Hocheffiziente Wärmerückgewinnung mit CO2

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1 Informationsbroschüre Hocheffiziente Wärmerückgewinnung mit CO2

2 Einführung Transkritische CO2-Kühlsysteme konnten sich in den letzten Jahren zunehmend auf dem Markt behaupten. In Dänemark hat sich der Markt seit 2007 von konventionellen Kälteanlagen mit FKW oder Kaskadensystemen mit CO2 und FKW abgewandt und immer mehr in Richtung transkritische CO2 -Systeme entwickelt. Transkritische Systeme gehören nunmehr zum Standard, denn ihre Technologie ist ausgereift. Aus vorgenommenen Feldstudien, bei denen nur die Kühlung betrachtet wurde, geht hervor, dass der jährliche Energieverbrauch auf dem gleichen Niveau wie bei FKW-Systemen mit Direktverdampfung liegt. Dieser Artikel soll eine kurze Einführung in die Theorie geben, auf der die Wärmerückgewinnung (WRG) in transkritischen Systemen beruht, und deren Effizienz mit jener der FKW-Systeme vergleichen. Grundlagen für transkritische Systeme Bei normalen Systemen mit wasserstoffhaltigen Fluorkohlenwasserstoffen als Kältemittel sind Druck und Temperatur voneinander abhängig, bei transkritischen Systemen lassen sich Druck und Temperatur jedoch individuell steuern. Daraus ergeben sich verschiedene Möglichkeiten für die Wärmerückgewinnung. Bei normalem Betrieb ohne Wärmerückgewinnung wird der Hochdruck auf einem Niveau gehalten, bei dem die optimale Leistungszahl erreicht wird. Diese Funktion erfolgt vollautomatisch in der eingesetzten Regelung. In Kälteperioden liegt der Druck normalerweise bei mindestens 40 bar ~ 5 C oder höher. Bei einem solchen Druck kann fast keine Wärme rückge- wonnen werden. Wird der Druck erhöht, nimmt auch die Wärme zu, die sich rückgewinnen lässt. Beispiel Wasser wird von 15 C auf 55 C erwärmt. Die Umgebungstemperatur beträgt -5 C und die benötigte Heizleistung muss mit dem geringstmöglichen Energieverbrauch zurückgewonnen werden. Der Temperaturunterschied der Wärmerückgewinnung HX ist auf 5 K eingestellt. Die Austrittstemperatur des Gaskühlers wird in allen Fällen, wo der Gaskühler aktiv ist, auf 4 C gehalten. Das verwendete System besteht aus einem oder mehreren Verdichtern einem Wärmetauscher mit Pumpe für die Wärmerückgewinnung, zwei 3-Wegeventilen, einem luftgekühlten Gaskühler und einem Überdruckventil mit elektronischer Regelung ICMTS Danfoss R Unter diesen Bedingungen liegt die Druckgastemperatur von dem Verdichter bei ca. 35 C und daher ist es nicht möglich, 55 C heißem Wasser zu erreichen. Um das System in der Lage zu bringen, 55 C zu erreichen, muss das Druckgas mindestens 55 C betragen und deshalb muss der Druck nach oben verschoben werden. 2 Informationsbroschüre RA8AD203 Danfoss 05/2012 Wärmerückgewinnung mit CO2

3 Bei 50 bar Hochdruck beträgt die Verdichtungsendtemperatur 55 C und es ist daher möglich, die Wärmerückgewinnung des Systems zu starten, aber am Wärmetauscher ist keine Temperaturdifferenz vorhanden. Bei einem weiteren Druckanstieg erhöht sich die Menge der dem System zurückgewonnenen Wärme. Bei 80 bar wird zirka 80% der Wärme bei einer Kühlleistungszahl von 3,13 zurückgewonnen. Um einen höheren Wert von über 80% zu erreichen, kann der Druck erhöht und der Gaskühler umgangen werden. Dadurch kann man 100% erreichen, da keine Wärme an die Umgebung abgegeben wird, sondern die gesamte Wärme zurückgewonnen wird. Dazu ist der Einsatz mehrerer Verdichter erforderlich, um die niedrigere Verdichterleistung bei hohem Enddruck auszugleichen. Wärmerückgewinnung mit CO2 Informationsbroschüre RA8AD203 Danfoss 05/2012 3

