Kältemittel und

Jahresarbeitszahlen von

Wärmepumpen

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. KruseFKW Forschungszentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen

Weidendamm 12-14, 30167 Hannover, Germany

Stuttgart, 28. April 2007

Kältemittel und Jahresarbeitszahlenvon Wärmepumpen

1. Vortrag:

Kältemittel - kein Problem mehr ?

Umwelt-Herausforderungen der Kältetechnik

Ozonabbau

Montreal Protokoll 1987

Treibhausgasemissionen

Kyoto Protokoll 1997

Fluor-Chlor-Derivate des Methans und Äthans

Fluor-Chlor-Derivate des Methans und Äthans

Montreal ProtokollFCKW- und H-FCKW-Ersatzstoffe

Langfristige (?) Ersatzstoffe :

R12 → R134a

R22 ?

R502 ?

Chemische Forschung

Europa: ICI R32 / R125 / R134a � R407A, B, C

USA: DuPont R143a / R125 / R134a � R404A

Allied Chemicals R143a / R125 � R507

H-FKW-Gemische

Ozonzerstörungspotential (ODP) undTreibhauspotential (GWP)

R404AR404A

Globale ErwärmungTotal Equivalent Warming Impact (TEWI)

Leckagen

Globale ErwärmungDirekte und Indirekte Anteile von TEWI

Quelle: AFEAS/DOE-Studie, 1991

KühlschränkeWasserkühlsätze

Großklimaanlagen

99%

1%

96%

4%

KleinklimasätzeWärmepumpen

90%

10%

Autoklimaanlagen

44%

56%

30%

70%

Gewerbekälte

00Indirect Direct Indirekt Direkt

Jährliche THG - Emissionen der Kältetechnik in Deutschland durch Energiebedarf und Kältemittel

- -

Leckage

Entsorgung

ExergiebedarfPotenzial

Exergiebedarf

Potenzial

Leckage

Entsorgung

Emission durch Antrieb

Emission durch Kältemittel

Exergieverlust

Exergieverlust

73%16%

3%

8%

22.163 kt/a ˜ 89%

2.769 kt/a ˜ 11%

Kyoto-ProtokollKontrolle der Treibhausgasemission

CO2, CH4, N2O, HFC, PFC, SF6

Europäische Union: F-Gas Verordnung vom 14.06.2006

Gesamte Kälte-, Klima-und Wärmepumpentechnik: Emissionskontrolle von H-FKW

Ausnahme: Autoklimaanlagen R134a Ausstieg ab 2011 bis 2017

Nationale Regulierung: Österreich, Dänemark

--0,057,080,77-Temperaturgleit5 [K]

73,8442,547,846,337,240,6Kritischer Druck [bar]

31,196,770,186,072,0101,6Kritische Temp. [°C]

-56,66-4,12-51,8-44,1-47,0-26,1Siedetemperatur4 [°C]

500010001000100010001000Toxizität AEL (TVL)

[ppm]

A1A3A1/A1A1/A1A1/A1A1Sicherheitsgruppe3

131720152032601300GWP(100a)2

000000ODP1

R744

CO2

R290

PropanR410AR407CR404AR134a

1: Ozonabbaupotential 2: Treibhauspotential, Zeithorizont 100 Jahre3: Einteilung nach EN 378-1 bzw. ASHRAE 34 4: bei einem Druck von 1 bar (abs)5: Siede- bis Taulinie, bezogen auf 1 bar (abs) 6: Tripelpunkt bei 5,27 bar (abs)

Vergleich der chlorfreien Kältemittel

R134a

Einfacher einstufiger R134a - Kreislauf

Einfache transkritische CO2 - Kreisläufe

Vergleich eines R134a- subkritischen mit einemCO2- transkritischem Prozess im T,s-Diagramm

FKW - Entwicklungen mit CO2

Systeme:

Danfoss COHEPS I

1998

Dorin Mark II Version

2001Bock COHEPS I

1999Danfoss RACE

1997

Heat Pump System COHEPS II, 2002

Arneg CO2-Supermarket

Euroshop 2002

Verdichter:

Forschungsvorhaben COHEPS I

Industriepartner des FKW:

� Bock Kältemaschinen GmbH & Co. KG

� Otto Egelhof GmbH & Co. KG

� Konvekta AG

� KKW / Siemens

Zeitraum:

� Februar 1996 – Januar 1999

COHEPS ITheoretische Untersuchungen

Jahresarbeitszahl (SPF*) mit optimalen Gaskühlerdruck = 2.8SPF* mit konstantem Gaskühlerdruck von 105 bar = 2.6

*gemäß VDI 2067 für Berlin

Annahmen:∆TGK,aus = 5 Kηηηη = 0,8

COHEPS IExperimentelle Untersuchung

Luft/Wasser - Wärmepumpe

∆TGK,aus = 1 K

ηηηη = f ( )

