Indirekte Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für Hybrid- und E-Fahrzeuge

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1 Indirekte Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für Hybrid und EFahrzeuge P. Schrank, B. Rabl, A. Steiner VIRTUAL VEHICLE Research Center M. Hütter AVL List GmbH R. Rieberer Institut für Wärmetechnik, Technische Universität Graz 20. November 2015 COMET K2 Competence Center Initiated by the Federal Ministry of Transport, Innovation & Technology (BMVIT) and the Federal Ministry of Economics & Labour (BMWFI). Funded by FFG, Land Steiermark and Steirische Wirtschaftsförderung (SFG) VIRTUAL VEHICLE

2 Inhalt Einleitung und Aufgabenstellung Systemaufbau (direkte / indirekte Kälteanlage) Simulationsergebnisse: Kühlbetrieb Heizbetrieb Entfeuchtungsbetrieb Vergleich der Simulationsergebnisse mit Prüfstandsmessungen: Kühlbetrieb Heizbetrieb Entfeuchtungsbetrieb Jahresenergieverbrauch Zusammenfassung und Ausblick Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 2

3 Einleitung Klimaanlage größter Nebenverbraucher im PKW Nutzung der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine Reichweite Kundenakzeptanz Einsatz von Kälteanlagen mit Wärmepumpenfunktion Wärmequellen und senken Nutzung der Abwärme der elektrischen Antriebsstrangkomponenten Einsatz alternativer Kältemittel ( GWP) Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 3

4 Aufgabenstellung Modellierung Drei Wärmepumpensysteme mittels HVACKomponentenbibliothek in Modelica Zwei direkte Kälteanlagensysteme mit Wärmepumpenfunktion (Kältemittel: R1234yf sowie R744) und ein indirektes System (R744) Simulation Kühl, Heiz und Entfeuchtungsbetrieb Definierte Lastpunkte für die jeweilige Betriebsart Messungen am Prüfstand Funktionsmuster einer indirekten Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion (Kältemittel: R744) auf den Klimaprüfständen des VIRTUAL VEHICLE Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 4

5 Systemaufbau Direktes System (bzw. halbindirektes System im Entfeuchtungsbetrieb) Valves (V): CV check valve EXV electric expansion v. SV solenoid valve Heat exchangers (HX): EHX external HX IHX internal HX PHX plate HX Motor: M electric motor Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 5

6 Systemaufbau Indirektes System (im Entfeuchtungsbetrieb) Valves (V): CV check valve EXV electric expansion v. NV needle valve SV solenoid valve Heat exchangers (HX): EHX external HX IHX internal HX PHX plate HX Motor: M electric motor Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 6

7 Simulationsergebnisse Kühlbetrieb COPVergleich Kühlbetrieb Direkte Kälteanlagen (R1234yf und R744) gegenüber der indirekten Kälteanlage (R744) COP direktes_system_kühlbetrieb = m L Δh L,IHX 1 P Kompressor COP indirektes_system_kühlbetrieb = m KM cp,km Δθ KM,IHX 1 P Kompressor + P Pumpe 1 L Luft KM Kühlmittel Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 7

8 Simulationsergebnisse Heizbetrieb COPVergleich Heizbetrieb Direkte Kälteanlagen (R1234yf und R744) gegenüber der indirekten Kälteanlage (R744) im Wärmepumpenbetrieb ohne Berücksichtigung einer Abtauung Effizienzen der direkten Anlagen in diesem Betriebspunkt gering elektrischer PTCZuheizer sinnvoll COP Heizbetrieb = Q IHX P Kompressor + P Pumpe 2 Q IHX_direktes_System = m KM,IHX 2 cp,km,ihx 2 Δθ KM,IHX 2 Q IHX_indirektes_System = m KM cp,km,ihx 1 Δθ KM,IHX 1 + cp,km,ihx 2 Δθ KM,IHX 2 L Luft KM Kühlmittel Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 8

9 Simulationsergebnisse Entfeuchtungsbetrieb Prozessverläufe im Entfeuchtungsbetrieb Indirektes System (R744) mit unterschiedlichen Systemhochdrücken bei 15 C Umgebungstemperatur und 80 % relativer Luftfeuchte auf 30 C Ausblastemperatur geregelt Systemhochdruck: Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 9

10 Simulationsergebnisse Entfeuchtungsbetrieb Sensible und latente Wärme im h/xdiagramm (Mollier Diagramm) Am Beispiel 15 C Umgebungstemperatur und 80% relativer Luftfeuchte und 30 C Luftausblastemperatur und definiertem Luftmassenstrom m Luft Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 10

