Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Luft-Wasser-Wärmepumpe „Pioneer“ wurde als Ersatz für Öl- und Elektroheizungen konzipiert. Um auf dem Markt zu bestehen muss sie bei hohen Vorlauftemperaturen Arbeitszahlen aufweisen, die einen kostengünstigen Heizbetrieb erlauben. Ferner muss wegen den zu erwartenden neuen Lärmemissionsvorschriften die Schallemission des Ventilators entsprechend reduziert werden. Eine wirtschaftliche und erfolgversprechende Lösung sah man mit dem von der Fa. Bitzer neu entwickelten zweistufigen, drehzahlregelbaren Verdichter. Durch den Drehzahlregelbereich von 17 bis 117 Hz kann die Leistung der Anlage in einem weiten Bereich geregelt werden. Mit der zweistufigen Verdichtung wird die Verschlechterung des Liefergrades bei hohen Verdichtungsverhältnissen vermieden. Der Verdichter ist im Vergleich zu einstufigen Apparaten konstanter Drehzahl relativ klein. Ferner wurde die Drehzahl des Ventilators ebenfalls geregelt und die Anlage in ein schalldämmendes Gehäuse eingebaut. Die Abtauungsregelung erfolgt über Gewichtsmessung des Verdampfers. Die erste Anlage wurde in der Simulationsanlage der Firma Solarits GmbH in Füllinsdorf eingebaut, in der die Quellenluft aufbereitet werden konnte. Die produzierte Wärme konnte je nach Bedarf über das Heizungssystem des Einfamilienhauses Eggenberger oder über äussere Wärmesenken abgeführt werden. In dem vom BFE geförderten Projekt sollten folgende Optimierungen und Messungen durchgeführt werden:
- Ermittlung der optimalen Betriebsparameter für den Ventilator und Abtauung
- Bestimmung der Arbeitszahlen
- Bestimmung der Lärmemissionen
- Eignung der Anlage für die Warmwasserversorgung
Versuche für den Heizbetrieb wurden bei natürlichen und simulierten Aussentemperaturen entsprechend der Heizkurve durchgeführt. Zunächst wurde die optimale Regelung des Ventilators ermittelt. Für jede Aussentemperatur konnte eine optimale Abkühlung der Aussenluft ermittelt werden. Die Drehzahl des Ventilators wurde so eingestellt, dass die ermittelte Temperaturdifferenz eingehalten wurde. Für die Abtauung zeigte es sich, die besten Leistungszahlen dann erzielt werden konnten, wenn die Abtauung bei 5 kg Eismasse eingeleitet und nach dem Abschmelzen des Eises noch 5 Minuten nachgetrocknet wurde. Für die Abtauprozedere wurden die Drehzahlen des Verdichters optimiert. Mit dem so optimierten Betrieb wurden die Leistungszahlen der Anlage bei Aussentemperaturen zwischen –10 °C und +20 °C ermittelt, was folgende Resultate lieferte:
- Heizleistung der Anlage bei –10 °C ist 13 kW bei der Vorlauftemperatur von 58 °C
- Jahresarbeitszahl berechnet mit langjährigen mittleren Temperaturen der meteorologischen Messstation Binningen ist 3,55
- Mit der Drehzahlregelung des Verdichter mit der Umschaltung von zwei- auf einstufigem Betrieb bei Aussentemperaturen über 11 °C kann die Heizung entsprechend der Heizkurve bis 16 °C Lufttemperatur stetig geregelt werden.
