Modellbasierte Kältekreislauf-Optimierung mit R454C

Die Auswahl des Kältemittels und die Auslegung des Kältemittelkreislaufs sind entscheidende Parameter für die Energieeffizienz des Systems. HFO-Kältemittel wie Opteon XL20 (R454C) mit GWP 148 (AR4) ist ein besonders geeigneter Kandidat für Wärmepumpenanwendungen mit hohem Temperaturhub z. B. bei Luft/Wasser-Wärmepumpen mit hoher Vorlauftemperatur (wie bei der Sanierung gefordert) in Gebäuden mit vorhandener Heizkörperanlage und für die Warmwasserbereitung. Für dieses Kältemittel sind heute Rollkolbenverdichter verfügbar, die eine Verflüssigungstemperatur von 65 °C ermöglichen bei einer Verdampfungstemperatur von -30 °C sowie eine Verflüssigungstemperatur von 75 °C bei Verdampfungstemperaturen von -10 °C bis 25 °C. Mit diesem weiten Verdichter-Arbeitsbereich können elektrische Heizungen für bivalente Unterstützung bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen vermieden werden und damit der System-SCOP erhöht werden.

Frühere Drop-in-Tests mit unterschiedlichen Wärmepumpensystemen und verschiedenen Kältemitteln haben gezeigt, dass die Möglichkeiten des Kältemittels in Bezug auf die Heizleistung und die Energieeffizienz nicht voll ausgeschöpft werden kann, wenn die Auslegung des Kältemittelkreislaufs nicht gemäß den Eigenschaften des Kältemittels erfolgt. Aus diesem Grund wurde dieses Projekt initiiert, um die wichtigsten Systemparameter und Einstellungen für die Entwicklung vollständig optimierter Wärmepumpensysteme mit R454C in puncto Energieeffizienz und Heizleistung zu ermitteln. Umfassende Messungen wurden an einem renommierten, unabhängigen Institut in Deutschland durchgeführt und ein thermodynamisches Modell in Modelica Sprache, die auf der Dymola-Umgebung basiert, wurde entwickelt und validiert anhand der Messergebnisse [1]. Die Ergebnisse zeigen ein sehr großes Verbesserungspotenzial für die Wärmepumpe, sowohl bei der Energieeffizienz als auch bei der Heizleistung unter Verwendung von R454C und Optimierung o. g. Modifikationen (Verdichter, interner Wärmeübertrager, Überhitzungseinstellungen).

Messausstattung und Aufbau

Eine Sole/Wasser-Wärmepumpe (B/W) wurde für die Tests verwendet. Die Wärmepumpe vom Typ SWCV 62H3 wurde von AIT Deutschland hergestellt. Sie arbeitet mit R407C und hat eine Heizleistung B0W35 (EN 14511) von 3,32 kW und einen COP B0W25 (EN 14511) von 4.86. Um eine detaillierte Analyse des Systemverhaltens unter allen Betriebsbedingungen zu erfassen, wurden mehrere zusätzliche Sensoren (Temperatur, Druck) und zusätzliche Schaugläser ergänzt. Das thermostatische Expansionsventil wurde durch ein elektronisches Expansionsventil mit elektronischem Regler ersetzt. Die Heizleistung und der Sollwert für die Verdichter-Drehzahl konnte über die Service-Schnittstelle eingestellt
werden.

Testserien

Um zu evaluieren, wie die Änderungen/Optimierungen der unterschiedlichen Komponenten des Kältekreislaufs die Leistung und Effizienz der Wärmepumpe beeinflussen, waren mehrere experimentelle Messungen notwendig. Zu diesem Zweck wurde ein Messplan bestehend aus vier verschiedenen Studienbereichen erstellt. Für jede der Studien wurde nur eine Modifikation des Kältekreislaufs angewandt. In jeder einzelnen Studie wurden mehrere Messungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen durchgeführt. Jede Messung dauerte mindestens eine Stunde, um stabile stationäre Bedingungen beobachten zu können. Die unterschiedlichen Betriebsbedingungen wurden mit dem Ziel definiert, ein ausreichend breites Spektrum an Leistungen sowie Quellen- und Senken- Temperaturen für eine repräsentative Analyse abzudecken. Tabelle 1 enthält eine Zusammenfassung der durchgeführten Studien.

