Wärmepumpe mit integriertem Latentwärmespeicher

Einleitung

Um die Klimaschutzziele im Bereich der Wärmeversorgung von Wohngebäuden zu erreichen, müssen umfangreiche Maßnahmen ergriffen werden. Zusätzlich zur Reduktion des Energiebedarfs und der Treibhausgas­emissionen durch Wärmeschutzmaßnahmen muss die Energiebereitstellung durch die Wärmeversorgungssysteme mit hoher Effizienz und unter bestmöglicher Nutzung regenerativer Quellen erfolgen.

Die Energiewende und die damit verbundene Sektorkopplung zielen auf einen erhöhten Einsatz von erneuerbarer Elektrizität, insbesondere für den Verkehrssektor und die Wärmeversorgung von Wohngebäuden [1]. Entsprechend dem volatilen Angebot elektrischer Leistung aus erneuerbaren Energiequellen ist es erforderlich die Verbraucher zu flexibilisieren. Wärmepumpen mit Speichersystemen können einen Beitrag zur Wärmewende leisten [2], indem sie regenerativen, elektrischen Strom bei Verfügbarkeit aufnehmen und bei Bedarf als Wärmeleistung wieder abgeben. Deshalb wurde eine Wärmepumpe mit integriertem Latentwärmespeicher entwickelt. Latentwärmespeicher sind durch die Aufnahme großer Wärmemengen innerhalb eines engen Temperaturintervalls ideal für die Kopplung mit Wärmepumpen geeignet.

Stand der Technik: Latentwärmespeicher und PCM

Das am häufigsten verwendete Speichermedium in konventionellen Wärmespeichern ist Wasser [3]. In Wärmepumpensystemen werden Wasserspeicher im Raumwärmeheizkreis meist als Puffer eingesetzt, um unerwünschte Taktung mit zu kurzen Zeitintervallen zu vermeiden. Auf Wasser basierende Schichtspeicher sind dazu eine praxistaugliche und effiziente Lösung. Größere Wärmemengen zur Bereitstellung von Heizleistung über mehrere Stunden werden in dieser Anwendung nicht gespeichert. Aus einer solchen Nutzung würden zunehmender Platzbedarf durch Volumenzunahme und Mischverluste durch den Temperaturausgleich in der Speicherschichtung resultieren.

Diesen Effekten kann mit Latentwärmespeichern entgegengewirkt werden. Bei dieser Speicherart beruht das Prinzip der Wärmespeicherung auf der Enthalpieänderung des Phasenwechselmaterials beim Wechsel des Aggregatzustandes, die für die jeweiligen Speichermedien in einem charakteristischen Temperaturbereich auftreten. Dementsprechend weisen Latentwärmespeicher hohe Energiedichten bei der für die Anwendung ausgewählten Auslegungstemperatur auf, was für den Einsatz in Wärmepumpensystemen von Vorteil ist. Gewicht und Raumbedarf von Latentwärmespeichern sind im Vergleich zu konventionellen Pufferspeichern bei gleichem Energieinhalt deutlich geringer. Die Integration von Latentwärmespeichern und Phasenwechselmaterialien (PCM) direkt in Wärmepumpensysteme befindet sich noch im Stadium der Forschung. Der Markt bietet noch keine kommerziellen Produkte in diesem Segment an. Externe Latentwärmespeichersysteme sind jedoch auf dem Markt erhältlich. Sie können, wie herkömmliche Wärmespeicher, mit Heizungsanlagen kombiniert werden. Dies gilt auch für Wärmepumpen-Heizsysteme. Die Wärmeübertragung zwischen dem Speicher und dem Wärmepumpensystem wird durch die Verwendung eines zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs erreicht. Zwei Arten von externen Latentwärmespeichern sind im Wesentlichen auf dem Markt erhältlich:

Eisspeicher [4]: Ein bereits auf dem Markt etabliertes Latentwärmespeichersystem ist der Eisspeicher. Bei dieser Speicherbauform wird Wasser als Phasenwechselmaterial verwendet, das zum Laden und Entladen des Speichers die Phase zwischen fest und flüssig wechselt.

Makro-Verkapselte Phasenwechselmaterialien [5]: Bei dieser Anwendung von Phasenwechselmaterialien als Speichermedium sind die PCM in einer festen Hülle verkapselt. Üblicherweise wird Kunststoff als Schalenmaterial verwendet, das zur Trennung von der Wärmeträgerflüssigkeit dient. Salzhydrate, Paraffine und eutektische Gemische sind übliche PCM, die innerhalb der Verkapselung einen Phasenwechsel zwischen fest und flüssig vollziehen. Allerdings bildet die Verkapselung einen zusätzlichen thermischen Widerstand für die Wärmeübertragung zwischen dem PCM und der Wärmeträgerflüssigkeit. Ein wesentlicher Vorteil des Einsatzes von verkapselten PCM ist die Möglichkeit bestehende Speichersysteme weiterhin zu nutzen. Dazu werden die Kapseln in das Volumen des Speichers eingefüllt. So kann neben der Nutzung des konventionellen Wärmespeichers auch die bestehende Heizungsanlage weiter betrieben werden.

