Wärmepumpenschaltungen

Simulationen von Wärmepumpen mit großem Temperaturhub

Schematische Darstellung

des Anlagenkonzeptes „autarkes System“ (Entwurf, modifiziert nach [5]) mit dem Wärmepumpensystem

Schematische Darstellung

mit der Einordnung einer Wärmepumpe, Varianten 1 bis 5

Wärmepumpensystem

mit einstufiger Verdichtung („Ebsilon“-Modell), Variante 1

Wärmepumpensystem

mit zweistufiger Verdichtung mit Unterkühler-Economizer
(„Ebsilon“-Modell), Variante 2

Untersuchung

vom optimalen abgezweigten Massenstromanteil unter 8 bar Zwischendruck, Variante 2

Untersuchung

des optimalen Zwischendrucks, Verlauf der Leistungszahl und Heizleistung, Variante 2

Wärmepumpensystem

mit zweistufiger Verdichtung mit Open-Flash-Economizer („Ebsilon“-Modell), Variante 3

Simulationsergebnisse

zur Bestimmung des optimalen Zwischendrucks im Open-Flash-Eco, Variante 3

Gegenüberstellung der Leistungszahl

und Heizleistung von Variante 2 (Unterkühler-Economizer) und Variante 3 (Open-Flash-Economizer)

Wärmepumpensystem mit Kältemittelkreislauf-Kaskade („Ebsilon“-Modell), Variante 4

a) Betrieb bei hohen Temperaturdifferenzen b) Betrieb bei moderaten Temperaturdifferenzen

Wärmepumpensystem mit Reihenschaltung a)

„Ebsilon“-Modell, Variante 5

Wärmepumpensystem mit Reihenschaltung b)

„Ebsilon“-Modell (links) und die Verschaltung mit dem Speicher (rechts), Variante 6

Zusammenfassung der Simulationsergebnisse

der einzelnen Schaltungsmodelle

Tabelle 5

Vor- und Nachteile verschiedener Schaltungen für das zugrundeliegende Projekt

Im Rahmen der Förderinitiative des BMBF und des BMWi mit dem Titel „Solares Bauen/Energieeffiziente Stadt“ startete im November 2017 das Projekt „Zwickauer Energiewende Demonstrieren“ (ZED). Im Projekt soll in Zwickau im Stadtteil Marienthal die Umgestaltung zu einem Nullemissionsquartier untersucht werden. Als optimale Nahwärmelösung bietet sich der Einsatz von Kompressionswärmepumpen in Kombination mit Solarthermie an. Im Folgenden werden verschiedene Wärmepumpenschaltungen für den Einsatz in diesem Projekt untersucht. Die Untersuchungen erfolgen durch die Modellierung und Simulationen mittels der Software „Ebsilon“. Die optimalen Lösungen sind zurzeit eine zweistufige Verdichtung mit einem Open-Flash-Economizer und eine Reihenschaltung aus zwei einstufigen Wärmepumpen.

Die europäische Energiepolitik sieht eine Reduktion der Treibhausgasemissionen von mindestens 40 % im Jahr 2020 im Vergleich zu 1990 [1] vor. Zum Erreichen dieses Ziels sind zahlreiche Maßnahmen notwendig, wie z.B. die intensive Nutzung erneuerbarer Energiequellen sowie die Steigerung der Energieeffizienz. Ein großer Teil der Endenergie wird in Deutschland für die Raumheizung (2.408 PJ, 27,1 %) und die Warmwasserbereitung (409 PJ, 5 %) eingesetzt (Stand 2015) [2].

Im Rahmen der Förderinitiative des BMBF und des BMWi mit dem Titel „Solares Bauen/Energieeffiziente Stadt“ [3] startete im...

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Shengqing Xiao, Dimitri Nefodov, Thorsten Urbaneck

Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Maschinenbau,
Institut für Mechanik und Thermodynamik, Professur Technische Thermodynamik,
09126 Chemnitz, Deutschland