Neuartige reversible Luft/Wasser-Wärmepumpe mit natürlichen Kältemittel (Propan) für ein energieeffizientes Bürogebäude mit optimierter Solarstrom-Eigennutzung

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/501405

Description succincte (Allemand)

Der Einsatz synthetischer Kältemittel in Wärmepumpen wird aufgrund deren Treibhausgaspotential langfristig stark eingeschränkt werden, so dass vermehrt Anlagen auf Basis natürlicher Kältemittel (Ethan, Propan, Ammoniak, etc.) entwickelt werden müssen. Im Rahmen dieses Demonstrationsprojektes wird eine neuartige reversible Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Propan als Kältemittel entwickelt und in einem energieeffizienten Bürogebäude einem Praxistest unterzogen. Eine intelligente Steuerung soll den vor Ort produzierten Solarstrom zum Betrieb des Wärmepumpensystems nutzen, um damit eine hohe solare Eigennutzung zu erreichen. Mit einem zusätzlichen reversiblen Abgabesystem kann ein grösstmöglicher Komfort bei niedrigen Betriebs- und Investitionskosten für die Nutzer erzielt werden. Zudem soll ein Simulationsmodell des Gesamtsystems erstellt werden, mit dem mögliche Betriebsstrategien beurteilt und das Energiesystem optimiert werden kann.

Publications / Résultats (Allemand)

Documents annexés

• Fachartikel "Propan heizt und kühlt ein Bürogebäude" [PDF] 3'602 kB

Publications / Résultats (Français)

Documents annexés

• Article "Du propane chauffe et refoidit un bâtiment" [PDF] 3'335 kB

Rapport final (Allemand)

Aufgrund des gestiegenen Komfortbedurfnisses werden neue Burobauten heutzutage vermehrt gekuhlt. Gleichzeitig sind die gesetzlichen Anforderungen an die Energieeffizienz sowie an die Okologie von Gebaudesystemen stark gestiegen. So durfen ab einer gewissen Anlagengrosse bereits keine in der Luft stabilen Kaltemittel mehr eingesetzt werden.

Im vorliegenden Projekt wird eine neuartige reversible Luft/Wasserwarmepumpe entwickelt. Diese wird mit dem naturlichen Kaltemittel Propan betrieben und in Kombination mit einem reversiblen Verteil- und Abgabesystem als Demonstrationsanlage in ein Minergie-P Burogebaude implementiert. Um einen sehr geringen Endenergiebedarf des Gesamtsystems zu erreichen, wird mit einer Reihe von passiven und aktiven Massnahmen wie einer hochwarmegedammten Gebaudehulle oder einer wirksamen Nachtauskuhlung der Warme- und Kaltebedarf minimiert. Zusatzlich ist eine klare Trennung zwischen Heiz- und Kuhlbetrieb erzielt worden. Die Warmwasserbereitstellung erfolgt mit einer separaten Luft/Wasser-Warmepumpe, welche gleichzeitig den Serverraum im Untergeschoss kuhlt. Die Propan-Warmepumpe wird nur fur die Klimatisierung und die Deckung des Heizwarmebedarfs verwendet.

Aufgrund der Verwendung eines brennbaren Kaltemittels ist aus Sicherheitsgrunden eine Aussenaufstellung der Warmepumpe die zielfuhrendste Losung. Zusammen mit dem Verflussiger respektive Verdampfer ist die Gesamtanlage aussenaufgestellt. Die Umschaltung des Kaltemittelkreises von Heizen auf Kuhlen wird mit Umschaltventilen im Kaltekreislauf realisiert. Fur einen teillastoptimierten Betrieb der Gesamtanlage ist die Warmepumpe mit vier Verdichtern ausgestattet, womit die Leistung von 15-100% moduliert werden kann. Die Warmepumpe konnte sehr kompakt realisiert werden. Die Hydraulik auf der Heiz- respektive Kaltwasserseite konnte trotz Reversibilitat sehr einfach und kosteneffizient umgesetzt werden. Die Problematik der Schmierung aufgrund der Loslichkeit des Propans in den Schmierstoffen konnten in allen Betriebspunkten mittels hoher Sauggasuberhitzung und einem hocheffizienten Olabscheide- und Ruckfuhrsystem gelost werden.