Darüber hinaus können mikroverkapselte Phasenwechselmaterialien als Wärmeträgerfluide in Heiz- und Kühlkreisläufen verwendet werden [6-8]. Im Hinblick auf die Verwendung von Phasenwechselmaterialien ohne Mikroverkapselung als Wärmeübertragungsflüssigkeit wird an der Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung von Slurries geforscht, d.h. Dispersionen von Phasenwechselmaterialien, die als pumpfähige Wärmeübertragungsflüssigkeit verwendet werden können. Die Phasenwechsel-Dispersionen enthalten in Wasser dispergierte PCM-Tröpfchen, die bei der Wärmeübertragung ihre Phase zwischen fest und flüssig wechseln. Diese beiden Arten der Anwendung von PCM ist noch nicht marktüblich.

Zahlreiche Forschungsaktivitäten beschäftigen sich mit der direkten Integration von Phasenwechselmaterialien und Latentwärmespeichern in Wärmepumpensystemen. Dabei handelt es sich um Anwendungen mit Systemaspekten, die sich von den bisher genannten unterscheiden:

Latentwärmespeicher werden auf der Niederdruckseite von Kältekreisläufen zur Anwendung in Kühlprozessen integriert. Die verwendeten Latentwärmespeicher werden direkt durch Wärmeübertragung an das bzw. vom Kältemittel be- und entladen. Die Integration von Kältespeichern auf der Niederdruckseite und Wärmespeichern auf der Hochdruckseite unterscheiden sich in Bezug auf Temperatur, Druck und Art der hydraulischen Verschaltung. Diese Art der Anwendung kommt z.B. in Prototypen mit CO₂-Kältemittelkreislauf zur Lebensmittelkühlung zum Einsatz. [9]

In weiteren Prototypen werden Latentwärmespeicher (LWS) parallel zum Verdampfer in den Kältemittelkreislauf integriert und betrieben. Dies bedeutet, dass der LWS in direktem Kontakt mit dem Verdampfer des Kältekreislaufs genutzt wird. Somit dient der Speicher nach der aktiven Beladung als passives Element zur Stabilisierung der Temperatur in der Kühleinheit. So können z.B. Temperaturschwankungen in Kühlregalen bei der Beladung mit warmen Waren, bei Abtauzyklen oder bei Stromausfällen reduziert werden. Als PCM können unter anderem Wasser und CO₂ eingesetzt werden. [10]

Ein weiterer Systemaspekt ist der Einsatz eines Drei-Medien-Wärmeübertrager als Verdampfereinheit. Ein solcher Wärmeübertrager kann Kanäle für das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs der Wärmepumpe und für die Wärmeträgerflüssigkeit zur Versorgung des Kühlkreislaufs aufweisen. Der Speicher ersetzt in dieser Anwendung den ursprünglichen Verdampfer und kann durch direkte Verdampfung des Kältemittels geladen werden. Ein möglicher Einsatz wäre die Unterstützung der Kühlung eines häuslichen Wärmepumpensystems. [11]

Bei allen vorgestellten Systemvarianten kommt es allerdings zu Effizienzeinbußen durch zusätzlich Wärmeträgerkreisläufe, so dass das Druck- und Temperaturniveau der Verdampfung oder Kondensation im Wärmepumpenkreislauf abgesenkt bzw. angehoben werden muss. Damit ergibt sich eine Verringerung der Arbeitszahl des Wärmepumpenprozesses im Vergleich zum Betrieb der Wärmepumpe ohne Speicher.

Forschungslücke: Effizienzverlust bei der Einbindung von Latent­wärmespeichern in Wärmepumpenheizungen

Die Anwendung von Latentwärmespeichern steht in Konkurrenz zu konventionellen Wärmespeichern. Konventionelle Wärmespeicher erfordern keine Temperaturerhöhung des Heizungswassers gegenüber der Vorlauftemperatur der Heizungsanlage. Sie können daher mit Wärmepumpensystemen kombiniert werden, ohne dass eine zusätzliche Druckanhebung durch den Verdichter und die damit verbundene Erhöhung der Kondensationstemperatur im Vergleich zum Betrieb ohne Speicher notwendig ist. Wie zuvor erläutert bringen Wasserspeicher bei der heizungsunterstützenden Anwendung jedoch Nachteile wie zunehmender Platzbedarf für die Aufstellung des Speichers und Mischverluste durch den Temperaturausgleich in der Speicherschichtung mit sich. Diesen Effekte kann durch den Einsatz von Latentwärmespeichern entgegengewirkt werden kann.

