Wärmepumpenschaltungen

Die europäische Energiepolitik sieht eine Reduktion der Treibhausgasemissionen von mindestens 40 % im Jahr 2020 im Vergleich zu 1990 [1] vor. Zum Erreichen dieses Ziels sind zahlreiche Maßnahmen notwendig, wie z.B. die intensive Nutzung erneuerbarer Energiequellen sowie die Steigerung der Energieeffizienz. Ein großer Teil der Endenergie wird in Deutschland für die Raumheizung (2.408 PJ, 27,1 %) und die Warmwasserbereitung (409 PJ, 5 %) eingesetzt (Stand 2015) [2].

Im Rahmen der Förderinitiative des BMBF und des BMWi mit dem Titel „Solares Bauen/Energieeffiziente Stadt“ [3] startete im November 2017 das Projekt „Zwickauer Energiewende Demonstrieren“ (ZED) [4]. Im Projekt soll die Umgestaltung des Wohngebietes Marienthal in der Stadt Zwickau zu einem Nullemissionsquartier untersucht und später durchgeführt werden. Dieser Artikel bezieht sich auf die Teilaufgabe, die eine emissionsfreie Wärmeversorgung zum Ziel hat. Dabei müssen die Versorgungssicherheit und sozialverträgliche Preise bzw. wirtschaftliche Aspekte gewährleistet bleiben. Den Einsatz von Kompressionswärmepumpen mittlerer Größe sehen die Autoren als eine aussichtreiche Lösung für die Nahwärmeversorgung des Quartiers an. Das setzt voraus, dass der Antrieb und die Wärmequelle ökologischen Kriterien genügen.

Randbedingungen, Motivation, technischer Ansatz

Das Quartier Marienthal mit ca. 13.500 Einwohner umfasst etwa 106 ha. Die Gebäude sind sanierte drei- oder viergeschossige DDR-Typenbauten aus den Baujahren 1957 bis 1964 [4]. Die Wärmeversorgung im Quartier erfolgt zurzeit durch erdgasbetriebene Niedertemperaturkessel. Über kleine Nahwärmenetze wird die Raumheizung versorgt. Die Warmwasserversorgung übernehmen zumeist elektrische Durchlauferhitzer [4]. Bedingt durch den Gebäudezustand bzw. eine übliche Auslegung, besitzt die Wärmeversorgung relativ hohe Vorlauftemperaturen (ca. 70 °C). Im Projekt sollen die bestehenden Heizungssysteme in den Gebäuden genutzt werden. Für den Wärmepumpeneinsatz bedeutet das relativ hohe Kondensationstemperaturen. Der Einsatz von Wärmepumpen auf einem relativ hohen Temperaturniveau (über 70 °C) liefert eine grundlegende Motivation dieser Untersuchung.

Ein weiterer wichtiger Punkt bildet die Verfügbarkeit der Wärmequellen. In derartigen Quartieren ist i.d.R. keine industrielle Abwärme vorhanden. Als bedingt optimale Wärmequellen stehen dann die solare Einstrahlung und die Energie der Umwelt (z.B. Luft, Erdreich) sowie Abwassersysteme zur Verfügung [6].

Auf der Basis einer Analyse der Wärmequellen wurde ein Anlagenkonzept „autarkes System“ erarbeitet (Bild 1). Der Begriff autark bezieht sich auf die Wärmetechnik. Als Antriebsenergie wird Strom aus erneuerbaren Energiequellen (z.B. Wind, PV) über das elektrische Netz bezogen. Der Einsatz von Strom aus lokalen PV-Feldern oder dem Speicher ist auch möglich. Die vorgestellte Lösung ist ein Teilkonzept im Rahmen eines umfangreichen Maßnahmenpaketes [6]. Im Beitrag werden nur die Aspekte der geplanten Wärmeversorgungszentrale vorgestellt. Es existieren weiterhin Schnittstellen z.B. zur erneuerbaren Stromversorgung.

