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Luft/Wasser-Wärmepumpen – genauso effizient wie Sole - Brenet

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16. Status-Seminar «Forschen und Bauen im Kontext von Energie und Umwelt»
Luft/Wasser-Wärmepumpen – genauso effizient wie
Sole/Wasser-Wärmepumpen?
Lukas Gasser, Prof. Dr. Beat Wellig
Hochschule Luzern - Technik & Architektur
CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik
Technikumstr. 21, 6048 Horw, E-Mail: beat.wellig@hslu.ch
Zusammenfassung
Abstract
Résumé
Dieses Projekt befasst sich mit der Erarbeitung allgemeingültiger Auslegungs- und
Planungsgrundlagen („Wegleitung“) für die Realisierung effizienter, betriebsicherer und
wirtschaftlicher Luft/Wasser-Wärmepumpen mit kontinuierlicher Leistungsregelung. Mittels
Simulationen und Experimenten wird eine Regelung konzipiert und entwickelt, welche in
Abhängigkeit des Umgebungszustandes und des Heizbedarfs des Gebäudes den
Kältemitteldurchsatz und die Ventilatordrehzahl optimal regelt. Zur Untersuchung der
entwickelten Regelstrategien wurden ein Prototyp einer leistungsgeregelten Luft/WasserWärmepumpe und eine Luftaufbereitungsanlage realisiert. Die Untersuchungen zeigen, dass
das Teillastverhalten des Ventilators und Kompressors einen grossen Einfluss auf die
Effizienz von leistungsgeregelten Luft/Wasser-Wärmepumpen hat. Die Resultate der
experimentellen Untersuchungen bestätigen das Potenzial der Leistungsregelung
eindrücklich. Mit der Leistungsregelung kann die Jahresarbeitszahl gegenüber Luft/WasserWärmepumpen mit Ein/Aus-Regelung um rund 20 – 50% erhöht werden. Die erreichbaren
Jahresarbeitszahlen liegen damit im Bereich von Sole/Wasser-Wärmepumpen.
This project deals with the development of universally valid design and planning criteria
(“guidance”) for the realization of efficient, reliable and economic air/water heat pumps with
continuous capacity control. An optimized process control strategy depending on the applied
control principle of the heat pump will be developed using simulations as well as
experiments. To verify the theoretical findings as well as to investigate different control
strategies a heat pump prototype with capacity control and a test facility for air/water heat
pumps have been realized. The investigations show that the optimal control strategy and the
efficiency of the capacity controlled heat pump strongly depend upon the partial load
efficiencies of the compressor and the fan. The results of the experimental investigations
approve the great potential of the capacity control. As a result of the capacity control the
seasonal performance factor can be increased by approximately 20 – 50% compared to
air/water heat pumps with on/off control. Therefore, the seasonal performance factors can be
even as high as the values of brine/water heat pumps.
2./3. September 2010 – ETH-Zürich
1
1.
Einleitung
1.1
Ausgangslage
Luft/Wasser-Wärmepumpen (L/W-WP) sind heute ein weit verbreitetes System zur Bereitstellung
von Heizenergie. Im Hinblick auf die nachhaltige Entwicklung ist ihre Effizienzsteigerung von
grossem Interesse. In den BFE-Forschungsprojekten LOREF [1] und WEXA [2] wurden wertvolle
Erkenntnisse zur Effizienzsteigerung von L/W-WP gewonnen, welche jetzt praxisgerecht umgesetzt werden.