Bild 1 zeigt die schematische Darstellung eines Wärmepumpensystems mit externem Latentwärmespeicher während des Ladens (links) und des Entladens (rechts). Nach dem derzeitigen Stand der Technik dient bei Einbindung von Latentwärmespeichern in Wärmepumpensysteme ein externer Wärmeträgerkreislauf zur Wärmeübertragung vom Kondensator zum Wärmespeicher, verbunden mit einem zweistufigen Temperaturabfall. Ein dritter Wärmeübertrag mit einem dritten Temperaturabfall ist für die Wärmeübertragung vom Wärmespeicher auf den Vorlauf des Heizkreisvorlaufes notwendig. Als Folge dieser dreistufigen Wärmeübertragung von der Kältemittelkondensation auf den Heizkreislauf ist ein erhöhtes Temperaturniveau des Verflüssigers der Wärmepumpe erforderlich.

Bild 2 verdeutlicht die Notwendigkeit eines zusätzlichen Druckhubes bei externer Integration eines Latentwärmespeichers in das Wärmepumpensystem. Dargestellt sind die Temperaturniveaus des Kältemittelkreislaufs der Wärmepumpe, sowie die Niveaus des Wärmeträgerkreislaufs für den Wärmeeintrag in den Speicher sowie die Temperaturniveaus des Latentwärmespeichers und des Heizkreislaufs. Im regulären Heizbetrieb der Wärmepumpe, ohne Wärmespeicher, liegt das Temperaturniveau des Verflüssigers leicht unter dem Niveau der Vorlauftemperatur des Heizkreises. Die endgültige Temperaturerhöhung des Heizkreislaufs wird durch die Enthitzung des vom Verdichter des Wärmepumpenkreislaufs gelieferten Kältemitteldampfs erreicht. Wie in Bild 2 dargestellt, muss das Druckniveau des Verflüssigers aufgrund der zusätzlichen Temperaturunterschiede, die für die Aktivierung des Wärmespeichers erforderlich sind, gegenüber der ursprünglichen Auslegung angehoben werden.

Nach dem Stand der Technik erhöht sich demnach das Druckverhältnis des Wärmepumpenkreislaufs, wenn ein Latentwärmespeicher integriert wird. Dementsprechend steigt die Leistungsaufnahme des Wärmepumpenverdichters, so dass sich eine Verringerung der Arbeitszahl einstellt.

Neuartiges Konzept: Wärmepumpe mit integriertem Latentwärme­speicher

Um den Effizienzverlust bei der herkömmlichen Einbindung von Latentwärmespeichern in Wärmepumpensysteme auszuschließen, wurde ein neuartiges Konzept für die Integration entwickelt, mit dem die aufgezeigte Forschungslücke geschlossen werden kann.

Durch die direkte Integration eines Latentwärmespeichers in Verbindung mit einem zweiten Verflüssiger-Wärmeübertrager in den internen Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe und die Anwendung eines speziellen Betriebskonzepts wird eine Erhöhung des Druckhubs zur Beladung des Latentwärmespeichers vermieden und die Effizienz des Gesamtsystems im Vergleich zu herkömmlichen Anlagenkonzepten erhöht. Erreicht wird dies durch direkte Wärmeübertragung zwischen dem verdampfenden oder kondensierenden Kältemittel und dem Phasenwechselmaterial im Speicher sowie durch die Integration des Wärmespeichers in einer seriellen Anordnung zwischen zwei Verflüssiger-Wärmeübertragern. Auf diese Weise ist kein zwischengeschalteter Wärmeträgerkreislauf zur Wärmeübertragung zwischen dem Phasenwechselmaterial und dem Kältemittel erforderlich, was einen minimalen Temperaturverlust und eine bestmögliche Anpassung an das Temperaturprofil des Heizkreislaufs ermöglicht. Bild 3 zeigt das Fließbild des Wärmepumpenkreislaufs mit integriertem Latentwärmespeicher während der Be- und Entladung des Latentwärmespeichers.

Die Beladung des Latentwärmespeichers erfolgt durch Schmelzen des Phasenwechselmaterials im Inneren des Latentwärmespeichers mit Hilfe der Kondensation des Kältemittels, beschrieben durch die Zustandspunkte 3 und 4 in Bild 4. Das Bild zeigt den vollständigen Kältemittelkreislauf mit den jeweiligen Druck- und Temperaturniveaus, der einem herkömmlichen Wärmepumpenkreislauf entspricht. Die Beladung des Speichers erfolgt auf dem Niveau der Auslegungskondensationstemperatur des regulären Kreislaufs, wie er ohne Speicher betrieben werden würde. Daher wird ein Phasenwechselmaterial gewählt, dessen Phasenwechsel etwas unterhalb dieser Kondensationstemperatur liegt. Der Speicher kann im Parallelbetrieb mit den beiden Verflüssiger-Wärmeübertragern beladen werden, wie in Bild 3, links, dargestellt. Der Kältemittelkreislauf kann auch nur durch die beiden oder einen der beiden Verflüssiger geleitet werden, um die Wärmeleistung ohne Beladung des Speichers bereitzustellen, oder nur durch den Latentwärmespeicher, um nur den Speicher zu beladen.