Bei einer hohen Einstrahlung im Sommerhalbjahr können beide Speicher WSp1 und WSp2 direkt durch das Solarkollektorfeld beladen werden. Bei einer derartigen saisonalen Speicherung kühlen die Speicher mit Beginn der Heizperiode durch die Entladung relativ schnell ab. D.h., die Temperaturen fallen verhältnismäßig schnell unter die Soll-Vorlauf-Temperatur des Nahwärmenetzes, sodass ein Einsatz von Wärmepumpen notwendig wird. Dieser Beitrag behandelt die systematische Untersuchung von möglichen Schaltungen des Wärmepumpensystems. Bild 1 zeigt schematisch ein Beispiel mit zwei in Reihe geschalteten Wärmepumpen. In der Winter- und der Übergangszeit arbeiten die Kollektorfelder dann mit niedrigen Temperaturen, und es erhöht sich dann der Kollektorertrag. In dieser Zeit verwendet das Wärmepumpensystem den Speicher WSp1 als Wärmequelle und belädt den Speicher WSp2 mit hohen Temperaturen. Anlagentechnisch können die gezeigten Wärmespeicher WSp1 und WSp2 (Bild 1) durch einen Wärmespeicher mit zwei Temperaturzonen (Hochtemperatur- und Niedertemperaturzone) realisiert werden (Bild 2). Die Temperatur der Wärmequelle liegt in diesem Untersuchungsfall unter 20 °C. Die Wärmepumpen müssen hier eine relativ große Temperaturdifferenz überbrücken können, was sich prinzipiell negativ auf die Wärmepumpen-Leistungszahl ε_WP auswirkt. Alle Leistungszahlen in diesem Beitrag beziehen sich auf den Wärmepumpenprozess ohne Berücksichtigung der Hilfsenergie für die Pumpenantriebe.

In der Literatur sind oft nur singuläre Informationen (z.B. Beispiel einer konkreten Ausführung) zu finden. Systematische und breit angelegte Untersuchungen sind zurzeit kaum verfügbar. Deswegen soll diese Arbeit erste Ergebnisse und die Vorgehensweise vorstellen. Der Beitrag thematisiert verschiedene Schaltungen von Wärmepumpen. Das Ziel besteht in der Erhöhung der Leistungszahl bzw. in einer Anpassung an die vorliegenden Randbedingungen (Versorgungsaufgabe).

Die Modellierung unterschiedlicher Anlagenschaltungen und die stationäre Simulation erfolgte mit der Software „Ebsilon“ [7]. Die Annahmen für die Modellierung liefert Tabelle 1. Im „Ebsilon“-Bauteil „Verdichter“ sind keine speziellen Verdichtertypen definiert, deshalb werden die theoretischen Untersuchungen zuerst ohne Berücksichtigung der Verdichterbauart durchgeführt. Die Bewertung der Wärmepumpenschaltungen erfolgt hier beispielhaft mit dem Kältemittel R134a. Die Analyse der anderen einsetzbaren Kältemittel erfolgt in den weiteren Arbeiten.

Schaltungsvarianten

In diesem Abschnitt werden sechs Schaltungsvarianten für die Wärmepumpensysteme (Bild 1) vorgestellt. In den Schaltungen wird nur das Wärmepumpensystem nach Bild 1 betrachtet. (Mit den Begriffen Wärmequelle und Wärmesenke erfolgt die Einordung ins Gesamtsystem zur Wärmeversorgung. Bild 2 zeigt die Integration für die Varianten 1 bis 5. Bild 12 liefert eine Modifikation der Schaltung für Variante 6).

