BFE-Forschung für die Wärmepumpen von morgen Beispiel Swiss Retrofit Heat Pump

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1 BFE-Forschung für die Wärmepumpen von morgen Beispiel Swiss Retrofit Heat Pump Dr. Martin Zogg, Leiter des Forschungsprogramms Umgebungswärme, Kälte und Abwärme des Bundesamts für Energie Das Bundesamt für Energie unterstützt die Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik in zwei Forschungshauptrichtungen: 1. Entwickeln einer kostengünstigen monovalenten Wärmepumpe hoher Effizienz für den Sanierungsbereich Während im Neubaubereich schon jedes dritte Einfamilienhaus mit einer Wärmepumpe ausgerüstet wird, hält die Wärmepumpe in den wesentlich grösseren Sanierungsmarkt erst sporadisch Einzug. Auch im europäischen Ausland liegt im Sanierungsbereich für die Wärmepumpe ein enormes Potenzial brach. 2. Optimieren ganzer Systeme Ziel der Optimierung ganzer Wärmepumpenheizungen ist das Steigern der Effizienz, der Betriebssicherheit und der Wirtschaftlichkeit. Dies wird erreicht durch die Erforschung und Entwicklung neuer Regelungskonzepte, neuer Methoden zur Betriebsüberwachung, besserer Auslegungsunterlagen und neuer Prüfverfahren für den dynamischen Wärmepumpentest. Auch optimale Standardschaltungen für Kleinwärmepumpenanlagen sollen ausgearbeitet werden. Daneben werden laufend anfallende Wissenslücken in den Bereichen Wärmequelle, Arbeitsmittel, Komponenten und neue Wärmepumpenkonzepte geschlossen. Auf der Internetadresse wird über die Ziele und die aktuellen Arbeiten des BFE-Forschungsprogramms ausführlich orientiert. Aus der Rubrik Berichte lassen sich Zusammenfassungen der Ergebnisse der Forschungsarbeiten sowie ab 1999 ganze Schlussberichte herunterladen. Im Folgenden wird aus den Aktivitäten des Forschungsprogramms die Entwicklung einer effizienten Wärmepumpe für den Sanierungsbereich als wichtiger Schwerpunkt herausgegriffen. Was muss eine Sanierungswärmepumpe können? Das Besondere beim Ersatz alter Kesselheizungen durch Wärmepumpen sind die gegenüber Neubauten hohen Vorlauftemperaturen. Da bei Sanierungsobjekten meist schöne Gärten zu schonen sind, ist das Bohren für Erdwärmesonden oft nicht besonders beliebt. Deshalb sollte möglichst Luft als Wärmequelle verwendet werden können. Das Bundesamt für Energie hat in seiner Ausschreibung für die Swiss Retrofit Heat Pump (SRHP) folgende Hauptanforderungen an eine Wärmepumpe für den Sanierungsbereich gestellt:

2 1. Als Wärmequelle ist Aussenluft zu verwenden. 2. Optimaler Betrieb mit Vorlauftemperaturen bis 60 C. Vollständige Deckung des Wärmeleistungsbedarfs bei einer Auslegungstemperatur von 12 C ohne separate Zusatzaggregate (monovalenter Betrieb ohne ohmsche Widerstandsheizung). 3. Warmwasserbereitung auf wählbare Temperaturen von 45 C bis 55 C ohne Zusatzaggregate. 4. Übergeordnete Regelung für alle Einheiten (Wärmepumpe, technischer Speicher, integrierte Warmwasserbereitung mit Vorrangschaltung und optionaler Kollektorkreislauf zur Warmwasserbereitung mit Sonnenenergie). 5. Hohe exergetische Wirkungsgrade (mit Quell- und Senkenbedingungen nach EN255) gemäss der Tabelle 1 und hohe Jahresarbeitszahlen. 6. Qualitätsmerkmale: Die neue Wärmepumpe muss den Bedingungen für das FWS- Gütesiegel entsprechen und wartungsfrei sein. 7. Verträglichkeit mit den Vorschriften: Die neue Wärmepumpe muss die neuesten Richtlinien, Normen und gesetzlichen Vorschriften für die Schweiz, Deutschland, Österreich und Frankreich erfüllen. Tabelle 1: Anforderungen an den exergetischen Wirkungsgrad der SRHP (Randbedingungen gemäss EN 255) Typ Temperaturen exergetischer Wirkungsgrad Luft/Wasser Luft 2 C Wasser 50 C (COP = 2.86) Luft C Wasser C minimal Wo liegen die Probleme? Konventionelle Wärmepumpen haben für die beschriebene Anwendung (Heizungssanierung, hohe Vorlauftemperaturen, Aussenluft als Wärmequelle) mit folgenden Schwierigkeiten zu kämpfen: Die Forderung des Betriebs einer Luft/Wasser-Wärmepumpe bei einer Aussentemperatur von 12 C ohne ohmsche Zusatzheizung führt bei konventionellen Wärmepumpen auf folgende technische Probleme: 1. Wie das Bild 1 illustriert, benötigt eine Raumheizung eine mit sinkender Aussentemperatur zunehmende Heizleistung. Die Abhängigkeit der von der Wärmepumpe (mit wie üblich konstanter Kompressordrehzahl) abgegebenen Wärmeleistung ist dem Bedarf leider genau entgegengesetzt. Mit sinkender Aussentemperatur nimmt die Wärmeleistung einer Wärmepumpe stark ab. Wenn man wie im Bild 1 dargestellt eine konventionelle Wärmepumpe auf die erforderliche Heizleistung bei 12 C auslegt, ist sie für den häufigsten Betrieb um 3 C bis + 7 C stark überdimensioniert. In dem im Bild 1 gezeigten Beispiel würde bei + 2 C Aussentemperatur einer Wärmeleistung der Wärmepumpe von 18.5 kw ein Heizleistungsbedarf von lediglich 4.8 kw gegenüber- 2

