Reversible R744-Wärmepumpe für Großgebäude

Hintergrund

Im Rahmen dieses Projektes wurden zwei reversible Luft/Wasser CO₂-Wärmepumpen entwickelt, gefertigt, vor Ort installiert, in Betrieb genommen und im Anschluss detailliert untersucht. Es konnten wertvolle Erfahrungen im Betrieb der Wärmepumpen und deren verschiedenen Betriebsarten, sowie deren Steuerungs- und Regelstrategie und deren Effizienz gesammelt werden. Es sollte überprüft werden, ob die prognostizierten Coefficient of Performance und Jahresarbeitszahlen in dieser Feldanlage erreicht werden. Ferner sollte aufgezeigt werden, dass es möglich ist, einen Gebäudepark und dessen Wärme- und Kältebedarf, mit dem natürlichen Kältemittel CO₂ effizient abzudecken, ohne den Einsatz von synthetischen, umweltschädlichen Kältemittel. Insgesamt sollten Berührungsängste mit CO₂ als Kältemittel im Komfortbereich abgebaut, deren Anwendung in der Praxis gefördert und gegebenenfalls weitere Anwendungen für die CO₂-Technologie aufgezeigt werden.

Anlagenbeschrieb

Neben den zwei reversiblen Luft/Wasser CO₂-Wärmpumpen zur Beheizung und Klimatisierung der Gebäude, wurde eine CO₂-Booster-Kälteanlage mit Ejektoren für die Plus- und Minuskühlstellen installiert, deren Abwärme ebenfalls für die Gebäudeheizung genutzt wird. Um eine möglichst hohe Effizienz zu erzielen, wurde für die reversiblen Wärmepumpen ebenfalls ein Konzept mittels Ejektoren gewählt. Abbildung 1 zeigt das gewählte Prinzip der reversiblen Wärmepumpe, links den Heizbetrieb, rechts den Klimabetrieb. Daraus ist die Vorverdichtung der Ejektoren ersichtlich. Im Heizbetrieb (Abbildung 1, links) wird das CO₂ von 23 bar(a) auf 27 bar(a) vorverdichtet. Dies entspricht einer Verdampfungstemperatur am Verdichter von -10°C, womit diese über der Luft-Austrittstemperatur von -12°C liegt. Im Klimabetrieb (Abbildung 1, rechts) wird das CO₂ von 40 bar(a) auf 45 bar(a) vorverdichtet. Dies entspricht einer Verdampfungstemperatur am Verdichter von +10°C, womit diese über der Kaltwasser-Austrittstemperatur von +7°C liegt. Im sogenannten Dualbetrieb kann gleichzeitig Wärme und Kälte aufbereitet werden.

Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Kennzahlen der reversiblen Luft/Wasser CO₂-Wärmepumpen in der Gegenüberstellung.

Die reversiblen Wärmepumpen bewirtschaften einen Wärme- und Kältespeicher. Dazu werden die Verdichter ein- und ausgeschaltet. Der Hochdruck wird mittels den Ejektoren nach dem optimalen Hochdrucksollwert, basierend auf der Gaskühler Austrittstemperatur, geregelt. Die Einspritzventile regeln die Überhitzung der Verdampfer. Der Verdampfungsdruck (Verdampfer), der Mitteldruck (Verdampfungsdruck Verdichter) und der daraus resultierende Druckhub der Ejektoren stellt sich von selbst ein, sprich wird nicht geregelt. Die Vorlauftemperaturen zum Heizen und Klimatisieren werden wasserseitig mit Regelventilen auf den Sollwert geregelt. Abbildung 2 zeigt den Projekt­umfang der installierten Anlagen vor Ort.

Betriebsauswertung

Die folgende Messdatenauswertung basiert, wenn nicht explizit anders erwähnt, auf Messdaten aus dem Zeitraum Oktober 2020 bis und mit September 2021. Seit dem Oktober 2020 wurden keine grundlegenden Anpassungen am System ausgeführt – die weitere Optimierung beruht grösstenteils auf der Optimierung von Regelparametern. Laut Meteo Schweiz waren der Winter 2020/21 sowie der Sommer 2021 gemäss den Klimabulletin [1], [2] von überdurchschnittlichen Niederschlagsmengen geprägt. Deren mittlere Temperatur lag über dem langjährigen Mittel. Extreme, andauernde Kälte blieb im Winter 2020/2021 wie auch extreme andauernde Hitze im Sommer 2021 aus. Aufgrund der hohen Niederschlagsmengen war jedoch die Feuchtigkeit in der Umgebung teilweise deutlich höher.

