Kompressionswärmepumpe mit Lösungskreislauf und dem Kältemittelgemisch Ammoniak-Wasser

Der einfache Kreisprozess einer Kompressions-Wärmepumpe besteht aus der Wärmeaufnahme, die zum Verdampfen des Kältemittels führt, dem Verdichten des gasförmigen Kältemittels, der Wärmeabgabe auf einem höheren Temperaturniveau, die zum Kondensieren des Kältemittels führt und einer anschließenden Entspannung des flüssigen Kältemittels.

Um den Auflagen an Kältemittel (F-Gase-Verordnung) gerecht zu werden, kommen vermehrt natürliche Kältemittel (H₂O, NH₃, CO₂, …) zum Einsatz. Da die Reinstoffkältemittel nur mit großen technischen Herausforderungen sehr große Temperaturhübe erreichen können, rücken Kältemittel-Gemische für diese Anwendung in den Fokus. Diese kombinieren die Vorteile einzelner Kältemittel und ermöglichen eine höhere Flexibilität der Prozessführung. Die Anpassung des Kreisprozesses, durch die Trennung des zweiphasigen Kältemittel-Gemisches und das Hinzufügen einer zusätzlichen Flüssigkeitspumpe, ermöglicht es verschiedene Anwendungsfelder abzudecken.

Es resultiert eine Kombination aus Absorptions- und Kompressionswärmepumpe, die dann als Kompressionswärmepumpe mit Lösungskreislauf (kurz: KWPL) bezeichnet wird. Wegen des komplexeren Aufbaus der KWPL im Vergleich zu einer handelsüblichen Kompressionswärmepumpe muss eine sorgfältige Auslegung und Optimierung des Kreislaufs erfolgen.

Der theoretische Kreislauf wird mit Hilfe der Software EES® und der externen Stoffdatenroutine AWMix® nachgebildet. Dadurch wird ein Einblick in das thermodynamische Verhalten des Kreisprozesses, sowie die Variation verschiedener Betriebsparameter ermöglicht.

Auf Basis der Ergebnisse und Vorerfahrungen wird die Technikumsanlage derzeit neu aufgebaut, wodurch dann verschiedene Betriebspunkte und Szenarien für verschiedene Anwendungsbereiche experimentell erprobt werden können.

Untersuchung von zwei Energiewandlern mit geringem Strombedarf zur Versorgung von Hochtemperaturverbrauchern aus Niedertemperatur-Fernwärmenetzen

Wärmenetze sind ein zentraler Bestandteil der derzeitigen und zukünftigen Wärmeversorgung. Damit vermehrt niedertemperierte Wärmequellen, wie Geothermie und Prozessabwärme, in ein solches Wärmenetz eingespeist werden können und Wärme aus einem weniger verlustreichen Niedertemperatur-Wärmenetz für hochtemperierte Industrieprozesse ausgespeist werden kann, werden zwei Energiewandler mit geringem Strombedarf an zwei Standorten für den möglichen Ersatz einer konventionellen dezentralen Übergabestation (Hausstation) untersucht.

Die zwei Energiewandler sind ein Absorptionswärmetransformator (AWT) am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart und die Kompressionswärmepumpe mit Lösungskreislauf (KWPL) hier am Institut für Thermodynamik (IfT). Mit dem Fernwärme-Forschungsinstitut (FFI e.V.) wird in einem gemeinsamen Forschungsvorhaben die Umsetzbarkeit für ein Wärmenetz 4.0 mit einem AWT und/oder einer KWPL bezüglich der Kosten- und Energieeinsparpotentiale betrachtet.

Das Projekt (Vorhaben-Nr. 22424N) wird im Rahmen des Programms für industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über den Projektträger DLR gefördert.