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

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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

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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

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-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

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Primärenergie

CO2-Emission- Nutzung der Anlage als Referenzlösung