Kooperationsprojekt Entwicklung einer solaren Wärmepumpe unter

Diplom Energieingenieur
Markus Homburg
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Kooperationsprojekt
Entwicklung einer solaren Wärmepumpe unter Verzicht von
Erdkollektoren zur deutlichen Steigerung der Arbeitszahl
abstract
Projektbeginn:
Fertigstellung:
Anwendung eines
ähnlichen Systems seid:
Berichtstand:
Berichtform:
30.04.2004
25.05.2006
Okt. 2009
Januar 2011
Kurzübersicht ohne technische Details und patentrelevante
Angaben
Inhalt
Abbildungsverzeichnis ..................................................................................... 1
Idee/ Partner ....................................................................................................... 2
Solaranlagen ...................................................................................................... 2
Wärmepumpen .................................................................................................. 2
Speicher ............................................................................................................. 4
Systemaufbau .................................................................................................... 6
Anwendung ........................................................................................................ 8
Resümee ............................................................................................................ 8
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Komponenten einer Wärmepumpe ....................................................................... 3
Abbildung 2 idealer Kreisprozess einer Wärmepumpe ............................................................ 3
Abbildung 3 Vergleich von sensibler und latenter Wärmemenge von Wasser ....................... 5
Abbildung 4 Temperaturverlauf bei Kombination von latenter und sensibler Wärme ........... 6
Abbildung 5 realisierte solare Wärmemengen im Gesamtsystem........................................... 7
Abbildung 6 Schaltbild der Gesamtanlage mit Eisspeicher und Kombispeicher sowie
Sommer- Winter Umschaltventil [3], Heizkreisstation für Heizkreis 1 [7] und
Heizkreis 2 [8].......................................................................................................... 8
1
Idee/ Partner
Im Jahre 2004 begann die Kooperation mit unserem Partnerbetrieb AK Consulting aus Milow.
Zunächst gefördert durch die
konnte ein zukunftsweisender know- how Transfer
zwischen den bis heute kooperierenden Partnerbetrieben realisiert werden. Die Partner haben ihre
jeweiligen Schwerpunkte in die Kooperation eingebracht, um eine neue Technologie einzuführen und
zur Marktreife zu bringen.
AK Consulting ist u.a. spezialisiert auf die Planung und Auslegung von Wärmepumpenanlagen sowie
der Gebäudeenergieoptimierung. Die Solarwerkstatt legt im Bereich thermischer Solaranlagen ihren
Schwerpunkt auf Speicher- und Regelungstechnologien.
Grundlage der Arbeit beider Betriebe ist es, geeignete Gesamtsysteme für die jeweilige
Aufgabenstellungen zu entwickeln. Dieses Ziel liegt auch dem vorliegenden Projekt zugrunde. Dabei
soll eine sinnvolle Kombination von Wärmepumpen und Solaranlagen realisiert werden. In dieser
Kombination sollen die Systemkosten sowie die Betriebskosten optimiert sein, darüber hinaus soll der
Primärenergieverbrauch und die Emissionen auf ein Minimum beschränkt sein.
Solaranlagen
Thermische Solaranlagen setzen Sonnenenergie in nutzbare Wärme um. In den meisten
Anwendungen
werden
sie
zur
Warmwassererzeugung
oder
zum
Betrieb
von
Niedertemperaturheizungen genutzt.
Bestandteile sind im Wesentlichen die Kollektoren und ein Speicher. In Heizungssystemen werden
Solaranlagen nahezu ausschließlich in Kombination mit anderen Energieträgern verwandt, da sie nur
direktes Sonnenlicht nutzbar machen können, welches nicht permanent zur Verfügung steht. In dieser
Kombination erhält der Speicher als Binde- und Kombinationsglied eine wesentliche Rolle. Die
Qualität und Ausführung des Speichers entscheidet wesentlich über die Leistungsfähigkeit der
jeweiligen Anlagenteile und deren Kombinierbarkeit.
Wärmepumpen
Wärmepumpen
entziehen
Temperaturniveau.
Durch
einem
Umgebungsmedium
Kompression
wird
das
Wärme
auf
einem
Wärmeträgermedium
relativ
auf
ein
niedrigen
höheres
Temperaturniveau gebracht und kann zur Raumheizung genutzt werden.
Der Aufwand einer Wärmepumpe, die mechanische Arbeit, die die Kompression realisiert, ist dabei
geringer als die Nutzwärme. Dieser Sachverhalt erweckt den Eindruck, Wärmepumpen haben einen
Wirkungsgrad größer 1. Da aber auch die der Umgebung entzogene Wärme thermodynamisch als
Aufwand zu werten ist, steigt der Aufwand wiederum über den Ertrag; der erste Hauptsatz der
Thermodynamik ist somit erfüllt.