Die Betriebsbedingungen für die Studien A, B und C1 waren B0/W55 bei Verdichter Drehzahlen von 30, 50, 70 und 90 Hz und B-11/W55 bei 30 Hz. Für die Studien C2 und D waren die Bedingungen B0/W55 und B0/W35, jeweils bei einer Verdichter Drehzahl von 30, 50, 70 und 90 Hz. Darüber hinaus wird eine Reihe weiterer Bedingungen gemessen, um eine ordnungsgemäße Validierung des thermodynamischen Modells, auch bei erweiterten Betriebsbedingungen sicher zu stellen.

Messergebnisse

Studie A:

In dieser Studie wurden die Referenzwerte für alle weiteren Messungen und den Vergleich mit dem ursprünglichen Kältemittelkreislauf erstellt. Ein Vergleich zwischen den neuen und vorherigen Messungen zeigt, dass durch den Einbau der zusätzlichen Komponenten keine signifikanten Veränderungen im Verhalten des Kältekreislaufs auftreten.

Studie B:

In dieser Studie wurde das Kältemittel durch R454C ersetzt, der Kältekreislauf blieb unverändert („Drop-in“). Das EEV wird automatisch betrieben. Der Überhitzungsbezugspunkt befindet sich hinter dem Verdampfer. Die COP-Werte sind im Vergleich zu Studie A geringfügig niedriger. Auch alle anderen Betriebsparameter weisen nur geringe Abweichungen auf.

Studie C1:

In dieser Studie wurde der R407C-Verdichter durch einen für R454C ausgelegten Verdichter ersetzt. Die Messungen wurden unter den gleichen Bedingungen wie in den Studien A und B durchgeführt. Um ein breiteres Spektrum an Betriebsbedingungen abzudecken, wurden zusätzliche Messpunkte hinzugefügt, die dann als Grundlage für die Parametrierung des Softwaremodells dienen.

Ergebnisse: Die Kapazität verbesserte sich um +0 bis +1,14 %. Auch der COP verbesserte sich um +0 bis +3 %. Die höchsten Verbesserungen wurden bei den größten Werten des Temperaturhubs erzielt.

Studie C2:

Für den zweiten Teil der Messreihe C wurde die Überhitzungsmessposition des Carel-Reglers hinter den IHX verschoben. Ziel dieser Maßnahme ist es, den Wert der „minimalen stabilen Überhitzung“ (MSS) und die Betriebsgrenzen des Kältemittelkreislaufs zu ermitteln. Die niedrigst mögliche Soleeintrittstemperatur lag bis zu dieser Serie bei ca. -12 °C. Um niedrigere Soletemperaturen zu ermöglichen, wurden zwei Sicherheitsmechanismen der Wärmepumpe deaktiviert und vier weitere Messpunkte hinzugefügt. In diesem Fall konnte eine Soleeintrittstemperatur von -16,5 °C erreicht
werden.

Ergebnisse: Die Kapazität verbesserte sich um +3 bis +18 %. Der COP verbesserte sich um +3 bis+14 %.

Studie D:

Für die Versuchsreihe D wurde der interne Wärmeübertrager auf Basis der Variationen des Simulationsmodells ausgetauscht. Die Grundvoraussetzung bestand darin, einen COP-optimierten Wärmeübertrager mit möglichst geringen Kosten auszuwählen. In der ursprünglichen Konfiguration wird ein Rohr-in-Rohr-Wärmeübertrager mit folgenden Spezifikationen verwendet: Länge 150 mm, Außendurchmesser 28 mm, Innendurchmesser 22 mm, Material: Kupferrohr ohne Lamellen.

