Innovative, energieeffiziente Lösung zur Kälte-Wärme ...¤lte_Wärme_Kopplung+mit... ·...
Transcript of Innovative, energieeffiziente Lösung zur Kälte-Wärme ...¤lte_Wärme_Kopplung+mit... ·...
Innovative, energieeffiziente Lösung zur Kälte-Wärme-Kopplung und
Kraft-Wärme-Kopplungmittels einer Gasmotor-Wärmepumpe
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmidt Dipl.-Ing. Franz Scheffel
Förderung durch: BMWi / EuroNorm GmbH, Berlin
Am Schmöckeberg 1, 06484 Quedlinburg, Tel.: 03946/902600
Lehrstuhl Technische Thermodynamik
Quedlinburg, den 10.08.2010
2
Steigendes Interesse an Wärmepumpen
Gasmotorwärmepumpe
Außeneinheit
- Verdopplung der Nachfrage 2006 für
Heizungswärmepumpen im Vergleich
zu 20051)
- Nutzung: Erdreich, Wasser, Luft
- Heizung/Warmwasserbereitung
+ Klimatisierung
20083): 77.000
20093): 66.000
1) VDI-Nachrichten 07.11.082) Brauchwassererwärmung3) Heizungs- und Brauchwasser-
WP (VDI-Nachrichten 28/29 vom 16.07.2010)
Senkung Primärenergieeinsatz / CO2-Emissionen
2006: 44.980 + 70002)
2007: 45.300 + 70002)
Vorteile der Gasmotorwärmepumpe (GWP) im Vergleich von Heizsystemen
Nutzenergie
Elektroheizung 36,0KW
Heizkraftwerk 85,0KWK Kraft-Wärme-Kopplung
Gasbrennwertheizung 00,1K
Stromwärmepumpe KW
WP
0,364,0
Gaswärmepumpe Motor
WP Mot Gas
0,30
4,0, Q 0,6 H
100 % 100 %
85 %
36 %
144 %
180 %
Umgebung
Primärenergie
MotQ
3
4
Innovative, energieeffiziente Technologien
Windenergie Solarenergie
Wärmepumpen Photovoltaik
Senkung
- der CO2-Emissionen
- des Primärenergie-
einsatzes
Wärmetechnik Quedlinburg
Standardeinsatzfall
5
Anwendung der Splittechnik
bivalenter Betrieb
Heizen
oder
Kühlen
Nutzen
Innovative Lösung
Höchste Energieeffizienz durch Kombination von
- Kälte-Wärme-Kopplung
- Kraft-Wärme-Kopplung
modulares System Zielstellung:
KühlHeiz Q+Q
KühlQ
HeizQ
Kühllast QK
TK < TUmg
Kältemittelflüssig
Expansions-Ventil
Kältemittelgasförmig
Verdichter
Verdampfer
Verflüssiger
KondQ
VerdQ 1
23
4
Kältemittelflüssig
Expansions-Ventil
Kältemittelgasförmig
Verdichter
Verdampfer
Verflüssiger
KondQ
VerdQ 1
23
4
Kältemittelflüssig
Expansions-Ventil
Kältemittelgasförmig
Verdichter
Verdampfer
Verflüssiger
KondQ
VerdQ 1
23
4
Kälte-
maschine
W
Qab,Umg
TUmgUmgebung
Erde / Wasser / Luft TUmg
10
Heizlast QH
TH > TUmg
Kältemittelflüssig
Expansions-Ventil
Kältemittelgasförmig
Verdichter
Verdampfer
Verflüssiger
KondQ
VerdQ 1
23
4
Kältemittelflüssig
Expansions-Ventil
Kältemittelgasförmig
Verdichter
Verdampfer
Verflüssiger
KondQ
VerdQ 1
23
4
Kältemittelflüssig
Expansions-Ventil
Kältemittelgasförmig
Verdichter
Verdampfer
Verflüssiger
KondQ
VerdQ 1
23
4
Wärme-
pumpe
W
Qzu,Umg
Heizlast QH Kühllast QK
Kältemittelflüssig
Expansions-Ventil
Kältemittelgasförmig
Verdichter
Verdampfer
Verflüssiger
KondQ
VerdQ 1
23
4
Kältemittelflüssig
Expansions-Ventil
Kältemittelgasförmig
Verdichter
Verdampfer
Verflüssiger
KondQ
VerdQ 1
23
4
Kältemittelflüssig
Expansions-Ventil
Kältemittelgasförmig
Verdichter
Verdampfer
Verflüssiger
KondQ
VerdQ 1
23
4
Kälte-Wärme-
kopplung
W
TH TK
Anwendungsfall
• Hallenheizung
• Warmwasserspeicher
• Laserkühlung
• Kühlwassernetz
Einsatz einer Gasmotorwärmepumpe (GWP)13
Kraft-Wärme-Kopplung
Systemvergleich WP KW Motor4,5; 0,36; 0,30
Elektro Wärmepumpe
*Nutz
u
Kond
hΔMQ
Primär-energie
Gas Wärmepumpe
u
MotorKond
hMQQ
Kälte-Wärme Kopplung (GWP)
u
VerdMotorKond
hMQQQ
0
50
100
150
200
250
300
Nut
zwär
me
/ Prim
ären
ergi