Mittels detailliertem Monitoring wurde sowohl das Gesamtsystem als auch die Warmepumpe analysiert und in einem zweiten Schritt verbessert. Der Warmeverbrauch fur die Raumwarme und Luftung ist mit 42'131 kWh (klimakorrigiert, 13.9 kWh/m2) und der Kalteverbrauch mit 3’156 kWh (1.0 kWh/m2) fur die ausgewertete Messperiode sehr gering. Der Elektrizitatsverbrauch der Luftung ist mit 1.8 kWh/m2 geringfugig tiefer als der SIA-Zielwert von 2.0 kWh/m2.

Im Rahmen der durchgefuhrten Verbesserungsmassnahmen an der Warmepumpe konnte die elektrische Energie der Sekundaraggregate halbiert und die mittlere Rucklauftemperatur der Heizung um 1.5 K gesenkt werden. Es resultiert eine Arbeitszahl der Warmepumpe im Heizbetrieb von 3.0. Die Leistungsreduktion der Sekundaraggregate sowie eine verbesserte Hochhalteregelung bewirkte zusatzlich eine hohere Effizienz in der Kuhlperiode. Mittels dieser Massnahmen konnte die Arbeitszahl der Warmepumpe im Kuhlbetrieb in den verglichenen Sommer-Zeitabschnitten von 1.9 auf 2.8 gesteigert werden.

Im Projekt konnte gezeigt werden, dass umschaltbare Warmepumpen mit Propan als Kaltemittel in der heutigen Praxis verwendbar sind und das Sicherheitsdispositiv einer aussenaufgestellten Anlage mit einem vertretbaren Aufwand umgesetzt werden kann. Aufgrund der Anforderungen Schallschutz ist die Anlage in einem explosionsgeschutzten Maschinengehause untergebracht. Die erreichten Arbeitszahlen im Winterfall sind als hoch zu bezeichnen. Insbesondere, wenn man berucksichtigt, dass die Anlage aufgrund der tiefen Heizgrenze bei sehr tiefen respektive sehr hohen mittleren Aussenbedingungen betrieben wird. Das fuhrt dazu, dass die Anlage haufig in nicht energieoptimalen Betriebspunkten arbeiten muss.

Das Gesamtsystem zeigte sich jedoch als sehr effektiv und der erreichte Komfort darf in allen Zonen als sehr gut beurteilt werden.

Documents annexés

• Schlussbericht [PDF] 7'761 kB

Rapport final (Anglais)

Nowadays, more and more office buildings are cooled due to the increased needs in terms of comfort. At the same time, the legal requirements concerning energy efficiency and sustainability in building systems have increased as well. Therefore, the use of air-stable refrigerants is no longer legal for sites exceeding a certain capacity.

Within the scope of this project a novel, reversible air-to-water heat pump system has been developed. The system introduces the use of the natural cooling refrigerant propane combined with a reversible heat distribution system. The demonstration unit is implemented at a Minergie-P-labeled office building. A range of passive and active measures, such as a highly insulated building envelope or an effective night cooling ensure a very low final energy demand of the building system. Additionally, a sharp distinction between heating and cooling mode has been accomplished. The demand for hot water is covered by a separate air-to-water heat pump that is also cooling server room. The propane heat pump is solely used to ensure the air-conditioning and heating of the building.

Due to the use of propane, the heat pump is installed outside of the building to guarantee safety. The entire unit including condenser and evaporator is installed outside. The switching between cooling and heating circuit is enabled by change-over valves within the refrigerant circuit. To allow for partial-load operation the heat pump is equipped with four compressors. This measure enables the modulated power output in the range of 15 to 100% of the total capacity. A very compact design of the heat pump could be achieved. Despite the reversibility, the unit’s hydraulics on both, the hot as well as the cold-water side, are simple and cost-efficiently realized. The problem of lubrication due to the solubility of the propane in the lubricants could be solved at all operating points by means of high suction gas superheating and a highly efficient oil separation and recirculation system.

A detailed screening of the building and the heat pump system has been conducted and allowed for optimization in a subsequent step. The heat demand regarding the room heating and ventilation amounts to 42’131 kWh (adjusted for heating degree days, 13.9 kWh/m2), the cooling demand to 3’156 kWh/m2, respectively. Considering the evaluation period, these values are low. The electricity demand for the ventilation system is with 1.8 kWh/m2 slightly lower than the 2.0 kWh/m2 targeted by SIA.

Within the optimization of the heat pump system, the electrical energy demand of the secondary aggregates could be halved, and the average return flow temperature could be decreased by 1.5 K. The result is a COP in heating mode of approximately 3.0. An increased efficiency during cooling could be achieved by lowering the power of the secondary aggregates as well as improving the regulation to upkeep the temperature levels needed. Thanks to these measurements, the EER of the heat pump during cooling could be increased from 1.9 to 2.8 during the compared summer periods.

