Stratisorp-Systementwicklung: Schichtspeicher-Adsorptionswärmepumpe für Heiz- und Kühlanwendungen in Gebäuden

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1 Zukunftsoffensive III des Landes Baden-Württemberg Zwischenbericht anlässlich des Statuskolloquiums Umweltforschung Baden-Württemberg 2015 am 24. und 25. Februar 2015 im Haus der Wirtschaft Karlsruhe Stratisorp-Systementwicklung: Schichtspeicher-Adsorptionswärmepumpe für Heiz- und Kühlanwendungen in Gebäuden von Chirag Joshi, Ferdinand Schmidt Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Campus Süd Fachgebiet Strömungsmaschinen FSM Forschungsgruppe Energie- und Gebäudetechnologie Förderkennzeichen: ZO3E Die Arbeiten der Projekte der Zukunftsoffensive III werden mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg gefördert

2 Kurzfassung zum Forschungsvorhaben English Summary Das Vorhaben dient der Entwicklung von Grundlagen für ein neuartiges Adsorptionswärmepumpen-System, das einen thermischen Schichtspeicher zur Wärmerückgewinnung zwischen Adsorptions- und Desorptionsphase nutzt. Es knüpft direkt an die Ergebnisse des BWPlus-Vorhabens Stratisorp (BWE 27005) an, in dem die Modellbildung und dynamische Simulation zu diesem System bearbeitet wurden. Die besonderen Anforderungen an den Schichtspeicher betreffen vor allem die temperaturgesteuerte Be- und Entladung bei relativ zur Speichergröße hohen Volumenströmen. Hier müssen besondere Maßnahmen zur Unterdrückung großräumiger Wirbel getroffen werden, die sonst die Speicherschichtung stark beeinträchtigen würden. Hierzu werden in diesem Vorhaben poröse Medien wie z.b. grobporige retikulierte Schwämme in bestimmte Speicherzonen eingebracht. Die Effektivität verschiedener Maßnahmen zur Verminderung von Mischungseffekten im Speicher wird experimentell untersucht durch eine Kombination von Schlierenverfahren und Temperaturmessungen. Im zweiten Teil des Vorhabens wird ein Schichtspeicher mit allen benötigten Einbauten, Steuerungs- und Regelungseinrichtungen mit einem Adsorptionsmodul (Adsorber, Verdampfer, Kondensator) zusammengekoppelt und dieses Demonstrator- System als Adsorptionswärmepumpe vermessen. Ziel ist der experimentelle Nachweis einer deutlichen Steigerung der Leistungszahl gegenüber einem Vergleichssystem mit gleichen Adsorberdaten. Begleitend werden Systemsimulationen durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit des Systems in bestimmten Referenzanwendungen (Gaswärmepumpe, Solare Kühlung, KWKK) zu untersuchen. The project serves the development of a solid basis for a novel adsorption heat pump system utilising a stratified thermal storage for heat recovery between the adsorption and desorption half cycles. The project starts from the results of the previous BWPlus project Stratisorp (BWE 27005) in which the modelling and dynamic simulation of such systems have been performed. The special requirements regarding the stratified storage are related to the temperature controlled loading and unloading at high volume flow rates relative to storage size. Here, dedicated measures for suppressing large eddies have to be taken, since those eddies would otherwise strongly deteriorate stratification. To this end, porous media such as reticulated foams will be inserted into distinct zones of the storage. The effectiveness of different measures aiming at a reduction of mixing effects will be analysed experimentally through flow visualisations techniques in combination with temperature measurements. In the second part of the project, the stratified storage with all required fixtures and control equipment will be coupled to an adsorption module (adsorber, evaporator, condenser) for characterisation as an adsorption heat pump. The goal is to provide experimental proof of a strong enhancement of the coefficient of performance (COP) of the Stratisorp system compared to a reference system using a standard adsorption cycle and identical adsorbers. In a complementary work package, system simulations are performed to evaluate system performance in reference applications such as gas heat pump, solar cooling system and CCHP system (combined cooling, heating and power). ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 2

