Hohe Arbeitszahl durch optimierte Planung der Volumen-ströme durch Verdampfer und Kondensator

Prof. Dipl.-Ing. Werner Schenk Hochschule München

Lothstraße 34, D-80335 München

werner.schenk@hm.edu

1. Elektrische Hilfsenergie

Für eine wirtschaftliche und ökologische Planung einer geothermischen Wärmepum-penanlage muss neben dem möglichst minimalen elektrischen Energiebedarf für den Verdichter auch der Bedarf für die Sole- und Heizkreisumwälzpumpe optimiert wer-den. Nach verschiedenen Untersuchungen beträgt alleine der Anteil an Hilfsenergie am Gesamtenergieverbrauch für die Wärmequellenpumpe zwischen 2 % und 32 %.

Abb.1: Anteil der Hilfsenergie für die Wärmequellenpumpe

Ursachen für hohen Anteil an Hilfsenergie: Pumpenwirkungsgrad: Mit der Kenntnis des im Betrieb zu erwartenden Volumen-stroms und der Förderhöhe kann unter Beachtung des Fördermediums (Wärmequel-le: häufig 20-30 % Monoethylenglycol) unter den verschiedenen Herstellern fast im-mer eine hocheffiziente Pumpe mit einem Gesamtwirkungsgrad von über 40 % aus-gewählt werden. Im Bereich von Grundwasserförderpumpen, insbesondere im klei-nen Leistungsbereich, besteht jedoch ein erheblicher Entwicklungsbedarf. Gängige

2%

6%4%

14%

2%

11%

25%

8%

32% 31%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

Fraunhofer

Neubau 2010

(Sole/Wasser)

Bundesamt

Energie 2010

(Wasser/Wasser)

VDI 4650 2014

(Sole/Wasser)

VDI 4650 2014

(Wasser/Wasser)

eigene Messungen

Anteil Hilfsenergie

Minimal

Maximal

2

Markenhersteller können bei den bei Grundwasserwärmepumpen typisch geforder-ten Betriebspunkten nur Gesamtwirkungsgrade von teilweise unter 10 % bieten. Die folgende Abb. 3 zeigt das Messergebnis einer Grundwasserwärmepumpenanla-ge für ein Einfamilienhaus mit einer Heizlast von 9 kW. Hier wurde die vorhandene Grundwasserförderpumpe mit einer gemessenen Leistungsaufnahme von 200 W durch eine Hocheffizienzumwälzpumpe mit einer Leistungsaufnahme von 60 W er-setzt. Dadurch stieg die Jahresarbeitszahl ß von 4,9 auf 5,5.

Abb.2: Optimierung der Arbeitszahl durch effizientere Förderpumpe

Druckverlust der Anlage: Für einen niedrigen Druckverlust der Anlage sind zu-nächst -soweit möglich- alle Rohrleitungen auf möglichst geringe Strömungsge-schwindigkeit zu dimensionieren. Spezifische Druckverluste von 50 bis 100 Pa/m sollten nicht überschritten werden. Weiter müssen alle Armaturen ( 3-Wegeventile, Schmutzfänger, Entlüfter, insbesondere Wärmemengenzähler, E) mit einem mög-lichst niedrigen Druckverlust beim geplanten Anlagenvolumenstrom ausgewählt wer-den. Durch die Planung und Ausführung des hydraulischen Abgleichs kann erreicht werden, dass auch einzelne Heizkreise und/oder Wärmequellenkreise mit höherem Druckverlust mit den geplanten Volumenströmen bei geringer Förderhöhe der Pum-pe versorgt werden. Druckverlust Verdampfer und Kondensator: Bei der Auswahl der Wärmepumpe sollte neben einem hohen COP im häufigsten Anlagenbetriebspunkt auch auf mög-lichst geringe Druckverluste im Verdampfer und Kondensator geachtet werden. Bei identischen Heizleistungen und Volumenströmen ist bei unterschiedlichen Wärme-pumpen bzw. Kältemaschinen ein Unterschied von über 200 % erkennbar. Energetisch optimaler Volumenstrom im Verdampfer und Kondensator: Die energetisch optimalen Volumenströme im Verdampfer und Kondensator sind in der Regel nicht bekannt. Hersteller geben in den Datenblättern oft Minimal- Nenn- und