2
Abbildung 1 Komponenten einer Wärmepumpe
Da die der Umgebung entzogene Wärme allerdings nur theoretisch als Aufwand gilt, wird die Qualität
einer Wärmepumpe durch die Arbeitszahl definiert. Diese entspricht dem Verhältnis der eingesetzten
mechanischen oder elektrischen Arbeit in kWh zur Nutzwärme in kWh. Dieser Wert ist üblicherweise
größer als 1. Er liegt im Laufe des Jahres zwischen 2 und 4,5.
Der Kreisprozess einer idealen Wärmepumpe verläuft wie folgt:
Von der Umwelt aufgenommene Energie: Fläche a
Antriebsenergie Kompressor: Fläche b
Gesamte abgegebene Energie: Fläche a + b
S = Entropie = Energieinhalt
4 - 1: verdampfen
2 - 3: kondensieren
1 - 2: verdichten (Temperaturhub)
3 - 4: expandieren
Abbildung 2 Idealer Kreisprozess einer Wärmepumpe
Die Arbeitszahl der Wärmepumpe steigt mit der Umgebungstemperatur. Sie sinkt bei steigender
Heiztemperatur, da die Antriebsenergie dafür steigen müsste. Aus diesem Gründen werden für die
Verwendung von Wärmepumpen zwei Voraussetzungen angestrebt:
ƒ
möglichst eine gleichmäßige Wärmequelle auf möglichst hohem Temperaturniveau
3
ƒ
ein
Heizsystem
mit
möglichst
niedrigen
Vorlauftemperaturen,
Wandheizungen,
Fußbodenheizungen etc.
Die Nachteile von Wärmepumpen bestehen darin, dass die Warmwasserbereitung mit vielen
Wärmepumpen nicht zufriedenstellend möglich, daher werden häufig Elektroheizstäbe zur
Nachheizung des Wassers eingesetzt. Des Weiteren sinkt die Arbeitszahl der Wärmepumpe bei
steigendem Wärmebedarf, da dann auch das Wärmeangebot sinkt. Darüber hinaus ist der
vermeintlich gute Wirkungsgrad nur bedingt zufriedenstellend, wenn die eingesetzte Elektroenergie
berücksichtigt wird. Legt man eine Arbeitzahl von 3 und den Wirkungsgrad des bestehenden
deutschen Kraftwerksparks i.H.v. 33% zugrunde, wird eine Arbeitszahl von 1 erreicht. Daraus folgt,
dass eine Wärmepumpe ebensoviel fossile Energie um- und CO2 freisetzt, wie eine Feststoffheizung
auf Basis fossiler Energieträger. Für eine sinnvolle Nutzung sind daher Kombinationen mit anderen
Energiesystemen zu empfehlen.
Speicher
Wie bereits beschrieben stellt ein Speicher einen wesentlichen Teil einer Solaranlage dar. Darüber
hinaus wird der Nutzungsgrad und die Lebensdauer fast jedes Heizsystems erhöht, das mit einem
Speicher ergänzt wird. Bei der Kombination unterschiedlicher Heizsysteme stellt der Speicher die
Schnittstelle zwischen den Komponenten dar.
Das Speichermedium ist häufig Wasser, da Wasser kostenneutral und ungiftig ist und über die
höchste Wärmekapazität aller in Frage kommenden Stoffe verfügt. Nur bei der Notwendigkeit, auf
einem Temperaturniveau über 100°C Wärme zu speichern, können sinnvoller Weise andere
Speichermedien in Betracht gezogen werden.
Die Bauformen der Speicher sind höchst unterschiedlich und abhängig von der Anwendung. Es sollte
in nahezu allen Anwendungen darauf geachtet werden, sinnvolle Konzepte für die Schichtenbeladung1
einzusetzen, um eine effektive Be- und Endladung des Speichers zu gewährleisten.
Neben der Speichertechnologie genießt die Auslegung des Speichers höchste Priorität. In
Abhängigkeit von der Nutzung ergeben sich unterschiedliche Temperaturbereiche, in denen der
Speicher genutzt wird. Bei der Anwendung für moderne Heizungssysteme liegt dieser bei einem
Wasserspeicher zwischen 35 und 90°C, sie weist also eine Temperaturdifferenz von ca. 55 Kelvin auf.