e [%
]
36 36 30
90
30
90
300
162
195
135
195
135
19
20
Pilotanlage in der Versuchshalle 15.2 der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Aufgabenstellung:
- Effiziente Kühlung der Lasersysteme(Standardlösung: elektrisch betriebenerChiller)
- Versorgung des Laborkühlwassernetzes(14/18 °C)
Lösung:
Einsatz einer Gasmotorwärmepumpe unter Nutzung
- Kälte-Wärme-Kopplung- Kraft-Wärme-Kopplung Nutzung der Prozessabwärme
HallenheizungBrauchwarmwasser
Verfahrens- und Modulentwicklung durch die Wärmetechnik Quedlinburg (WTQ)
Förderung: BMWi Projektträger: EuroNorm GmbH, Berlin
21
Prinzipschema der Anlage (kältegeführt)
22
Gasmotor-Wärmepumpe als Außeneinheit
Typ:
AISIN AXGP 224D1
Technische Daten:
Kälteleistung 22 kW
Heizleistung 28 kW
Kältemittel:
R410A
Wartung:
Inspektion nach 10.000 Betriebsstunden
(Ölwechsel nach 30.000 h)
23
Installation der Innenmodule - Gesamtansicht
Kaltwasserspeicher
Warmwasserspeicher
Heißwasserspeicher
Kühl-/ Heizkonvektoren
24
Installation der Innenmodule - Komponenten
25
Anlage mit Messwerterfassung
Messwerterfassung
- Field-Point-System (NI)
- 56 Messkanäle
- Messwertverarbeitung: Diadem
- AISIN-Kontrollprogramm
26
Kaltwassermodul, Warmwasserversorgung und Heizkonvektoren
Kaltwassermodul
Brauchwarmwasserbereitung
Kühl-/ Heizkonvektoren
27
Innovative Merkmale der Anlage
- Modularer Aufbau mit hohem Vorfertigungsgrad
• Kaltwassermodul• Warmwassermodul mit Kondensationsdruckregelung und Sammler• Heißwassermodul mit Hochdruckenthitzung des Kältemittel in Verbindung
ssimit der Motorwärmenutzung
- temperaturgestufte Zweispeicherlösung für Heizung und Brauchwarmwasser
- regenerativer Sauggaswärmeübertrager
- Minimierung des Verbrauchs an Elektroenergie
(drehzahlgeregelte Pumpen und Lüfter)
- Steuerung und Regelung auf Basis PRIVA mit Fernauslesemöglichkeit
28
Versuchsbetrieb und Ergebnisse
- Testung von Schaltungsvarianten
- Analyse des Einflusses derBetriebsparameter
- Bewertung der Komponenten sowieder Druckverluste
Festlegung der Betriebsparameter
Optimierung der Fahrweise
Anlagenspezifische Regelung fürDauerbetrieb
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
30
-Berechnungsgrundlage:-Kälteleistung ( =1,2): 20kW-jährliche Betriebsstunden (Volllast): 2000h-verfügbare Heizleistung einschließlich Motorwärme: 33kW-nutzbare Heizleistung (saisonaler Heizbetrieb): ≥ 50%-Energiepreise: 0,20€ / kWh (Elektro), 0,06€ / kWh (Gas)
-Systemvergleich:
*KMε
Chiller / Brennwertkessel Modulares GWP-SystemKälte / nutzbare Wärme
EnergieträgereinsatzKosten Kälte / Wärme
40.000kWh / 35.000kWh10.000kWh(E) / 35.000kWh(G)
2.000€ / 2.100€
40.000kWh / 35.000kWh33.000kWh (G)
1.980€Gesamtkosten 4.100€ 1.980€
Primärenergieverbrauch 68.500kWh 36.300kWhCO2-Emissionen 20.550 kg 10.890 kg
Hohe Kosteneinsparungen bei energieintensiveren Anwendungen
Zusammenfassung
- Modulsystem ermöglicht energieeffizienten Einsatz von GWP in unter-schiedlichen Heiz- und Klimatisierungsanwendungen
- Vorteil der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung ist nutzbar
- Verfahren ist flexibel an unterschiedliche Heiz- und Kühlkonzepteanpassbar (Motorwärme im Kühlbetrieb)
- Höchste primärenergiebezogene Gesamtnutzungsgrade von 250 bis 300 % bei Anwendungen mit Kälte-Wärme-Kopplung und Motor-
dwärmenutzung erzielbar
Hohes Einsparpotential
31
Primärenergie
CO2-Emission- Nutzung der Anlage als Referenzlösung