Hohe Arbeitszahl durch optimierte Planung der Volumenströme durch Verdampfer und Kondensator Prof. Dipl.-Ing. Werner Schenk Hochschule München Lothstraße 34, D-80335 München werner.schenk@hm.edu 1. Elektrische Hilfsenergie Für eine wirtschaftliche und ökologische Planung einer geothermischen Wärmepumpenanlage muss neben dem möglichst minimalen elektrischen Energiebedarf für den Verdichter auch der Bedarf für die Sole- und Heizkreisumwälzpumpe optimiert werden. Nach verschiedenen Untersuchungen beträgt alleine der Anteil an Hilfsenergie am Gesamtenergieverbrauch für die Wärmequellenpumpe zwischen 2 % und 32 %. Anteil Hilfsenergie 35% 32% 31% 30% 25% 25% 20% 15% 10% 5% 2% 11% 6% 8% 4% 14% 2% Minimal Maximal 0% Fraunhofer Neubau 2010 (Sole/Wasser) Bundesamt Energie 2010 (Wasser/Wasser) VDI 4650 2014 (Sole/Wasser) VDI 4650 2014 eigene Messungen (Wasser/Wasser) Abb.1: Anteil der Hilfsenergie für die Wärmequellenpumpe Ursachen für hohen Anteil an Hilfsenergie: Pumpenwirkungsgrad: Mit der Kenntnis des im Betrieb zu erwartenden Volumenstroms und der Förderhöhe kann unter Beachtung des Fördermediums (Wärmequelle: häufig 20-30 % Monoethylenglycol) unter den verschiedenen Herstellern fast immer eine hocheffiziente Pumpe mit einem Gesamtwirkungsgrad von über 40 % ausgewählt werden. Im Bereich von Grundwasserförderpumpen, insbesondere im kleinen Leistungsbereich, besteht jedoch ein erheblicher Entwicklungsbedarf. Gängige
Markenhersteller können bei den bei Grundwasserwärmepumpen typisch geforderten Betriebspunkten nur Gesamtwirkungsgrade von teilweise unter 10 % bieten. Die folgende Abb. 3 zeigt das Messergebnis einer Grundwasserwärmepumpenanlage für ein Einfamilienhaus mit einer Heizlast von 9 kw. Hier wurde die vorhandene Grundwasserförderpumpe mit einer gemessenen Leistungsaufnahme von 200 W durch eine Hocheffizienzumwälzpumpe mit einer Leistungsaufnahme von 60 W ersetzt. Dadurch stieg die Jahresarbeitszahl ß von 4,9 auf 5,5. 7,00 Arbeitszahl mit Quellenpumpe 6,00 5,00 ß = 5,5 4,00 3,00 2,00 1,00 ß = 4,9 Grundwasserpumpe P1= 200 W Hocheffizienzumwälzpumpe P1= 60 W 0,00 22.09.2012 22.01.2013 22.05.2013 22.09.2013 22.01.2014 22.05.2014 22.09.2014 Abb.2: Optimierung der Arbeitszahl durch effizientere Förderpumpe Druckverlust der Anlage: Für einen niedrigen Druckverlust der Anlage sind zunächst -soweit möglich- alle Rohrleitungen auf möglichst geringe Strömungsgeschwindigkeit zu dimensionieren. Spezifische Druckverluste von 50 bis 100 Pa/m sollten nicht überschritten werden. Weiter müssen alle Armaturen ( 3-Wegeventile, Schmutzfänger, Entlüfter, insbesondere Wärmemengenzähler, E) mit einem möglichst niedrigen Druckverlust beim geplanten Anlagenvolumenstrom ausgewählt werden. Durch die Planung und Ausführung des hydraulischen Abgleichs kann erreicht werden, dass auch einzelne Heizkreise und/oder Wärmequellenkreise mit höherem Druckverlust mit den geplanten Volumenströmen bei geringer Förderhöhe der Pumpe versorgt werden. Druckverlust Verdampfer und Kondensator: Bei der Auswahl der Wärmepumpe sollte neben einem hohen COP im häufigsten Anlagenbetriebspunkt auch auf möglichst geringe Druckverluste im Verdampfer und Kondensator geachtet werden. Bei identischen Heizleistungen und Volumenströmen ist bei unterschiedlichen Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen ein Unterschied von über 200 % erkennbar. Energetisch optimaler Volumenstrom im Verdampfer und Kondensator: Die energetisch optimalen Volumenströme im Verdampfer und Kondensator sind in der Regel nicht bekannt. Hersteller geben in den Datenblättern oft Minimal- Nenn- und 2