Weiter Versuche wurden mit elektronischen Einspritzreglern durchgeführt, die aber gegenüber der konventionellen mechanischen Reglern keine Vorteile aufwiesen. Der neu konzipierte Doppelmantel Wärmetauscher, Flüssigkeitsabscheider und -sammler SAILIR garantierte eine gute Überhitzung des Saugdampfes. Zum Vergleich wurde die Anlage mit konstanter Drehzahl in Ein-Aus-Betrieb gefahren und mit einer Sixmadun-Wärmepumpe verglichen. Diese Versuche zeigten dass bei stetiger Regelung der Pioneer 23 % höhere Arbeitszahl hat als im Ein-Aus-Betrieb. Die relativ alte Sixmadun-Anlage wurde sogar um 51 % übertroffen. Bezüglich der Brauchbarkeit für die Warmwasserversorgung, zeigte es sich, dass Warmwassertemperaturen von bis zu 65 °C erreicht werden können, was die Abtötung von Legionellen ohne zusätzliche elektrische Heizung erlaubt. Die Lärmemissionen sind ausser im Nachtbetrieb unterhalb von –4 °C Lufttemperaturen unter den erlaubten Grenzwerten. Hier kann aber die Drehzahl des Ventilators begrenz werden, was in einer tieferen Arbeitszahl resultiert. Da diese tiefe Temperaturen im Mittel etwa nur 15 Stunden pro Jahr auftreten, ist der Einfluss nur marginal. Der Wirtschaftlichkeitsvergleich mit anderen Wärmepumpen zeigt, dass durch den kleineren Verdichter die Mehrkosten für die Drehzahlregelung mehr als kompensiert werden, so dass die Anlage bei tieferen Betriebskosten in der Anschaffung etwa gleich teuer wie eine konventionelle Wärmepumpe ist.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Fachhochschule beider Basel FHBB, Dept. Industrie, Abtlg. Maschinenbau
Solartis GmbH, Wärmepumpen-Versuchslabor
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
von Böckh,P.
Eggenberger,H.J.
Borer,Marc
Borer,Thomas
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The air-water-heat-pump „Pioneer“ was designed as a replacement device for fuel oil and electric room heaters. To be competitive on market, the device must provide at high heating temperatures COPs, which allow cost efficient heating. Further the new sound emissions limits must be met. An economic and successful solution was seen with the new Bitzer two stage, speed regulated compressor. The speed regulation from 17 to 117 Hz allows adoption of heating power and the two stage compression eliminates the flow rate losses at high compression ratios. Furthermore the speed of the ventilator is also controlled and the whole unit is installed in a sound absorbing case. The defrosting of the evaporator is controlled by weight measurement. The prototype was installed in the test utility of Solartis GmbH, where the air temperatures could be simulated an and the produced heat removed according to a heating curve. In this, form BFE supported project, the following optimissation and tests were planned:
- Determination of optimum operational parameters for the ventilator and defrosting
- Measurement of COP
- Measurement of sound emissions
- Suitability for warm water supply
Tests according to the heating curve were performed with natural and simulated air temperatures to establish optimum operational parameters. For each air temperature the temperature drops of air in the evaporator, providing highest COP, were determined. The speed control of the ventilator was programmed to keep these temperature differences. Best COP could be achieved when defrosting was started at 5 kg ice mass and after melting of the ice followed by a 5 minute drying process. With optimised parameters test were performed at air temperatures between –10 °C and +20°C with following results:
- Heating power at –10 °C was 13 kW at a heating water temperatures of 58 °C
- Annual mean COP calculated with ten years average temperatures, provides by the meteorology station of Binningen, was 3.55.
- With the speed control of the compressor and switching to one stage operation at air temperatures over 11 °C the heating power could steadily controlled up to 16 °C.
- The use of electronic injections devices had no advantage compared to the lower cost mechanical device.
- The comparison with on-off-operation showed 23 % higher COP at continuous operation.
- Warm water can be produced with up to 60 °C temperature, thus allowing the killing of the bacteria of the legionnaires disease.
- The sound emission limits are with exception of night operation below –4 °C air temperature below the allowed limits. Since these temperatures are reached only 15 hours per year, a speed limit of the ventilator solve this problem by a insignificant deterioration of COP
The economical comparison with other heat pumps showed that the smaller compressor size more than compensate the higher cost for speed control, thus resulting in approximately the same investment cost at lower operating costs.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Fachhochschule beider Basel FHBB, Dept. Industrie, Abtlg. Maschinenbau
Solartis GmbH, Wärmepumpen-Versuchslabor
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
von Böckh,P.
Eggenberger,H.J.
Borer,Marc
Borer,Thomas
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