Aufbereitete Heiz- und Klimaenergie

Das Diagramm 1 zeigt die wöchentlich aufbereitete Nettoenergie beider Wärmepumpen. Werte der Betriebsarten Dual (gleichzeitiges Klimatisieren und Heizen) und Defrost (Abtauvorgang), sowie die Abwärme der gewerblichen Kühlung sind nicht in dieser Grafik enthalten. Die Daten sind nicht chronologisch sortiert, sondern über der Außentemperatur aufgetragen. Positive Werte bedeuten, dass wöchentlich mehr Wärme als Kälte aufbereitet wurde – umgekehrt bedeuten negative Werte, dass wöchentlich mehr Kälte als Wärme aufbereitet wurde.

Die lineare Abhängigkeit zwischen Heiz- und Kühlenergie und der Außentemperatur scheint plausibel und deckt sich mit Erfahrungswerten aus der gängigen Praxis. Die Strich-Punkt-Line repräsentiert ungefähr die Basis des Konzeptvergleiches. Es ist ersichtlich, dass man in der Konzeptphase von einem deutlich höherem Energieverbrauch ausging. Dies gilt sowohl für die Heiz- wie auch Klimaenergie. Der Wendepunkt zwischen Heizen und Kühlen liegt beim effektiven Betrieb wie auch dem Modell aus der Konzeptphase bei rund +13°C.

Teillastbetrieb

Aus den oben dargestellten Zusammenhängen geht hervor, dass die Wärmepumpen 1 und 2 im untersuchten Zeitraum weniger Heiz- und Klimaenergie aufbereiten als in der Konzeptphase seinerzeit angenommen wurde. Die Gründe für diese Tatsache können vielfältig sein und es ist davon auszugehen, dass es eine Summe aus verschiedenen Faktoren ist, wie z.B.:

Anderes thermisches Verhalten des Gebäudes aufgrund von energetischen Sanierungen

Unterschiedliche Belegung und Verwendung der Fremdmietflächen

Anderes Benutzer- bzw. Betriebsverhalten, z.B. aufgrund von COVID

Vorgesehene Reserveleistungen des Systems

Es ist davon auszugehen, dass mit abnehmender Teillast, auch die Effizienz der reversiblen Luft/Wasser CO₂-Wärmepumpen insgesamt abnimmt, obschon im Teillastbetrieb die Druckverluste in den Leitungen und Wärmeübertragern abnehmen.

Zum einen nimmt im Teillastbetrieb das Takten der Wärmepumpen deutlich zu, denn bei Außentemperaturen über dem Auslegungspunkt nimmt die geforderte Leistung tendenziell ab und die die minimale Teillast tendenziell zu. Diagramm 2 verdeutlicht diesen Effekt bei einer Wärmepumpe mit insgesamt sechs Verdichtern wovon einer drehzahlgeregelt ist. Bei einer Außentemperatur von -8°C entspricht die Heizleistung 100%. Die minimale Teillast bei einer Außentemperatur von +12°C entspricht 12%. Liegt der effektive Heizbedarf des Gebäudes im Auslegungspunkt bspw. gerade mal bei 50%, so bleibt die minimale Heizleistung von 12% dennoch bestehen. Was dann aber wiederum auf den Auslegungspunkt einem minimalen Teillast von 25% entspricht.

Aufgrund der zur Verfügung stehenden Abwärme von der Gewerbekühlung, wird die Tendenz der Teillast aus Sicht der Wärmepumpen zusätzlich verstärkt. Die Abwärme der Gewerbekühlung wird in erster Priorität genutzt, bevor die Wärmepumpen zum Heizen herangezogen werden. Es ist davon auszugehen, dass Wärmepumpen von Objekten ohne zur Verfügung stehende Abwärme eine höhere mittlere Teillast aufweisen.