3 stehen. Im häufigsten Betriebsbereich ist die Wärmepumpe des Bildes 1 mit konventioneller Charakteristik also stark überdimensioniert ( zu teuer). Sie muss in der Folge mit entsprechend kurzen Takten betrieben werden ( geringere Lebensdauer, Effizienzverlust). Daraus ergibt sich die wichtigste Forderung an die Sanierungswärmepumpe. Sie muss einen geringeren Abfall der Heizleistung bei tiefen Aussentemperaturen als konventionelle Wärmepumpen aufweisen. Zudem muss sie auch bei tiefen Aussentemperaturen noch mit einer guten Leistungszahl arbeiten. 2. Die hohen Temperaturdifferenzen zwischen Verdampfung und Kondensation im Sanierungsbereich führen zum zweiten Problem. Bei einfachen konventionellen Wärmepumpenprozessen ergeben sich bei den meisten Kältemitteln zu grosse Druckverhältnisse und noch schlimmer für den Kompressor unzulässig hohe Verdichtungsendtemperaturen. 3. Gebäude im Sanierungsbereich sind im Allgemeinen nicht mit den für Wärmepumpen vorteilhaften thermisch trägen Fussbodenheizungen sondern mit Heizkörpern ausgerüstet. Solche Heizungssysteme vermögen nur wenig Wärme zu speichern. Um mit dem taktenden Betrieb der Wärmepumpen trotzdem mit möglichst geringem Wärmespeichervolumen (oder noch besser gar keinem Wärmespeicher) auszukommen, drängt sich eine Verbesserung der Wärmepumpenregelung auf. Problemlösung durch BFE-Forschungsprojekte Zur Erfüllung der oben aufgeführten Anforderungen an eine Wärmepumpe für den Sanierungsbereich hat das Bundesamt für Energie mehrere Forschungsprojekte gestartet und zum Teil bereits abgeschlossen. Ein wesentlicher Teil davon zielt auf eine Verbesserung der Prozessführung zur Erhöhung der energetischen Effizienz, der abgegebenen Wärmeleistung und zur Reduktion der Verdichtungsendtemperatur bei grossen Temperaturdifferenzen. Das Bild 2 vermittelt dazu eine Übersicht. Ausführliche Zusammenfassungen des Autors zu den Resultaten dieser Projekte wurden in der Fachzeitschrift HeizungKlima bereits publiziert. Sie können auch von der Rubrik Berichte aus heruntergeladen werden. Die Tabelle 2 fasst die Hauptergebnisse zusammen. Tabelle 2: Stand und Hauptergebnisse der laufenden Forschungsarbeiten zur Prozessverbesserung. Die angegebenen Verbesserungen gegenüber konventionellen einstufigen Wärmepumpenprozessen beziehen sich auf den Betrieb bei grossen Temperaturhüben. Nähere Informationen in unter Berichte. Projekt Kleinwärmepumpe mit Ammoniak als Kältemittel und Schmierölkühlung im Verdichter Hauptergebnisse Theoretische Untersuchung abgeschlossen [1]. Sie lassen Leistungszahlverbesserungen bis zu 10% erwarten. Die praktische Realisierung einer Versuchswärmepumpe ist noch im Gang. 3

