Experimentelle Optimierung des Teillastverhaltens einer Hochtemperatur-Wärmepumpe

Aktueller Stand der Forschung

Die Eindämmung der globalen Erwärmung durch die Dekarbonisierung des Energiesektors stellt eine der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit dar. Obwohl der Wärmesektor mehr als 50 % des Endenergieverbrauchs in Europa ausmacht, lag der Anteil erneuerbarer Energiequellen in diesem Sektor im Jahr 2023 bei etwa 26,2 % [3]. Die Integration von Groß- oder Hochtemperatur-Wärmepumpen (HTWP) in erneuerbare Energiesysteme bietet eine vielversprechende Lösung, um thermische Energie nachhaltig und ressourceneffizient bereitzustellen.

Ein kurzer Überblick über die relevante Literatur hebt die Forschungslücke hervor und unterstreicht die Neuheit der vorliegenden Studie. Arpagaus und Bertsch [1] führten einen experimentellen Vergleich von R1224yd(Z), R1233zd(E), R1336mzz(Z) und R245fa in einem HTWP-System durch. Ihre HTWP im Labormaßstab mit einer thermischen Leistung von 10 kW wurde unter verschiedenen Temperaturhüben evaluiert. Mateu-Royo et al. [2] untersuchten die Machbarkeit des Ersatzes von R245fa durch alternative Hydrochlorfluorolefine (HCFOs) und Hydrofluorolefine (HFOs) in HTWP-Kreisläufen und identifizierten R1224yd(Z) und R1233zd(E) als vielversprechende Ersatzstoffe. Ihre aus ökologischer Sicht bewerteten Ergebnisse zeigten eine potenzielle Reduzierung der CO₂-Emissionen um bis zu 57,3 % im Vergleich zu herkömmlichen Kesseln für fossile Brennstoffe.

Hassan et al. [4] untersuchten eine HTWP mit R1233zd(E) als Kältemittel und entwickelten ein Simulationsmodell. Ihr System, ausgelegt für Wärmesenkentemperaturen über 130 °C, ermöglichte variable Verdichterdrehzahlen von 500 U/min bis 1500 U/min. Die Studie zielte darauf ab, über alle Betriebspunkte hinweg einen COP von mehr als 4 zu erreichen, und identifizierte die dafür notwendigen Randbedingungen. Ähnlich setzten Jiang et al. [6] R1233zd(E) in einer HTWP bei Vorlauftemperaturen bis 100 °C ein, mit einem COP von 3,67 bei einem Temperaturhub von 50 K. Ramirez et al. [11] untersuchten die Leistung einer dampferzeugenden HTWP mit externem Unterkühler zur Trennung von sensibler und latenter Wärmeerzeugung. Der Unterkühler verbesserte den COP um bis zu 33 % im Vergleich zu herkömmlichen HTWP-Konfigurationen.

Der in dieser Studie vorgestellte Versuchsstand wurde in mehreren früheren Studien [7, 8, 9, 10] analysiert, wobei der Fokus auf verschiedenen Themen lag, wie dem Einfluss wassergekühlter Zylinderköpfe, der Integration von HTWP in bestehende tiefengeothermische Heizwerke und der experimentellen Untersuchung von Skalierungseffekten. Die vorgestellten Studien unterstreichen das breite Feld experimenteller Untersuchungen, jedoch sind nur begrenzte Datensätze für Teillastbedingungen verfügbar und analysiert.

Literatur

[1] Arpagaus, C. and S. Bertsch (2020). Experimenteller vergleich von r1224yd(z) und r1233zd(e) in einer Hochtemperatur-Wärmepumpe. KI Kälte, (03):46–55.

[2] C. Mateu-Royo, J. Navarro-Esbri, A. Mota-Babiloni, M. Amat-Albuixech, and F. Moles (2019). Thermodynamic analysis of low gwp alternatives to hfc-245fa in high-temperature heat pumps hcfo-1224yd(z), hcfo-1233zd(e) and hfo-1336mzz(z). Applied Thermal Engineering, 152:762–777.

[3] Eurostat (2025). Eu renewable energy for heating and cooling reaches 26%.

[4] Hassan, A. H., Corberán, J. M., Ramirez, M., Trebilcock-Kelly, F., and Payá, J. (2022). A high-temperature heat pump for compressed heat energy storage applications: Design, modeling, and performance. Energy Reports, 8:10833–10848.

[5] IPCC (2014). Climate change 2014: Synthesis report. contribution of working groups i, ii and iii to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change.

[6] J. Jiang, B. Hu, R.Z. Wang, T. Ge, H. Liu, Z. Zhang, Y. Zhou (2023). Experiments of advanced centrifugal heat pump with supply temperature up to 100 °c using low-gwp refrigerant r1233zd(e). Energy, 263:126033.

[7] Jeßberger, J., Arpagaus, C., Heberle, F., Brendel, L., Bertsch, S., and Brüggemann, D. (2024a). Experimental investigations of upscaling effects of high-temperature heat pumps with r1233zd(e) frétudes expérimentales des effets d’échelle des pompes à chaleur haute température au r1233zd(e). International Journal of Refrigeration.

[8] Jeßberger, J., Heberle, F., and Brüggemann, D. (2024b). Experimental investigations of waste heat utilization of high-temperature heat pump compressors. In International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue.

[9] Jeßberger, J., Heberle, F., and Brüggemann, D. (2024c). Experimental investigations of water-cooled cylinder heads in a high temperature heat pump cycle. In High-Temperature Heat Pump Symposium.

[10] Jeßberger, J., Heberle, F., and Brüggemann, D. (2024d). Maximising the potential of deep geothermal energy: Thermal output increase by large-scale heat pumps. Applied Thermal Engineering, 257:124240.

[11] Ramirez, M., Trebilcock-Kelly, F., Corrales-Ciganda, J. L., Payá, J., and Hassan, A. H. (2024). Experimental and numerical investigation of a novel high-temperature heat pump for sensible and latent heat delivery. Applied Thermal Engineering, 247:122961.