Final report
(German)
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Das Heizen unserer Häuser ist aufwändig und noch wenig effizient. Der Einsatz von Luft/Wasser-Wärmepumpen nimmt zu, mithin weil sie einfach zu installieren und betreiben sind. Für Hausbesitzer haben häufig niedrige Investitionskosten für das Heizsystem Vorrang vor tiefen Betriebskosten, so dass auch die Hersteller starken Preisdruck erfahren und für markante Weiterentwicklungen selten viel übrig bleibt. Die Folge ist eine schlechte Nutzung der Primärenergie.
Wärmepumpensysteme weisen ein grosses Potenzial für Effizienzsteigerungen auf. Der exergetische Wirkungsgrad heutiger Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Ein/Aus-Regelung beträgt rund 30%. Die verlustfrei arbeitende Wärmepumpe hat hingegen einen exergetischen Wirkungsgrad von 100%. Diese Studie zeigt mittels Exergie-Analyse auf, wo die Verluste in Luft/Wasser-Wärmepumpen entstehen, wie gross sie sind und wie stark sich diese auf die einzelnen Teilprozesse auswirken. Auf Basis der Exergie-Analyse werden Verbesserungsmöglichkeiten erarbeitet und die damit erzielbaren Effizienzsteigerungen quantifiziert.
Die energetische Bewertung ist für die Beurteilung eines Wärmepumpen-Prozesses notwendig, aber nicht hinreichend. Über die Prozessgüte gibt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Auskunft. In dieser Studie erfolgt die Anwendung des zweiten Hauptsatzes nicht mit abstrakten Entropie-Bilanzen, sondern mit Exergiebilanzen. Der Begriff „Exergie“ ist für Wärmepumpen-Anwendungen leicht verständlich: Die reale Antriebsleistung des Kompressors ist um die Summe aller auftretenden Exergieverluste grösser als die Antriebsleistung des idealen (reversiblen) Prozesses. Kann der exergetische Wirkungsgrad durch gezielte Weiterentwicklungen verbessert werden, hat dies auch eine Verbesserung der Leistungszahl zur Folge.
Aus elementaren Energie- und Exergiebilanzen wurden Grundgleichungen für die Exergieverlust-Berechnungen für die Wärmepumpe als Ganzes, für die einzelnen Teilprozesse sowie für das Heizsystem hergeleitet. Diese Gleichungen eignen sich für die Darstellung und Interpretation in T,s-Diagrammen sowie für numerische Analysen. Es wurden vier verschiedene exergetische Wirkungsgrade zur Bewertung der Luft/Wasser-Wärmepumpe definiert: einer für den Wärmepumpenkreislauf, einer bezüglich der erzeugten Heiztemperatur bei intermittierend arbeitenden Anlagen mit Ein/Aus-Regelung, einer bezüglich der vom Gebäude kontinuierlich erforderlichen Heiztemperatur, und ein letzter berücksichtigt die gewünschte Raumtemperatur. Die Exergieverluste der einzelnen Teilprozesse werden mathematisch übersichtlich in Abhängigkeit der relevanten Prozessgrössen berechnet. Dazu wurde ein analytisches Modell basierend auf wenigen Approximationen (Linearisierungen, Reihenentwicklungen) und Stoffdaten entwickelt.
Bei konventionellen Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Ein/Aus-Regelung steigt mit zunehmender Umgebungstemperatur und somit abnehmender erforderlicher Heizleistung die erzeugte Heizleistung. Als Folge davon steigen die Temperaturgefälle für die Wärmeübertragung in Verdampfer und Kondensator, so dass die Exergieverluste in Verdampfer und Kondensator mit steigender Aussentemperatur quasi progressiv zunehmen und so den exergetischen Wirkungsgrad reduzieren. Weiter wird die während dem Wärmepumpen-Betrieb erzeugte Heiztemperatur mit steigender Aussentemperatur gegenüber der vom Gebäude kontinuierlich erforderlichen zunehmend grösser, wodurch ein weiterer Exergieverlust entsteht. Dieser Exergieverlust entsteht ausserhalb der eigentlichen Wärmepumpe im Heizwärme-Verteilsystem, muss aber der Wärmepumpe angerechnet werden. Ursache für dieses ungünstige Verhalten der Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Ein/Aus-Regelung ist die ungünstige Betriebscharakteristik des drehzahlkonstanten Kompressors.