Beim Einschalten einer der beiden Wärmepumpen dauert es rund 15 bis 30 Minuten bis sich stabile Betriebsverhältnisse (Drücke, Temperaturen) einstellen und einen effizienten Betrieb ermöglichen. Aufgrund des langen Leitungsnetzes zwischen der Wärme-/Kälte-Erzeugung und deren Speicherung dauert die Totzeit je nach Last bis zu 15 Minuten. Bei einem Start aus dem Stillstand (kein anderes System bereits in gleicher Betriebsart in Betrieb) kann dies dazu führen, dass während dieser Zeit kaltes Wasser oben in den Heizungsspeicher oder warmes Wasser unten in den Klimaspeicher gefördert wird.

COP Heizen

Diagramm 3 stellt den mittleren gemessenen Coefficient of Performance im Heizbetrieb, den prognostizierten Coefficient of Performance, sowie die gesamte aufbereitete Heizenergie beider Wärmepumpen 1 und 2 dar. Die roten Punkte (dicke Linie) entsprechen den gemessenen Mittelwerten, die dünne rote Linie stellt den prognostizierten COP (Modell: Betrieb) dar. Gewichtet nach der erzeugten Heizenergie, liegt der gemessene COP über den gesamten Temperaturbereich -1.0% unter dem prognostizierten COP. Die Jahresarbeitszahl vom reinen Heizbetrieb JAZ h beläuft sich auf 3.33, ohne Berücksichtigung des Dual-Betriebs (gleichzeitiges Heizen und Klimatisieren). Im unteren Temperaturbereich liegt der gemessene COP höher als der prognostizierte. Im oberen Temperaturbereich liegt der gemessene COP unter dem prognostizierten COP.

Der abflachende und allmählich abfallende COP im Heizbetrieb im oberen Temperaturbereich ist mit heutigem Kenntnisstand auf den Teillastbetrieb zurückzuführen. Dieser fällt im Heizbetrieb stark ins Gewicht, zumal sich mehrere Effekte kumulieren. Deren Herleitung wurde oben bereits beschrieben. Über das Jahr betrachtet (Jahresarbeitszahl JAZ h) hält sich dieser Effekt jedoch in Grenzen, zumal der Energiebedarf in diesem Bereich auch stark abnimmt.

Im unteren Temperaturbereich ist der gemessene COP im Heizbetrieb höher als der prognostizierte. Dies ist mit heutigem Kenntnisstand auf die im Betrieb tieferen Rücklauftemperaturen der Gebäudeheizung zurückzuführen. Dieser Effekt kann relativ einfach modelliert und in zukünftigen Berechnungen berücksichtigt werden. Darüber hinaus bestätigt dies einmal mehr das erforderliche Umdenken für eine effiziente Anwendung von CO₂-Wärmepumpen gegenüber herkömmlichen Wärmepumpen. Im Unterschied zu herkömmlichen Wärmepumpen bestimmt bei CO₂-Wärmepumen nicht die Vorlauftemperatur, sondern die Rücklauftemperatur und deren Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur die Effizienz massgeblich [3].

COP Klimatisierung

In Diagramm 4 sind der mittlere gemessene Coefficient of Performance im Klimabetreib, der prognostizierte Coefficient of Performance, sowie die gesamte aufbereitete Klimaenergie beider Wärmepumpen 1 und 2 dargestellt. Die blauen Punkte (dicke Linie) entsprechen den gemessenen Mittelwerten, die dünne blaue Linie stellt den prognostizierten COP (Modell: Betrieb) dar. Gewichtet nach der erzeugten Klimaenergie, liegt der gemessenen COP über den gesamten Temperaturbereich -3.1% unter dem prognostizierten COP. Die Jahresarbeitszahl JAZ c im reinen Kühlbetrieb beläuft sich auf 5.32 ohne Berücksichtigung des Dual-Betriebs.