0.4
exergetischer Wirkungsgrad
Leistungszahl
3
0.3
2
0.2
1
0.1
0
-5
0
5
10
0.0
Umgebungstemperatur [°C]
Abb. 1: Leistungszahl (COP) und exergetischer
Wirkungsgrad einer L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung in
Funktion der Umgebungstemperatur (aus Messungen [2])
12
10
Heizleistung [W]
Leistungszahl [-]
4
exergetischer Wirkungsgrad [-]
Theoretische und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die Ursache für die mässig gute
Effizienz von L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung die ungünstige Betriebscharakteristik ist, welche aus
der Charakteristik des drehzahlkonstanten Kompressors resultiert. Mit zunehmender Umgebungstemperatur steigt die Leistungszahl (Coefficient of Performance COP) solcher Anlagen an – im
Gegensatz dazu nimmt die exergetische Effizienz jedoch ab (Abb. 1). Die Thermodynamik des
Heizens würde dagegen einen Anstieg des exergetischen Wirkungsgrades erlauben (siehe z.B.
Baehr [3]).
erzeugte
Heizleistung
8
6
4
erforderliche
Heizleistung
2
0
-10
-5
0
5
10
Umgebungstemperatur [°C]
Abb. 2: Erzeugte und erforderliche Heizleistung einer
L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung in Funktion der
Umgebungstemperatur
Zur Erreichung einer markanten Effizienzsteigerung muss die Regelstrategie des Heizsystems und
im speziellen der Wärmepumpe geändert werden. Durch die kontinuierliche Anpassung der
erzeugten an die erforderliche Heizleistung mit einer geeigneten Leistungsregelung kann der COP
und die Jahresarbeitszahl gegenüber der Ein/Aus-Regelung markant verbessert werden.
1.2
Ziele und Vorgehen
Das Hauptziel des aktuellen BFE-Forschungsprojektes ist, allgemeingültige Auslegungs- und
Planungsgrundlagen für die Realisierung effizienter, betriebssicherer und wirtschaftlicher L/W-WP
mit kontinuierlicher Leistungsregelung zu erarbeiten. Mittels Simulationen und Experimenten wird
eine Regelung konzipiert und entwickelt, welche in Abhängigkeit des Umgebungszustandes und
des Heizbedarfs des Gebäudes den Kältemitteldurchsatz und die Ventilatordrehzahl regelt, das
jeweils optimale Abtauverfahren (Prozessumkehr, Ventilatornachlauf) auswählt und die Abtauung
zum optimalen Zeitpunkt einleitet bzw. abbricht. Ein Prototyp einer leistungsgeregelten L/W-WP
wurde entwickelt und getestet. Mit dem Projekt sollen Komponenten- und Anlagenherstellern,
Installateuren und Planern neue Impulse für die Weiterentwicklung und Effizienzsteigerung von
Heizsystemen mit L/W-WP gegeben werden.
2.
Leistungsregelung – Schlüssel zur Effizienzsteigerung
Damit die Temperaturgefälle für die Wärmeübertragung bei Teillast (also mit zunehmender
Umgebungstemperatur) abnehmen statt zunehmen, muss die Diskrepanz zwischen erforderlicher
und erzeugter Heizleistung und -temperatur vermieden werden (Abb. 2) [2]. Die Konsequenz
daraus ist, dass die L/W-WP nicht im Ein/Aus-Taktbetrieb arbeitet, sondern kontinuierlich in Betrieb
ist – ausser für notwendige Abtauprozesse. Für die Anpassung der erzeugten an die erforderliche
2
© L. Gasser – 16. Status-Seminar – 2./3. September 2010 – ETH-Zürich
Heizleistung muss der umgewälzte Kältemittelmassenstrom geregelt werden. Bereits durch die
alleinige kontinuierliche Leistungsregelung des Kompressors erreicht man gegenüber der Ein/AusRegelung deutlich bessere Leistungszahlen. Die besten COP-Werte lassen sich durch die
simultane Leistungsregelung von Kompressor und Ventilator erzielen (Abb. 3). Theoretische
Untersuchungen (ohne Berücksichtigung der mechanischen und elektrischen Antriebsverluste des
Kompressors und Ventilators) zeigen, dass die Jahresarbeitszahl im Vergleich zur Ein/AusRegelung ungefähr verdoppelt werden kann [2]. Ein weiterer Vorteil der kontinuierlichen Leistungsregelung ist, dass die Eis- und Frostbildung massgeblich reduziert wird und diese erst bei tieferen
Umgebungstemperaturen einsetzt.