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

22.09.2012 22.01.2013 22.05.2013 22.09.2013 22.01.2014 22.05.2014 22.09.2014

Arbeitszahl mit Quellenpumpe

Grundwasserpumpe P1= 200 W

Hocheffizienzumwälzpumpe P1= 60 W

ß = 4,9

ß = 5,5

Maximalvolumenströme an und sorgen hier für Verwirrung. Häufig wird auf der Wär-mequelle ein relativ hoher Volumenstrom entsprechend einer Temperaturspreizung von 3 K gewählt. Für den Volumenstrom der Wärmenutzungsseite liefern Hersteller genauso uneindeutige Angaben.

Abb. 3: Druckverlust eines Verdampfers bei Nominal- und Maximalvolumenstrom

Um bei einer gegebenen Wärmequelle im Kältekreislauf eine möglichst hohe Ver-dampfungstemperatur, und somit eine möglichst niedrige elektrische Leistungsauf-nahme des Verdichters zu bewirken, ist ein möglichst hoher Sole- bzw. Grundwas-servolumenstrom durch den Verdampfer notwendig. Der niedrige Leistungsbedarf des Verdichters wird dann aber zu Lasten einer, mit der 3. Potenz des Volumen-stroms der Wärmequelle wachsenden, elektrischen Leistungsaufnahme der Förder-pumpe erreicht. Ebenso ist das Verhalten auf der Wärmenutzungsseite. Bei konstan-ter Heizmitteltemperatur (Voraussetzung für vergleichbare Bedingungen bei der Wärmeabgabe) kann durch die Steigerung des Heizwasservolumenstroms und der dadurch besseren Wärmeübertragung im Kondensator, die Kondensationstempera-tur, und somit der Kondensationsdruck reduziert werden. Hierdurch wird einerseits die elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters reduziert, aber gleichzeitig auch die elektrische Leistungsaufnahme der Heizkreisumwälzpumpe mit der 3. Potenz des Heizkreisvolumenstroms gesteigert. 2. Randbedingungen für die durchgeführten Messungen

Um den für eine Gesamtanlage energetisch optimalen Volumenstrom durch den Verdampfer und durch den Kondensator zu ermitteln, wurde zunächst ausschließlich die Effizienz des Kältekreislaufes gemessen:

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Bei den Messungen wurden voneinander unabhängig folgende Größen variiert:

4

a) Variation des Solevolumenstroms bei konstanter Solevorlauftemperatur b) Variation des Solevolumenstroms bei konstanter Solemitteltemperatur c) Variation des Heizkreisvolumenstroms bei konstanter Heizwassermitteltemperatur Die Messreihen wurden mit zwei unterschiedlichen Wärmepumpen durchgeführt. Die Maschinen waren in den Leistungsdaten und im Aufbau ähnlich. Entscheidender Un-terschied war das Kältemittel. Zunächst wurde der Kältekreislauf mit dem Kältemittel R407C getestet, danach der Kältekreislauf mit dem Kältemittel R410A. Mit den COP-Messungen des Kältekreislaufes bei verschiedenen Volumenströmen wurde dann, ausgehend von einer Wärmepumpenanlage mit typischen hydrauli-schen Daten, unter Berücksichtigung der Hilfsenergien der „COPmit Pumpen“ ermittelt:

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Abb.4: hydraulische Daten einer typischen Wärmepumpenanlage

3. Optimierung mit Kältemittel R 407C Variation des Solevolumenstroms bei konstanter Solevorlauftemperatur: Bei Variation des Solevolumenstroms wurde im Solekreis die Solevorlauftemperatur konstant gehalten. Dieser Versuch entspricht dem Betrieb mit Grundwasser bei Vari-

ation des Grundwasservolumenstroms. Bei einer erdgekoppelten Wärmepumpenan-lage muss berücksichtigt werden, dass beim Steigern des Solevolumenstroms beim Übergang von laminaren auf turbulente Strömungsverhältnisse durch den besseren Wärmeübergang in der Wärmequellenanlage die Soletemperatur um ca. 2 K steigt. Hierdurch würde der COP weiter verbessert werden.