Bei der Entladung des Speichers durch Erstarrung des Phasenwechselmaterials infolge der Verdampfung des Kältemittels wird der Latentwärmespeicher in Reihe mit den beiden Verflüssiger kaskadiert (Bild 3, rechts). Der Kältemittelkreislauf mit den zugehörigen Druck- und Temperaturniveaus beim Entladen des Latentwärmespeichers im Kaskadenbetrieb ist in Bild 5 dargestellt. Das Kältemittel wird im ersten Verflüssiger verflüssigt (Zustandspunkte 3 bis 4), anschließend nach Durchströmen einer Kapillare (Zustandspunkte 4 bis 5) im Latentwärmespeicher wieder verdampft (Zustandspunkte 5 bis 6) und im zweiten Verflüssiger wieder verflüssigt (Zustandspunkte 6 bis 7). Um einen ausreichenden Temperaturunterschied zu gewährleisten, finden die vom Latentwärmespeicher angetriebenen Verdampfungsprozesse und die abschließende Kondensation des Kältemittels im zweiten Verflüssiger bei niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur statt die als im ersten Verflüssiger. Ausgehend von diesem niedrigeren Temperaturniveau wird der Heizungsrücklauf im zweiten Verflüssiger durch erneute Verflüssigung des Kältemittels vorgewärmt und anschließend im ersten Verflüssiger auf die gewünschte Heizungsvorlauftemperatur gebracht. Für die erfolgreiche Umsetzung der Kaskadenschaltung sind die Wärmeübertragungsprozesse innerhalb des Kältemittelkreislaufs in Verflüssiger 1, Latentwärmespeicher und Verflüssiger 2 mit begrenzten Temperaturdifferenzen zu betreiben, um die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen Rücklauf und Vorlauf der Heizungsanlage einhalten zu können.

Die neuartige Wärmepumpenanlage weist systemspezifische Merkmale auf. Mit Hilfe der schematischen Darstellungen in Bild 6 lassen sich zwei markante Merkmale beim Entladen des Latentwärmespeichers in Kaskadenschaltung erläutern.

Durch den steigenden thermischen Wärmewiderstand der wachsenden PCM-Schicht und der damit einhergehenden abnehmenden Wärmeleistung im Verlauf des Entladevorgangs wird der Dampfanteil am Speicheraustritt zunehmend geringer. Während zu Beginn des Entladevorgangs das Kältemittel am Austritt des LWS noch bis zur Temperatur des PCM überhitzt werden kann (Bild 6, links), nähern sich Zustandspunkt 5 und 6 mit abnehmender Speicherladung immer weiter an (Bild 6, rechts), bis die Punkte schließlich zusammenfallen, wenn der Wärmevorrat des LWS vollständig erschöpft ist. Während des Entladen des LWS in Kaskadenschaltung werden die beiden Kondensatoren vom gleichen Kältemittelmassenstrom durchflossen. Das Leistungsverhältnis der beiden Kondensatoren entspricht deshalb dem Verhältnis der Enthalpieänderungen des Kältemittels, die in den beiden Kondensatoren bedingt durch die Wärmeübertragungsvorgänge auftreten. Der Leistungsanteil des Speichers an der gesamten Wärmeleistung des Systems ist durch dieses Verhältnis beschrieben und hat einen oberen Grenzwert, der sich aus dem maximalen Enthalpiewert des Zustandspunkts 6 zu Beginn der Entladephase ergibt.

Durch die zusätzliche, zweite Verdampfung des Kältemittels im LWS und die anschließende Kondensation im zweiten Kondensator auf niedrigerem Druckniveau als im ersten Kondensator kann dem Kältemittel die zusätzliche Enthalpiedifferenz zwischen den Zustandspunkten 5 und 7 entzogen werden. Diese Differenz stellt eine Verbesserung der Effizienz des Wärmepumpenkreislaufs dar und steht unabhängig vom Ladezustand des LWS zur Verfügung, also auch bei erschöpftem Speicher.

Entwicklung der Pilotanlage

Um die Funktions- und Leistungsfähigkeit des neuartigen Anlagenkonzeptes aufzuzeigen, wurde eine Pilotanlage entwickelt, die zunächst unter Laborbedingungen und anschließend in praktischer Anwendung betrieben und vermessen wurde.