COP  4.26
 exHS  46.5%
COP  3.2
 exHS  34.2%
Q H
Q H
Pi
Q U
Pi
Q U
Abb. 3: Energie/Exergie-Flussbilder eines Heizsystems mit einer Ein/Aus-geregelten L/W-WP sowie eines Heizsystems mit einer leistungsgeregelten L/W-WP für 0°C Umgebungstemperatur (Energie-Flussbild der Ein/Ausgeregelten L/W-WP nicht massstäblich dargestellt)
Die Untersuchungen zeigen, dass bei L/W-WP mit kontinuierlicher Leistungsregelung das Teillastverhalten des Ventilators und insbesondere des Kompressors einen grossen Einfluss auf die
erreichbaren Jahresarbeitszahlen hat. Eine zwingende Voraussetzung zur Erreichung effizienter
L/W-WP mit kontinuierlicher Leistungsregelung ist der Einsatz von Kompressoren und Ventilatoren
mit geeignetem Teillastverhalten, weiten zulässigen Regelbereichen und hohen TeillastWirkungsgraden [4].
3.
Versuchsanlage und Wärmepumpen-Prototyp
Zur Überprüfung der entwickelten Regelstrategien wurde ein Prototyp einer leistungsgeregelten
L/W-WP realisiert. Parallel dazu wurde für die experimentelle Untersuchung von L/W-WP eine
Luftaufbereitungsanlage entwickelt und aufgebaut.
Abb. 4: Luftaufbereitungsanlage und L/W-WP-Prototyp
16. Status-Seminar – 2./3. September 2010 – ETH-Zürich – © L. Gasser
Abb. 5: L/W-WP-Prototyp mit Leistungsregelung
3
Die Luftaufbereitungsanlage besteht aus zwei Kreisläufen (Primär- und Sekundärkreislauf) und
ermöglicht dadurch eine hohe Dynamik und äusserst stabile Prüfbedingungen. Die resultierenden
Abweichungen des Luftzustandes vom Sollwert sind deutlich geringer als die in der Prüfnorm
EN14511 spezifizierten. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen den Aufbau des Prüfstandes mit dem
Wärmepumpen-Prototyp im Labor der Hochschule Luzern.
4.
Resultate und Diskussion
In den Experimenten wurden verschiedene Regelstrategien untersucht, z.B. die alleinige
Leistungsregelung des Kompressors oder die simultane Leistungsregelung von Kompressor und
Ventilator. In diesem Beitrag wird aufgrund des deutlich höheren Effizienzsteigerungspotenzials
nur auf die simultane Regelung des Kompressors und Ventilators eingegangen. Die
experimentellen Untersuchungen erfolgten für zwei verschiedene Heizkurven – eine typische
Heizkurve eines Gebäudes im Minergie-Standard mit tiefen Heizwassertemperaturen und einer
tiefen Heizgrenze (Abb. 6) sowie eine Heizkurve eines hochwertig sanierten Altbaus mit höheren
Heizwassertemperaturen und einer höheren Heizgrenze (Abb. 7). Untersucht wurde jeweils der
monovalente Betrieb (Auslegungspunkt der WP bei -10°C Umgebungstemperatur).
Abbildung 6 zeigt die gemäss der Heizkurve „Minergie-Standard“ erforderliche Heizleistung und die
mit dem L/W-WP-Prototyp erzeugte Heizleistung in Funktion der Umgebungstemperatur. Wird der
L/W-WP-Prototyp so geregelt, dass die Effizienz stets maximal ist, kann die erzeugte Heizleistung
für Umgebungstemperaturen im Bereich zwischen -10°C und 2°C kontinuierlich der erforderlichen
Heizleistung angepasst werden. Dazu wird das Teillastverhältnis des Kompressors von 100%
(Volllast) bei -10°C auf rund 28% bei 2°C Umgebungstemperatur reduziert. Gleichzeitig wird die
Ventilatordrehzahl mit steigender Umgebungstemperatur von -10°C bis 2°C linear reduziert. Für
Umgebungstemperaturen über 2°C werden sowohl das Teillastverhältnis des Kompressors als
auch die Ventilatordrehzahl nicht weiter reduziert, da die Effizienz der WP sonst abnehmen würde.