Einstufige Verdichtung (Variante 1)

Die Schaltung für das Wärmepumpensystem (nach Bild 1) mit einstufiger Verdichtung (Bild 3) besteht aus wenigen Komponenten: einem Verdampfer, einem Verflüssiger, einem Expansionsventil sowie einem Verdichter.  Das Kältemittel wird vom Verdampfungsdruck direkt bis auf den Verflüssigungsdruck verdichtet. Der einstufige Kompressionswärmepumpen-Prozess verhält sich mit zunehmendem Druckverhältnis p_c/p₀ durch die steigenden Verdichterverluste und den abnehmenden Liefergrad ungünstiger. Die große Druckdifferenz, z.B. 22 bar beim Kältemittel R134a, verursacht eine relativ schlechte Leistungszahl (Tabelle 4).

Zweistufige Verdichtung mit Economizer (Variante 2 und 3)

Die einstufige Verdichtung wird im Folgenden durch zwei in Reihe geschaltete Verdichter ersetzt. Die zweistufige Ausführung ist prinzipiell mit höheren Kosten für das Wärmepumpensystem verbunden. Deshalb geht man bei Kältemaschinen und Wärmepumpen im Allgemeinen erst bei Druckverhältnissen p_c/p₀ > 7 auf eine zweistufige Verdichtungen über, um die Gesamtkosten für eine Wärmepumpe zu minimieren [8].

Zur Erhöhung der Leistungszahl wird die zweistufige Verdichtung mit Economizer-Betrieb theoretisch untersucht. Im geplanten System sind zwei verschiedene Bauformen für Economizer vorgesehen: Unterkühler-Economizer (Variante 2, Bild 4) und Open-Flash-Economizer (Variante 3, Bild 7). Der Economizer dient vor allem als Kühler zwischen den Verdichtern. Dadurch wird die Prozessführung verbessert und hohe Verdichtungsendtemperaturen vermieden.

Zur Bestimmung des optimalen Zwischendrucks bei der zweistufigen Verdichtung findet man in den Literaturquellen keine aktuellen Aussagen. Es gibt nur eine Näherungsgleichung (Gleichung 1) für Hubkolbenverdichter [10]:

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In diesem Auslegungsfall beträgt der berechnete Zwischendruck ca. 10 bar. Im Folgenden wird ein Verfahren zur Bestimmung des optimalen Zwischendrucks mit EbsScript im „Ebsilon“ vorgestellt.

Unterkühler-Economizer (Variante 2)

Der Unterkühler-Economizer ist als ein innerer Wärmeübertrager ausgeführt (Bild 4). Der Teilmassenstrom wird mittels des HD-Expansionsventils eingedrosselt und verdampft auf der Sekundärseite des Economizers. Dadurch erfolgt die Unterkühlung des Hauptkältemittel-Massenstroms auf der Primärseite. Das Massenstromverhältnis zwischen Hauptstrom und Teilstrom muss man für die Simulation vorgeben. Im „Ebsilon“-Modell wird die Einstellung des Einspritzmassenstroms durch die Bauteile „Verzweigung“ und „Zusammenführung“ realisiert. In der Verzweigung kann man eingeben, wieviel Prozent vom Massenstrom des Hauptkreislaufs abgezweigt und in den Unterkühler-Economizer eingespritzt werden soll. Mit verschiedenen Massenstromverhältnissen variiert auch die Heizleistung und die Leistungszahl. D.h., bei der zweistufigen Verdichtung mit Economizer gibt es zwei Einflussfaktoren, den Zwischendruck und den abgezweigten Kältemittelmassenstrom zum Economizer, welche sich auf die Leistung der Wärmepumpen auswirken. Deshalb erfolgt die Bestimmung des optimalen Arbeitspunktes in drei Schritten:

Mit Hilfe von EbsScript in „Ebsilon“ wurde ein kleines Programm geschrieben, welches Simulationen mit variabler Einspritzmenge in gewünschten Bereichen steuert und die Ergebnisse in eine „Excel“-Datei exportiert. Als Beispiel wird im Folgenden zuerst die optimale Einspritzmenge für den Unterkühler-Economizer mit R134a unter den Zwischendruck von 8 bar bestimmt. Der abgezweigte Massenstrom in dem Economizer variiert zwischen 5 % und 50 % mit einer Schrittweite von 1 %.

