Potential der Solarthermie zur Steigerung der Leistungszahl von Wärmepumpen

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1 Potential der Solarthermie zur Steigerung der Leistungszahl von Wärmepumpen Vortrag am 12. November 2014 im Solarzentrum Hamburg Vortragender Dr.-Ing. Henning Schmidt SOLTEX SoltexSolar- Wärmepumpenkopplung Seite 1

2 Idee zur Solar- Wärmepumpenkopplung Seite 2

3 8 COP vs. T Sole für T Wasser = 40 C 7 COP 6 5 COP / T = 0,084/K Solestrom 1,5 m³/h 4 Solestrom abgesenkt Soletemperatur/ C Seite 3

4 COP vs. T Wasser für T Sole = 0, 10, 20 und 25 C COP TSole = 0 C TSole = 10 C TSole = 20 C TSole = 25 C Wassertemperatur/ C Seite 4

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10 Vergleich der energetischen Wertigkeit Direktnutzung zu Wärmepumpen-Nutzung Primärnutzung: T S,p = 40 C, T Ko,ein = 41 C, T Ko,aus = 43,4 C, T Ko,m = 42,2 C, T U = 0 C Kollektorkonstanten C 0 = 0,85, C 1 = 3,4 W/(m² K), Kollektorfläche 10 m², Strahlung S = 220 W/m², Solestrom 0,05 kg/s Wärmestrom der Sole Q = m c T Q = 0,05 kg/s 3,65 kj/kg/k 2,4 K 440 W Nutzwärme 440 W 2,5 (PEF) 26 W (Kollektorpumpe) = 375 W resultierender Kollektorwirkungsgrad η 0,2, PEF = Primärenergiefaktor Sekundärnutzung: T WP,aus = 6 C, T WP,ein = 10 C, T Ko,m = 8 C η = 0,85 3,4 8/220 = 0,73 Q = 10 m² 0, W/m² = 1,6 kw mögliche Kälteleistung aus WP-Vermessung bekannt: COP 0/40 = 4,15, COP 10/40 = 4,95 Antriebsleistung P 10/40 = 1,6/(4,95-1) = 405 W Heizleistung = 2,05 kw Heizleistung bei gleicher Antriebsleistung P 0/40 : 4, = 1,68 kw 370 W Differenz Seite 10

11 Solar- Wärmepumpen- Kopplung Seite 11

12 Anforderungen an die Komponenten Solarkollektor: guter Umwandlungswirkungsgrad (optische Konversion) guter Luftaustausch zur Vermeidung von Kondensation große Kollektorfläche, jedoch ohne Stagnation im Sommer => Flachkollektoren Wärmepumpe: exzellenter COP im Norm-Betriebspunkt möglichst großes Potential COP / TSole Möglichkeit zum Betrieb mit hoher Temperatur verdampferseitig Wärmeverteilung: möglichst wenige Pumpen möglichst wenige Ventile möglichst geringer Stillstandsverbrauch keine externen Wärmetauscher Seite 12

13 Versuchsobjekt Einfamilienhaus Region Hamburg berechneter Jahresheizwärmebedarf kwh geschätzter Bedarf an Warmwasser kwh Solarkollektor ARCON STU 9,6 m² Absorberfläche Wärmepumpe 5 kw Nennwärmeleistung, Kältemittel R290 Förderung der Untersuchung durch die DBU Seite 13

14 Fließschema des Systems Hydraulikverteiler als kälteisolierter Kasten, Außenmaß 50 x 50 cm Wandmontage 5 Ventile 2 Pumpen Volumenstromsensor Seite 14

15 üblicher Solarbetrieb Hydraulikverteiler als kälteisolierter Kasten, Außenmaß 50 x 50 cm Wandmontage 5 Ventile 2 Pumpen Volumenstromsensor Seite 15

16 Niedertemperaturbetrieb Hydraulikverteiler als kälteisolierter Kasten, Außenmaß 50 x 50 cm Wandmontage 5 Ventile 2 Pumpen Volumenstromsensor Seite 16

17 Herleitung der Umschaltbedingung sekundär primär S min = C 1 /C 0 (T S,P T U ) Mindestrahlung in W/m² für η = 0 Eine Energiebilanz am Kollektor liefert den Zusammenhang: S ist = (Q Sole + Q Q Verlust )/(C 0 A Ko ) = Q = Wärmestrom A Ko = wirksame Kollektorfläche [V Sole /A Ko ϕ c (T Ko T R ) + C 1 (T m T U )]/C 0 V Sole = Solevolumenstrom ϕ = Dichte c = Wärmekapazität S ist = [V Sole /A Ko Faktor (T Ko T R ) + C 1 ((T Ko + T R )/2 T U )]/C 0 Als Umschaltbedingung gilt dann: S ist! S min (bei gleichem Solestrom). Auflösung nach T S,P ergibt: T S,P! Faktor V Sole /(A Ko C 1 ) (T Ko T R ) + (T Ko + T R )/2 Seite 17

18 Umladebetrieb Hydraulikverteiler als kälteisolierter Kasten, Außenmaß 50 x 50 cm Wandmontage 5 Ventile 2 Pumpen Volumenstromsensor Seite 18

19 Versorgung Wärmepumpe aus Erdkollektor Hydraulikverteiler als kälteisolierter Kasten, Außenmaß 50 x 50 cm Wandmontage 5 Ventile 2 Pumpen Volumenstromsensor Seite 19

20 Versorgung Wärmepumpe aus Sekundärspeicher Hydraulikverteiler als kälteisolierter Kasten, Außenmaß 50 x 50 cm Wandmontage 5 Ventile 2 Pumpen Volumenstromsensor Seite 20

21 Versorgung Wärmepumpe aus Erdkollektor und Solarkollektor Hydraulikverteiler als kälteisolierter Kasten, Außenmaß 50 x 50 cm Wandmontage 5 Ventile 2 Pumpen Volumenstromsensor Seite 21

22 Parallelbetrieb Solarthermie / Wärmepumpe Hydraulikverteiler als kälteisolierter Kasten, Außenmaß 50 x 50 cm Wandmontage 5 Ventile 2 Pumpen Volumenstromsensor Seite 22

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28 Zahlen und Fakten Primärertrag Sekundärertrag 2688 kwh = 22% des Gesamtbedarfs 1078 kwh = 40 % des Primärertrags Gesamteinsparung 10 % = 240 kwh Strom 10% entspricht Anhebung der Soletemperatur um 5 K Seite 28