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Luft/Wasser-Wärmepumpen – genauso effizient wie Wärmepumpen

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Serverkühlung Enterprise Lab –
einfach und effizient!
Lukas Gasser, Prof. Dr. Beat Wellig
Hochschule Luzern – Technik & Architektur
Fachbereich Maschinentechnik
CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik
Energie Apéro Luzern
Luzern, 4. November 2013
Enterprise Lab der HSLU T&A
2
1
Enterprise Lab der HSLU T&A
Zustand vor Umbau:
(Angaben gültig bei Volllast)
3
Enterprise Lab der HSLU T&A
IT-Kühlung – einfach und effizient mittels Free Cooling
4
2
Enterprise Lab der HSLU T&A
„Cool-Rack‟ Schränke und hybrider Trockenkühler:
5
Enterprise Lab der HSLU T&A
Effizienzwerte Hochsommer 2013
PUE zurzeit (Herbst) wesentlich tiefer!
Im Winter Abwärmenutzung zu Heizzwecken.
Kühlung Faktor 7 effizienter als vor Umbau!
6
3
Enterprise Lab der HSLU T&A
Grundsätze der hocheffizienten Kühlung
1. Abwärme direkt an der Quelle abführen
→ lokale Kühlung
2. Hohe Kaltwasser-Temperatur
→ 100% Free Cooling (keine Kälteanlage)
→ Abwärmenutzung möglich
3. Wenig, aber die «richtige» Technik, Selbstregulierung
→ hohe Betriebssicherheit
Hocheffiziente IT-Kühlung mittels Free Cooling:
einfach, effizient, zuverlässig
7
4
Luft/Wasser-Wärmepumpen –
genauso effizient wie Wärmepumpen
mit Erdsonden?
Lukas Gasser, Prof. Dr. Beat Wellig
Hochschule Luzern – Technik & Architektur
Fachbereich Maschinentechnik
CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik
Energie Apéro Luzern
Luzern, 4. November 2013
Gliederung
1. Ausgangslage und Ziele
2. Leistungsregelung von L/W-WP
3. Experimenteller Nachweis und Resultate
4. Schlussfolgerungen
10
5
Ausgangslage und Ziele
Verkaufszahlen Wärmepumpen in der Schweiz [1]:
22'000
Anzahl verkaufte Wärmepumpen pro Jahr
20'000
nach Energiequelle (2012):
18'000
61.3% Luft/Wasser
16'000
36.6% Sole/Wasser
14'000
2.1%
12'000
Wasser/Wasser
10'000
8'000
6'000
4'000
2'000
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1990
1988
1986
1984
1982
1980
0
Jahr
Die Entwicklung effizienter und wirtschaftlicher Heizsysteme
mit Wärmepumpen ist von hoher Relevanz!
11
[1] Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz FWS / GebäudeKlima Schweiz
Ausgangslage und Ziele
Messungen von Gasser et al. [3]
COP
3
0.4
0.3
2
0.2
1
0.1
0
0.0
-5
0
5
10
Umgebungstemperatur [°C]
12
Heizleistung [kW]
4
exergetischer Wirkungsgrad [-]
L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung:
10
8
erzeugt
6
4
erforderlich
2
0
-10
-5
0
5
10
Umgebungstemperatur [°C]
Ursache: Ungünstige Betriebscharakteristik des drehzahlkonstanten Kompressors
Ziel: Anpassung der erzeugten an die erforderliche Heizleistung
→ Leistungsregelung des Kompressors und Ventilators
[3] Gasser et al.: WEXA: Exergie-Analyse zur Effizienzsteigerung von Luft/Wasser-Wärmepumpen, BFE, 2008.
12
6
Leistungsregelung von L/W-WP
Leistungsregelung ist nicht gleich Leistungsregelung!
Leistungszahl [-]
"Inverter L/W-WP"
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
AZH+A=2.54
0
30
60
90
Leistungszahl [-]
"Leistungsgeregelte L/W-WP Prototyp HSLU"
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
AZH+A=3.38
0
30
60
Zeit [min]
90
Betriebsbedingungen: 0°C Umgebungstemperatur, 85% rel. Feuchtigkeit
und Heizkurve «hochwertig sanierter Altbau», VL/RL 42/35°C bei -10°C (Messungen)
13
Leistungszahl COP mit Berücksichtigung der Ventilatorleistung
Leistungsregelung von L/W-WP
6.0
5.41
COP
0.6
5.0
fopt
0.4
20
40
60
80
Teillastverhältnis f [%]
4.0
100
1.0
0.8
Kompressor 2 mit geeignetem
Teillastverhalten
5.95
7.0
6.0
COP
0.8
7.0
Teillast-Wirkungsgrad η /η100%
1.0
Kompressor 1 mit ungünstigem
Teillastverhalten
COP
Teillast-Wirkungsgrad η /η100%
Voraussetzungen an regelbare Kompressoren für L/W-WP:
COP
0.6
5.0
fopt
0.4
20
40
60
80
4.0
100
Teillastverhältnis f [%]
Das Teillastverhalten des Kompressors ist entscheidend!