70/50: COP0 °C = 2,6 93/40: COP 0°C = 2,8

p2p1

max 0,8

Messungen am Prototyp

� Konstanter Gaskühlerdruck bei 105 bar<=> jeweils optimaler Gaskühlerdruck

� 70 / 50 °C Heizkurve <=> 93 / 40°C Heizkurve

� Variation der Umgebungstemperatur:

- 15°C … + 15°C

70/50°C und 93/40°C Heizkurve (Luft/Wasser WP)

Modifizierte Berechnungen

� Berücksichtigung von Verlusten- Elektrischer Wirkungsgrad des Verdichters:

- Leistungsaufnahme Ventilator: P=0,36 kW

� Minimale Temperaturdifferenz CO2/Wasser amGaskühleraustritt:

0.85ηel

=

1K∆tGC

=

Demonstrationsvorhaben COHEPS II

Industriepartner des FKW:

� Dorin S.A., Italien

� Danfoss, Dänemark

� ART Bertuleit, Deutschland

� E.ON, Deutschland

Zeitraum:

� April 2000 – März 2002

Vergleich des COPh COHEPS I und COHEPS II

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14

Ambient Air Temperature in °C

CO

P_h

COP_h, measured COHEPS II

COP_h, measured and modified COHEPS I

Linear (COP_h, measured and modified COHEPS I)

Linear (COP_h, measured COHEPS II)

COHEPS IILuft/Wasser Wärmepumpe im Feldtest

Ergebnis des Feldtests:

Jahresarbeitszahl (JAZ) = 2,2 (gemessen in Heizperiode 2001/02)

70/50

Semihermetic

ηηηη = 0,5

inkl:

E- Motor

Ergebnisse des Feldtests

Jahresarbeitszahl (JAZ) = 2,2

(gemessen in Heizperiode 2001/02)

Hauptsächlich verursacht durch:

- geringen Isentropen-Wirkungsgrad des Verdichters

( )0.5ηis

=

Weitere Luft-Wasser CO2-Wärmepumpen

1. Theoretische Untersuchungen

1.1 UTRC, Heizungs-WP (Sienel), 2006

1.2 UTRC, Brauchwasser-WP (Sienel), 2006

2. Experimentelle Untersuchungen

2.1 DENSO, Eco Cute (Saikawa et al.), 2000

2.2 ECOLE DES MINES, Eco Cute (Clodic), 2004

2.3 FKW HANNOVER, (Rüssmann et al.), 2005

2.4 DENSO, Eco Cute (Kusakari), 2006

2.5 STIEBEL ELTRON, Passivhaus-WP (Schiefelbein et al.), 2005

2.6 TU Braunschweig, Passivhaus-WP (Tegethoff), 2006

Growing Residential CO2 HP Water HeaterMarket in Japan

0000

50505050

100100100100

150150150150

200200200200

250250250250

2001200120012001 2002200220022002 2003200320032003 2004200420042004 2005200520052005

yearyearyearyear

shipment

shipment

shipment

shipment

units

units

units

units

×× ××10

10

1010

33 33

- more than 500,000 HPWH units havebeen installed so far

- six manufactures aresupplying HPWH

- 5.2 million unitstargeted to be installedby 2010

- HPWH market is nowexpanding fromresidential to commercial market

Eco Cute - Warmwasser- Wärmepumpe

Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse

Ecole des Mines, Paris, 2004 6 / 20 / 85 2,30

FKW Hannover, 2005 -7 / 11 / 65 3,34

Eco Cute, 1. Prototyp, 2000 8 / 8 / 65 2,1

Eco Cute, letzte Prototyp, 2006 8 / 8 / 65 3,4

Stiebel Eltron, 2005 0 / 17 / 70 3,08

TU Braunschweig, 2006 3-6 / 25 / 60 3,04

Labor - Prototyp:

Markt - Modell:

Eco Cute, Modell 2001 14 / 16 / 65 3,5

Eco Cute, Modell 2006 14 / 16 / 65 4,9

Schlußfolgerung: Wärmepumpe mit CO2

CO2 ���� Höhere Temperaturen bis 90°C Wassertemperatur möglich

- Entkopplung von Druck und Temperatur im über -kritischen Gaskühler

- Niedrigeres Verdichter - Druckverhältnis

- Niedrigeres Anlagen -COP ���� bessere Nutzung desTemperaturgleits nötig ( Warmwasser -WP)

- Weitere Kreislaufverbesserungen nötig für höheres COP

Kältemittel und Jahresarbeitszahlenvon Wärmepumpen

2. Vortrag:

Arbeitszahlen in Theorie und Praxis

Arbeitszahlen in Theorie und Praxis

• Berechnung der Jahresarbeitszahlen nach VDI 2067 für die Kältemittel R134a, R407C für die Wärmequelle Luft und Erdreich bei Verwendung einfacher und EconomizerProzesse

• Berechnung der Normnutzungsgrade für die Kältemittel R407C und Kohlendioxyd für Luft als Wärmequelle zum Vergleich mit Gasbrennwerkesseln.