Abb.5: Kältekreislauf R407C bei konstanter Wärmequellenvorlauftemperatur

Das Messergebnis zeigt, wie zu erwarten, dass der COP des Kältekreislaufes bei kleiner werdenden Temperaturspreizungen am Verdampfer = großer Solevolumen-strom, steigt. Unter Berücksichtigung der elektrischen Leistungsaufnahme von Ver-dichter, Heizkreisumwälzpumpe (hier konstant) und Soleumwälzpumpe ergibt sich ein neuer optimaler COPmit Pumpen, bei einem Solevolumenstrom entsprechend der Temperaturspreizung von 5,2 K. Bei Aufbau der Hydraulik nach Abb. 4 und den Randbedingungen Länge Erdwärmesonden: 100 m Doppel-U-Rohrsonde 4 x 32 mm Spez. Entzugsleistung: 50 W/m Monoethylenglycol: 20 Vol.-% liegen bei einem Solevolumenstrom entsprechend der Temperaturspreizung kleiner 5 K außerdem turbulente Strömungsverhältnisse vor. Daraus resultiert eine um ca. 2 K höhere Soletemperatur. Somit liegt hier bei einer Temperaturspreizung von 5 K eine optimale energetische Effizienz vor. Variation des Solevolumenstroms bei konstanter Solemitteltemperatur: In der Praxis ist insbesondere bei Erdreichkollektoranlagen eine steigende Solevor-lauftemperatur bei einer Absenkung des Solevolumenstroms messbar. Um für dieses Betriebsverhalten einen energieoptimierten Solevolumenstrom zu ermitteln, wurde

6

bei diesem Versuch, bei Variation des Solevolumenstromes, die Solemitteltempera-tur konstant gehalten.

Solemitteltemperatur = 45��65&�)"*145��&ü0%�)"*

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Abb. 6: Kältekreislauf R407C bei konstanter Solemitteltemperatur

Der COP des Kältekreislaufes steigt auch hier mit immer kleiner werdender Tempe-raturspreizung des Solekreislaufes. Unter Beachtung des immer größer werdenden Anteils an elektrischer Hilfsenergie für den Antrieb der Soleumwälzpumpe, ergibt sich ein energetisches Optimum für den COPmit Pumpen bei einem Solevolumenstrom, der einer Temperaturspreizung von 5,8 K entspricht. Variation des Heizkreisvolumenstroms bei konstanter Heizmitteltemperatur: Da für die Wärmeabgabe an Heizflächen oder Heizkörper die Heizmitteltemperatur = ����"#$ 65&�)"*1����"#$ &ü0%�)"*

7 die entscheidende Größe darstellt, wurde diese bei

der folgenden Messreihe konstant gehalten. Bei konstanter Heizmitteltemperatur wurde der Heizkreisvolumenstrom und damit die Temperaturspreizung variiert. Bei hoher Heizmitteltemperatur ist der Einfluss einer niedrigen Temperaturspreizung relativ hoch. Der COPmit Pumpen sinkt gegenüber einer optimalen Temperaturspreizung von 7,5 K um 0,2. Bei einer Temperaurspreizung über 7,5 K sinkt der COPmit Pumpen leicht ab. Bei mittlerer Heizmitteltemperatur ist der COPmit Pumpe unab-hängig von der Temperaturspreizung. Bei niedriger Heizmitteltemperatur ist der COPmit Pumpen bei einer Temperaturspreizung zwischen 7 und 11 K relativ konstant. Als Planungsziel sollte eine Temperaturspreizung von 7,5 K angestrebt werden. Hier ist der COP mit Pumpen bei allen Heizmitteltemperaturen relativ hoch.

Abb. 7: Kältekreislauf R407C bei Variation des Heizwasservolumenstroms und drei unterschiedlichen Heizmitteltemperaturen

4. Optimierung mit Kältemittel R 410A

Das Kältemittel R 407C hat einen Temperaturglide von 7,3 K. Das Kältemittel R4010A hat einen Temperaturglide von nur 0,2 K. Der geringere Temperaturglide von R 410A resultiert in höheren COPs. Durch kleineren Temperaturglide und den damit verursachten, engeren kältemittelseitigen Temperaturbereich im Verdampfer, wird die Effizienz bei der Wärmeübertragung aber auch sensibler auf Änderungen der Volumenströme bzw. der sekundären Temperaturspreizung. Variation des Solevolumenstroms bei konstanter Solevorlauftemperatur: Bei Reduzierung der Temperaturspreizung der Sole durch Steigerung des Solevo-lumenstroms, steigt der COP beim Kältekreislauf mit R410A deutlich mehr, als bei einem Kältekreislauf mit dem Kältemittel R407C.