3 Arbeiten im Berichtszeitraum Die Arbeiten im Berichtszeitraum haben sich auf die experimentelle Seite des Vorhabens konzentriert. Das im vorherigen Berichtszeitraum beschaffte Silikagel- Adsorptionsmodul (AP 3.1) wurde mittels des im Vorhaben erarbeiteten Laboraufbaus charakterisiert (AP 3.2). Dabei zeigten sich Abweichungen von den Herstellerangaben, die weitere Analysen erforderlich machten. Gegen Ende des vorherigen Berichtszeitraums war der Arbeitsplan dahingehend geändert worden, die Charakterisierung des Stratisorp-Systems als Wärmepumpe/Kältemaschine nicht extern, sondern mittels des Laboraufbaus am FSM mit dem offenen (und optisch zugänglichen) Versuchsspeicher vorzunehmen. Wie in den folgenden Abschnitten näher erläutert wird, konnte jedoch bei anwendungsrelevanten Volumenströmen (mindestens 800 liter/h) kein stabiler Teststandsbetrieb über viele Zyklen erreicht werden. Daher musste der Arbeitsplan nochmals angepasst und das Laborsystem zu einem geschlossenen, druckbeaufschlagten System umgebaut werden. Hierfür stand jedoch nur ein Speicher zur Verfügung, der nicht über die im Rahmen dieses Vorhabens konzipierten Schichtbeladeeinrichtungen verfügte, sondern über eine marktverfügbare Beladelanze des Herstellers Solvis. Mit diesem Systemaufbau konnten, wie im Folgenden dargestellt, Messungen von Stratisorp-Zyklen bis zum Erreichen des stationären Zyklus durchgeführt werden bei einem Adsorbervolumenstrom von ca. 860 liter/h. Die Ergebnisse für den COP lagen jedoch deutlich unterhalb der aus der dynamischen Simulation erwarteten Ergebnisse, so dass ein erneuter Versuch unternommen wurde, den Laboraufbau durch einen Wechsel des Speichers zu verbessern. Nunmehr steht ein druckfester 750-liter- Speicherbehälter zur Verfügung, der über einen Rundumflansch verfügt und in den die im Rahmen des Vorhabens konzipierten Beladeringe integriert werden konnten. Mit diesem neuen System konnten jedoch bis zum Ende des Berichtszeitraums keine Messungen mehr durchgeführt werden. Die im Einzelnen im Berichtsjahr erzielten Ergebnisse sind in den folgenden Abschnitten dargestellt. Experimentelle Untersuchungen am Laborsystem Umrüstung auf geschlossenes Laborsystem Die Versuche, das Laborsystem mit dem offenen, optisch zugänglichen Versuchsspeicher bei hohem Volumenstrom stabil zu betreiben, waren letztlich trotz der Beseitigung vieler kleiner Undichtigkeiten nicht erfolgreich, weil die Pumpe im vom ITW der Univ. Stuttgart ausgeliehenen Heizmodul im drucklosen Betrieb des Speichers bei hohen Volumenströmen über Undichtigkeiten an der Welle Außenluft ins System saugte. Da diese Eigenschaft des Heizmoduls nicht behoben werden konnte, wurde das System zu einem geschlossenen, druckbeaufschlagten System umgebaut. Der nun verwendete 750-Liter-Speichertank ist in Abb. 1 gezeigt. Der zylindrische Behälter enthält in seiner Symmetrieachse eine vertikale Temperaturmesslanze mit 15 Pt-1000 Temperatursensoren im Abstand von jeweils 11 cm. Der gezeigte Speichertank war kurzfristig beschaffbar und für das Vorhaben nutzbar, ein Einbau der im Rahmen des Vorhabens konzipierten Beladeringe war jedoch nicht möglich. Daher wurde der Stratisorp-Zyklus zunächst an diesem Tank ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 3

