Aufbau eines Teststands zur Vermessung von Sole-Wärmepumpen

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1 Aufbau eines Teststands zur Vermessung von Sole-Wärmepumpen A. Ratka, W. Ernst, T. Priesnitz, Hochschule Weihenstephan-Triesdorf Steingruberstr.2, D Weidenbach Tel.: 09826/ , 1 Einleitung Geothermie und Solarthermie sind zwei Technologien die oft als konkurrierend angesehen werden. In dem hier auszugsweise beschriebenen Forschungsprojekt wird die Möglichkeit zur gegenseitigen Ergänzung betrachtet. In einem Feldversuch wird ein Sole-Wärmepumpen-Heizsystem mit solarer Regeneration des Erdreichs untersucht. Ziel dieser Untersuchung ist es, die Primärenergieeinsparung durch Nutzung der oberflächennahen Geothermie zu quantifizieren, weiter soll eine zusätzlich Primärenergieeinsparung durch Ankopplung der Solaranlage an das Erdreich und eine damit verbundene Anhebung der Soletemperatur untersucht werden. Da es prinzipiell nicht möglich ist ein konventionelles Sole-Wärmepumpensystem und ein solar unterstütztes Sole-Wärmepumpensystem am gleichen Standort vergleichend zu untersuchen (Unterschiede in den geologischen Bedingungen, den Wetterbedingungen und im Nutzerverhalten), wird man letztendlich auf die Untersuchung mit Computermodellen angewiesen sein. Aus den Feldmessungen können nicht alle notwendigen Parameter der Modelle bestimmt werden. Um die notwendigen Modellparameter zu ermitteln, wurde der im Folgenden beschriebene Versuchsstand aufgebaut. Wesentliches Ziel der Untersuchung ist die Erfassung der Leistungszahl der Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke. Des Weiteren wird der U-Wert des wärmepumpeninternen Warmwasserspeichers untersucht, da dieser in den Feldtests scheinbar Schwächen aufweist. 2 Systembeschreibung An der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf ist ein Wärmepumpenversuchsstand konzipiert und installiert worden (siehe Abb. 1). Er ermöglicht die Messung von

2 Leistungszahl ε und COP (siehe Gleichungen (2) bis (4)) einer Sole-Wärmepumpe im instationären Betrieb. Auf dem Prüfstand lassen sich eine Vielzahl der Betriebsbedingungen einstellen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden in einem Computermodell (TRNSYS) zur Heizungssystemoptimierung Eingang finden. Speicher A Wärmepumpe Speicher B Heizkörper Abb. 1 Photo des Teststands Der Aufbau des Versuchsstandes ist in Abb. 2 schematisch dargestellt. Kernstück dieses Versuchsstandes ist eine Sole-Wärmepumpe mit einer Nennheizleistung von 5,9 kw. Es sind zwei Warmwasserspeicher mit internen Wärmeübertragern als Wärmequelle (Speicher A) und Wärmesenke (Speicher B) installiert. Wärmequellenseitig wird eine Sole aus 34 Vol-% Ethylenglykol und Wasser, heizkreisseitig wird Leitungswasser als Wärmeträger eingesetzt. Während und nach der Beladung des Speichers B besteht sowohl die Möglichkeit zur Wärmerückführung in den Speicher A, als auch zur Abgabe der Heizenergie über einen Heizkörper in den Laborraum. Dies ermöglicht die Darstellung einer Vielzahl von Betriebsmöglichkeiten. Des Weiteren können die Volumenströme von Sole- und Heizkreis im Bereich von 5 l/min bis 20 l/min frei gewählt werden. Dazu wurden zusätzlich je eine externe Sole- und Heizkreispumpe installiert, die über 0-10 V Schnittstellen frei steuerbar sind.

3 Abb. 2 Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus Alle Signale der Sensorik für Temperaturen, Volumenströme und elektrische Leistungsaufnahmen werden elektronisch erfasst und von einem Messrechner verarbeitet. Hervorzuheben ist dabei die separate Erfassung der elektrischen Leistungsaufnahme von Kompressor, Solepumpe und Heizkreispumpe, welche sowohl die Bestimmung von COP als auch von der Leistungszahl ε ermöglicht. Der Anschluss einer externen Wärmepumpe sowie eines externen Speichers ist ebenfalls möglich. 3 Messreihen Nach dem Aufbau wurden während der Inbetriebnahme im Sommer 2009 erste Messreihen aufgenommen. Es wurde die Leistungszahl ε und der COP der Wärmepumpe als Verhältnis der abgegebenen thermischen Leistung zu der von der Wärmepumpe aufgenommenen elektrischen Leistung in Abhängigkeit von T gemessen. Die Gleichungen (1) bis (4) definieren die betrachteten Größen. Dabei ist T 4 die Heizungsvorlauftemperatur, T 2 die Solerücklauftemperatur (siehe Abb. 2), P therm ab die auf der Heizseite der Wärmepumpe abgegebene thermische Leistung, P el zu Kompressor

