insgesamt hat sich das Konzept des Wärmeversorgungssystems mit einer CO2-Wärmepumpe als sehr viel versprechend herausgestellt. Durch die Vermeidung synthetischer Kältemittel und die deutlich höheren Leistungsziffern bei der Erwärmung des Trinkwarmwassers auf ein hohes Temperaturniveau von 55 °C- 60 °C im Vergleich zu konventionellen Systemen lassen sich einerseits die Freisetzung von Treibhausgasen deutlich reduzieren und andererseits eröffnen sich neue Möglichkeiten der Wärmeversorgung in Zusammenhang mit Niedrigstenergiegebäuden und Passivhäusern.
Eine Integration des Systems in ein Passivhaus und dessen Anpassung an die Solaranlage sollten die nächsten logischen Schritte zur Umsetzung der im Rahmen des Projektes entwickelten Technologien sein.