Maximalvolumenströme an und sorgen hier für Verwirrung. Häufig wird auf der Wärmequelle ein relativ hoher Volumenstrom entsprechend einer Temperaturspreizung von 3 K gewählt. Für den Volumenstrom der Wärmenutzungsseite liefern Hersteller genauso uneindeutige Angaben. Abb. 3: Druckverlust eines Verdampfers bei Nominal- und Maximalvolumenstrom Um bei einer gegebenen Wärmequelle im Kältekreislauf eine möglichst hohe Verdampfungstemperatur, und somit eine möglichst niedrige elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters zu bewirken, ist ein möglichst hoher Sole- bzw. Grundwasservolumenstrom durch den Verdampfer notwendig. Der niedrige Leistungsbedarf des Verdichters wird dann aber zu Lasten einer, mit der 3. Potenz des Volumenstroms der Wärmequelle wachsenden, elektrischen Leistungsaufnahme der Förderpumpe erreicht. Ebenso ist das Verhalten auf der Wärmenutzungsseite. Bei konstanter Heizmitteltemperatur (Voraussetzung für vergleichbare Bedingungen bei der Wärmeabgabe) kann durch die Steigerung des Heizwasservolumenstroms und der dadurch besseren Wärmeübertragung im Kondensator, die Kondensationstemperatur, und somit der Kondensationsdruck reduziert werden. Hierdurch wird einerseits die elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters reduziert, aber gleichzeitig auch die elektrische Leistungsaufnahme der Heizkreisumwälzpumpe mit der 3. Potenz des Heizkreisvolumenstroms gesteigert. 2. Randbedingungen für die durchgeführten Messungen Um den für eine Gesamtanlage energetisch optimalen Volumenstrom durch den Verdampfer und durch den Kondensator zu ermitteln, wurde zunächst ausschließlich die Effizienz des Kältekreislaufes gemessen: Bei den Messungen wurden voneinander unabhängig folgende Größen variiert:
a) Variation des Solevolumenstroms bei konstanter Solevorlauftemperatur b) Variation des Solevolumenstroms bei konstanter Solemitteltemperatur c) Variation des Heizkreisvolumenstroms bei konstanter Heizwassermitteltemperatur Die Messreihen wurden mit zwei unterschiedlichen Wärmepumpen durchgeführt. Die Maschinen waren in den Leistungsdaten und im Aufbau ähnlich. Entscheidender Unterschied war das Kältemittel. Zunächst wurde der Kältekreislauf mit dem Kältemittel R407C getestet, danach der Kältekreislauf mit dem Kältemittel R410A. Mit den COP-Messungen des Kältekreislaufes bei verschiedenen Volumenströmen wurde dann, ausgehend von einer Wärmepumpenanlage mit typischen hydraulischen Daten, unter Berücksichtigung der Hilfsenergien der COP mit Pumpen ermittelt:!"#$ %!&. (!"#$ )"*#)+, *ü&.&/0+!&12"#3",31%& 3",3 Abb.4: hydraulische Daten einer typischen Wärmepumpenanlage 3. Optimierung mit Kältemittel R 407C Variation des Solevolumenstroms bei konstanter Solevorlauftemperatur: Bei Variation des Solevolumenstroms wurde im Solekreis die Solevorlauftemperatur konstant gehalten. Dieser Versuch entspricht dem Betrieb mit Grundwasser bei Vari- 4
ation des Grundwasservolumenstroms. Bei einer erdgekoppelten Wärmepumpenanlage muss berücksichtigt werden, dass beim Steigern des Solevolumenstroms beim Übergang von laminaren auf turbulente Strömungsverhältnisse durch den besseren Wärmeübergang in der Wärmequellenanlage die Soletemperatur um ca. 2 K steigt. Hierdurch würde der COP weiter verbessert werden. Abb.5: Kältekreislauf R407C bei konstanter Wärmequellenvorlauftemperatur Das Messergebnis zeigt, wie zu erwarten, dass der COP des Kältekreislaufes bei kleiner werdenden Temperaturspreizungen am Verdampfer = großer Solevolumenstrom, steigt. Unter Berücksichtigung der elektrischen Leistungsaufnahme von Verdichter, Heizkreisumwälzpumpe (hier konstant) und Soleumwälzpumpe ergibt sich ein neuer optimaler COP mit Pumpen, bei einem Solevolumenstrom entsprechend der Temperaturspreizung von 5,2 K. Bei Aufbau der Hydraulik nach Abb. 4 und den Randbedingungen Länge Erdwärmesonden: 100 m Doppel-U-Rohrsonde 4 x 32 mm Spez. Entzugsleistung: 50 W/m Monoethylenglycol: 20 Vol.