Der tiefere COP im Klimabetrieb bei tieferen Außentemperaturen ist mit heutigem Kenntnisstand grösstenteils auf den Teillastbetrieb und vermehrtem Takten der Wärmepumpen zurückzuführen. Der Teillastbetrieb fällt im Klimabetrieb hin zu tieferen Außentemperaturen wie im Heizbetrieb zu höheren Außentemperaturen zunehmend ins Gewicht. Darüber hinaus nimmt mit abnehmender Außentemperatur der Hochdruck resp. der Treibdruck der Ejektoren ab und entsprechend nimmt auch die Saugwirkung der Ejektoren ab, was wiederum eine stabile Prozessführung merklich erschwert. Über das Jahr betrachtet (Jahresarbeitszahl JAZ c) liegen die gemessenen COP-Werte 3.1% unter den prognostizierten Werten. Im Unterschied zum Heizbetrieb, fallen diese Punkte über das Jahr betrachtet stärker ins Gewicht, da die gemessenen Werte in einem relevanten Temperaturbereich tiefer sind als die Prognose.

Ejektoren

Diagramm 5 zeigt die Außentemperatur (gelb), die mittlere Gaskühler-Austritts­temperatur (rot), die Kaltwasser-Rücklauftemperatur (schwarz), die Kaltwasser-Vorlauftemperatur (blau) und die Verdampfungstemperatur (Saugdruck, grün) der Verdichter in Abhängigkeit der Außentemperatur. Die Messdaten stammen von einem Folgeprojekt und wurden am 18.06.2021 während 24 Stunden mit einem Abtastinkrement von 3 Sekunden mit dem Tool für Datenfernüberwachung aufgezeichnet.

Sicherlich vorneweg nennenswert ist die hervorragende Temperaturannäherung im Gaskühler im transkritischen Betrieb an die Außentemperatur. Dies illustriert einen relevanten Unterschied zu herkömmlichen reversiblen Wärmepumpen. Weiter zeigt Diagramm 5 auf, dass es dank der verbesserten Abstimmung zwischen Ejektoren und Regelventil ab Außentemperaturen von ca. 20°C möglich ist, die Verdichter auf gleichem oder sogar einem höheren Verdampfungsdruck zu betrieben als die aufbereitete Kaltwassertemperatur. Interne Druckverluste im Verdampfer, Saugleitung und Sauggasüberhitzer sind bereits enthalten.

Schlussfolgerungen und Fazit

Insgesamt sind die gewonnenen Erkenntnisse sehr wertvoll und wurden grösstenteils bereits in einem Folgeprojekt umgesetzt und deren Wirkung geprüft. Der Coefficient of Performance im Heizbetrieb konnte von -1.0% auf +6.6% gegenüber dem Modell gesteigert werden. Die Jahresarbeitszahl im reinen Heizbetrieb liegt im Folgeprojekt bei 3.68 gegenüber der Jahresarbeitszahl von 3.33 im Pilotprojekt. Dies jeweils ohne Berücksichtigung des Dual-Betriebs.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die reversiblen Luft/Wasser CO₂-Wärmepumpen seit Herbst 2019 erfolgreich in Betrieb sind. Es konnten wertvolle Erkenntnisse über deren Betriebsverhalten und die einzelnen Betriebsarten gewonnen werden. Obschon die gemessenen Coefficient of Performance die Zielwerte im untersuchten Zeitraum knapp nicht erreichten, wurden in der Zwischenzeit mehrere Folgeprojekte erfolgreich umgesetzt und weitere sind in Planung. Die gemessene Effizienz-Steigerung zwischen dem ersten Pilotprojekt und dem ersten Folgeprojekt unterstreichen, dass aus dem ersten Projekt relevante Schlussfolgerungen gezogen wurden und diese erfolgreich ins Folgeprojekt eingeflossen sind. Insgesamt konnten Berührungsängste mit CO₂ als Kältemittel im Komfortbereich abgebaut und deren Anwendung in der Praxis gefördert
werden.