Betriebsbedingungen: 6°C Umgebungstemperatur, 85% rel. Feuchtigkeit
und Heizkurve «Minergie», VL/RL 30/25°C bei -10°C (Simulationen)
Leistungszahl COP ohne Berücksichtigung der Ventilatorleistung
14
7
Leistungsregelung von L/W-WP
Einfluss des Teillast-Wirkungsgrades auf die optimale Regelung:
10
Umgebungstemperatur 0°C
5.5
10
Umgebungstemperatur 6°C
6
5.0
4.88
erforderlich
4
2
4.5
nopt < nmatch
0
4.0
2000 3000 4000 5000 6000 7000
6.0
5.70
8
erzeugt
5.5
6
4
2
COP
4.95
Heizleistung [kW]
8
COP
Heizleistung [kW]
erzeugt
5.21
5.0
erforderlich
nmatch < nopt
0
4.5
2000 3000 4000 5000 6000 7000
-1
-1
Kompressordrehzahl n [min ]
Kompressordrehzahl n [min ]
Die Anpassung der erzeugten Heizleistung an die erforderliche
Heizleistung ist nicht generell empfehlenswert!
Betriebsbedingungen: 0°C, 6°C Umgebungstemp., 85% r.F. und Heizkurve «Minergie»,
VL/RL 30/25°C bei -10°C (Messungen L/W-WP-Prototyp mit Inverter-Scroll)
15
Leistungszahl COP ohne Berücksichtigung der Ventilatorleistung
Leistungsregelung von L/W-WP
Abhängigkeiten des optimalen Teillastverhältnisses des
Kompressors:
6.0
Einfluss der Umgebungstemperatur
Umgebungstemp.
6°C
2°C
0°C
5.5
5.0
4.5
4.0
-1
nopt=3300 min
6.5
Leistungszahl [-]
Leistungszahl [-]
6.5
Einfluss der rel. Feuchtigkeit
rel. Feuchtigkeit
6.0
5.5
5.0
4.5
-1
nopt=3300 min
4.0
3.5
85%
95%
3.5
2000 3000 4000 5000 6000 7000
-1
Kompressordrehzahl n [min ]
2000 3000 4000 5000 6000 7000
-1
Kompressordrehzahl n [min ]
Die optimalen Teillastverhältnisse sind nahezu unabhängig
vom Zustand der Umgebungsluft und der Heizkurve!
Betriebsbedingungen: 0°C, 2°C, 6°C Umgebungstemp., 85%, 95% r.F. und Heizkurve «Minergie»,
VL/RL 30/25°C bei -10°C (Messungen L/W-WP-Prototyp mit Inverter-Scroll)
Leistungszahl COP ohne Berücksichtigung der Ventilatorleistung
16
8
Leistungsregelung von L/W-WP
Leistungsregelung von Kompressor und Ventilator:
Zur Erreichung der bestmöglichen Effizienz bei L/W-WP müssen die
maximalen Bereiche der effizient regelbaren Teillastverhältnisse von
Kompressor und Ventilator ausgenutzt werden!
Wegleitung:
1. Ermittlung des optimalen Teillastverhältnisses des
Kompressors
2. Ermittlung des optimalen Luftvolumenstromes im Betrieb
beim optimalen Teillastverhältnis des Kompressors
3. Ermittlung des optimalen Luftvolumenstromes bei Volllast des
Kompressors
17
Experimenteller Nachweis und Resultate
L/W-WP Prototyp mit Inverter-Scroll mit Dampfeinspritzung
Kompressor: Scroll-Kompressor
mit Dampfeinspritzung und Inverter
von Emerson Climate Technologies
Ventilator: kontinuierlich
regelbarer Axialventilator mit
EC-Motor von Ziehl-Abegg
18
9
Experimenteller Nachweis und Resultate
Prüfstand für Luft/Wasser-Wärmepumpen
19
Experimenteller Nachweis und Resultate
L/W-WP-Prototyp – Betriebscharakteristik und Effizienz:
Kompressordrehzahl & Luftvolumenstrom (Regelung auf max. Effizienz)
f=49 - 47%
5000
Kompressordrehzahl
Luftvolumenstrom
6000
4000
4000
3000
2000
2000
Dampfeinspritzung keine Dampfeinspritzung
0
3
f=100 - 49%
Luftvolumenstrom [m /h]
Ein/AusRegelung
-1
Kompressordrehzahl [min ]
8000
Kont. Leistungsregelung
• Lineare Reduktion der
Kompressor- und
Ventilatordrehzahl im
Bereich der Umgebungstemperaturen von -10°C
bis 0°C.