4 mit der Solvis-Schichtladelanze getestet, wobei festzuhalten ist, dass die mittlere Ausströmgeschwindigkeit aus der Solvis-Lanze bei gleichem Volumenstrom mindestens um einen Faktor 10 größer ist als die aus den eigens für dieses Vorhaben konzipierten Beladeringen. Da die Strömungsgeschwindigkeit quadratisch in die für die Qualität der Schichtung entscheidende Richardson-Zahl eingeht, ist also für diesen Tank mit einer gegenüber dem Auslegungsfall deutlich erhöhten Vermischung zu rechnen. Durch die in Abb. 1 erkennbare recht einfache Ausführung der Heizer- und Kühleranschlüsse an den Tank werden zudem Prallstrahlen an den Speicherdeckel und boden erzeugt, die ebenfalls zu einer erhöhten Durchmischung führen können. Aufgrund der passiv arbeitenden Beladelanze stellte sich eine Vorkonditionierung des Systems auf einen etwa linearen Temperaturverlauf im Speicher als relativ schwierig heraus. Abb. 1: Hydraulische Einbindung und Einbauten des 750-Liter-Speichertanks mit Solvis-Beladelanze. Die Auswahl der Entnahmehöhe zum Adsorber erfolgt durch die Magnetventile, die Wiedereinschichtung vom Adsorber in den Tank erfolgt durch die Solvis-Lanze. Die gesamte Verschaltung der Komponenten des Laborsystems ist in Abb. 2 dargestellt. Da das verwendete Silikagel-Adsorptionsmodul nur einen Wärmeübertrager als Verdampfer/Kondensator enthält, muss der Verdampfer- /Kondensatorkreis zwischen Adsorption und Desorption extern umgeschaltet werden. Dies geschieht über zwei motorisch gesteuerte Dreiwegeventile. Die Konditionierung des Verdampfers während der Adsorptionsphase erfolgt über das Emulator-Modul, die des Kondensators während der Desorption erfolg über das Kühlmodul. Zur Charakterisierung des verwendeten Silikagel-Adsorptionsmoduls (AP 3.2) wurden Modultestmessungen ohne Wärmerückgewinnung durchgeführt. Diese wurden auch mit entsprechenden Ergebnissen des Modulherstellers und mit Ergebnissen eigener dynamischer Simulationsrechnungen verglichen. Unter Bedingungen von 71 C Adsorbervorlauf (Desorption), 27 C Vorlauf Adsorber/Kondensator (Adsorption) und 18 C Vorlauf Verdampfer (Adsorption) wurde bei Volumenströmen von 1040 liter/h im Adsorberkreis (Adsorption) und 800 liter/h im Verdampferkreis ein COP von 0,36 erreicht. Beim Modulhersteller wurde unter diesen Temperaturbedingungen bei höheren Volumenströmen (bis 2600 ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 4

5 liter/h im Adsorberkreis) ein COP von 0,41 erreicht. Die Abweichung kann zu einem geringen Teil durch Inertgase im Adsorber bei den Messungen am FSM verursacht sein, den wichtigsten Einflussfaktor stellen jedoch vermutlich die unterschiedlichen Strömungsbedingungen in den beiden Wärmeübertragern dar (geringere Nußelt-Zahlen infolge geringerer Volumenströme bzw. Reynolds- Zahlen). Hier ist also bereits festzustellen, dass mit dem aktuellen Laboraufbau das Potenzial des Sorptionsmoduls noch nicht voll ausgeschöpft werden kann. Abb. 2: Laboraufbau des Stratisorp-Systems für Modultests und Messungen von Stratisorp-Zyklen. Messung von Stratisorp-Zyklen mit dem modifizierten Laborsystem Mit dem oben beschriebenen Laborsystem wurden nach Abschluss der Modultests Stratisorp-Zyklen gefahren und ausgewertet (AP 5). Der Speicher wurde auf einen etwa linearen Temperaturverlauf zwischen der niedrigsten Adsorptionstemperatur (unten) und der höchsten Desorptionstemperatur (oben) vorkonditioniert, dann wurde der Adsorber bei gleichem Heizer- und Adsorbermassenstrom (d.h. ohne großen Einfluss auf die Speichertemperaturen) desorbiert. Die eigentliche Messung von Zyklen beginnt dann mit einer Adsorptionsphase. Die Umschaltung der Entnahmehöhe aus dem Speicher wird über die Temperaturdifferenz zwischen Adsorbervor- und rücklauf geregelt. Da der Adsorbervolumenstrom konstant gehalten wird, entspricht dies einer Regelung über die an den Speicher abgegebene Adsorberleistung. Als Standard-Zyklenbedingung wurden Vorlauftemperaturen zum Speicher von 72 C (Heizer) und 27 C (Kühler) gewählt bei einer Vorlauftemperatur zum Verdampfer von 18 C. Die Volumenströme wurden nahe den möglichen Maximalwerten gewählt mit einem Adsorbervolumenstrom von 860 liter/h (in Adsorption bzw. 795 liter/h (in Desorption), einem Verdampfervolumenstrom von etwa 2000 liter/h und einem Gesamt-Rückkühlvolumenstrom durch das Kühlmodul von 860 liter/h, der während der Adsorptionsphase vollständig durch den unteren Speicherbereich geleitet wurde und während der Desorptionsphase überwiegend (mit ca. 800 liter/h) durch den Kondensator geleitet wurde. Für eine Auswertung von COP und Leistung sollten stationäre Zyklen gemessen werden. Um dies in guter Näherung zu erreichen, wurden für jeden Betriebspunkt mindestens 10 Zyklen aufgenommen. In Abb. 3 ist das Temperaturprofil des Speichers jeweils nach einem vollständigen Sorptionszyklus gezeigt. Man erkennt, ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 5