-% liegen bei einem Solevolumenstrom entsprechend der Temperaturspreizung kleiner 5 K außerdem turbulente Strömungsverhältnisse vor. Daraus resultiert eine um ca. 2 K höhere Soletemperatur. Somit liegt hier bei einer Temperaturspreizung von 5 K eine optimale energetische Effizienz vor. Variation des Solevolumenstroms bei konstanter Solemitteltemperatur: In der Praxis ist insbesondere bei Erdreichkollektoranlagen eine steigende Solevorlauftemperatur bei einer Absenkung des Solevolumenstroms messbar. Um für dieses Betriebsverhalten einen energieoptimierten Solevolumenstrom zu ermitteln, wurde
bei diesem Versuch, bei Variation des Solevolumenstromes, die Solemitteltemperatur konstant gehalten. Solemitteltemperatur = 4565&)"*145&ü0%)"* 8 7 Abb. 6: Kältekreislauf R407C bei konstanter Solemitteltemperatur Der COP des Kältekreislaufes steigt auch hier mit immer kleiner werdender Temperaturspreizung des Solekreislaufes. Unter Beachtung des immer größer werdenden Anteils an elektrischer Hilfsenergie für den Antrieb der Soleumwälzpumpe, ergibt sich ein energetisches Optimum für den COP mit Pumpen bei einem Solevolumenstrom, der einer Temperaturspreizung von 5,8 K entspricht. Variation des Heizkreisvolumenstroms bei konstanter Heizmitteltemperatur: Da für die Wärmeabgabe an Heizflächen oder Heizkörper die Heizmitteltemperatur = "#$ 65&)"*1"#$ &ü0%)"* die entscheidende Größe darstellt, wurde diese bei 7 der folgenden Messreihe konstant gehalten. Bei konstanter Heizmitteltemperatur wurde der Heizkreisvolumenstrom und damit die Temperaturspreizung variiert. Bei hoher Heizmitteltemperatur ist der Einfluss einer niedrigen Temperaturspreizung relativ hoch. Der COP mit Pumpen sinkt gegenüber einer optimalen Temperaturspreizung von 7,5 K um 0,2. Bei einer Temperaurspreizung über 7,5 K sinkt der COP mit Pumpen leicht ab. Bei mittlerer Heizmitteltemperatur ist der COP mit Pumpe unabhängig von der Temperaturspreizung. Bei niedriger Heizmitteltemperatur ist der COP mit Pumpen bei einer Temperaturspreizung zwischen 7 und 11 K relativ konstant. Als Planungsziel sollte eine Temperaturspreizung von 7,5 K angestrebt werden. Hier ist der COP mit Pumpen bei allen Heizmitteltemperaturen relativ hoch. 6
Abb. 7: Kältekreislauf R407C bei Variation des Heizwasservolumenstroms und drei unterschiedlichen Heizmitteltemperaturen 4. Optimierung mit Kältemittel R 410A Das Kältemittel R 407C hat einen Temperaturglide von 7,3 K. Das Kältemittel R4010A hat einen Temperaturglide von nur 0,2 K. Der geringere Temperaturglide von R 410A resultiert in höheren COPs. Durch kleineren Temperaturglide und den damit verursachten, engeren kältemittelseitigen Temperaturbereich im Verdampfer, wird die Effizienz bei der Wärmeübertragung aber auch sensibler auf Änderungen der Volumenströme bzw. der sekundären Temperaturspreizung. Variation des Solevolumenstroms bei konstanter Solevorlauftemperatur: Bei Reduzierung der Temperaturspreizung der Sole durch Steigerung des Solevolumenstroms, steigt der COP beim Kältekreislauf mit R410A deutlich mehr, als bei einem Kältekreislauf mit dem Kältemittel R407C.