The project shows that reversible heat pump sytems using propane as refrigerant are already applicable in today’s building systems. The safety level of an outdoor installed heat pump is achieved with reasonable efforts. Due to the legal requirements of sound protection, the unit is being placed within an machine body.

The achieved COPs during winter are high. This is especially impressive, considering the low heat limit meaning that the heat pump only runs at very low and high outside temperatures. This leads to the system often working at non-efficient operation points.

However, the system as a whole is very efficient. The achieved level of comfort in all zones is excellent.

Rapport final (Français)

Aujourd’hui, en raison des exigences élevées dans le domaine du confort, plus en plus bâtiments de bureaux sont climatisés. En même temps, les obligations légales posées à l’efficacité énergétique et à l’écologie dans les systèmes du bâtiment ont aussi augmenté. De cette manière, dans les installations dépassant une certaine capacité, il n’est plus permis d’utiliser les fluides frigorigènes qui contiennent des substances stables dans l’air.

Dans ce projet, une nouvelle pompe à chaleur air-eau réversible a été développé. Cette pompe est opérée avec propane comme réfrigérant naturel en combinaison avec un système de distribution et diffusion réversible. L’usine de démonstration est installée dans un bâtiment de bureaux certifié Minergie-P. Pour atteindre une demande finale d’énergie basse, une variété des mesures actives et passives, comme l’isolation thermique d’enveloppe du bâtiment ou le refroidissement nocturne, a été implémentée. En plus, une séparation nette entre mode chauffage et mode refroidissement a été réalisée. La demande d’eau chaude est couverte par une pompe à chaleur air-eau séparé qui refroidit simultanément la salle de serveurs au sous-sol. Le pompe à chaleur propane est uniquement utilisé pour la climatisation et le chauffage des locaux.

À cause d’utilisation du propane, une substance inflammable, le pompe à chaleur est installé en plein air pour assurer la sécurité. Avec le condenseur respectivement évaporateur, l’installation complète se trouve à l’extérieur. La commutation du circuit de refroidissement entre mode refroidissement et mode chauffage es réalisée par des vannes de commutation. Le pompe à chaleur a quatre compresseurs. Cela permet le système à moduler sa puissance dans la gamme de 15 à 100% pour une utilisation optimisée en régime de charge partielle. La conception de la pompe est très compacte. Malgré la réversibilité, ses systèmes hydrauliques des circuits du côté chauffant respectivement refroidissant sont réalisées très simplement et efficacement.

À travers une surveillance détaillée, aussi bien le pompe à chaleur que le système entier a été analysés et améliorés. La consommation de chaleur et ventilation est 42'131 kWh (méthode degré-jour, 13.9 kWh/m2), cela de refroidissement 3'156 kWh (1.0 kWh/m2). En considérant la période de mesure, ces valeurs sont extrêmement basses. La consommation d’électricité pour l’aération est de 1.8 kWh/m2 qui est faible plus basse que la valeur cible de SIA de 2.0 kWh/m2.

Dans le cadre des mesures d’optimisations de la pompe à chaleur le besoin en énergie électrique des mécanismes secondaires a été réduit de moitié et la moyen température retour diminué de 1.5 K. Il résulte un COP de 3.0 en mode chauffage. Une efficacité accrue en mode refroidissement a été réalisée en réduisant la puissance des mécanismes secondaires et améliorant la régulation technique pour maintenir les températures. Grace à ces mesures, le COP de la pompe à chaleur en mode refroidissement a été élevé de 1.9 à 2.8 durant la période estivale comparé.

Ce projet a montré que les pompes à chaleur réversibles avec propane comme réfrigérant peuvent être utilisés dans les systèmes du bâtiment actuels. Le dispositif de sécurité peut être atteint avec un investissement raisonnable. En raison de les exigences spécifiques à l’insonorisation, l’installation est placée dans un boîtier antidéflagrant. Les valeurs de COP atteints en hiver sont hautes. Particulièrement en considérant que le système, à cause de la limite de température basse, fonctionne à des températures extérieures extrêmement basses et hautes. Il en résulte que le système souvent ne travaille pas au point de fonctionnement optimal.

Le système entier est toutefois très efficace et le confort atteint est exceptionnellement bon dans toutes les zones.