Daraus ergibt sich beispielsweise für einen 1000 Liter- Speicher eine Speicherkapazität i.H.v
QH 2O − Speicher = cpH 2O × mH 2O × ΔT = 1,163 × 10 −3 kWh
Latentwärmespeicher/ Eisspeicher
1
Verlinkung auf SOLUS.pdf
4
kgK
× 1000kg × 55K = 63,97 kWh
Latentwärmespeicher unterscheiden sich grundsätzlich dadurch von den oben beschriebenen
Wasserwärmespeichern, dass die Speicherkapazität nicht in der sensiblen Wärme, die durch den
Temperaturunterschied fühlbar wird, besteht. Vielmehr wird die latente Wärme genutzt, die bei der
Änderung des Aggregatszustandes auftritt. Theoretisch lässt sich diese Wärme sowohl beim
Schmelzen und Gefrieren als auch beim Verdampfen und Kondensieren nutzen. In der Praxis wird
überwiegend der Übergang zwischen Feststoff und Flüssigkeit genutzt, da dieser mit geringeren
Volumenänderungen einhergeht und bei gebräuchlichen Temperaturen stattfindet.
Die Vorteile von Latentspeichern bestehen zum einen in der gleich bleibenden Temperatur und zum
anderen in der hohen Kapazität, die die Latentwärme vieler Stoffe aufweist. Wasser, der Stoff mit der
höchsten
bekannten
cpH 2O = 4,186 kJ
kg × K
hSch ( H 2O ) = 344 kJ
kg
Wärmekapazität
bzw.
bzw.
1,163 × 10 −3 kWh
95,6 × 10 −3 kWh
kg
von
Flüssigkeiten
i.H.v.
weist z. B. eine Schmelzwärme i.H.v.
kg × K
auf. Bezogen auf das oben berechnete 1000
Liter- Volumen entspräche dieser Wert 95,6 kWh, somit deutlich mehr, als bei dem Wasserspeicher.
Q [Wh/kg]
120
100
80
60
40
20
Q Warmwasser
Q Eis
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
0
T [°C]
Abbildung 3 Vergleich von sensibler und latenter Wärmemenge von Wasser
Latentwärmespeicher arbeiten im Allgemeinen nicht ausschließlich mit Latentwärme, sondern
kombinieren sensible und latente Wärme, wie folgende Grafik zeigt:
5
8
°C
6
4
2
0
-2
-4
-6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Q
T-Wasser
T
T-unten
T-unten T-schmelz
T-schmelz T-oben
T-oben
Abbildung 4 Temperaturverlauf bei Kombination von latenter und sensibler Wärme
Die tatsächlich speicherbare Wärmemenge ergibt sich dementsprechend ebenso aus latenter und
sensibler Wärme, wie im Folgenden mathematisch dargestellt:
QLatentspeicher = m × [cp × (ΔT1 + ΔT2 ) + h]
Die heute gebräuchlichste Form des Latentspeichers ist der Parafinspeicher. Parafin ist
umweltverträglich, leicht handhabbar und jahrelang erprobt. Es weist eine Latentwärme von
hParffin = 50 Wh
kg
und eine Wärmekapazität in Höhe von cp Paraffin = 0,58Wh
kgK
auf. Der
Schmelzpunkt von Paraffin liegt im Bereich zwischen 48 und 52°C, er lässt sich durch Mischung mit
Wasser nach unten variieren, wodurch sich auch die Schmelzenthalpie und die Wärmekapazität
ändern.
Paraffinspeicher werden bereits in Kombination mit thermischen Solaranlagen eingesetzt. Sie können
als Puffer für die Trinkwassererwärmung aber auch für die Heizungsunterstützung verwandt werden.
Systemaufbau
Für die Anwendung in der Kombination einer Wärmepumpe mit einer thermischen Solaranlage wurde
als Kern des Systems ein Eisspeicher ausgewählt. Folgende Aspekte waren dafür ausschlaggebend:
ƒ
Im Gegensatz zur Schmelztemperatur von Parafin stehen für jene von Wasser
unterschiedliche Kältemittel für Wärmepumpen zur Verfügung.
ƒ
Die üblicher Weise bei der Anwendung einer Wärmepumpe notwenigen Erdkollektoren oder
Tiefensonden als Wärmequellen entfallen. Daher spielt die Grundstücksgröße bei der
Entscheidung keine Rolle, darüber hinaus fallen die Teils erheblichen Kosten für die
Kollektoren nicht an.
ƒ
Wichtiger und tatsächlich systementscheidend ist allerdings der Sachverhalt, dass durch die
geringe Speichertemperatur sowohl die Laufzeit als auch der Ertrag der Solaranlage deutlich
6
erhöht werden. Dieser Sachverhalt ist für die angestrebte hohe solare Deckungsrate
zwingende Voraussetzung.