COP 5,2 5,1 5,0 4,9 4,8 4,7 4,6 4,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 Temperaturspreizung Δϑ in K COP COP mit Pumpen Abb. 8: Kältekreislauf R410A bei konstanter Wärmequellenvorlauftemperatur Der COP mit Pumpen steigt hierdurch bis zu einer Reduzierung der Temperaturspreizung auf 3,8 K (Vergleich R407C: 5,2 K) eindeutig an. Für eine effiziente Anlagenplanung bedeute dieser Effekt einen um 37 % höheren Solevolumenstrom. Variation des Solevolumenstroms bei konstanter Solemitteltemperatur: 5,3 5,2 COP 5,1 5,0 4,9 4,8 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 Temperaturspreizung ϑ in K COP COP mit Pumpen Abb. 9: Kältekreislauf R410A bei konstanter Wärmequellenmitteltemperatur 8
Hier steigt der COP bei Steigerung des Solevolumenstroms mit R 410A ähnlich an, wie mit R407C. Wie nicht anders zu erwarten, ist dementsprechend auch der maximale COP mit Pumpen bei einer Temperaturspreizung zwischen Solevor- und Solerücklauf mit 6 K sehr nahe am Wert der optimalen Temperaturspreizung mit R407C von 5,8 K. Variation des Heizkreisvolumenstroms bei konstanter Heizmitteltemperatur: Auch mit dem Kältemittel R410A wurde bei einer Reduzierung der Temperaturspreizung zwischen Heizwasservorlauf und Heizwasserrücklauf durch eine Steigerung des Heizwasservolumenstromes bei allen gemessenen Temperaurniveaus tendenziell eine Steigerung des COP gemessen. Bei Berücksichtigung der dabei steigenden elektrischen Leistung für die Heizkreisumwälzpumpe wurde bei allen Heizmitteltemperaturen ein energetisches Optimum bei einer Temperaturspreizung von 5,2 K ermittelt. Ab einer Temperaturspreizung von 5,2 K bis 12 K variiert der COP mit Pumpen nur relativ wenig im Bereich von 0,15. Temperatur in C 4,50 4,30 4,10 3,90 3,70 3,50 3,30 3,10 2,90 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 Temperaturspreizung Δϑ in K COP 35 C COP 40 C COP 45 C COP mit Pumpen 35 C COP mit Pumpen 40 C COP mit Pumpen 45 C Abb. 10: Kältekreislauf R410A bei konstanter Wärmequellenmitteltemperatur 5. Zusammenfassung 1. Durch optimierte Planung und Betrieb der sekundärseitigen Volumenströme und der dazugehörigen hydraulischen Komponenten können bis zu 30 % der ekektischen Energie bei Betrieb der Wärmepumpenanlage eingespart werden. 2. Empfehlung Temperaturspreizung mit effizienter Pumpentechnik, ohne Beachtung von turbulenter Strömung: a. mit R407C: i. Wärmequelle: 5E6 K ii. Wärmesenke: 7,5E 9 K
b. mit R410A: i. Wärmequelle bei konstanter Vorlauftemperatur: 3,5 K ii. Wärmequelle bei konstanter Solemitteltemperatur: 6 K iii. Wärmesenke: 5,2E 12 K 3. Mit den Empfehlungen können bei den definierten, typischen Anlagenparametern energetisch optimale Volumenströme auf der Wärmequellen- und Wärmesenkenseite realisiert werden. Aufgrund fast immer individueller Rahmenbdingungen (Bohrtiefe, mehrstufige Kältekreisläufe, Druckverlust der Wärmetauscher, individuelle Heizungshydraulik, E) und des hohen Einsparpotentials lohnt es sich insbesondere bei Großanlagen, immer individuell zu planen. 10