4 die elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors, P el zu Pumpen die elektrische Leistungsaufnahme der Sole- und Heizkreispumpen und P el zu Regelung die elektrische Leistungsaufnahme der Regelung der Wärmepumpe (diese beträgt 7,5 W). Die Messergebnisse sind in Abb. 3 dargestellt. 7,0 6,0 Epsilon COP1 COP mit Regelung 5,0 COP, ε 4,0 3,0 2,0 y = 7,1321e -0,0203x R 2 = 0,9867 y = 7,1947e -0,0204x R 2 = 0,9869 y = 8,865e -0,0226x R 2 = 0,9929 1,0 0,0 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 Temperaturdifferenz ΔT / K Abb. 3 COP der vermessenen Wärmepumpe in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz ΔT Δ T = T 4 T 2 (1) Temperaturdefinition s. Abb.2 Ptherm, ab ε = (2) P el, zu Kompressor COP Ptherm, ab COP1 = (3) P + P el, zu Kompressor P el, zu Pumpen = therm, ab mit Re gelung Pel, zu Kompressor + Pel, zu Pumpen + P (4) el, zu Re gelung Um die Qualität des wärmepumpeninternen Speichers bewerten zu können, werden Abkühlkurven des Speichers aufgenommen, aus denen der U-Wert des Speichers ermittelt wird. Dabei ist T Sp,oben die Temperatur oben im Speicher, T Sp,oben,WÜT die Temperatur oben am Mantelwärmeübertrager des Speichers, T Sp,unten,WÜT die Temperatur unten am Mantelwärmeübertrager des Speichers und T a die Umgeb-

5 ungstemperatur. T Sp,mittel ist die nach Gleichung (5) berechnete mittlere Speichertemperatur. T SP, mittel TSP, oben + TSP, unten, WÜT = (5) 2 70,0 Ta TSp,oben 60,0 50,0 T Sp,oben T Sp,oben,WÜT TSp,oben,WÜT TSp,unten,WÜT TSp,mittel T / C 40,0 30,0 20,0 T Sp,unten,WÜT T Sp,mittel 10,0 0,0 T a t / s Abb. 4: Abkühlkurven des wärmepumpeninternen Warmwasserspeichers 4 Messgenauigkeit Aus den ermittelten Messfehlern der einzelnen physikalischen Größen wurden sowohl der maximale relative Fehler nach Gleichung (6) als auch der mittlere relative Fehler nach dem Gauß'schen Fehlerfortpflanzungsgesetz ermittelt. y y n Δ i= 1 = y x y i Δx i y y xi (6) y y n Δ i= 1 = 2 Δx 2 i (7) Reproduzierbarkeit der Messergebnisse wurde anhand von 5 Messreihen unter gleichen Betriebsbedingungen untersucht. Die Ergebnisse beider Betrachtungen sind Tab. 1 zusammen gefasst.

6 Maximaler relativer Fehler (errechnet aus Einzelfehler) relativer Fehler (quadratische Fehlerfortpflanzung) ε COP mit Regelung Bedingung 8,4% 9,8% ΔT = 25K bis 50 K 4,9% 4,7% ΔT = 25K bis 50 K ε COP mit Regelung Bedingungen Mittelwert x_q 4,01 3,49 Konfidenzintervall des Mittelwertes für α = 0,3% 3,99-4,03 3,46-3,52 Standardabweichung s 0,05 0,05 Spannweite R 0,17 0,26 x_q±3s 4,01±0,14 3,49±0,15 Mittelwert x_q 2,84 2,55 Konfidenzintervall des Mittelwertes für α = 0,3% 2,82-2,86 2,52-2,58 Standardabweichung s 0,03 0,04 Spannweite R 0,10 0,14 x_q±3s 2,84±0,09 2,55±0,11 T2 = 0 C±0,2 C ΔT = 35 C±0,5 C 5 Messreihen 38 Einzelmesswerte T2 = 0 C±0,2 C ΔT = 50 C±0,5 C 5 Messreihen 21 Einzelmesswerte Tab. 1: Ergebnisse der Fehlerbetrachtung und Reproduzierbarkeit 5 Ergebnisse und Ausblick 5.1 COP der Wärmepumpe COP mit Regelung nimmt wie erwartet mit steigender Temperaturdifferenz zwischen Heizungsvorlauf und Solerücklauf ab. Unerwartet ist der relativ niedrige Wert. Der Hersteller gibt bei einer Temperatur des Solerücklaufs von 0 C und einer Heizungsvorlauftemperatur von 35 C einen COP von 4,00 an. In der Labormessung ergibt sich bei den genannten Randbedingungen COP mit Regelung = 3,49. Dieser relativ niedrige Wert könnte in Wirkungsgradschwankungen des Kompressors zu begründen sein. Nach Herstelleraussagen könnten Vergrößerungen von Verdampfer und/oder Kondensator zu einer Verbesserung führen. 5.2 Abkühlverhalten des internen Speichers Aus der Lösung der Differentialgleichung für das Abkühlverhalten eines Wärmespeichers mit einem Temperaturknoten ergibt sich Gleichung (8). Sp mittel t c { } m Sp, mittel Ta e Ta () t = T ( t = 0s) U A T +, (8)

