Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Seit einigen Jahren ist als Wärmeträger in Erdwärmesonden (EWS) CO2 in der Diskussion. CO2 ist umweltneutral und hat den Vorteil, dass es selbständig in der Erdwärmesonde zirkuliert. CO2-Erdwärmesonden können als Weiterentwicklung der klassischen, senkrecht im Erdboden verlegten Glykol-Erdwärmesonden betrachtet werden. Anstelle der Umwälzpumpe tritt die Thermosiphonwirkung (Gravitationswärmerohr), die zu einem selbsttätigen, pumpenlosen Umlauf des Wärmeträgers führt.Der Wegfall der Umwälzpumpe und der sehr effektive Wärmetransport innerhalb der Sonde lassen Verbesserungen der Leistungszahlen von Wärmepumpen gegenüber Glykol-Wasser-EWS im Bereich von 12 bis 15 % erwarten.Solche pumpenlosen Erdwärmesonden sind bereits realisiert worden. Es bestehen auch mehrere Publikationen zu dieser Form der Erdwärmesonde sowie zu den grundsätzlichen Fragen des Wärmetransports innerhalb der Erdwärmesonde. Aus energetischer Sicht ist die Anwendung dieses Konzepts sehr interessant. Für eine erfolgreiche Verbreitung in der Schweiz sind jedoch einige Frage zu klären.Der maximale übertragbare Wärmestrom innerhalb der Erdwärmesonde ist durch physikalische Effekte begrenzt und hängt in starkem Masse vom Durchmesser der Sonde ab. Für die in der Schweiz üblichen Sondenlängen von 100-150 m (60 % der installierten EWS, Quelle Fördergemeinschaft Wärmepumpe Schweiz FWS) und 200 bis 350 m (40 % der installierten Erdwärmesonden lt. FWS) genügen die heute bei CO2-Erdwärmesonden realisierten Sondenlängen von ca. 65?75 m nicht. Aus Gründender Dichtheit werden Kupferrohre verwendet, deren Durchmesser aus Einbaugründen auf etwa 14 mm beschränkt ist. Für Sondenlängen von 350 m ist bei den heute empfohlen spezifischen Wärmeentnahmen von 50 W pro Laufmeter ein Durchmesser von etwa 40mm erforderlich. Es stellt sich also die Frage nach einer Sondenkonstruktion die auch bei 40 mm Durchmesser noch flexibel genug für einen Einbau ab Haspel ist.Es wurden mehrere Wärmeträger untersucht. Bezüglich Wärmetransporteigenschaften schneidet Ammoniak am besten ab, gefolgt von CO2. CO2 als Wärmeträger ist umweltneutral. Jedoch sind seine Betriebsdrücke extrem hoch. Bei kleinsten Lecks strömt das CO2 aus und macht die Sonde unwirksam. Man benötigt also eine einfache und kostengünstige Reparaturmöglichkeit. Das Druckproblem lässt sich durch Verwendung von Ammoniak (NH3) anstelle von CO2 lösen. Der Betriebsdruck vonAmmoniak liegt bei nur etwa 5 bar. Ammoniak ist jedoch giftig und für Kupfermaterialien korrosiv. Seine Wärmetransporteigenschaften sind jedoch noch weit besser als diejenigen von CO2.Schliesslich war auch das Problem der Kühlung abzuklären. Glykol-Erdwärmesonden eignen sich im Sommer auch für die passive oder mechanische Kühlung. Die ist bei pumpenlosen Erdwärmesonden mit dem Thermosiphonprinzip nicht ohne weiteres möglich. Es gibt jedoch Möglichkeiten, diesen Sondentyp auch für die Kühlung zu verwenden. Allerdings wird dafür eine kleine Flüssigkeitspumpe benötigt, deren Leistung jedoch weit unter der Leistungsaufnahme gewöhnlicher Solepumpen liegt.Ein Nachteil bisheriger CO2-Erdwärmesonden besteht darin, dass der Verdampfer am Kopfende der Sonde platziert werden muss und damit eine Splittung der Wärmepumpe nötig ist. Dieser Nachteil kann ebenfalls durch die Verwendung einer kleinen Rückführpumpe für das CO2-Kondensat gelöst werden. Die Leistungsaufnahme einer solchen Pumpe ist sehr gering und um eine Grössenordnung kleiner als die Leistungsaufnahme einer Solepumpe.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
NTB Interstaatliche Fachhochschule
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Ehrbar,Max
Ehrbar,Max
Bassetti,Simone
Rohner,Ernst
Peterlunger,Alexander
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Mit den grossen Wärmepumpen wird trotz der eher kleineren Stückzahlen ein bedeutendes energetisches Potential abgedeckt. Somit ist es auch von öffentlichem Interesse, dass deren Effizienz möglichst hoch ist. Aus den bisherigen Informationen, herrührend aus dem FAWA-Projekt und dem P+DAnlagen- Sample, konnte festgestellt werden, dass die Grosswärmepumpen mit beachtlich tieferen Arbeitszahlen betrieben werden. Aufgrund dieser Tatsache wurde vom BFE ein Forschungsprojekt zu diesem Thema bewilligt, das ermöglicht hat an 10 Grosswärmepumpenanlagen vertiefte Untersuchungen und Analysen durchzuführen. Das Hauptziel des Forschungsprojekts war die Klärung der Frage, woher diese schlechteren Arbeitszahlen stammen und wie sie verbessert werden können. Es wurde jedoch auch die Situation des CO2-Ausstosses einbezogen und zwar als schlechtes Szenario unter den heute noch nicht aktuellen Verhältnissen der Stromerzeugung mit fossil befeuerten Kraftwerken. Selbst in diesem Fall und mit bivalenten Grosswärmepumpen ist die Bilanz erstaunlich günstig. Es wurden einige Schwerpunktthemen, die sich im Verlaufe der