Daher fiel die Wahl auf einen Rohr-in-Rohr-Wärmeübertrager mit den gleichen Rohrdurchmessern wie der ursprüngliche IHX, aber einer auf 300 mm vergrößerten Länge.

Ergebnisse: Die Kapazität verbesserte sich um +4 bis +8 %. Der COP verbesserte sich um +4 bis +7 %.

Modellentwicklung

Die Modellierung und Simulation der untersuchten Einheit wurde mit der Modellierungssprache Modelica mit der Anwendung Dymola durchgeführt. Die Komponenten und Kältemitteleigenschaften wurden aus der TIL-Suite und für R454C übernommen. Alle Simulationen wurden auf einem Simulationsrechner des Instituts durchgeführt. Die automatisierten Simulationen wurden mit einem Python-Skript ausgeführt.

Das Modell wurde nach dem Schema der Wärmepumpe und den vom Wärmepumpenhersteller zur Verfügung gestellten Komponentendaten entwickelt. Die Hauptkomponenten wurden in verschiedenen Modellen vorgetestet. Bei der Auswertung der experimentellen Daten wurden unterschiedliche Effekte festgestellt, die einen Einfluss auf die Regelung und die Leistung der Wärmepumpe haben, so dass das Modell in verschiedenen Schritten verbessert wurde.

Für die drei verschiedenen experimentellen Tests, die für die Modellvalidierung in Betracht gezogen wurden (A, B und C), wurden drei verschiedene Modelle implementiert, um die Auswirkungen verschiedener Änderungen auf die Wärmepumpe zu identifizieren. Für die Wärmeübertragungs- und Druckverlustmodelle sowie für das Verdichter-Effizienzmodell können verschiedene Parameter angepasst werden, um das Wärmepumpenmodell zu validieren.

Um die Simulationsstudie am internen Wärmeübertrager zu vervollständigen, waren weitere Modellierungen erforderlich, um die Effekte zu bewältigen, die während der ersten Tests beobachtet wurden: Rohre neben dem internen Wärmeübertrager wurden detaillierter modelliert. Für die Niederdruckstrecke wurden die Rohre mit der thermischen Grenze verbunden und die Druckdifferenz beider Seiten mit einem Druckdifferenzsensor überwacht. Auch die Regelungsstrategie des EEV wurde angepasst, so dass entweder die Überhitzung hinter dem Verdampfer oder der interne Wärmeübertrager genutzt werden konnte. Zusätzlich wurde ein minimaler stabiler Überhitzungszustand bis zum Sollwert des EEV-Reglers implementiert, um zu verhindern, dass die Wärmepumpe in einem instabilen Zustand arbeitet. Die Geometrie des internen Wärmeübertragers (IHX) wurde definiert und in der Simulationsstudie verwendet.

Simulationsstudien und -ergebnisse

Der interne Wärmeübertrager wurde ­detailliert analysiert, mit dem Ziel, die Leistung der Wärmepumpe zu erhöhen.

Studie 1: Unterschiedliche Länge des IHX bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen mit festen Überhitzungseinstellungen des Verdampfers.

Studie 2: Einfluss unterschiedlicher Überhitzungsreferenzen (hinter Verdampfer / hinter IHX)

Studie 3: Simulationen mit konstantem Soledurchfluss

Studie 4: Simulationen mit konstanten Temperaturunterschieden in der Sole

Studie 5: Simulationen mit unterschiedlichen IHX-Geometrien und höherer Überhitzung

Studie 6: Ergänzung zu Studie 5. Einschließlich eines vernachlässigten IHX (IHX-Länge = 0)

Ergebnisse:

Studie 1 hat eindeutig gezeigt, dass die Festlegung des Überhitzungswertes hinter dem Verdampfer die effektiv genutzte Oberfläche des Verdampfers begrenzt und es dem IHX somit nicht möglich, einen Teil der „nützlichen“ Überhitzung zu übernehmen. Studie 2 bestätigte, dass die Voreinstellung der IHX-Überhitzung und der variablen Verdampfer Überhitzung die Verwendung einer größeren Verdampfer Oberfläche ermöglicht, was zu höheren Verdampfungstemperaturen und einem höheren Wirkungsgrad führt. Die Studien 3, 4 und 5 zeigten eine starke Abhängigkeit der Systemeffizienz von der IHX-Geometrie (Durchmesser und Durchmesserverhältnis) und der Länge (Oberfläche). Studie 6 ermöglichte es, die früheren Ergebnisse mit einem Kältemittelkreislaufsystem zu referenzieren, das keinen IHX verwendet.

Zusammenfassung und ­Schluss­folgerungen

Eine Sole/Wasser-Wärmepumpe, die für R407C ausgelegt ist, wurde durch zusätzliche Messgeräte ergänzt und unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen getestet, die jeweils mit unterschiedlichem Systemaufbau ausgestattet sind, wobei für jede der fünf Messreihen (A, B, C1, C2, D) ein Parameter geändert wird. Es wurden drei Hauptparameter identifiziert, die einen relevanten Einfluss auf den Wirkungsgrad (COP) und die Heizleistung des Systems haben:

1. Der Verdichter, der für das Kältemittel konstruiert ist.

2. Der interne Wärmeübertrager, der für das System richtig ausgelegt ist.

3. Die Sauggas-Überhitzungsregelung, die die Überhitzung im Verdampfer reduziert.

Ein thermodynamisches Modell der Wärmepumpe wurde in der Sprache Modelica entwickelt und auf Basis der Messergebnisse validiert. Eine Reihe von Simulationen wurde durchgeführt, um die Abhängigkeit von Systemeffizienz und -kapazität von den drei identifizierten Modifikationen zu bewerten. Im Anschluss an die modellbasierte Optimierung des IHX wurde eine weitere Messreihe zur weiteren Validierung durchgeführt. Die Vorhersagen der modellbasierten Simulationen haben sich vollständig bestätigt.

Die Verbesserungen bei COP und Kapazität, basierend auf der Optimierung der drei ausgewählten Parameter, sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 3 zeigt die Bandbreite der Gesamtverbesserungen, die durch die gleichzeitige Optimierung aller drei Einstellungen erzielt wurden.

Das vollständig etablierte und validierte thermodynamische Modell kann nun für die Entwicklung von hochenergieeffizienten und leistungsstarken Wärmepumpensystemen mit dem Kältemittel R454C verwendet werden, wodurch die Labortestzeit minimiert und die Entwicklungskosten gesenkt werden können.

Ergänzende Untersuchungen und Ergebnisse

Da die Betriebsbedingungen im Kältemittelkreislauf bei B0/W35 denen einer Kälteanlage bei Normalkühlung sehr ähnlich sind, bot es sich an, auch das „kalte Ende“ der Anlage zu betrachten und die für die „Wärmepumpe“ durchgeführten Optimierungen und Messergebnisse auch auf die Ergebnisse als Normalkühlungs-Anlage zu eruieren und zu bewerten. Erneut wurden die Messdaten der vorab ­beschriebenen Testreihen ausgewertet und die Kälteeffizienz (COP) und die Kälteleistung in sämtlichen Arbeitspunkten ermittelt. Tabelle 4 stellt die Verbesserungen in Abhängigkeit der Optimierungs-Parameter dar.

Damit wurde gezeigt, dass die an einer Wärmepumpe durchgeführten Optimierungen ebenso für eine Kälteanlage funktionieren und auch dort prozentual zweistellige Verbesserungen in der Anlageneffizienz und der Kälteleistung ermöglichen. Das im Projekt entwickelte Simulationsmodell kann somit auch für die Anwendung Kälteanlage eingesetzt werden.

Referenzen

[1] Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE: “Chemours R-454C, Analysis and optimization of an R-407C brine-to-water heat pump for the usage with R-454C”, AN21- 1044, (2023).