Die Simulationsergebnisse bei dem Zwischendruck von 8 bar sind in Bild 5 dargestellt. Bei einer Abzweigung von 37 % des Massenstroms zum Economizer erreicht die Leistungszahl den Maximalwert von 3,03. Die Heizleistung liegt dann bei ca. 147 kW. Nach der Dampfgehaltskurve ist festzustellen, dass bis zu einem abgezweigten Massenstromanteil von 46 % das Kältemittel im Unterkühler-Economizer vollständig verdampft. Die vollständige Verdampfung des Kältemittels im Unterkühler-Economizer ist ein wichtiges Kriterium zum Erzielen einer hohen Leistungszahl und zum Schutz des Verdichters gegen Flüssigkeitsschläge.

Dann werden die theoretisch maximal erreichbaren Leistungszahlen und die entsprechende Heizleistungen unter anderen Zwischendrücken mittels dem gleichen Verfahren bestimmt. Mit „Ebsilon“ wurden die Simulation für Zwischendrücke von 7 bar bis 12,5 bar mit der Schrittweite 0,5 bar durchgeführt. Dementsprechend muss der Kondensationsdruck von 27,4 bar auf 29,6 bar steigen. Die Ergebnisse sind in Bild 6 zusammengefasst.

Aus Bild 6 lässt sich entnehmen, dass in diesem Auslegungsfall die maximale Leistungszahl bei verschiedenen Zwischendrücken relativ konstant bleibt. Die Abweichung ist unter 4 %. Im Vergleich dazu sinkt die entsprechende Heizleistung beim steigenden Zwischendruck. Die Abweichungen bei der Heizleistung liegt bei etwa 10 %. Daraus kann man schließen, dass bei der zweistufigen Verdichtung mit Unterkühler-Economizer der Zwischendruck einen vergleichsweise geringen Einfluss auf die Leistungszahl hat.

Trotzdem kann der optimale Zwischendruck für das Modell entsprechend verschiedenen Bewertungskriterien ermittelt werden. Z.B. wenn hier die Leis- tungszahl als Kriterium festgelegt wird, ist in diesem Fall der optimale Arbeitspunkt für zweistufige Verdichtung mit Unterkühler-Economizer bei 8 bar. Der Kältemittel-Massenstromanteil im Economizer liegt bei 37 % des Hauptkältemittel-Massenstroms. Die maximale Leistungszahl erreicht 3,03 und die Heizleistung beträgt ca. 147 kW.

Open-Flash-Economizer (Variante 3)

Der Open-Flash-Economizer unterscheidet sich deutlich von einem Unterkühler-Economizer. Das Kältemittel aus dem Verflüssiger befindet sich nach einem Expansionsventil im zweiphasigen Bereich und strömt in den Open-Flash-Economizer (Bild 7). In dem Economizer trennen sich der Dampfstrom und der Flüssigkeitsstrom voneinander. Der Verdichter saugt den Dampfstrom an und verdichtet diesen auf Verflüssigungsdruck. Der Flüssigkeitsstrom wird in einem zweiten Expansionsventil weiter auf den Verdampfungsdruck gedrosselt. Im „Ebsilon“-Programmsystem gibt es kein direktes Bauteil für einen Open-Flash-Behälter. Aber ein nach dem gleichen Funktionsprinzip arbeitendes Bauteil „Entspanner“ wird hier eingesetzt.

Im Open-Flash-Economizer werden das Flash-Gas und das flüssige Kältemittel unter einem vorgegebenen Zwischendruck automatisch voneinander getrennt, deshalb ist die Einspritzmenge in dem Verdampfer unter einem Zwischendruck entsprechend festgelegt, und zusätzliche Einstellungen sind in der Simulation nicht erforderlich. Ähnlich wie beim Unterkühler-Economizer erfolgte eine automatische Simulation dieser Schaltung für verschiedene Zwischendrücke mit EbsScript.