4 Bau einer Versuchswärmepumpe mit separatem Hilfskreislauf zur Kondensatunterkühlung nach entsprechenden Computersimulationen Projekt abgeschlossen [2]. Verbesserung der Leistungszahl bei 12/60 C bis 10%. Verbesserung der Wärmeleistung bis 20 %. Versuchswärmepumpen mit Zwischenansaugung bei Zwischendruck Erstes Projekt mit kommerziellem Verdichter abgeschlossen ([3], Bild 3). Infolge zu geringer Ansaugöffnung des kommerziellen Verdichters kaum Leistungszahlerhöhung, Verbesserung der Wärmeleistung bis 15 %, wesentliche Reduktion der Verdichteraustrittstemperatur. Zweites Projekt mit einem Prototypen eines Scrollverdichters mit angepasster Ansaugöffnung vor Abschluss [4]. Leistungszahlerhöhung bis 15%, Verbesserung der Wärmeleistung bis 30 %, wesentliche Reduktion der Verdichteraustrittstemperatur. Problem: die Herstellung dieses Verdichters in grossen Serien ist noch nicht zugesichert. Versuchswärmepumpe mit zwei Kompressoren Projekt abgeschlossen [5]. Leistungszahlerhöhung bis 14%, Verbesserung der Wärmeleistung bis über 50 %, problemlose Verdichteraustrittstemperaturen. Neue Abtaustrategien [6]. Aufwendig, Probleme mit der Schmierölverteilung auf beide Kompressoren. Wie das Bild 3 an einem Beispiel verdeutlicht, wurden die Projekte wenn immer möglich in enger Zusammenarbeit zwischen ETH, Fachhochschulen und den Wärmepumpenherstellern durchgeführt. In weiteren Vorhaben werden neue Betriebsüberwachungs- und Regelungskonzepte erforscht [7, 8, 9]. Diese sind zwar auch ausserhalb des Sanierungsbereichs von grossem Interesse sie sollen aber als Fernziel insbesondere auch den oben unter Punkt 3 beschriebenen erschwerten Wärmepumpenbetrieb mit Heizkörpern erleichtern. Diese Arbeiten sind noch nicht abgeschlossen und werden in weiteren Phasen bis zur praktischen Umsetzung weitergeführt. [1] Boyman,T, Schmid, Th., Flück,A: Kleinwärmepumpen mit Ammoniak, Phase 1: Vergleich von Ammoniak mit Propan, R407C und R22, Schlussbericht Bundesamt für Energie 1998, ENET-Nummer /2. [2] M.Zehnder,D.Favrat, E.Zahnd, J.Cizmar, G.Reiner,C.Brugnoli, P.Reis: Wärmepumpe mit Hilfskreislauf zur Kondensatunterkühlung, Phase 2: Experimentelle Untersuchung, Schlussbericht Bundesamt für Energie 1999; download ab Rubrik Be- 4

5 richte. [3] M.Zehnder, D.Favrat, E.Zahnd, J.Cizmar, D.Trüssel: Wärmepumpe mit Zwischeneinspritzung bei Scrollkompressoren, Schlussbericht Bundesamt für Energie, 2000; download ab Rubrik Berichte. [4] F.Brand, M.Zehnder, D.Favrat: Pompe à chaleur biétagée air-eau à haute température, Phase 1: Solution avec compresseur à injection vapeur, Schlussbericht Bundesamt für Energie in Vorbereitung. [5] E.Nidegger, D.Favrat, D.Reymond, M.Zehnder: Pompe à chaleur biétagée à haute performance, Schlussbericht, Bundesamt für Energiewirtschaft 1997, ENET-Nummer [6] M.Zehnder, D.Favrat: Pompe à chaleur biétagée à haute performance, Phase 2, Schlussbericht Bundesamt für Energie, 1999; download ab Rubrik Berichte. [7] H.R. Gabathuler, H. Mayer, E.Shafai, R.Wimmer : Pulsbreitenmodulation für Kleinwärmepumpenanlagen, Phase I, Schlussbericht Bundesamt für Energie 1999, ENET-Nummer [8] G.Reiner, E.Shafai, R.Wimmer, D.Zogg, H.R.Gabathuler, H.Mayer, H.U.Bruderer: Kurztestmethode für Wärmepumpenanlagen, Phasen 1 bis 3: Messung, Modellierung und Erprobung der Parameteridentifikation, Schlussbericht Bundesamt für Energie, 1998, ENET- Nummer [9] D.Zogg, E.Shafai: Kurztestmethode für Wärmepumpenanlagen, Phase 4: Parameteridentifikation und Fehlerdiagnose für das Teilsystem Wärmepumpe, Schlussbericht Bundesamt für Energie 1999, ENET-Nummer ; download ab Rubrik Berichte. 5

6 Leistung [kw] von der Wärmepumpe gelieferte Wärmeleistung benötigte Heizleistung Aussentemperatur WP_L_W.xls Bild 1: Gegenläufige Charakteristiken von Heizleistungsbedarf und Wärmeleistungsangebot der Wärmepumpe als besonderes Problem im Sanierungsbereich (Beispiel für den Heizbetrieb ohne ohmsche Zusatzheizung). Grosser Temperaturhub mit hoher Effizienz effizientere Kreisprozesse Ammoniak mit Schmierölkühlung separater Hilfskeislauf für Kondensatunterkühlung Ansaugung bei Zwischendruck zweistufig (Kaskade) (Economizer) Bild 2: Forschungsprojekte des Bundesamts für Energie als Grundlage zur Entwicklung von Wärmepumpen für den Sanierungsmarkt. 6

7 SRHP Variante Zwischendruckkühlung Hersteller Bau der Anlage Leni-EPFL Computersimulation HTA-Burgdorf Inbetriebnahme Ausmessen Leni-EPFL Auswertung Optimierung Vergleich Bild 3: Beispiel des Ablaufs des Projekts [3]: Computersimulation an der ETH-Lausanne, Bau der Versuchsanlage durch den beteiligten Wärmepumpenhersteller, Inbetriebnahme und Ausmessen an der HTA Burgdorf (Teil der Berner Fachhochschule), Vergleich der Messergebnissen mit den Simulationsergebnissen an der ETH-Lausanne. 7