4 Unter diesen Bedingungen wird die gesamte Wärme zurückgewonnen und die Leistungszahl des Systems beträgt zirka 2,6. Da sich die Wärmeleistung des Systems je nach dem vorhandenen Druck ändert, soll auf die Bedeutung der Wärmeleistungszahl des Systems näher eingegangen werden. Das System verbraucht unter seinen Betriebsbedingungen Energie mit optimiertem Druck (in diesem Beispiel 40 bar). Das bedeutet, dass das System unabhängig von der daraus gewonnenen Wärme Energie verbraucht. Daher wird die Wärmeleistungszahl des Systems als Heizleistung dividiert durch die von den Verdichtern extra verbrauchte Energie berechnet. Auf diese Weise kann die Wärmeleistungszahl mit alternativen Wärmequellen verglichen werden. Das Verhältnis entspricht jenem zwischen der maximal verfügbaren und der genutzten Wärme. Die Wärmeleistungszahl ändert sich je nach Umgebungstemperatur. Bei hohen Umgebungstemperaturen ist die zum Kühlen erforderliche Verdichterleistung größer und die Verdichterleistung für die WRG daher geringer. Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen kann der Druck nicht gesenkt werden, was sich daher nicht auf die Wärmeleistungszahl auswirkt. Wenn eine Umgebungstemperatur von 3 C statt -5 C gewählt wird, erhält man das in der Tabelle dargestellte Ergebnis. Das Ergebnis zeigt, dass die Umgebungstemperatur einen bedeutenden Einfluss auf die Wärmeleistungszahl hat, die bei Volllast am höchsten ist. P_gc [Bar] COP ref [-] Ratio COP Heat [-] 40 8,8 0% ,7 0% ,3 25% 2,6 70 3,6 40% 3,1 80 3,1 80% 5,1 80 3,1 100%* 5,1 *Umgehung des luftgekühlten Gaskühlers P_gc [bar] COP ref [-] Ratio COP Heat [-] 50 5,7 0% ,3 25% 5,6 70 3,6 40% 5,0 80 3,1 80% 7,3 80 3,1 100%* 7,3 *Umgehung des luftgekühlten Gaskühlers Wenn die hohe Leistungszahl bei Teillast erreicht werden soll, kann das System als CO2 Wärmepumpe über der Kälteanlage aufgebaut werden. Vergleich zwischen dem transkritischen CO2-System und anderen Wärmequellen Im vorhergehenden Abschnitt wurde die Wärmeleistungszahl berechnet. Es ist jedoch interessant zu wissen, ob dieses System billiger oder teurer als andere Wärmerückgewinnungssysteme und andere Energiequellen ist. 4 Informationsbroschüre RA8AD203 Danfoss 05/2012 Wärmerückgewinnung mit CO2

5 Andere Wärmerückgewinnungssysteme Der Vergleich zwischen der Leistungszahl des CO2-Systems und der Leistungszahl anderer Kältemittel muss auf einer korrekten Grundlage angestellt werden. Für die anderen Kältemittel wird davon ausgegangen, dass sie z.b. bei -10 C verdampfen und bei 55 C verflüssigen, um Warmwasser mit 55 C zu liefern. Die Unterkühlung beträgt 2K. Die min. Verflüssigungstemperatur wird auf 15 C eingestellt. Aus dem obigen Diagramm geht hervor, dass die Wärmeleistungszahl bei CO2 zwischen ca. 25% und 150% liegt, daher besser als bei R134A ist und den besten Wert bei Teillast erreicht, was die meiste Zeit im Jahr der Fall ist. Wärmepumpensysteme Um das Problem der Teillast zu beseitigen, kann eine Wärmepumpe in das System integriert werden. Dadurch wird die bestmögliche Leistungszahl des Systems erreicht, unabhängig von dessen Belastung. Die Leistungszahl im Heizbetrieb wurde bei 5 C Verdampfung (entspricht der niedrigst möglichen Verflüssigung für das transkritische CO2- System), 55 C Verflüssigung und 2 K Unterkühlung berechnet. Die Berechnung wurde für die meisten handelsüblichen Kältemittel erstellt. Aus der Tabelle geht die Leistungszahl für verschiedene Kältemittel hervor. Aus den Daten ergibt sich, dass die Leistungszahl von CO2 um 38% bis 55% höher ist als bei konventionellen Kältemitteln. Kältemittel R134A 3,7 R290 3,7 R404A 3,3 R410A 3,4 Transkritische CO 2 Wärmepumpe Wärmeleistungszahl 5,1 Andere Energiequellen Eine Alternative zu einem CO2-Wärmerückgewinnungssystem könnte ein Öl- oder Gasbrenner sein. Es geht jedoch darum, welche die wirtschaftlich günstigste Wahl ist. Die in diesem Beispiel für ein CO2-Wärmerückgewinnungssystem berechnete Leistungszahl liegt zwischen 2,6 und 7,3. Die genaue Leistungszahl hängt vom Typ des Systems (Wärmepumpe oder Wärmerückgewinnung), vom Lastprofil für die Wärmerückgewinnung und von der Umgebungstemperatur ab. Ein Vergleich mit anderen Energiequellen kann durch die folgende Gleichung angestellt werden. Ist dieses Verhältnis kleiner als 1, dann stellt das CO2-System nicht die wirtschaftlich günstigste Lösung dar. In den meisten Fällen ist ein Wärmerückgewinnungs- oder Wärmepumpensystem kostengünstig. In vielen Fällen ist die Wärmerückgewinnungslösung dann günstig, wenn die Leistungszahl höher als 2 oder 3 ist, aber dies hängt natürlich von den Energiepreisen und den lokalen Steuern ab. Wärmerückgewinnung mit CO2 Informationsbroschüre RA8AD203 Danfoss 05/2012 5