Die Simulationsergebnisse sind in der Tabelle 2 und im Bild 8 zusammengefasst. Aus der Tabelle 2 geht hervor, dass die Leistungszahl beim Zwischendruck bis zu 12 bar stetig steigt. Beim Zwischendruck über 12 bar beginnt die Leistungszahl zu sinken. Im Vergleich dazu erhöht sich die Heizleistung bei einem steigenden Zwischendruck kontinuierlich. Aus Bild 8 lässt sich entnehmen, dass die Leistungszahl sowie Heizleistung für verschiedene Zwischendrücke ebenfalls relativ konstant bleiben. Die Abweichungen liegen unter 6 %. Bei einem Zwischendruck von 12 bar erreicht die Leistungszahl den maximalen Wert von 3,131. Die Heizleistung dazu beträgt ca. 133 kW.

Im Vergleich zum Unterkühler-Economizer verfügt der Open-Flash-Economizer über den Vorteil, dass Flash-Gas und flüssiges Kältemittel sich immer im Sättigungszustand auf der Tau- bzw. Siedelinie befinden. Selbst bei veränderten Betriebsbedingungen wird dieser Sättigungszustand automatisch erreicht. Deshalb ist es kein zusätzliches Regelorgan für Open-Flash-Economizer erforderlich.

Vergleich der Varianten 2 und 3

Die Simulationsergebnisse für beide Economizer werden mit Bild 9 zum Vergleich zusammengefasst. Mit Open-Flash-Economizer kann man höhere Leistungszahlen als mit Unterkühler-Economizer erreichen. Ein Grund dafür sind die Übertragungs- und Druckverluste im Wärmeübertrager. Die Heizleistung für die Variante 3 mit Open-Flash-Economizer ist etwas niedriger als für die Variante 2 mit dem Unterkühler-Economizer. In der Realität muss beim Unterkühler-Economizer noch berücksichtigt werden, dass das verdampfende Kältemittel am Wärmeübertrageraustritt überhitzt ausströmt, um einen Flüssigkeitseintrag in den Verdichter zu vermeiden. Diese Überhitzung führt zur weiteren Verringerung der möglichen Effizienzgewinne, insbesondere bei abweichenden Betriebsbedingungen. Im Gegensatz dazu arbeitet der Open-Flash-Economizer bei allen Betriebsbedingungen thermodynamisch ideal und ist damit stets effizienter als ein Unterkühler-Economizer. Allerdings sind die Auswirkungen der beiden Economizern vernachlässigbar klein.

Der mittels „Ebsilon“ ermittelte optimale Zwischendruck ist nicht mit den aus der Gleichung 1 berechnetem Wert identisch. Offensichtlich haben abweichende Randbedingungen (z.B. Kältemittel, Verdichter) einen wesentlichen Einfluss. Weitere Untersuchungen bzw. eine Verbesserung der Modelle sind hier geplant.

Kältemittelkreislauf-Kaskade (Variante 4)

Einen großen Temperaturhub zwischen der Wärmequellen- und der Wärmesenkenseite kann man auch durch Kaskadenschaltungen erreichen. In dem vorliegenden Anwendungsfall werden lediglich zwei Druckstufen betrachtet (Bild 10). Im Gegensatz zur zweistufigen Verdichtung (Variante 2 und 3) kommt hier ein Kaskaden-Wärmeübertrager zum Einsatz. Dieser ermöglicht die Kopplung von zwei Kältemittelkreisläufen. Bei hohen Temperaturdifferenzen bzw. Leistungen sind der ND-Verdampfer und der Kaskaden-Wärmeübertrager in Betrieb. Der (untere) Kreislauf mit dem HD-Verdampfer ist dann nicht in Betrieb (im Bild grau dargestellt). Bei moderaten Temperaturdifferenzen bzw. Leistungen wird HD-Verdampfer mit der HD-Stufe eingekoppelt. Die ND-Stufe mit dem Kaskaden-Wärmeübertrager geht dann außer Betrieb. Somit kann diese Schaltung auch als eine einstufige Wärmepumpe eingesetzt werden.

