Projekt 24572/01

Erforschung von Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung von CO2-Wärmepumpen durch innovative Wärmeauskopplung und Abtauungsverfahren

Projektträger

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

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Luftbeaufschlagte Verdampfer von Wärmepumpen kondensieren unter bestimmten Bedingungen Wasserdampf aus der Luft. Bei Lamellentemperaturen unterhalb von 0°C beginnen diese zu vereisen. Eine periodische Abtauung des Verdampfers, die mit einem Energieaufwand verbunden ist, senkt die Arbeitszahl der Wärmepumpe, ist aber für die Betriebssicherheit erforderlich. Niedrigstenergiehäuser besitzen den maximalen Heizenergiebedarf bei Umgebungstemperaturen zwischen 3°C und 7°C. Allerdings liegt hier auch die maximale Vereisungshäufigkeit konventioneller Wärmepumpen. Ziel dieses Projektes ist eine signifikante Effizienzsteigerung einer Wärmepumpe mit dem natürlichen Kältemittel CO2 und Luft als Wärmequelle für den Einsatz in einem Niedrigstenergiehaus. Das Ziel soll erstens durch die Vermeidung von Vereisung am Verdampfer mittels CO2-spezifischer Maßnahmen und zweitens, im Falle von Reifbildung, durch innovative auf das Kältemittel CO2 angepasste Abtauverfahren erreicht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst werden die physikalischen Prozesse und Abläufe 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 Wärmepumpe mit dem Kältemittel CO2 rechnerisch übertragen. Die Vermeidung von Vereisung über die Anhebung der Verdampfungstemperatur wird rechnerisch behandelt. Dazu wird die Vergrößerung der Wärmeübertragungsfäche des Verdampfers und die Auslagerung der Überhitzungsstrecke in einem mit Abluft beaufschlagten Wärmeübertrager 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 schließlich eine energetische Bewertung.


Ergebnisse und Diskussion

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 Gaskühler der Wärmepumpe geleitet, der nun als Verdampfer arbeitet. Das gasförmige Kältemittel steigt über natürliche Konvektion in den höher gelegenen vereisten Verdampfer auf und kondensiert dort aus. Die Kondensationsenergie führt schließlich zum Schmelzen der Eisschicht. Das verflüssigte CO2 strömt über die Rohrleitung zurück in den unteren Wärmeübertrager. Die Prozessführung kann durch einfache Umschaltung des konventionellen Wärmepumpenprozesses realisiert werden. Im Heizbetrieb führt die CO2-Wärmepumpe die entnommene niedrigwertige Energie des unteren Speicherniveaus nahezu ohne zusätzlichen Energieaufwand wieder zurück. Durch Abtauung mittels Naturumlauf kann gegenüber der konventionellen Heißgasabtauung eine jährliche Energieeinsparung von ca. 142kWh bei dem betrachteten Niedrigstenergiehaus realisiert werden. Die Jahresarbeitszahl verbessert sich dadurch um 4,9%. Die Tendenzen können auch auf Passivhäuser übertragen werden. Das aufgezeigte Prinzip des Naturumlaufs könnte auch in anderen Bereichen Anwendung finden. Es stellt ein sehr energieeeffizientes Verfahren dar, da auf ein fluidförderndes Bauteil, wie beispielsweise eine Pumpe, verzichtet wird. Bei Anhebung der Verdampfungstemperatur fällt pro Kelvin je nach Vergleichsverdampfer für die Randbedingungen eines Niedrigstenergiehauses bis zu 13% weniger Eis im Verdampfer an. Die zur Enteisung benötigte Wärmemenge verringert sich dadurch. Für eine Wärmepumpe mit Heißgasabtauung ergibt sich eine Gesamtenergieeinsparung von ca. 0,8% pro Kelvin. Dagegen sind die Vorteile für eine Wärmepumpe 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 benötigt der Kältemittelverdichter ca. 2,7% weniger Antriebsleistung. Eine typische Maßnahme zur Erhöhung der Verdampfungstemperatur ist die bauliche Vergrößerung des Verdampfers, die sich besonders gut durch den Einsatz von CO2, aufgrund des auf den Absolutdruck bezogen relativ kleinen Druckabfalls, umsetzen lässt. Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der Verdampfungstemperatur ist die Auslagerung der Überhitzungsstrecke in einem mit Abluft beaufschlagten Wärmeübertrager. Für typische Randbedingungen wird hierdurch die Verdampfungstemperatur um ca. 1 bis 2,5 K gesteigert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Kling, M.: Vereisungsproblematik von CO2-Luft-Wärmepumpen bei niedrigen
Umgebungstemperaturen, Institut für Thermodynamik, Technische Universität Braunschweig,
Leibniz Universität Hannover, Theoretische Studienarbeit, 2007
Möhlenkamp, A.: Modellerstellung und Simulation eines Naturumlaufs mit Kohlendioxid,
Technische Universität Braunschweig, Institut für Thermodynamik, Studienarbeit, 2008
Mildenberger, J.: Aufbau eines Prüfstandes zur Untersuchung der Vereisungsproblematik einer
CO2-Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Naturumlaufabtauung, Technische Universität
Braunschweig, Institut für Thermodynamik, Diplomarbeit, 2008
Kosowski, K.: Energieeffiziente Naturumlaufabtauung einer CO2-Wärmepumpe, Technische
Universität Braunschweig, bisher unveröffentlicht, Dissertation, 2009


Fazit

Durch die im Rahmen des Projektes erarbeiteten Innovationen, Naturumlaufabtauung und Anhebung der Verdampfungstemperatur, kann die Effizienz von CO2-Wärmepumpen für Niedrigstenergiehäuser zwischen 5 und mehr als 10% gesteigert werden. Insbesondere die Innovation der Wärmeübertragung und Abtauung durch Naturumlauf kann auf andere energietechnische Anwendungen übertragen werden.