6 dass sich der Speicher bereits nach drei Zyklen weitgehend eingeschwungen hat und nur noch sehr geringe Temperaturdifferenzen von Zyklus zu Zyklus auftreten. Bla Bla Abb. 3: Temperaturprofil im Speicher am Ende aufeinanderfolgender Stratisorp-Zyklen. Es ist erkennbar, dass nach 10 Zyklen in guter Näherung ein stationärer Zyklus erreicht ist. Für den stationären Stratisorp-Zyklus unter den o.g. Bedingungen sind die Temperaturverläufe der Fluidkreise in Abb. 4 dargestellt. Für das Umschalten zwischen den Halbzyklen wurde hier keine feste Zeit vorgegeben, sondern wiederum eine Schwelle für die Temperaturdifferenz zwischen Adsorbervor- und rücklauf (nach dem Erreichen der letzten Entnahmehöhe des jeweiligen Halbzyklus). Abb. 4: Temperaturverlauf an Adsorber und Verdampfer/Kondensator für einen eingeschwungenen Stratisorp- Zyklus (72 C / 27 C / 18 C). ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 6

7 In Abb. 4 ist gut zu erkennen, dass aus diesem Umschaltkriterium eine deutlich kürzere Desorptionsphase im Vergleich zur Adsorptionsphase resultiert. Gegenüber bekannten Wärmerückgewinnungskonzepten in Adsorptionskältemaschinen, die auf der Wärmerückgewinnung zwischen zwei Adsorbern am Ende ihres jeweiligen Halbzyklus basieren, weist der Stratisorp-Zyklus mit einem Adsorber den zusätzlichen Freiheitsgrad auf, dass die Halbzyklen nicht gleich lang sein müssen (was zur Erhöhung der spezifischen Leistung genutzt werden kann). Die Leistungsverläufe der einzelnen Fluidkreise zu dem in Abb. 4 gezeigten Zyklus sind in Abb. 5 dargestellt. Man erkennt am Verlauf der Adsorberleistung gut, dass die Umschaltung zur nächsten Entnahmehöhe aus dem Speicher jeweils etwa bei derselben Adsorberleistung (ca. 1 kw) erfolgt. Der Abbruch des Adsorptionshalbzyklus erfolgt bei einer Adsorberleistung von ca. 0,5 kw. Die Verdampfer- und Kondensatorleistung schwanken parallel zur Adsorberleistung, wobei die Leistungspeaks am Verdampfer/Kondensator deutlich gedämpft sind gegenüber den Adsorberpeaks (die stark durch die sensible thermische Masse des Adsorbers beeinflusst sind). Aus der Energiebilanzierung der Fluidkreise ergibt sich für den in Abb. 4 und 5 gezeigten Zyklus ein COP von 0,43 bei einer mittleren Kälteleistung von ca. 750 W. Die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse ist als gut zu betrachten, wie in Abb. 6 zu sehen ist. Abb. 5: Leistungsverläufe während des eingeschwungenen Stratisorp-Zyklus in den vier Bilanzkreisen Heizer (rot), Kühler (blau) Adsorber während Adsorption (grün), Adsorber während Desorption (rot gestrichelt), Verdampfer (magenta) und Kondensator (cyan). Vorzeichenkonvention: Adsorberkreis vom Speicher her betrachtet (Wärmezufuhr positiv), Verdampfer-/Kondensatorkreis von externer Wärmequelle/-senke her betrachtet. Dieser gemessene COP-Wert ist deutlich geringer, als für einen gut geschichteten Stratisorp-Speicher mit diesem Adsorbermodul zu erwarten wäre (und von der dynamischen Systemsimulation vorhergesagt wird). Die Vermutung liegt nahe, dass ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 7