Die L/W-WP wird bei Umgebungstemperaturen oberhalb 2°C bei stark reduzierter Leistung
(Teillastverhältnis Kompressor f = 28 %) mit Ein/Aus-Regelung betrieben. Dies hat zur Folge, dass
die erzeugte Heizleistung oberhalb 2°C Umgebungstemperatur leicht ansteigt (Betriebscharakteristik von L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung).
Abbildung 7 zeigt die gemäss der Heizkurve „sanierter Altbau“ erforderliche Heizleistung und die
erzeugte Heizleistung in Funktion der Umgebungstemperatur. Für diese Heizkurve gelingt die
kontinuierliche Anpassung der erzeugten an die erforderliche Heizleistung für Umgebungstemperaturen im Bereich zwischen -10°C und 6°C. Zur Erreichung bestmöglicher Leistungszahlen
muss die L/W-WP bei Umgebungstemperaturen oberhalb 6°C bei reduzierter Leistung (Teillastverhältnis Kompressor f = 28 %) mit Ein/Aus-Regelung betrieben werden.
Die mit dem L/W-WP-Prototyp erreichbaren Leistungszahlen (mit Berücksichtigung der Ventilatorleistung) für die Heizkurve „Minergie-Standard“ sind in Abb. 5 dargestellt. Mit Leistungsregelung
nimmt die Leistungszahl von 2.6 bei -10°C auf 6.9 bei 10°C Umgebungstemperatur zu. Der L/WWP-Prototyp wurde zusätzlich mit einem nicht-regelbaren Scroll-Kompressor ausgestattet. Mit
diesem Kompressor wurde der L/W-WP-Prototyp für die Heizkurve „Minergie-Standard“ im
Ein/Aus-Betrieb experimentell untersucht (Kompressor und Ventilator unter Volllast betrieben). Die
im Ein/Aus-Betrieb resultierenden Leistungszahlen sind ebenfalls in Abb. 6 dargestellt. Die im
leistungsgeregelten Betrieb resultierenden Leistungszahlen liegen bei tiefen Umgebungstemperaturen unterhalb denjenigen des Ein/Aus-Betriebs, werden aber mit steigender
Umgebungstemperatur gegenüber der Ein/Aus-Regelung zunehmend besser. Bei 10°C
Umgebungstemperatur ist die im leistungsgeregelten Betrieb erreichbare Leistungszahl rund 36%
höher als bei der Ein/Aus-Regelung.
In Abb. 7 sind die resultierenden Leistungszahlen des L/W-WP-Prototyps im leistungsgeregelten
Betrieb (mit Berücksichtigung der Ventilatorleistung) für die Heizkurve „sanierter Altbau“ dargestellt. Die Leistungszahl nimmt von 2.4 bei -6°C auf 8.0 bei 15°C Umgebungstemperatur zu.
Diese Werte liegen deutlich über denjenigen von L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung. Abbildung 7 zeigt
zum Vergleich zusätzlich die Leistungszahl einer L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung, welche im
Rahmen von LOREF [1] für die Heizkurve „sanierter Altbau“ ausgemessen wurde. Die Leistungszahl des leistungsgeregelten L/W-WP-Prototyps ist bei 15°C Umgebungstemperatur doppelt so
hoch wie diejenige der L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung.