Ausblick

Der Ausblick zum erwähnten Folgeprojekt lässt erahnen, dass geringfügige Anpassungen in der Systemauslegung und im Betrieb eine Steigerung des COP gegenüber dem Modell von rund +8 % bewirken. Es ist davon auszugehen, dass bei weiteren Folgeprojekten nochmals eine Effizienz-Steigerung erzielt werden kann. Nebst den energetischen Optimierungen konnte beim Folgeprojekt auf redundante Betriebsarten verzichtet werden. Dies bringt eine Reduktion der Komplexität, sowie der Investitions- und Betriebskosten. Weiteres Potential, die Investitions- und Betriebskosten zu reduzieren, resultiert erfahrungsgemäss aus weiteren Folgeprojekten. Dank zunehmender Erfahrung mit der Technologie, können die Systeme weiter optimiert werden. Unter Berücksichtigung der ökologischen Bedenken mit synthetischen Kältemittel, wie auch der Tatsache, dass CO₂ im Vergleich zu Ammoniak und Propan weder toxisch noch brennbar ist und zu guter Letzt stimmt der erzielte Fortschritt in Punkto Effizienz im ersten Folgeprojekt die Autorenschaft zuversichtlich, dass reversible Luft/Wasser CO₂-Wärmepumpen in Zukunft eine relevante Rolle bei der Beheizung und Klimatisierung von modernisierten Grossgebäuden spielen werden.

Entscheidend für energieeffiziente, nachhaltige Lösungen der Zukunft ist sicherlich auch, dass es gelingt, sich vom Irrglauben zu lösen, dass der bevorzugte Einsatz einer Technologie oder eines Kältemittels anhand einzelner Kriterien beurteilt werden kann. Erfahrungsgemäss sind die Zusammenhänge komplex und eine Beurteilung bedarf einer objektspezifischen, individuellen Betrachtung über den Lebenszyklus – womöglich bereits in einer frühen Konzeptphase. Relevante Kriterien, nebst der Sicherheitsanforderung resultierend aus Toxizität und Brennbarkeit, weshalb die energetischen Vorteile zugunsten von CO₂ fallen können, sind:

Geforderte Heizungs-Vorlauftemperatur von +50°C

Hohe Temperaturspreizung der Heizungs-Vor- und -Rücklauftemperatur von 20 K

Geflutete Verdampfer und Vorverdichtung von Gas durch den Einsatz von Ejektoren

Direkte Wärmeabgabe im Gaskühler ohne Wärmeträger und zusätzlichen Wärmeübergang

Der effiziente Einsatz von CO₂ als Kältemittel erfordert in der Regel erhöhte Bemühungen an die Prozessführung, was meist mit höheren Investitionskosten einhergeht. Im untersten Leistungsbereich fallen die höheren Investitionskosten ökonomisch stärker ins Gewicht und es ist Stand heute schwierig, mit Alternativen mitzuhalten. Mit zunehmender Systemleistung nimmt in der Regel die Kältemittel Füllmenge und die damit einhergehenden Anforderungen an die Sicherheit, insbesondere der toxischen und brennbaren Kältemittel zu. Mit zunehmender Leistung kompensieren die Vorteile in Punkto Sicherheitsanforderungen die höheren Investitionskosten aufgrund der Prozessführung und es kann ab einer gewissen Leistung sogar ein ökonomischer Vorteil zugunsten von CO₂ resultieren.

Obschon die Entwicklungen der Komponentenhersteller hin zu grösseren Leistungen mit CO₂ in den letzten Jahren stark forciert wurde, limitieren die heute verfügbaren Komponenten für CO₂ den oberen Leistungsbereich nach wie vor. Für Leistungen im Megawatt-Bereich kann je nach Komponente nur auf einen Hersteller zurückgegriffen werden oder es macht sogar Sinn, mehrere Komponenten parallel einzusetzen. Dies ist in der Regel mit finanziellen Nachteilen für CO₂ verbunden. Wie bereits erwähnt, laufen die Entwicklungen auf Hochtouren und es ist davon auszugehen, dass in den nächsten zwei bis drei Jahren, die durch die verfügbaren Komponenten für CO₂ limitierte Leistung, verdoppelt werden kann.

Literaturverzeichnis

[1] Klimabulletin Winter 2020/2021, Meteo Schweiz

[2] Klimabulletin Sommer 2021, Meteo Schweiz

[3] Referat und Tagungsband: CO₂-Wärmepumpe für Warmwasser und Gebäudeheizung: Übersicht und Konzept, J. Schönenberger, Wärmepumpentagung 2019.