Einfacher einstufiger KreislaufSchematische Darstellung und Darstellung im logp,

-

h- Diagramm

Beispiel:

R407C

Einstufige Anlage mit Scrollverdichter,Zwischeneinspritzung und Economizer

R407C

Jahresarbeitszahlen einer einfachen Anlage (R407C) und einer Anlage mit Zwischeneinspritzung und Economizer (R407C) sowie Normnutzungsgrad dieser Anlage

2,4

2,7

3,0

3,3

3,6

3,9

4,2

4,5

4,8

5,1

5,4

5,7

6,0

6,3

6,6

6,9

35 40 45 50 55 60 65 70 75

Wasservorlauftemperatur [°C]

Jah

resa

rbei

tsza

hl

≅≅ ≅≅ [

-], N

orm

nu

tzu

ng

sgra

d ≅≅ ≅≅

H [

-]

Sole/Wasser, ZE + ECO

Sole/Wasser, Einfach

NNG für Luft/Wasser, ZE + ECO

Luft/Wasser, ZE + ECO

Luft/Wasser, Einfach

JAZ S/W

JAZ L/W

NNG L/W 4,57

3,18

3,67

2,75

3,75

ηηηηKl = 0,5

∆T = 20 K

Jah

resa

rbei

tsza

hl ββ ββ

[-],

No

rmn

utz

un

gsg

rad

ηη ηηh

[-]

Einfache transkritische CO2 - Kreisläufe

Zweistufige transkritische CO2-Anlage mit Zwischeneinspritzung und Economizer

R744

Normnutzungsgrad für Luft/Wasser Wärmepumpe mit CO2

Vergleich der Normnutzungsgrade zwischen einer einfachen einstufigen Anlage und einer Anlage mit Zwischeneinspritzung und Economizer bei Grädigkeit im Gaskühleraustritt von 1 K

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

3,9

4,1

4,3

4,5

4,7

4,9

35 40 45 50 55 60 65 70 75

Wasservorlauftemperatur tHV[°C]

No

rmn

utz

un

gsg

rad

¬¬ ¬¬N[-

]10K, Zw+Eco 15K, Zw+Eco 20K, Zw+Eco 25K, Zw+Eco 30K, Zw+Eco

10K, Einfach 15K, Einfach 20K, Einfach 25K, Einfach 30K, Einfach

3,23

2,65

Forschungsvorhaben CO2 – Wärmepumpe für den Bestand

Viessmann, Copeland, FKW

Thema: Wärmepumpen für den Sanierungsmarktmit hoher energetischer Effizienz auf derBasis natürlicher Kältemittel

Laufzeit: 3 Jahre (bis Ende November 2007)

Arbeitszahlen in Theorie und Praxis

• Auswertungen von Feldmessungen an Wärmepumpen mit den Wärmequellen Luft, Erde und Wasser in den Jahren

• 1991 – 1992 durch das IKW Uni Hannover

• 1990 – 1998 durch den IZW e.V.Hannover

• 2001 – 2003 durch den IZW e.V.Hannover

basierend auf Messungen von E.ON

im nordwestdeutschem Raum H-HB-BI

Jahresarbeitszahlen gemäß Feldmessungenan Heizungen mit Wärmepumpen

2,4

3,122,952,98

4,17

3,65

2,98

3,76

3,32

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

Luft Wasser Erdreich

Art der Wärmequelle der Heizung

Jah

resa

rbei

tsza

hl (

JAZ

)

1981 - 1992 1990 - 1998 2001 - 2003

Jahresnutzungsgrad Brennwertkessel

Quelle: Wolff D. u.a. (DBU Vorhaben 14133) und eigene Berechnungen

ohne elektrische

Nebenaggregate

Endenergiebedarf und Primärenergienutzungsgrad

BQ& [kWh/a] elW [kWh/a] Pη

1. Luft/ Wasser Wärmepumpe

0 5.051 0,99

2. Sole/ Wasser Wärmepumpe

0 4.311 1,16

3. Wasser/ Wasser

Wärmepumpe 0 3.989 1,25

4. Gasbrennwert-kessel

15.923 361 0,81

5. Gas NT-Kessel 18.293 234 0,72

0,3*1,1*

,

elB

AnlageH

PWQ

Q

+=

&

&

η

Quelle:

[1] E.ON Wärmepumpenfeldtest (Auswertung IZW)

[2] Wolff D. u.a. (DBU Vorhaben 14133)

[1]

[1]

[1]

[2]

[2]