• Konstante Einstellungen
von Kompressor und
Ventilator bei Umgebungstemperaturen über 0°C
1000
-10
-5
0
5
10
Umgebungstemperatur [°C]
Heizkurve Minergie: VL/RL 30/25°C bei -10°C
20
10
Experimenteller Nachweis und Resultate
L/W-WP-Prototyp – Betriebscharakteristik und Effizienz:
Heizleistung [kW]
10
Kont. Leistungsregelung
Ein/AusRegelung
f=100 - 49%
f=49 - 47%
7
8
6
6
5
4
4
2
Heizleistung:
3
erzeugt
erforderlich
0
2
-10
-5
0
5
10
Arbeitszahl Heizen & Abtauen AZH+A
Heizleistung & Arbeitszahl AZH+A inkl. Ventilator und Abtauung
JAZH+A nach Methode
von v. Böckh et al. [4]
JAZH+A=4.41
[4] von Böckh et al.: Geregelte Wärmepumpe Pioneer – Geregelte Luft/WasserWärmepumpe für Sanierungen von Ölund Elektroheizung, BFE, 2005.
Umgebungstemperatur [°C]
Heizkurve Minergie: VL/RL 30/25°C bei -10°C
21
Experimenteller Nachweis und Resultate
L/W-WP-Prototyp – Betriebscharakteristik und Effizienz
Jahresarbeitszahl JAZ
(inkl. Ventilator, ohne HW-Umwälzpumpe, ohne Warmwasser, Klimaregion
Zürich):
Heizkurve
Vorlauf-/Rücklauftemperatur bei -10°C
Umgebungstemperatur
Jahresarbeitszahl
mit Abtauung
JAZH+A
MinergieStandard
Hochwertig
sanierter Altbau
Sanierter Altbau
30°C/25°C
41°C/35°C
46°C/38°C
4.41
4.40
3.79
Zum Vergleich JAZ aus Feldmessungen:
FAWA [5]: JAZ = 2.6 (nJAZ2, ohne Speicher)
Fraunhofer [6]: JAZ = 2.95 (AZ1, inkl. Warmwasser)
[5] Erb et al.: Feldanalysen von Wärmepumpenanlagen FAWA 1996-2003, BFE, 2004.
[6] Miara et al.: Wärmepumpen Effizienz, Fraunhofer ISE, 2011.
22
11
Experimenteller Nachweis und Resultate
Feldmessungen – Betriebscharakteristik und Effizienz:
− Installation in Einfamilienhaus von Beat Wellig, Suhr
− Feldmessung läuft seit Dezember 2011
Feldmessung:
JAZH+A = 4.1 (Heizen und Abtauen)
JAZH+A+WW = 3.7 (inkl. Brauchwarmwasser)
Bild: Beat Brechbühl
Heizkurve: VL/RL 32/28°C bei -10°C (bei 21-22°C Raumtemperatur)
23
Schlussfolgerungen
• Effiziente L/W-WP mit Leistungsregelung erfordern die simultane Regelung
von Kompressor und Ventilator
• Das Teillastverhalten von Kompressor und Ventilator ist entscheidend
• Markante Effizienzsteigerung von L/W-WP durch kontinuierliche
Leistungsregelung kann bestätigt werden: JAZ im Bereich von
heutigen S/W-WP mit Ein/Aus-Regelung
• Potenzial insbesondere für sanierte Altbauten hoch
• Durch die Anwendung der kontinuierlichen Leistungsregelung kann die
Eis- und Frostbildung massgeblich reduziert werden
• Mit einer optimierten Abtauregelung kann die Effizienz von L/W-WP weiter
gesteigert werden – geeignete Ansätze wurden entwickelt
• Allgemeingültige Auslegungs- und Planungsgrundlagen konnten erarbeitet
werden ― Grosser Nutzen für zukünftige Weiterentwicklung von
L/W-WP mit Leistungsregelung!
24
12
Danksagung
Projektförderung und Partner
−
Bundesamt für Energie (BFE)
−
Emerson Climate Technologies GmbH
−
Ziehl-Abegg Schweiz AG
−
Heliotherm Wärmepumpentechnik GmbH
−
Hochschule Luzern – Technik & Architektur
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
25
13
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