4
© L. Gasser – 16. Status-Seminar – 2./3. September 2010 – ETH-Zürich
Volumenstrom Heizwasser: 1520 l/h
40
35
30
Vorlauftemperatur
Heizgrenze
25
Rücklauftemperatur
20
-10
Heizleistung [kW]
10
-5
0
5
Kontinuierliche
Leistungsregelung
Ein/AusRegelung
f=100 - 28%
f=28%
10
6
erzeugt
erforderlich
2
0
-10
-5
0
5
Vorlauftemperatur
35
Heizgrenze
30
Rücklauftemperatur
25
20
-10
6
4
L/W-WP Prototyp
leistungsgeregelt
L/W-WP Prototyp
Ein/Aus-geregelt
2
-10
-5
0
5
10
Umgebungstemperatur [°C]
Abb. 6: Heizleistung und Leistungszahl (COP, inkl.
Ventilator) für Heizkurve „Minergie-Standard“
-5
0
5
10
Kontinuierliche
Leistungsregelung
Ein/AusRegelung
f=100 - 28%
f=28%
15
8
6
4
erzeugt
erforderlich
2
-10
8
Leistungszahl [-]
Leistungszahl [-]
Volumenstrom Heizwasser: 1250 l/h
40
0
10
8
0
45
10
8
4
Vor- & Rücklauftemperatur [°C]
45
Heizkurve: sanierter Altbau
Heizleistung [kW]
Vor- & Rücklauftemperatur [°C]
Heizkurve: Minergie-Standard
-5
0
5
10
15
10
15
L/W-WP Prototyp
leistungsgeregelt
L/W-WP (LOREF)
Ein/Aus-geregelt
6
4
2
0
-10
-5
0
5
Umgebungstemperatur [°C]
Abb. 7: Heizleistung und Leistungszahl (COP, inkl.
Ventilator) für Heizkurve „sanierter Altbau“
In Tabelle 1 sind die erreichbaren Jahresarbeitszahlen des leistungsgeregelten L/W-WP-Prototyps,
des L/W-WP-Prototyps im Ein/Aus-Betrieb sowie der L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung, welche im
Rahmen von LOREF [1] untersucht wurde, für die Heizkurven „Minergie-Standard“ und „sanierter
Altbau“ zusammengefasst. Die Berechnung der Jahresarbeitszahl nach der Methode von
v. Böck [5], erfolgte für die Summenhäufigkeitsverteilung der Umgebungstemperaturen von Zürich
(siehe WEXA [3]). Bei dieser Methode wird der Einfluss der Frostbildung und der damit notwendigen periodischen Abtauungen nicht berücksichtigt. Die für die Heizkurve „sanierter Altbau“
resultierenden Leistungszahlen des L/W-WP-Prototyps sowie der L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung
bei -10°C Umgebungstemperatur wurden für die Berechnung der Jahresarbeitszahlen extrapoliert.
Der leistungsgeregelte L/W-WP-Prototyp erreicht sehr hohe Jahresarbeitszahlen, welche mit 5.0
für die Heizkurve „Minergie-Standard“ und 4.9 für die Heizkurve „sanierter Altbau“ im Bereich von
Sole/Wasser-Wärmepumpen liegen.
16. Status-Seminar – 2./3. September 2010 – ETH-Zürich – © L. Gasser
5
Heizkurve
Minergie-Standard
Sanierter Altbau
Wärmepumpe
L/W-WP Prototyp
Regelstrategie
Leistungsregelung Ein/Aus-Regelung Leistungsregelung Ein/Aus-Regelung
Jahresarbeitszahl [-]
L/W-WP Prototyp
5.0
4.2
L/W-WP Prototyp
4.9
L/W-WP (LOREF)
3.1
Tabelle 1: Jahresarbeitszahlen des leistungsgeregelten L/W-WP-Prototyps, des L/W-WP-Prototyps im Ein/Aus-Betrieb
und einer L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung für die Heizkurven „Minergie-Standard“ und „sanierter Altbau“
5.