Der Kaskaden-Wärmeübertrager dient gleichzeitig als Verdampfer für die HD-Stufe und als Verflüssiger für die ND-Stufe. Ein wichtiger Faktor für die energetische Effizienz der Kaskadenanlage ist hier der Temperaturabstand ΔT_WÜ zwischen der Verdampfungstemperatur der HD-Stufe und der Kondensationstemperatur der ND-Stufe. Ein zu kleiner Temperaturabstand führt zur keinen ausreichenden Unterkühlung des Kältemittels und damit zur Vorverdampfung in den Rohrleitungen. Dadurch stellt sich ein unbefriedigendes Regelverhalten ein und die Verschleißerscheinungen bei den Expansionsventilen erhöhen sich [11]. Bei einem größeren Temperaturabstand verschlechtert sich allerdings die Leistungszahl erheblich [11]. Der Temperaturabstand im Wärmepumpenmodell beträgt 4 K.

Reihenschaltung (Variante 5 und 6)

Eine weitere Möglichkeit ist die Reihenschaltung von zwei einstufigen Wärmepumpen. Hier werden zwei voneinander getrennte Kältemittelkreisläufe auf unterschiedlichen Temperaturniveaus realisiert. Bei dieser Schaltungsvariante kann man zwei verschiedene Kältemittel nach den Temperaturniveaus auswählen. Hinsichtlich der Einordnung zum Speicher gibt es zwei mögliche Reihenschaltungen. 

Reihenschaltung a) mit gemeinsamen Anschlüssen zum Speicher (Variante 5)

In der Variante 5 werden die zwei Kältemittel-Kreisläufe durch gemeinsame Anschlüsse mit dem Speicher eingekoppelt (Bild 11). Auf der Wärmesenke-Seite strömt das Wasser aus dem Speicher durch zwei in Reihe geschalteten Verflüssiger. Auf der Wärmequellen-Seite wird dann das Wasser analog durch zwei Verdampfer geführt und abgekühlt.

Mit der Variante 5 kann man eine größere Temperaturspreizung auf der Verbraucherseite (Anschluss des Wärmenetzes, Bild 1) erreichen. Allerdings muss bei dieser Reihenschaltung die Eintrittstemperatur des Speicherwassers auf der Wärmequellenseite (NT-Speicher) über der Verdampfungstemperatur in der HD-Stufe liegen. Weiterhin muss man beachten, dass bei einer zu niedrigen Temperatur auf der Wärmequellenseite (NT-Speicher) ein Betrieb der HD-Stufe nicht möglich ist. Somit reduziert sich die zur Verfügung stehende Speicherkapazität auf der Wärmequellenseite.

Reihenschaltung b) mit getrennten Anschlüssen zum Speicher (Variante 6)

Bei der Variante 6 tritt dieses Problem nicht auf. Wie in Bild 12 dargestellt, verfügen die zwei Wärmepumpen-Kreisläufe über jeweils zwei Anschlüsse (Wärmesenke und Wärmequelle) zum Speicher. Damit sind die Wärmepumpensysteme voneinander getrennt und können unabhängig voneinander betrieben werden. Bei dieser Variante muss man aber berücksichtigen, dass durch mehrere Zugänge zum Speicher der technische Aufwand und der Betrieb mit thermischer Schichtung anspruchsvoller werden.

Bewertung

Dieser Abschnitt liefert die Ergebnisse der stationären Simulation mit „Ebsilon“ und eine Diskussion.