Planung

Die Anlage soll die halbe Leistung einer Wärmepumpe mit 10 kW thermischer Leistung für eine Zeitspanne von 3 Stunden bei einer Vorlauftemperatur von 45 °C aus dem Latentwärmespeicher bereitstellen können. Die aus diesem Ansatz resultierenden Eckdaten sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Zur Auslegung solcher Wärmepumpensysteme mit integriertem Latentwärmespeicher wurde ein Simulationsmodell mit der Software Engineering Equation Solver (EES) [12] entwickelt, das mit Ergebnissen aus vorangegangenen Projekten und geeigneten Voruntersuchungen auch im Betrieb der Pilotanlage validiert wurde. Es handelt sich um ein detailliertes Modell des Latentwärmespeichers mit räumlicher 2D-Diskretisierung, eingebunden in eine thermodynamische Modellierung des internen Wärmepumpenkreislaufs, um eine zuverlässige Vorhersage des dynamischen Verhaltens des Speichers und des Gesamtsystems zu erhalten. [13]

Konstruktion und Aufbau

Als Basis für den Bau der Pilotanlage diente eine handelsübliche Wärmepumpe. Der Kältemittelkreislauf sowie die Steuerungs- und Regelungstechnik wurden als Ausgangsbasis genommen und nach den Anforderungen modifiziert. Der Kondensator wurde aus dem Kältemittelkreislauf entfernt und durch die zuvor beschriebene kaskadierte Anordnung von zwei Kondensatoren und dem Latentwärmespeicher ersetzt. Zur Umschaltung zwischen den Betriebsarten wurden Ventile in den verbindenden Kältemittelleitungen eingesetzt. Die Regelungstechnik wurde um ein separates Steuergerät erweitert, das die neuen Komponenten steuert und parallel zur ursprünglichen Regelung betrieben wird. (Bild 7, links).

Nach DIN EN 378-1 [14] ist das Kältemittel R32 in die Kategorie A2L hinsichtlich der Entflammbarkeit eingestuft. In Abhängigkeit von der Kältemittelmenge, der Raumgröße, in dem die Wärmepumpenanlage installiert wird, und der Art der Nutzung dieses Raumes sind gegebenenfalls Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen. Während für die Menge von 7 kg in den Laborräumlichkeiten keine Maßnahmen ergriffen werden mussten, waren bei der praktischen Anwendung Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Wie rechts in Bild 7 zu sehen ist, wurde die Anlage eingehaust und mit einer Notabsaugung ausgestattet. Die besteht aus einem Gassensor und einem explosionsgeschützten Ventilator mit einer Abluftleitung ins Freie.

Bei der ersten Versuchsanlage wurde eine Reihe von optionalen Komponenten in den Prüfstand integriert, um alternative Konfigurationen des internen Kältemittelkreislaufs und der Systemsteuerung zu testen. Dadurch ist die Kältemittelmenge mit 7 kg deutlich höher als bei der ursprünglichen Wärmepumpe, die als Grundlage für den Aufbau der Testanlage diente. Zukünftige, optimierte Systeme werden diese optionalen Teile nicht mehr enthalten, so dass die Kältemittelmenge verringert werden kann.

Funktionsnachweis

Die Funktionsfähigkeit des neuartigen Wärmepumpensystems mit integriertem Latentwärmespeicher wurde bereits in einer früheren Veröffentlichung [15] nachgewiesen. Dazu wurde ein Testlauf mit konstantem Betriebsdruck und Temperaturniveau beim Beladen und Entladen des Latentwärmespeichers durchgeführt (Bild 8). Dieses Kriterium ist entscheidend für das neuartige Konzept. Entsprechend dem Wechsel von paralleler zu serieller Anordnung der Kondensator-Latentwärmespeicher-Konden­sator-Kaskade zeigen die Betriebsdaten neben dem Niederdruckniveau nur ein Hochdruckniveau während der Beladungsphase, während sich ein zweites hohes Hochdruckniveau (Zwischendruckniveau) während der Entladephase ausbildet. Die Kapillare trennt Hochdruck und Zwischendruck im Kältemittelkreis voneinander, die durch die heizwasserseitigen Temperaturen der Kondensatoren aufgeprägt werden.

Auf der linken Seite von Bild 9 sind die Betriebstemperaturen bei der Beladung des LWS dargestellt. Für die Heizleistung der beiden Kondensatoren ergeben sich die gleichen Ein- und -austrittstemperaturen des Heizwassers, da die Komponenten parallel mit Kältemittel und Heizwasser versorgt werden. Die Temperatur des LWS steigt im Bereich der Schmelztemperatur des PCM leicht an. Der rechte Teil von Bild 9 zeigt Betriebsdaten des Entladevorgangs des LWS. Auf der Heizwasserseite sind die beiden Kondensatoren in Reihe geschaltet. Der kalte Rücklauf wird durch Kondensator 2 vorgewärmt und durch Kondensator 1 auf die gewünschte Vorlauftemperatur gebracht. Während des Entladevorgangs zeigt die Temperatur des Speichers (T LWS) eine fallende Tendenz. Parallel dazu sinkt die Temperatur des Kältemittels T6 am Ausgang des Speichers.

In Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage wird eine zunehmende Temperaturdifferenz zwischen PCM (T LWS) und Kältemittelverdampfung (T6) festgestellt, was auf einen zunehmenden Wärmewiderstand innerhalb des LWS während der fortlaufenden Erstarrung des PCM hinweist. Der Heizwasseraustritt des Kondensators 2 liegt dicht unter dem Kältemittelaustritt aus dem LWS. Zu Beginn des Entladevorgangs, wenn der LWS den maximalen Beitrag leisten kann, liefert die Vorwärmung im Kondensator 2 etwa die Hälfte der gesamten Wärmeleistung der Wärmepumpe. Mit abnehmendem Beladungszustand des LWS und damit abnehmender thermischer Maximalleistung sinkt der Temperaturanstieg im Kondensator 2 und die Heizwasseraustrittstemperatur nähert sich der Rücklauftemperatur der Heizungsanlage. Wenn die Kapazität des LWS erschöpft ist, stimmen die Zwischentemperatur zwischen Kondensator 2 und 1 und die Temperatur des Rücklaufs überein.

Bild 10 zeigt die Wärmeleistung des Latentwärmespeichers, die aufgenommene elektrische Leistung des Gesamtsystems (positiv) und die an den Heizkreis abgegebene Wärmeleistung (negativ). Während der Beladung liefert das System Wärme sowohl an den Heizkreislauf als auch an den Latentwärmespeicher (negativ). Während des Entladevorgangs wird die Wärmeabgabe des Wärmepumpenkreislaufs durch die Wärmeentnahme aus dem Latentwärmespeicher (positiv) ergänzt. Durch die umgekehrte Funktion des Wärmespeichers wird bei der Umschaltung von Beladung auf Entladung eine erhebliche Verringerung der elektrischen Leistungsaufnahme erreicht, obwohl die Wärmeabgabe an den Heizkreislauf leicht zunimmt.

Auswertung und Ergebnisse zu Leistungszahlen (COP) aus Betriebsdaten

Die aufgezeigte Fähigkeit des Wärmepumpensystems zum flexiblen Betrieb und Lastmanagement spiegelt sich auch in der Energiebilanz des Systems wider, ausgedrückt durch die Leistungszahl COP. Um die Funktion zu charakterisieren, werden zwei Definitionen verwendet. Nach dem konventionellen Ansatz wird die Bereitstellung von Nutzwärme durch die Systemarbeitszahl (COP_System) ausgedrückt, wobei die Wärmezufuhr zum Heizsystem (Q˙_Raumwärme < 0) und der Elektrizitätsbedarf (P_elektrisch > 0) der Wärmepumpe berücksichtigt werden:

Formel 1

Bei Beladung des LWS erhöht sich der Kältemittelstrom im Vergleich zum Normalbetrieb der Wärmepumpe, was zu einem Anstieg des Elektrizitätsbedarfs des Kompressors führt. Folglich sinkt der COP_System unter den nominalen COP-Wert für den Betrieb ohne Wärmespeicher. Während des Entladens des Wärmespeichers wird die Kältemittelzirkulation aufgrund wiederholter Verdampfung und Kondensation im LWS bzw. im zweiten Kondensator reduziert. Auf diese Weise kann die Wärmeleistung des Wärmepumpensystems aufrechterhalten werden, während der Kompressor mit reduzierter Last betrieben wird, was zu einer Erhöhung der Leistungszahl des Systems führt.

Die Effizienz des Wärmepumpenkreislaufs mit integriertem Latentwärmespeicher wird durch COP_Kreislauf beschrieben, basierend auf einer Bilanz des internen Wärmepumpenkreislaufs. Analog zur konventionellen Formulierung berücksichtigt diese Kennzahl den Nettowärmestrom des Kreislaufs und die entsprechende Verdichtungsarbeit, d.h. die Wärmeübertragung an den Latentwärmespeicher wird negativ, der Wärmegewinn durch den Speicher positiv gewertet:

Formel 2

Während der Beladung des Speichers liefert der Kreislauf Wärme an das Heizsystem (Q˙_Raumwärme < 0) und an den Latentwärmespeicher (Q˙_LWS < 0), begleitet von einem Betrieb des Kompressors bei hoher Last. Wenn der Speicher entladen ist, wird die Wärmeabgabe des Kreislaufs durch die Wärmeentnahme aus dem Latentwärmespeicher ergänzt (Q˙_LWS > 0), was einen reduzierten Betrieb des Kompressors ermöglicht. Im Vergleich zum Betrieb ohne Wärmespeicher zeigt der COP_Kreislauf den Einfluss veränderter Betriebsbedingungen des internen Kreislaufs, wie Verdampfungs- oder Kondensationsdruck oder Kältemittelmassenstrom. Die COP-Werte bieten somit eine wertvolle Charakterisierung der verschiedenen Aspekte des neuartigen Anlagenkonzepts. Sie zeigen die Auswirkungen der neuartigen Speicherintegration auf die Qualität des thermodynamischen Kreislaufs und ermöglichen einen Vergleich mit konventionellen Konzepten mit externen Wärmespeichern. Zusätzlich geben sie Aufschluss über die Fähigkeit des neuartigen Systems zum flexiblen Einsatz zur Lastverschiebung, der zur Kopplung der Sektoren Wärme und Elektrizität notwendig ist.

In Bild 11 sind die COP-Werte aus den Laboruntersuchungen unter Berücksichtigung der Messungenauigkeiten abgebildet, die bei einer Soleeintrittstemperatur von 15 °C durchgeführt wurden. Der vom theoretischen Modell vorhergesagte Effekt, dass die Werte des COP_System während der Beladung (Werte und Trends in grün) niedriger als die des COP_Kreislauf (Werte und Trends in gelb) und während der Entladung des Speichers (Werte und Trends in lila) höher sind, ist in allen Messreihen sichtbar. Außerdem zeigt die Auswertung das typische Verhalten einer Wärmepumpe, dass die Leistungszahl mit steigender Vorlauftemperatur abnimmt. Diese Eigenschaft ist an den gestrichelten Linien abzulesen, die den Trend der Messdaten zeigen.

Analog zur Darstellung der Lastverläufe in Bild 10 zeigt die Auswertung der COP-Werte das Potential des Wärmepumpensystems mit integriertem Latentwärmespeicher für den flexiblen Einsatz im Stromnetz. Bei unveränderter Heizleistung kann die Stromaufnahme um den Faktor drei variiert werden, wie aus dem Wertebereich des COP_System zwischen 2 und 6 ersichtlich ist. Bei der gewählten Dimensionierung des Speichers kann die Leistungsaufnahme des Verdichters während der Be- und Entladung bei voller Ausnutzung der Übertragungsleistung des Speicher jeweils um ca. 3 Stunden angepasst werden.

Innerhalb des roten Rahmens in Bild 11 sind die COP-Werte für verschiedene Betriebsarten dargestellt, um die Auswirkungen des Wärmespeichers auf die Effizienz des Wärmepumpenkreislaufs zu bewerten. Der Vergleich umfasst die folgenden Betriebsarten:

Wärmepumpe im Originalzustand: Heizen (dunkelblau),

Wärmepumpenanlage mit integriertem LWS: Heizen (ohne Speichereinsatz, hell­blau),

Wärmepumpenanlage mit integriertem LWS: Beladung des Speichers ohne Heizen (orange),

Wärmepumpenanlage mit integriertem LWS: Heizen und Beladen des Speichers (gelb, links),

Wärmepumpenanlage mit integriertem LWS: Heizen und Entladen des Speichers (gelb, rechts).

Alle Daten wurden im Betrieb unter Auslegungsbedingungen aufgezeichnet, was einer Vorlauftemperatur von ca. 45 bis 46 °C entspricht. Die ermittelten COP-Werte liegen alle in einem engen Bereich, wodurch belegt wird, dass ein negativer Einfluss auf die Kreislaufeffizienz durch die Modifikation des Wärmepumpenkreislaufs vermieden werden konnte. Trotz der Tatsache, dass die Vorlauftemperatur während dieser Testläufe zwischen 45,0 °C und 46,3 °C schwankt, liegen die Kondensationstemperaturen in einem engen Bereich zwischen 43,8 °C und 44,2 °C. Dies deutet darauf hin, dass das Kondensationsdruckniveau in allen Testläufen nahezu konstant war. Angesichts des starken Einflusses der Kondensatortemperatur auf den COP ist die Übereinstimmung der COP_Kreislauf -Daten durchaus nachvollziehbar. Die trotz der konstanten Verflüssigungsdruckverhältnisse auftretenden Unterschiede in den Vorlauftemperaturen sind auf unterschiedliche Heizwasservolumenströme und Teillastzustände zurückzuführen, die im Versuchsbetrieb nicht beeinflusst werden konnten.

Die Rückschlüsse aus den Ergebnissen des praktischen Einsatzes der Pilotanlage in einer Demonstrationsinstallation in einem Hochschulgebäude in Finnland (Tabelle 2) stimmen mit denen der Labortests überein. Die COP-Werte sind etwas niedriger, bedingt durch ein niedrigeres Temperaturniveau der Sole.