8

Abb. 8: Kältekreislauf R410A bei konstanter Wärmequellenvorlauftemperatur

Der COPmit Pumpen steigt hierdurch bis zu einer Reduzierung der Temperaturspreizung auf 3,8 K (Vergleich R407C: 5,2 K) eindeutig an. Für eine effiziente Anlagenplanung bedeute dieser Effekt einen um 37 % höheren Solevolumenstrom. Variation des Solevolumenstroms bei konstanter Solemitteltemperatur:

Abb. 9: Kältekreislauf R410A bei konstanter Wärmequellenmitteltemperatur

4,5

4,6

4,7

4,8

4,9

5,0

5,1

5,2

3,5 4,5 5,5 6,5 7,5

CO

P

Temperaturspreizung Δϑ in K

COP COP mit Pumpen

4,8

4,9

5,0

5,1

5,2

5,3

3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0

CO

P

Temperaturspreizung ∆ϑ in K

COP COP mit Pumpen

Hier steigt der COP bei Steigerung des Solevolumenstroms mit R 410A ähnlich an, wie mit R407C. Wie nicht anders zu erwarten, ist dementsprechend auch der maxi-male COP mit Pumpen bei einer Temperaturspreizung zwischen Solevor- und Sole-rücklauf mit 6 K sehr nahe am Wert der optimalen Temperaturspreizung mit R407C von 5,8 K. Variation des Heizkreisvolumenstroms bei konstanter Heizmitteltemperatur: Auch mit dem Kältemittel R410A wurde bei einer Reduzierung der Temperatursprei-zung zwischen Heizwasservorlauf und Heizwasserrücklauf durch eine Steigerung des Heizwasservolumenstromes bei allen gemessenen Temperaurniveaus tendenzi-ell eine Steigerung des COP gemessen. Bei Berücksichtigung der dabei steigenden elektrischen Leistung für die Heizkreisumwälzpumpe wurde bei allen Heizmitteltem-peraturen ein energetisches Optimum bei einer Temperaturspreizung von 5,2 K er-mittelt. Ab einer Temperaturspreizung von 5,2 K bis 12 K variiert der COP mit Pum-pen nur relativ wenig im Bereich von 0,15.

Abb. 10: Kältekreislauf R410A bei konstanter Wärmequellenmitteltemperatur

5. Zusammenfassung

1. Durch optimierte Planung und Betrieb der sekundärseitigen Volumenströme

und der dazugehörigen hydraulischen Komponenten können bis zu 30 % der ekektischen Energie bei Betrieb der Wärmepumpenanlage eingespart werden.

2. Empfehlung Temperaturspreizung mit effizienter Pumpentechnik, ohne Beachtung von turbulenter Strömung:

a. mit R407C: i. Wärmequelle: 5E6 K ii. Wärmesenke: 7,5E 9 K

2,90

3,10

3,30

3,50

3,70

3,90

4,10

4,30

4,50

2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0

Te

mp

era

tur

in °

C

Temperaturspreizung Δϑ in K

COP 35°C COP 40°C COP 45°C

COP mit Pumpen 35°C COP mit Pumpen 40°C COP mit Pumpen 45°C

10

b. mit R410A: i. Wärmequelle bei konstanter Vorlauftemperatur: 3,5 K ii. Wärmequelle bei konstanter Solemitteltemperatur: 6 K iii. Wärmesenke: 5,2E 12 K

3. Mit den Empfehlungen können bei den definierten, typischen

Anlagenparametern energetisch optimale Volumenströme auf der Wärmequellen- und Wärmesenkenseite realisiert werden. Aufgrund fast immer individueller Rahmenbdingungen (Bohrtiefe, mehrstufige Kältekreisläufe, Druckverlust der Wärmetauscher, individuelle Heizungshydraulik, E) und des hohen Einsparpotentials lohnt es sich insbesondere bei Großanlagen, immer individuell zu planen.