Zur energetischen Bewertung der oben genannten Wärmepumpenschaltungen wird primär die Leistungszahl verwendet. Randbedingungen der Modellierung und Simulation kann man Tabelle 1 und Tabelle 3 entnehmen. Als Grundlage für die Druckverhältnisse der Kaskaden- sowie der Reihenschaltung dient der optimale Zwischendruck einer zweistufigen Verdichtung mit Open-Flash-Economizer. Für spätere Untersuchungen der Reihenschaltung können die Druckverhältnisse entsprechend der Systemanforderungen variieren. Der Kältemittel-Massenstrom der ND-Stufe von Variante 6 wird so geregelt, dass die Wärmeabgabe der ND-Stufe die Wärmeentnahme der HD-Stufe abdeckt. Die Simulationsergebnisse sind in Tabelle 4 und Bild 13 zusammengefasst.

Weil es in den Varianten 5 und 6 zwei Kreisläufe gibt, werden die Leistungszahlen der ND-Stufe und HD-Stufe getrennt betrachtet. Die System-Leistungszahlen ε_WP,ges der beiden Varianten sind in der Tabelle 4 sowie Bild 13 dargestellt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Variante 6 über die höchste Leistungszahl verfügt. Der wesentliche Grund liegt darin, dass die Druckverhältnisse der beiden einstufigen Wärmepumpen bei dieser Variante deutlich günstiger als die Druckverhältnisse der anderen Varianten sind.

Die Vor- und Nachteile jeder Schaltung für das Projekt (Bild 1)
fasst Tabelle 5 zusammen. Die einfachste Schaltungsvariante ist die einstufige Verdichtung (Variante 1). Dieser Schaltungsaufbau führt jedoch zu einer schlechten Leistungszahl und hohen Betriebskosten. Im Vergleich zur einstufigen Verdichtung sind die zweistufige Wärmepumpen mit Economizer (Varianten 2 und 3), Kaskadenschaltung (Variante 4) und Reihenschaltungen (Varianten 5 und 6) energetisch effizienter. Gleichzeitig wird aber der Aufbau aufwendiger und das Regelungssystem komplizierter. Die Varianten 2 und 3 werden wegen des zusätzlichen Economizers in Klasse „mittel“ eingeordnet. Die Klasse „komplex“ bezeichnet die Varianten 4 bis 6, welche über zwei Kältemittelkreisläufe verfügen. Die Bewertung der Leistungszahl (ε_WP) erfolgt nach drei Stufen: niedrig (ε_WP < 3), mittel (3 < ε_WP < 4) sowie hoch (ε_WP > 4). Ein großer Vorteil der Kaskadenschaltung (Variante 4) und der Reihenschaltungen (Varianten 5 und 6) ist die Möglichkeit, zwei unterschiedliche Kältemittel mit günstigen thermophysikalischen Eigenschaften in verschiedenen Temperaturbereichen einzusetzen. Durch unterschiedliche ND‑/HD-Kältemittel-Paare können noch höhere Leistungszahlen erreicht werden. Das führt wiederum zu den höheren Kosten für das Wärmepumpensystem und zu einem komplizierten Regelungssystem. Je nach Einsatzbedingungen sind unterschiedliche Wärmepumpenschaltungen auszuwählen. Für das zugrundeliegende Projekt bieten nach dieser Untersuchung die Variante 3 (zweistufige Verdichtung mit Open-Flash-Economizer) und Variante 6 (Reihenschaltung mit getrennten Anschlüssen zum Speicher) die meisten Vorteile. Beide Varianten ermöglichen die Ausnutzung von niedrigen Quelleintrittstemperaturen. Dabei verfügt die Variante 6 über die beste Effizienz von allen vorgestellten Varianten. 