8 im Speichertank eine wesentlich stärkere Vermischung stattfindet als in der Systemsimulation und aufgrund der Vorversuche mit den Beladeringen am optisch zugänglichen Speicher angenommen wurde. Für diesen Speichertank mit der Solvis- Beladelanze existiert jedoch kein Modell für die dynamische Simulation, so dass die in diesem Speicher auftretenden Effekte nicht durch Vergleich mit Simulationsergebnissen näher untersucht werden können. Abb. 6: Untersuchung zur Reproduzierbarkeit der Stratisorp-Messungen, COP-Werte für Heiz- und Kühlfall für eingeschwungenen Zyklus jeweils nach 10 Zyklen gemessen bei unterschiedlichen Anfangsbedingungen des Speichers. Im Rahmen der Messfehler stimmen die Ergebnisse überein. In einem ersten Versuch, Kennlinien eines Stratisorp-Kältemaschinensystems aufzunehmen, wurden die Antriebs- und Mitteltemperatur variiert und jeweils eine Messung über 10 Zyklen aufgenommen. Die Ergebnisse sind in Abb. 7 gezeigt. Abb. 7: Einfluss einer Variation von Antriebs- und Mitteltempreatur auf COP und Leistung eines Stratisorp-Zyklus bei einer Verdampfer-Vorlauftemperatur von 18 C. Jeder Messpunkt wurde für einen eingeschwungenen Zyklus ermittelt, die Regelungsparameter wurden nicht auf veränderte Temperaturen angepasst. ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 8

9 Man erkennt, dass der für 72 C Desorption / 27 C Rückkühlung ermittelte COP von 0,43 den besten Wert des gemessenen Kennfeldes darstellt. Dass der COP bei steigender Mitteltemperatur sinkt, ist nicht überraschend, wohl aber, dass bei steigender Antriebstemperatur (für 27 C und 30 C Mitteltemperatur) der COP abfällt, ohne dass die Leistung ansteigt. Offenbar verhält sich das System sehr sensitiv gegenüber den Regelungsparametern (die hier konstant gehalten wurden). Da das Niveau des COP insgesamt deutlich niedriger liegt als für dieses Sorptionsmodul bei guter Konfiguration möglich wäre, wurde auf Basis dieser Ergebnisse keine weitere Anpassung von Regelungsparametern versucht. Stattdessen wurde ein neuer Versuchstank konzipiert, der durch eine Vereinbarung mit einem Unternehmen für dieses Vorhaben kostenneutral hergestellt und zur Verfügung gestellt werden konnte. Erneuter Umbau des Laborsystems auf Tank mit Beladeringen und doppelter Magnetventilbank Dieser neue Tank enthält statt der passiv einschichtenden Beladelanze (Solvis) und der einfachen Prallplatten an den Anschlüssen für die Fluidentnahme nun die im Rahmen dieses Vorhabens konzipierten und in Vorversuchen am optisch zugänglichen Versuchsspeicher bereits bewährten Be- und Entladeringe. Um diesen Speicher mit einem Adsorbervolumenstrom von mindestens 1000 liter/h betreiben zu können, wurden auch die Ventilbänke neu konzipiert, wobei statt der Magnetventile nun motorisch angetriebene Ventile mit deutlich größerem Fluidquerschnitt ausgewählt wurden. Ein Schema dieses neuen Speichertanks ist in Abb. 8 gezeigt. Abb. 8: Anschluss-Schema des neuen 750-Liter-Speichertanks, in den die für dieses Vorhaben konzipierten Beladeringe eingebaut sind. Es befinden sich sechs Beladeringe im Speicher an den mit R1 bis R6 bezeichneten Anschlüssen. Jeder dieser Anschlüsse ist über ein T-Stück an Magnetventile zum Vor- und Rücklauf des Adsorbers angeschlossen, die Ringe werden sowohl für Aus- als auch Einschichtung in den Speicher verwendet, die bisher verwendete Solvis-Lanze entfällt somit. Die Beladeringe werden darin sowohl für die Einschichtung als auch für die Ausschichtung des Fluids verwendet. Auch Heizer und Kühler haben keine separaten Anschlüsse an den Speicher mehr, sondern werden zusätzlich an die beiden oberen bzw. die beiden unteren Beladeringe angeschlossen, so dass in diesen eine Superposition der Volumenströme stattfindet. Bis zum Statusseminar am 25./26. Februar 2015 sollen erste Messergebnisse dieses neuen Systems vorliegen. ZO3-Projekt Stratisorp-Systementwicklung (ZO3E 11001) 9