Schlussfolgerungen

Nach dem aktuellen Stand der Technik und der Wissenschaft ist durch die Integration von Latentwärmespeichern in Kältemittelkreisläufe von Wärmepumpen eine Erhöhung des Druckverhältnis des Wärmepumpenkreislaufs notwendig. Bislang gab es kein Konzept, um diesen negativen Effekt auf die Effizienz der Wärmepumpe zu vermeiden, ausgedrückt durch die Leistungszahl (COP).

Es konnte nachgewiesen werden, dass dieser negative Effekt durch eine gestufte Einbindung des Latentwärmespeichers im Verbund mit zwei Kondensatorwärmeübertragern vermieden werden kann. Darüber hinaus wurde die Fähigkeit des neuartigen Wärmepumpensystems zur Erfüllung netzdienlicher Zwecke wie Sektorkopplung und Lastmanagement aufgezeigt.

Zur Entwicklung eines praxistauglichen Wärmepumpenheizsystems für die Anwendung in privaten Haushalten soll in den nächsten Schritten die Anlagenkonzeption optimiert und um die Option der Warmwasserbereitung erweitert werden.

Zusammenfassung

Es wurde ein Konzept zur direkten Integration eines Latentwärmespeichers auf der Hochdruckseite des internen Kälte­mittelkreislaufs einer Wärmepumpe mit damit einhergehenden systemspezifi­-
schen Merkmalen vorgestellt. Während der Beladung fungiert der Latentwärmespeicher als Kondensator, parallel zu zwei Verflüssiger-Wärmeübertragern. Zum Entladen wird der Latentwärmespeicher in Reihe zwischen den beiden Kondensator-Wärmeübertragern betrieben. Das im ersten Kondensator verflüssigte Kältemittel wird im Speicher wieder verdampft. Anschließend wird das Kältemittel im zweiten Kondensator wieder verflüssigt, um den Heizkreislauf vor dem Eintritt in den ersten Kondensator vorzuwärmen. Durch den kaskadierten ­Betrieb kann die Durchflussmenge des Kältemittels bei unveränderter Heizleistung der Wärmepumpe im Vergleich zu einem herkömmlichen Betrieb ohne Speicher reduziert werden. Dadurch kann die Drehzahl des Verdichters reduziert werden, was zu einem geringeren Elektrizitätsbedarf und ­einer flexiblen Nutzung des Netzstroms führt.

Die Analyse kompletter Speicherzyklen beweist die Machbarkeit und Funktionalität des neuartigen Kaskadenkonzepts. Anhand der Messdaten wurde bestätigt, dass die Integration des Latentwärmespeichers keine Erhöhung der Druckhöhe des internen Wärmepumpenkreislaufs erfordert.

Die aus dem Labor und aus Praxismessungen gewonnenen Daten wurden analysiert und ausgewertet. Diese Ergebnisse bestätigen, dass ein negativer Einfluss auf die Leistungszahl der modifizierten Wärmepumpe durch die Integration des Latentwärmespeichers in den internen Kreislauf der Wärmepumpe vermieden wird.

Die Analyse der Anlagenleistung wird durch die Formulierung von zwei COP-Werten unterstützt, die sowohl die Qualität des thermodynamischen Zyklus der Wärmepumpe als auch den Einfluss des Wärmespeichers auf den Bedarf an elektrischer Antriebsenergie während der Beladung und Entladung des Wärmespeichers charakterisieren. Die Auswertung der experimentellen Daten liefert einen eindeutigen Nachweis der Flexibilität des neuartigen Wärmepumpensystems zur Erfüllung netzdienlicher Zwecke.

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[11] Palomba V., Varvagiannis S., Monokrousou E., Nitsch B., Barmparitsas N., Bonanno A., Dino G., Leontaritis A., Strehlow A., Karellas S., Frazzica A., Cabeza L.; Experimental evaluation of a heat pump-latent storage system for increasing renewable share of the residential stock; 13. IIR INTERNATIONAL CONFERENCE 2021 Phase Change Materials and Slurries for Refrigeration and Air Conditioning Conference (PCM2021); Italien; 01.-03.2021

[12] Engineering Equation Solver simulation software; https://fchartsoftware.com/ees/; 08.2022

[13] Barton M., Schweigler C.; Model validation: heat pump with integrated latent heat storage; The 35nd international Conference BauSIM2022, Deutschland, 20.-22.09.2022

[14] DIN EN 378-1: Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelavante Anforderungen – Teil 1: Grundlegende Anforderungen, Begriffe, Klassifikationen und Auswahlkriterien, Deutsche Fassung EN 378-1:2016, April 2018

[15] Barton M., Schweigler C.; Heat Pump with Integrated Latent Heat Storage for Flexible Heat Supply to Buildings; DOI: 10.18462/iir.PCM.2021.1981; 13. IIR INTERNATIONAL CONFERENCE 2021 Phase Change Materials and Slurries for Refrigeration and Air Conditioning Conference (PCM2021); Italien; 01.-03.2021