11 Simulationsergebnisse Entfeuchtungsbetrieb COPVergleich im Entfeuchtungsbetrieb Rein elektrische Zuheizung gegenüber direkte/indirekte Kälteanlage (R744) im Wärmepumpenbetrieb ohne Berücksichtigung einer Abtauung COP Kälteanlage+el.Zuheizung_Entfeuchtungsbetrieb = COP direkt/indirektes_system_entfeuchtungsbetrieb = Q sensibel,heizen Q sensibel,kühlen + Q latent,kühlen P Kompressor + P elektrisch,heizen Q sensibel,heizen Q sensibel,kühlen + Q latent,kühlen P Kompressor Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 11

12 Messergebnisse Prüfstand im Kühlbetrieb Kühlbetrieb: Indirektes System mit R744 Prozessverlauf bei 35 C Umgebungstemperatur und 40 % relative Luftfeuchtigkeit: Abweichung wegen Vollhubbetrieb und Mindestdrehzahl des Kompressors am Prüfstand Messung Simulation Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 12

13 Messergebnisse Prüfstand im Heizbetrieb Heizbetrieb: Indirektes System mit R744 Prozessverlauf bei 0 C Umgebungstemperatur und 80 % relative Luftfeuchtigkeit: Abweichungen Simulation zu Messung kleiner 10% Messung Simulation Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 13

14 Messergebnisse Prüfstand im Entfeuchtungsbetrieb Prozessverlauf des indirekten Systems im Entfeuchtungsbetrieb Luft abkühlen am IHX 1 Luft erhitzen am IHX 2 Drei Druckniveaus erkennbar Abkühlung der Luft durch IHX 1 auf etwa 5 C (blaue Linie) Anschließend Erhitzung der Luft durch IHX 2 auf etwa 33 C aufgeheizt (rote Linie) Wärmeabgabe an Umgebung durch EHX (orange Linie) Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 14

15 Jahresenergieverbrauch Vergleich der berechneten Jahresenergieverbräuche (auf Basis Simulationsergebnisse) der betrachteten Kälteanlagensysteme bezogen auf eine direkte Kälteanlage mit rein elektrischer Heizung Randbedingungen für Berechnung des Jahresenergieverbrauch: Durchschnittsgeschwindigkeit 25 km/h Jahresfahrdistanz km langjährig gemittelte Wetterdaten Standort Graz Betriebswahrscheinlichkeit basierend auf Verkehrsstatistiken Anfahren der Kälteanlage nicht berücksichtigt Jahresenergieverbrauch: 1064 kwh 652 kwh 497 kwh Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 15

16 Zusammenfassung und Ausblick Gegenüberstellung von zwei direkten und einer indirekten PKWKälteanlage(n) mit Wärmepumpenfunktion mit zwei Kältemitteln (R1234yf und R744) Simulationsgestützte Untersuchungen und Prüfstandsmessungen des indirekten System (R744) Kühlbetrieb: Hohe Effizienzen der direkten Anlagen mit R1234yf und R744 Heizbetrieb: Indirekte Anlage mit R744 deutlich höhere Effizienzen im Heizbetrieb durch die zusätzlich mögliche Verschaltung der Innenraumwärmeübertrager Entfeuchtungsbetrieb: Sehr hohe Systemeffizienz des direkten und indirekten Systems gegenüber Kälteanlage mit integriertem elektrischen Zuheizer Jahresenergieverbrauch: Indirektes System mit R744: + etwa minus 25 % gegenüber direkten Systemen + mehr als minus 50 % gegenüber System mit elektr. Heizung Indirekte Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion: + Einfache Einbindung von Wärmequellen und senken Vielzahl an Stellgliedern Nächster Schritt: Optimierung der Systemregler zur Maximierung der SystemEffizienz und Erhöhung der Regelstabilität bei transienten Vorgängen beim indirekten System (R744) Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 16

17 Abkürzungsverzeichnis Abkürzung Bedeutung Einheit COP Coefficient of performance, Leistungszahl 1 c p Mittlere spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck J/(kg*K) CV EHX EXV Check valve, Rückschlagventil Exterior heat exchanger, Außenraumwärmeübertrager Electronic expansion valve, elektronisches Expansionsventil GWP Global warming potential, Treibhauspotenzial 1 h spezifische Enthalpie J/kg HVAC IHX KM L M Heating, ventilation and air conditioning Interior heat exchanger, Innenraumwärmeübertrager Kühlmittel Luft Motor Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 17

18 Abkürzungsverzeichnis Abkürzung Bedeutung Einheit m NV P PHX PKW Q Massenstrom Needle valve, Nadelventil Leistung Plate heat exchanger, Plattenwärmeübertrager Personenkraftwagen Kälte / Wärmeleistung kg/s W W R1234yf Tetrafluorpropen (C 3 H 2 F 4 ) R744 Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) θ SV U Temperatur Solenoid valve, Magnetventil Umgebung C Mai 2015 DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE 18

19 Indirekte Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für Hybrid und EFahrzeuge Dipl.Ing. Peter Schrank VIRTUAL VEHICLE Research Center, Graz Tel DKVTagung 2015, Dresden VIRTUAL VEHICLE