7 Dabei ist A die Speicheroberfläche, U der Verlustkoeffizient des Speichers, c die Wärmekapazität des Speichermediums und m die Masse des Speichermediums (hier Wasser). Die Speicheroberfläche beträgt A = 2,43 m² und die Masse des Wassers in Speicher sowie Mantelwärmeübertrager beträgt m = 219,6 kg. Aus dem Zeitverhalten der mittleren Speichertemperatur in Abb.4 und aus Gleichung (8) ergibt sich für den gemessenen Verlustkoeffizienten U mess des Speichers: U mess = 1,42 W/(m² K) Der Verlustkoeffizient kann außerdem aus der Wärmeleitfähigkeit des Isolationsmaterials (Polystyrol; λ = 0,04025 W/(m K) für 33 C ) und der Isolierungsdicke d = 0,035 m nach U theoretisch = λ / d abgeschätzt werden. Es ergibt sich: U theoretisch = 1,15 W/(m² K) Abb. 5: Interner Speicher der Wärmepumpe Bei näherer Untersuchung des Speichers stellte sich heraus, dass nach Beendigung eines Beladevorgangs im Beladekreis ein Volumenstrom in umgekehrter Richtung auftritt. Dies lässt sich mit einem thermosyphonischen Kreislauf erklären, welcher

8 durch hohe Temperaturen im Mantelwärmeübertrager und relativ niedrige Temperaturen in den Anschlussleitungen angetrieben wird. Dieser thermosyphonische Kreislauf sorgt für eine beschleunigte Entladung des Speichers. Dieser Prozess kann durch eine Rückschlagklappe unterbunden werden. Darüber hinaus ist der Speicherboden nicht isoliert (siehe Abb. 5). 6 Zusammenfassung Die Abhängigkeit des COP s der Wärmepumpe von der Differenz der Solerücklauftemperatur und der Heizungsvorlauftemperatur ΔT wurde in einer Teststandsmessung untersucht (siehe Abb. 3). Es zeigt sich, dass die Labormessergebnisse mit ε = 4,01 (für ΔT = 35 K [0 C/35 C]) COP mit Regelung = 3,49 (für ΔT = 35 K [0 C/35 C]) kleinere Werte liefern als vom Hersteller angegeben (Herstellerangabe COP = 4,00 für ΔT = 35 K [0 C/35 C]). Im Feldversuch fielen sehr große Speicherverluste auf, was zu einer näheren Untersuchung des Speicher-U-Wertes Anlass gab. Im Laborversuch verlor der Speicher in einem Zeitraum von etwa 30 Stunden ca. ein Drittel der gespeicherten thermische Energie. Dabei zeigte sich, dass der Speicher einen Laborwert von U mess = 1,42 W/(m² K) aufweist. Aus der Speicherdicke und dem Isolationsmaterial sollte sich ein Wert von lediglich U theoretisch = 1,15 W/(m² K) ergeben. Dieser Unterschied wird durch eine freie Konvektion im Mantelwärmeübertrager und Beladekreislauf sowie durch einen nicht isolierten Speicherboden erklärt. Durch eine Verbesserung der Speicherisolierung und eine Rückschlagklappe im Beladekreis des Speichers können diese Defizite unproblematisch beseitigt werden. Testtstandsmessungen geben Aufschluss über Leistungszahlen bei verschiedenen Solerücklauftemperaturen und Heizungsvorlauftemperaturen. Wärmepumpeninterne und externe Wärmespeicher können auf ihre Verluste getestet und bewertet werden.