Im üblichen Betrieb einer Solaranlage wird, abgesehen von regelungstechnischen Varianten, die
Speichertemperatur mit der Kollektortemperatur verglichen. Ist die Kollektortemperatur höher als die
Speichertemperatur, wird die Solarkreispumpe angesteuert, der Speicher wird beladen.
Da die Temperatur in einem herkömmlicher Solarspeicher für ein Heizungssystem selten unter 40°C
sinkt, können lediglich Kollektortemperaturen über 40°C genutzt werden. Bei der Verwendung eines
Eisspeichers reichen Kollektortemperaturen knapp über dem Gefrierpunkt für den Betrieb. Es ist
offensichtlich, dass dieser Vorteil insbesondere in den Übergangszeiten und im Winter enorme
Vorteile für die Solartechnologie realisiert.
Da eine Solaranlage für die ganzjährige Nutzung im Sommer nicht vollständig ausgenutzt werden
kann, ergibt sich bei der Begutachtung der nutzbaren Erträge der Anlage untypische Verläufe durch
die neue Systemtechnologie.
1500
1400
Solarwärme [kWh/Monat]
1300
1200
1100
1000
900
800
Dezember
November
Oktober
September
August
Juli
Juni
Mai
April
März
Februar
Januar
Abbildung 5 realisierte solare Wärmemengen im Gesamtsystem
Nach dem Abgleich der tatsächlich bereitstehenden und der benötigten Wärmemenge zeigt sich ein
effektiver Winterbetrieb gegenüber einem durchschnittlichen Sommerbetrieb. In dem hohen
winterlichen Nutzen der Beispielanlage liegt innovative Relevanz des Systems.
Um hohe solare Erträge mit möglichst geringen Laufzeiten der Wärmepumpe zu kombinieren und
Heizungs- und Trinkwasser auf gewünschten Temperaturniveaus bereitzustellen, wird das System
durch einen sehr hochwertigen Kombinationsspeicher für Heizungs- und Trinkwassererwärmung
ergänzt. Hoher Wert ist bei der Auswahl des Speichers auf die Schichtenladetechnologie und eine
sehr gute Dämmung zu legen.
Reichen die Temperaturen und die Wärmemenge der Solaranlage für die Anwendungen im Gebäude
aus, wird der Kombinationsspeicher direkt beladen. Ist der Kombinationsspeicher gefüllt, wird die
Beladung auf den Eisspeicher umgeschaltet, bis auch dieser seine Maximaltemperatur erreicht hat.
Erst wenn die solaren Erträge nicht mehr ausreichen, wird zusätzliche Wärme aus dem Eisspeicher
7
angefordert. Diese wird durch die Wärmepumpe auf das jeweils gewünschte Temperaturniveau
angehoben. Das Gesamtsystem ergibt sich aus der folgenden Darstellung:
Solarkollektor [1]
[5]
[7]
[8]
[6]
Kombispeicher [4]
Wärmepumpe
[2]
Eisspeicher [3]
Abbildung 6 Schaltbild der Gesamtanlage mit Eisspeicher und Kombispeicher sowie SommerWinter Umschaltventil [3], Heizkreisstation für Heizkreis 1 [7] und Heizkreis 2 [8]
Anwendung
Inzwischen können wir Ihnen ein ähnliches System wie unsere Entwicklung aufzeigt für die konkrete
Anwendung anbieten. Das Solaerasystem2 der CONSOLAR GmbH aus Frankfurt am Main ist seit
2009 auf dem Markt. Es basiert ebenfalls auf der Nutzung des Eisspeichers und eines
Schichtenladespeichers. Über diese Innovation hinaus hat CONSOLAR als Hersteller einen speziellen
Kollektor entwickelt, der nicht nur durch die Sonnenstrahlung erwärmt wird, sondern mittels
Luftaustausch
auch
der
Umgebungsluft
Wärme
entziehen
kann.
Die
angesprochenen
Laufzeitverlängerungen der Solarpumpe werden dadurch abermals optimiert.
Resümee
Die Entwicklung und Anwendung eines neuen Solarsystems zeigt uns als Planungs- und Installationsunternehmen, dass wir weiter aufgefordert sind, bisherige Leistungen zu optimieren und an neue
Gegebenheiten und Herausforderungen anzupassen. Unser Anspruch bleibt daher, weiterhin nicht auf
althergebrachte Lösungen zurückzugreifen, sondern das jeweilige Optimum für unsere Partner und
2
Verlinkung auf Solaera.pdf
8
Kunden zu erarbeiten und umzusetzen. Wir freuen uns auf neue Herausforderungen auf dem Weg in
die solare Zukunft.
Mit sonnigen Grüssen,
Team Solarwerkstatt, Dossow 2010
9