Zusammenfassung

In dem hier vorliegenden Beitrag wurde eine systematische Untersuchung zu den möglichen Wärmepumpenschaltungen mittels Software „Ebsilon“ für das ZED-Projekt durchgeführt. Es erfolgte die Modellierung einer einstufigen Verdichtung (Variante 1), einer zweistufigen Verdichtung mit Unterkühler-Economizer (Variante 2), einer zweistufigen Verdichtung mit Open-Flash-Economizer (Variante 3), einer Kaskadenwärmepumpe (Variante 4), einer Reihenschaltung von zwei einstufigen Wärmepumpen mit gemeinsamen Anschlüssen zum Speicher (Variante 5) und einer Reihenschaltung von zwei Wärmepumpen mit den getrennten Anschlüssen zum Speicher (Variante 6). Die Vor- und Nachteile jeder Schaltung sowie die unter gleichen Bedingungen erreichten Leistungszahlen und Heizleistungen wurden gegenübergestellt. Die Varianten 3 und 6 sind als optimale Wärmepumpenschaltungen für das zugrundeliegende Projekt weiter zu betrachten. Durch den Einsatz von unterschiedlichen ND‑/HD-Kältemittel-Paaren ist bei Variante 6 eine weitere Erhöhung der Leistungszahl möglich. Die Variante 3 zeigt eine bessere Leistungszahl als die Varianten 1, 2 und 4. Im Vergleich zur Variante 6 bietet die Variante 3 Optionen zur kompakteren sowie kostengünstigeren Ausführung des Wärmepumpensystems. 

Literaturverzeichnis

[1] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB), Referat KI I 1, Aktionsprogramm Klimaschutz 2020, Kabinettbeschluss vom 3. Dezember 2014, Berlin, 2014. [2] Umweltbundesamt (UBA), Fachgebiet I 2,5, BMWi: Energieeffizienz
in Zahlen. München, 2017. [3] Projektträger Jülich: PtJ: Solares Bauen/Energieeffiziente Stadt. 2019, URL: https://www.ptj.de/solares-bauen-energieeffiziente-stadt [abgerufen am: 22.05.2019]. [4] Leonhardt, S.; Höhne, E.; Neumann, T.; Teich, T.; Bodach, M.; Hoffmann, M.; Kretz, D.; Hempel, T.; Schwind, M.; Franke, S.; Urbaneck, T.; Gill, B.; Schneider, M.: Demonstration einer energieeffizienten und sozialgerechten Quartiersentwicklung auf Basis elektrisch-thermischer Verbundsysteme in Zwickau Marienthal – Projekt ZED: Zwickauer Energiewende demonstrieren. In: Pöschk, J. (Hrsg.): Energieeffizienz in Gebäuden – Jahrbuch 2018. Berlin: VME – Verlag und Medienservice Energie, 2018, S. 147-154. – ISBN 978-3-936062-14-4. [5] Urbaneck, T.: Interne Information. Chemnitz: Technische Universität Chemnitz, 2017. [6] Nefodov, D.; Xiao, S.; Urbaneck, T.: Demonstration of German Energy Transition in Zwickau (ZED) – Presentation of Concept. International Renewable Energy Storage Conference, Düsseldorf, 2019. [7] STEAG Energy Services GmbH: EBSILON Professional 13. 2017. [8] Heinrich, G.; Najork, H.; Nestler, W.: Wärmepumpen für Industrie, Landwirtschaft und Gesellschaftsbau. Berlin: VEB Verlag Technik, 1978. [9] Reisner, K.; Reisner, T.: Fachwissen Kältetechnik. 6. Auflage Berlin: VDE Verlag GmbH, 2016. [10] Seidel, R.; Noack, H.: Der Kältemonteur – Handbuch für die Praxis.
12. Aufl. Berlin: VDE Verlag GmbH, 2011. [11] Gernemann, A.: Konzeption, Aufbau und energetische Bewertung einer zweistufigen CO₂-Kälteanlage zur Kältebereitstellung in gewerblichen Normal- und Tiefkühlanlagen (Supermarkt). Universität Duisburg-Essen, Diss., 2003.