Effizienzsteigerung von gasbetriebenen Absorptionswärmepumpen durch einen kältemittelgekühlten Abgaswärmeübertrager

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1 Effizienzsteigerung von gasbetriebenen Absorptionswärmepumpen durch einen kältemittelgekühlten Abgaswärmeübertrager Philipp Wagner, René Rieberer Institut für Wärmetechnik (IWT) Technische Universität Graz Inffeldgasse 25/B, A-8010 Graz Graz, Symposium Energieinnovation 1

2 Kreislaufschema Parameterstudien Inhalt Zusammenfassung und Ausblick 15. Symposium Energieinnovation 2

3 Motivation Einsatz gasbetriebener Absorptionswärmepumpen zu Heizzwecken Effizienz bis ca. 190 % Hohe Vorlauftemperaturen im Heizungssystem möglich Geringe Abhängigkeit der Effizienz von der Wärmequellentemperatur Bestehende Infrastruktur nutzbar (AT: ca. 40 % der Haushalte heizen mit Gas oder Heizöl) (Statistik Austria, 2016) 15. Symposium Energieinnovation 3

4 Schema Kompressionswärmepumpe Herkömmlicher Kältekreislauf Einstoffkältemittel oder Gemische 15. Symposium Energieinnovation 4

5 Schema Absorptionswärmepumpe I Kältekreislauf und Lösungskreislauf (thermischer Kompressor) Austreiben des Kältemittels notwendig 15. Symposium Energieinnovation 5

6 Schema Absorptionswärmepumpe II Gasbetriebene Absorptionswärmepumpe mit senkengekühlten Abgaswärmeübertrager 15. Symposium Energieinnovation 6

7 I Kondensation von Wasserdampf im Abgas Wesentliche Effizienzsteigerung Problematik bei herkömmlichen Abgaswärmeübertragern Abgas muss unter den Taupunkt abgekühlt werden Heizungssystem muss für ausgelegt sein AT: ca. 3/4 der Gebäude vor 1990 errichtet (Statistik Austria, 2016) 15. Symposium Energieinnovation 7

8 II Höhere Rauchgaseintrittstemperaturen höherer absoluter Wärmestrom höherer Anteil sensibler Wärme Abgaseintrittstemperatur 140 C Abgaseintrittstemperatur 100 C 15. Symposium Energieinnovation 8

9 Schema Absorptionswärmepumpe II Gasbetriebene Absorptionswärmepumpe mit kältemittelgekühlten Abgaswärmeübertrager 15. Symposium Energieinnovation 9

10 Aufgabenstellung und Zielsetzung I Simulative Untersuchung eines kältemittelgekühlten Abgaswärmeübertragers im Vergleich zu einem senkengekühlten Abgaswärmeübertrager Untersuchung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen Variation der Wärmequellen-/Wärmesenkentemperatur Untersuchung unterschiedlicher Kreislaufvarianten Lösungsgekühlter Absorber und Kältemittelwärmeübertrager 15. Symposium Energieinnovation 10

11 Engineering Equation Solver (EES V10.091) Arbeitsstoffpaar: Ammoniak/Wasser Energie-, Massen- und Stoffbilanzen Basis: Messdaten an einem Prototyp 15. Symposium Energieinnovation 11

12 Kreislaufschema 15. Symposium Energieinnovation 12

13 Parameterstudie Parameter Vorgabewerte Brennerleistung (H i ) in kw 12,5 Quellentemperaturen Ein/-Austritt in C +8/+5, -9/-12 Senkentemperaturen Ein/-Austritt in C 30/35, 45/50, 55/70 Freiheitsgrade: Austrittstemperatur der armen Lösung (t 7 ) Lösungspumpe Niederdruck (p EVA ) Kältemitteldrossel 15. Symposium Energieinnovation 13

14 Beurteilung der Effizienzvergleich mittels GUE Senkengekühlt: Kältemittelgekühlt: Q GUE FlueHX1 = ሶ sink,fluehx1 Q = ሶ CON + Qሶ ABS 1 + ሶ Qሶ fuel Qሶ fuel Q GUE FlueHX2 = ሶ sink,fluehx2 = ሶ Qሶ fuel Q CON + ሶ Q ABS 1 ሶ Q fuel Q FlueHX1 ΔGUE = GUE FlueHX 2 GUE FlueHX 1 GUE FlueHX % GUE max durch Variation: Der Austrittstemperatur der armen Lösung (t 7 ) Des Niederdrucks (p EVA ) 15. Symposium Energieinnovation 14

15 Effizienzvergleich I (ABS-2 & RHX) t sink,in GUE ΔGUE bis zu 11 % t source GUE t source / t sink ΔGUE Parameter Qሶ fuel = 12,5 kw ε DEP = 0,2 Δt sink = 5 K +11 % +8 % 15. Symposium Energieinnovation 15

16 Zusammenfassung Effizienzsteigerungsmaßnahme von gasbetriebenen Absorptionswärmepumpen (bis zu 11 %) Verkleinerung der kostenintensiven Wärmequelle Verringerung der Wärmegestehungskosten durch verminderten Brennstoffeinsatz Reduktion der Treibhausgasemissionen Vorteil vor allem bei hoher Temperatur im Heizungssystem Wesentlich höhere Kältemitteltemperatur am Eintritt in den Absorber Veränderung des Absorptionsverhaltens 15. Symposium Energieinnovation 16

17 Ausblick Detaillierte experimentelle Untersuchung der Absorption von heißem Sorptiv anhand unterschiedlicher Betriebsbedingungen Kältemitteltemperatur bis 85 C Veränderung des Niederdrucks Einfluss auf die Drosselstellungen (RTH, STH) Einfluss auf den Lösungsmittelumlauf Simulationsmodell Absorption 15. Symposium Energieinnovation 17

18 Danksagung Diese Arbeit entstand im Rahmen des Projekts FluePump Effizienzsteigerung durch kältemittelgekühlten Rauchgaskondensator für gasbefeuerte Absorptionswärmepumpen (FFG-Projekt Nr ). Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds im Rahmen des Energieforschungsprogramms durchgeführt. Ein besonderer Dank gilt dem Projektpartner E-SORP GmbH durch deren Unterstützung diese Arbeit ermöglicht wurde. Kontakt Philipp Wagner Institut für Wärmetechnik (IWT) Technische Universität Graz Inffeldgasse 25/B, A-8010 Graz 15. Symposium Energieinnovation 18