Schlussfolgerungen und Ausblick
Ursache für die mässig gute Effizienz von L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung ist die ungünstige
Betriebscharakteristik, welche aus der Charakteristik des drehzahlkonstanten Kompressors
resultiert. Durch die kontinuierliche Anpassung der erzeugten an die erforderliche Heizleistung mit
einer geeigneten Leistungsregelung lässt sich die Effizienz von L/W-WP markant steigern. Eine
zwingende Voraussetzung für eine hohe Effizienz ist der Einsatz von Kompressoren und
Ventilatoren mit geeignetem Teillastverhalten, weiten zulässigen Regelbereichen und hohen
Teillast-Wirkungsgraden [4].
Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen bestätigen das Potenzial der Leistungsregelung von L/W-WP eindrücklich. Bei der Verwendung des leistungsgeregelten L/W-WPPrototyps in einem sanierten Altbau kann die Jahresarbeitszahl im Vergleich zur L/W-WP mit
Ein/Aus-Regelung [1] um rund 58% verbessert werden. Auch bei der Verwendung in einem
Gebäude im Minergie-Standard kann die Jahresarbeitszahl gegenüber guter L/W-WP mit Ein/AusRegelung um rund 20% erhöht werden.
Zusätzliches Potenzial für Effizienzsteigerungen von L/W-WP bietet die Abtauung mit Ventilatornachlauf. Die Idee ist, dass bei geeigneten Bedingungen mit Umgebungsluft abgetaut wird. Der
Schlüssel zur erfolgreichen Abtauung mit Ventilatornachlauf liegt im Zustand der Umgebungsluft:
Neben der Lufttemperatur spielt die Luftfeuchtigkeit eine bedeutende Rolle und muss zwingend
berücksichtigt werden. Zur Ausnutzung dieses Potenzials wird in einem nächsten Schritt eine
praxisreife Abtauregelung entwickelt, welche in der Lage ist den optimalen Abtauzeitpunkt zu
erkennen, das optimale Abtauverfahren (Prozessumkehr oder Ventilatornachlauf) einzuleiten und
die Abtauung zum optimalen Zeitpunkt zu beenden.
6.
Danksagung
Das Projektteam bedankt sich beim Bundesamt für Energie für die finanzielle Unterstützung und
bei Projektpartnern Emerson Climate Technologies GmbH (Berlin) und Ziehl-Abegg Schweiz AG
(Spreitenbach) für die wertvollen Inputs und die Unterstützung mit modernsten Produkten und
Technologien.
7.
Referenzen
[1]
L. Berlinger, M. Imholz, M. Albert, R. Sahinagic, L. Gasser, B. Wellig, K. Hilfiker: LOREF –
Lamellenluftkühler-Optimierung mit Reduktion von Eis- und Frostbildung, BFE, 2008.
[2]
L. Gasser, B. Wellig, K. Hilfiker: WEXA – Exergie-Analyse zur Effizienzsteigerung von
Luft/Wasser-Wärmepumpen, BFE, 2008.
[3]
H.D. Baehr: Zur Thermodynamik des Heizens; Teil 1: Der zweite Hauptsatz und die
konventionellen Heizsysteme, Brennstoff-Wärme-Kraft 32(1), 9-15, 1980; Teil II:
Primärenergieeinsparung durch Anergienutzung, Brennstoff-Wärme-Kraft 32(2), 47-57, 1980.
[4]
L. Gasser, B. Wellig: Leistungsgeregelte Luft/Wasser-Wärmepumpe, 16. Tagung des
Forschungsprogramms Wärmepumpen, Wärme-Kraft-Kopplung, Kälte des BFE, 2010.
[5]
P. von Böckh, H.J. Eggenberger, M. Borer, T. Borer: Geregelte Wärmepumpe Pioneer –
Luft/Wasser-Wärmepumpe für Sanierungen von Öl- und Elektroheizungen, BFE, 2005.
6
© L. Gasser – 16. Status-Seminar – 2./3. September 2010 – ETH-Zürich
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