Ein wichtiges Ergebnis ist, dass durch eine kontinuierliche Leistungsregelung (d.h. durch die Anpassung der erzeugten an die erforderliche Heizleistung) eine markante Effizienzsteigerung möglich ist. Die kontinuierliche Leistungsreglung beinhaltet in dieser Studie die Drehzahlregelung des Kompressors und des Ventilators. Dadurch können die Temperaturgefälle für die Wärmeübertragung in Verdampfer und Kondensator mit zunehmender Aussentemperatur wirksam reduziert werden. Ausserdem entspricht die erzeugte Heiztemperatur mit dieser Regelstrategie stets nahezu der erforderlichen. Der Temperaturhub wird gegenüber der Ein/Aus-Regelung markant reduziert, wodurch die Leistungszahl deutlich ansteigt.
Die Ventilatorleistung herkömmlicher Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Ein/Aus-Regelung ist gegenüber der Kompressorleistung verhältnismässig klein. Trotzdem kann diese bei Luft/Wasser-Wärmepumpen mit kontinuierlich leistungsgeregeltem Kompressor die Jahresarbeitszahl und den exergetischen Jahreswirkungsgrad beträchtlich reduzieren, denn oft arbeiten die eingesetzten Ventilatoren mit geringer Effizienz. Wenn solche Ventilatoren quasi im Dauerbetrieb arbeiten, erfolgt dadurch eine starke Reduktion der energetischen Effizienz. In diesem Fall lohnt es sich, auch den Ventilator mit einer kontinuierlichen Leistungsregelung auszustatten. Wird zusätzlich zum Kompressor auch der Ventilator geregelt, hat die Effizienz des Ventilators einen wesentlich geringeren Einfluss auf die Güte des Gesamtsystems. In diesem Fall kann die Jahresarbeitszahl im Vergleich zu derjenigen der Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Ein/Aus-Regelung ungefähr verdoppelt werden. Eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung der kontinuierlichen Leistungsregelung ist die Verfügbarkeit von effizienten, kontinuierlich regelbaren Kompressoren und Ventilatoren. Entsprechende Entwicklungen sind von Seiten der Kompressor- und Ventilator-Hersteller im Gange. Des Weiteren sind verbesserte Expansionsventile erforderlich, welche geringe Dampfüberhitzungen im Verdampfer erlauben.
In dieser Studie stehen Luft/Wasser-Wärmepumpen im Zentrum. Vielen Erkenntnisse bezüglich Exergieverlust-Berechnungen der Wärmepumpe und des Heizsystems können jedoch direkt auf andere Wärmepumpen-Systeme übertragen werden.
Es ist zu hoffen, dass die vorliegende Studie ein Anstoss für weitere Diskussionen und Anstrengungen im Bereich effiziente Gebäudeheizung ist, sowohl auf der Seite der Wärmepumpen und Komponenten-Hersteller als auch bei den Gebäudetechnik-Planern und Installateuren. Schliesslich wäre es wünschenswert, wenn das Thema Exergie-Analyse vermehrt in die Ausbildung einfliessen würde.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gasser,Lukas
Wellig,Beat
Wellig,Beat
Hilfiker,Karl
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Final report
(English)
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FOR THE ENGLISH REPORT SEE PUBLICATION NUMBER 280034!
Heating our houses is costly and still inefficient. The use of air/water heat pumps is increasing because they are easy to install and operate. The exergetic efficiency of common air/water heat pumps with on/off control amounts to about 30% whereas a loss-free heat pump has an exergetic efficiency of 100%. By using exergy analysis it can be shown where the losses in air/water heat pumps occur, where the possibilities for making improvements are and which increases in efficiency can be achieved.
Four different exergetic efficiencies were defined for the evaluation of air/water heat pumps: one for the heat pump`s working fluid circuit, one with reference to the generated heating temperature for intermittently on/off control, one concerning the heating temperature continuously required by the building, and a last one examines the desired room temperature. The exergy losses of the individual sub-processes are clearly calculated.
An important increase in efficiency can be achieved by using continuous power control (control of the compressor and of the fan) to adapt the generated heating capacity to the required capacity. In this way, the temperature gradients of heat transfer in the evaporator and condenser can be reduced effectively and the generated heating temperature almost always corresponds to the required temperature. The temperature lift is distinctly reduced in comparison with on/off control. Furthermore, improved expansion valves are needed which permit lower vapour superheating in the evaporator.
This study focuses on air/water heat pumps. Many of the findings concerning the calculation of exergy losses can be transferred directly to other heat pump systems.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gasser,Lukas
Wellig,Beat
Wellig,Beat
Hilfiker,Karl
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