Projektbearbeitung gezeigt haben, vertieft untersucht. Die Verluste in den Grobverteilnetzen, die Warmwasserbereitung und –verteilung sowie die quellenseitigen Nebenantriebe haben bei den Grosswärmepumpen grundsätzlich einen grösseren Einfluss auf die Effizienz. Durch diese Abhängigkeit wird dann auch klar, dass bei Grosswärmepumpen für die Steigerung der Arbeitszahlen nach oben äussere Grenzen gesetzt sind, die für sich selbst optimiert werden müssen, da sie die Effizienz der Grosswärmepumpen direkt beeinflussen. So sind für die Verluste in den Grobverteilnetzen massgeblich die nachstehend aufgeführten Punkte verantwortlich. Die Druckverluste, die Wärmeverluste, der Temperaturabfall im Verteilnetz sowie die Temperaturdifferenz von allfälligen Wärmetauschern, die zur hydraulischen Trennung oft eingebaut werden, haben einen direkten Einfluss auf die Effizienz von Grosswärmepumpen. Aufgrund der Untersuchung ist es mit Hilfe einer Modellbildung und dem Vergleich mit den Felderhebungen gelungen, die Zusammenhänge weitgehend zu definieren. Die Netzgeometrie kann als dimensionslose Grösse der physikalischen Werte (ΔT, Druckverlustbeiwert, Wassergeschwindigkeit, etc.) der gesamten Leitungslänge und der bewirtschafteten Grundstückfläche dargestellt werden. Bei der Warmwasserbereitung ist aufgefallen, dass es bei den vorgefundenen Systemen grosse Unterschiede gibt. In diesem Bericht werden zwei Beispiele mit grossen Unterschieden dargestellt und der elektrische (kostenpflichtige) Energieaufwand pro m3 WW-Bereitstellung verglichen. Im schlechten Beispiel liegt dieser Wert bei 37.3 [kWh/m3], beim guten Beispiel ist der Wert 19.1 [kWh/m3]. Im Vergleich benötigt ein direkter Elektroboiler (dezentral aufgestellt)mit 58.2 [kWh/m3] nur noch ca. 1/3 mehr als beim schlechten Beispiel. Dies wirkt sich natürlich auch auf den CO2-Ausstoss aus. Die Nebenantriebe, insbesondere die quellenseitigen Hilfsaggregate, wie Umwälzpumpen, hydraulische Einbindung, etc. sind ebenfalls von grosser Wichtigkeit für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb. Dies wird am Beispiel einer Grundwasserpumpe dargestellt. Dabei geht es nicht nur um den abgestuften und der Wärmepumpenleistung angepassten Massenstrom, sondern auch um grundsätzlich günstigere Systeme für die Wasserbewirtschaftung als Zuförderung der Wärmepumpe. Natürlich ist bei grossen Umwälz-, resp. Förderpumpen auch die Planung und Auswahl wichtig, indem die technischen Daten und der Wirkungsgrad optimal bestimmt werden. Der Wirkungsgrad fällt bei einer grossen Umwälzpumpe bei einer Differenz von 10% bedeutend stärker ins Gewicht als bei Kleinanlagen. Für die weitere Verbreitung der Grosswärmepumpen und deren Förderung sollten im Bereich der Forschung und Qualitätssicherung weitere Bestrebungen erfolgen, die genau auf diese und weitere Massnahmen zuhanden der Akteure (Planer, Installateure und Hersteller) aufmerksam machen.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hubacher Engineering
Enertec AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Ehrbar,Max
Hubacher,Peter
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Large heat pump systems represent an important energy saving potential and should ba as efficient as possible .Field measurements showed a lower performance factor compared to smaller standardized heat pumps. This project investigates and analyses 10 large heat pump systems with the aim to clarify why the efficiency is lower and how it can be improved. Several topics were examined: distribution network, hot water production and distribution and source side equipment. The energy losses in the distribution network are mainly due to pressure loss, heat loss and non-optional heat exchangers. The field research and its analysis enabled to create a system model. The network geometry can represented by a dimensionless number resulting from the physical values ΔT, Pressure loss, Water velocity of the total network and the supplied area. The electrical energy input per m3 of domestic hot to the heat pump system varies between extremes of 19.and 37.3 [kWh/m3]. where an electric immersion heater (decentralised) requires 58.2 [kWh/m3].This has a direct influence on the CO2 emission value. The secondary systems (source side pumps, hydraulic systems) also influence the overall efficiency of the heat pump. It is not only important to throttle the power but also to regulate the source and sink hydraulic systems. A difference of 10% efficiency in large circulation pumps more effect than in smaller installations. To promote large scale heat pump, further effort has to be invested in research, quality control and information of installers, manufacturers and designers.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hubacher Engineering
Enertec AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Ehrbar,Max
Hubacher,Peter
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