6 Schlussfolgerung Aus dem obigen Beispiel geht hervor: Wärmeleistungszahl eines transkritischen Wärmerückgewinnungssystems zwischen 2,6 und 7,3 je nach Belastung und Umgebungstemperatur. CO2 um 25% bis 150% besser als R134A bei einem Wärmerückgewinnungssystem in Abhängigkeit von der Belastung. Bei einem Wärmepumpensystem ist CO2 zwischen 38% und 55% besser als die FKW- Kältemittel im Vergleich. Leistungszahl eines Wärmepumpensystems höher als die eines Wärmerückgewinnungssystems bei Teillast, bei Vollast jedoch sehr geringer Unterschied. Machbarkeit der Installation eines Wärmepumpensystems abhängig von Belastungsprofil und Investitionskosten. CO2-Wärmepumpensysteme oder Wärmerückgewinnungssysteme stellen sehr oft eine äußerst vorteilhafte Alternative zu Öl- oder Gasbrennern dar Diese Schlussfolgerung wird anhand der Daten des Beispiels getroffen. Andere Daten können zu einem anderen Schluss führen; es sind jedoch einige Leitlinien gültig. CO2 ist bei Erreichen hoher Temperaturen durchführbar. Je niedriger die Wasser- oder Medieneingangstemperatur ist, umso effizienter arbeitet CO2. Die Ausgangstemperatur ist nicht im Vordergrund. Bei bis zu 80 C ist eine gute Effizienz realistisch. CO2 ist nicht das Kältemittel, das gewählt werden soll, wenn die durchschnittliche Ausgangstemperatur des Mediums niedrig und die Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Ausgang gering ist. Juli 2011 Zurzeit sind Systeme von 5 kw bis 1,5 MW Wärmerückgewinnungsleistung in Betrieb. Es gibt weltweit mehr als 2000 Installationen mit transkritischem CO2, von denen nicht alle mit Wärmerückgewinnung ausgestattet sind. Die in Katalogen, Prospekten und anderen schriftlichen Unterlagen, wie z.b. Zeichnungen und Vorschlägen enthaltenen Angaben und technischen Daten sind vom Käufer vor Übernahme und Anwendung zu prüfen. Der Käufer kann aus diesen Unterlagen und zusätzlichen Diensten keinerlei Ansprüche gegenüber Danfoss oder Danfoss-Mitarbeitern ableiten, es sei denn, daß diese vorsätzlich oder grob fahrlässig gehandelt haben. Danfoss behält sich das Recht vor, ohne vorherige Bekanntmachung im Rahmen des Angemessenen und Zumutbaren Ânderungen an ihren Produkten - auch an bereits in Auftrag genommenen - vorzunehmen. Alle in dieser Publikation enthaltenen Warenzeichen sind Eigentum der jeweiligen Firmen. Danfoss und das Danfoss-Logo sind Warenzeichen der Danfoss A/S. Alle Rechte vorbehalten. ADAP-KOOL 6 Informationsbroschüre RA8AD203 Danfoss 05/2012 Wärmerückgewinnung mit CO2