Anteil Hilfsenergie - Hochschule München

Hohe Arbeitszahl durch optimierte Planung der Volumenströme durch Verdampfer und Kondensator
Prof. Dipl.-Ing. Werner Schenk
Hochschule München
Lothstraße 34,
D-80335 München
[email protected]
1. Elektrische Hilfsenergie
Für eine wirtschaftliche und ökologische Planung einer geothermischen Wärmepumpenanlage muss neben dem möglichst minimalen elektrischen Energiebedarf für den
Verdichter auch der Bedarf für die Sole- und Heizkreisumwälzpumpe optimiert werden. Nach verschiedenen Untersuchungen beträgt alleine der Anteil an Hilfsenergie
am Gesamtenergieverbrauch für die Wärmequellenpumpe zwischen 2 % und 32 %.
Anteil Hilfsenergie
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
32%
31%
25%
14%
11%
6%
2%
Fraunhofer
Neubau 2010
(Sole/Wasser)
Bundesamt
Energie 2010
(Wasser/Wasser)
Minimal
Maximal
8%
4%
VDI 4650 2014
(Sole/Wasser)
2%
VDI 4650 2014 eigene Messungen
(Wasser/Wasser)
Abb.1: Anteil der Hilfsenergie für die Wärmequellenpumpe
Ursachen für hohen Anteil an Hilfsenergie:
Pumpenwirkungsgrad: Mit der Kenntnis des im Betrieb zu erwartenden Volumenstroms und der Förderhöhe kann unter Beachtung des Fördermediums (Wärmequelle: häufig 20-30 % Monoethylenglycol) unter den verschiedenen Herstellern fast immer eine hocheffiziente Pumpe mit einem Gesamtwirkungsgrad von über 40 % ausgewählt werden. Im Bereich von Grundwasserförderpumpen, insbesondere im kleinen Leistungsbereich, besteht jedoch ein erheblicher Entwicklungsbedarf. Gängige
Markenhersteller können bei den bei Grundwasserwärmepumpen typisch geforderten Betriebspunkten nur Gesamtwirkungsgrade von teilweise unter 10 % bieten.
Die folgende Abb. 3 zeigt das Messergebnis einer Grundwasserwärmepumpenanlage 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 ersetzt. Dadurch stieg die Jahresarbeitszahl ß von 4,9 auf 5,5.
Arbeitszahl mit Quellenpumpe
7,00
6,00
ß = 5,5
5,00
4,00
ß = 4,9
3,00
2,00
1,00
0,00
22.09.2012
Hocheffizienzumwälzpumpe
P1= 60 W
Grundwasserpumpe
P1= 200 W
22.01.2013
22.05.2013
22.09.2013
22.01.2014
22.05.2014
22.09.2014
Abb.2: Optimierung der Arbeitszahl durch effizientere Förderpumpe
Druckverlust der Anlage: Für einen niedrigen Druckverlust der Anlage sind zunächst -soweit möglich- alle Rohrleitungen auf möglichst geringe Strömungsgeschwindigkeit 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 möglichst niedrigen Druckverlust beim geplanten Anlagenvolumenstrom ausgewählt werden. 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 Pumpe versorgt werden.
Druckverlust Verdampfer und Kondensator: Bei der Auswahl der Wärmepumpe
sollte neben einem hohen COP im häufigsten Anlagenbetriebspunkt auch auf möglichst geringe Druckverluste im Verdampfer und Kondensator geachtet werden. Bei
identischen Heizleistungen und Volumenströmen ist bei unterschiedlichen Wärmepumpen 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
2
Maximalvolumenströme an und sorgen hier für Verwirrung. Häufig wird auf der Wärmequelle 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 Verdampfungstemperatur, und somit eine möglichst niedrige elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters zu bewirken, ist ein möglichst hoher Sole- bzw. Grundwasservolumenstrom durch den Verdampfer notwendig. Der niedrige Leistungsbedarf
des Verdichters wird dann aber zu Lasten einer, mit der 3. Potenz des Volumenstroms der Wärmequelle wachsenden, elektrischen Leistungsaufnahme der Förderpumpe erreicht. Ebenso ist das Verhalten auf der Wärmenutzungsseite. Bei konstanter Heizmitteltemperatur (Voraussetzung für vergleichbare Bedingungen bei der
Wärmeabgabe) kann durch die Steigerung des Heizwasservolumenstroms und der
dadurch besseren Wärmeübertragung im Kondensator, die Kondensationstemperatur, 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:
Bei den Messungen wurden voneinander unabhängig folgende Größen variiert:
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 Unterschied 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 hydraulischen Daten, unter Berücksichtigung der Hilfsenergien der „COPmit Pumpen“ ermittelt:
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3",3
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-
4
ation des Grundwasservolumenstroms. Bei einer erdgekoppelten Wärmepumpenanlage 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 Solevolumenstrom, steigt. Unter Berücksichtigung der elektrischen Leistungsaufnahme von Verdichter, 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 Solevorlauftemperatur bei einer Absenkung des Solevolumenstroms messbar. Um für dieses
Betriebsverhalten einen energieoptimierten Solevolumenstrom zu ermitteln, wurde
bei diesem Versuch, bei Variation des Solevolumenstromes, die Solemitteltemperatur konstant gehalten.
45 65& )"*145 &ü0% )"*
Solemitteltemperatur =
8
7
Abb. 6: Kältekreislauf R407C bei konstanter Solemitteltemperatur
Der COP des Kältekreislaufes steigt auch hier mit immer kleiner werdender Temperaturspreizung 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% )"*
die entscheidende Größe darstellt, wurde diese bei
7
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 unabhängig 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.
6
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 Solevolumenstroms, steigt der COP beim Kältekreislauf mit R410A deutlich mehr, als bei
einem Kältekreislauf mit dem Kältemittel R407C.
5,2
5,1
COP
5,0
4,9
4,8
4,7
4,6
4,5
3,5
4,5
5,5
6,5
Temperaturspreizung Δϑ in K
COP
7,5
COP mit Pumpen
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:
5,3
COP
5,2
5,1
5,0
4,9
4,8
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
Temperaturspreizung ∆ϑ in K
COP
8,5
9,0
9,5 10,0
COP mit Pumpen
Abb. 9: Kältekreislauf R410A bei konstanter Wärmequellenmitteltemperatur
8
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 maximale COP mit Pumpen bei einer Temperaturspreizung zwischen Solevor- und Solerücklauf 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 Temperaturspreizung zwischen Heizwasservorlauf und Heizwasserrücklauf durch eine Steigerung
des Heizwasservolumenstromes bei allen gemessenen Temperaurniveaus tendenziell eine Steigerung des COP gemessen. Bei Berücksichtigung der dabei steigenden
elektrischen Leistung für die Heizkreisumwälzpumpe wurde bei allen Heizmitteltemperaturen ein energetisches Optimum bei einer Temperaturspreizung von 5,2 K ermittelt. Ab einer Temperaturspreizung von 5,2 K bis 12 K variiert der COP mit Pumpen nur relativ wenig im Bereich von 0,15.
4,50
Temperatur in °C
4,30
4,10
3,90
3,70
3,50
3,30
3,10
2,90
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0 10,0
Temperaturspreizung Δϑ in K
11,0
12,0
13,0
COP 35°C
COP 40°C
COP 45°C
COP mit Pumpen 35°C
COP mit Pumpen 40°C
COP mit Pumpen 45°C
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
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.
10

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