Kältemittel und Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpen · PDF fileVDI 2067 für die...

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  • Kltemittel und

    Jahresarbeitszahlen von

    Wrmepumpen

    Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. KruseFKW Forschungszentrum fr Kltetechnik und Wrmepumpen

    Weidendamm 12-14, 30167 Hannover, Germany

    Stuttgart, 28. April 2007

  • Kltemittel und Jahresarbeitszahlenvon Wrmepumpen

    1. Vortrag:

    Kltemittel - kein Problem mehr ?

  • Umwelt-Herausforderungen der Kltetechnik

    Ozonabbau

    Montreal Protokoll 1987

    Treibhausgasemissionen

    Kyoto Protokoll 1997

  • Fluor-Chlor-Derivate des Methans und thans

  • Fluor-Chlor-Derivate des Methans und thans

  • 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 R404AAllied Chemicals R143a / R125 R507

    H-FKW-Gemische

  • Ozonzerstrungspotential (ODP) undTreibhauspotential (GWP)

    R404AR404A

  • Globale ErwrmungTotal Equivalent Warming Impact (TEWI)

    Leckagen

  • Globale ErwrmungDirekte und Indirekte Anteile von TEWI

    Quelle: AFEAS/DOE-Studie, 1991

    KhlschrnkeWasserkhlstze

    Groklimaanlagen

    99%

    1%

    96%

    4%

    KleinklimastzeWrmepumpen

    90%

    10%

    Autoklimaanlagen

    44%

    56%

    30%

    70%

    Gewerbeklte

    00Indirect Direct Indirekt Direkt

  • Jhrliche THG - Emissionen der Kltetechnik in Deutschland durch Energiebedarf und Kltemittel

    - -

    Leckage

    Entsorgung

    ExergiebedarfPotenzial

    Exergiebedarf

    Potenzial

    Leckage

    Entsorgung

    Emission durch Antrieb

    Emission durch Kltemittel

    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

    Europische Union: F-Gas Verordnung vom 14.06.2006

    Gesamte Klte-, Klima-und Wrmepumpentechnik: Emissionskontrolle von H-FKW

    Ausnahme: Autoklimaanlagen R134a Ausstieg ab 2011 bis 2017

    Nationale Regulierung: sterreich, Dnemark

  • --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]

    500010001000100010001000Toxizitt 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 Kltemittel

  • R134a

    Einfacher einstufiger R134a - Kreislauf

  • Einfache transkritische CO2 - Kreislufe

  • 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 Kltemaschinen GmbH & Co. KG

    Otto Egelhof GmbH & Co. KG

    Konvekta AG

    KKW / Siemens

    Zeitraum:

    Februar 1996 Januar 1999

  • COHEPS ITheoretische Untersuchungen

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

    *gem VDI 2067 fr Berlin

    Annahmen:TGK,aus = 5 K = 0,8

  • COHEPS IExperimentelle Untersuchung

    Luft/Wasser - Wrmepumpe

    TGK,aus = 1 K

    = f ( )

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

    p2p1

    max 0,8

  • Messungen am Prototyp

    Konstanter Gaskhlerdruck bei 105 bar jeweils optimaler Gaskhlerdruck

    70 / 50 C Heizkurve 93 / 40C Heizkurve

    Variation der Umgebungstemperatur:

    - 15C + 15C

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

  • Modifizierte Berechnungen

    Bercksichtigung von Verlusten- Elektrischer Wirkungsgrad des Verdichters:

    - Leistungsaufnahme Ventilator: P=0,36 kW

    Minimale Temperaturdifferenz CO2/Wasser amGaskhleraustritt:

    0.85el

    =

    1KtGC

    =

  • Demonstrationsvorhaben COHEPS II

    Industriepartner des FKW:

    Dorin S.A., Italien

    Danfoss, Dnemark

    ART Bertuleit, Deutschland

    E.ON, Deutschland

    Zeitraum:

    April 2000 Mrz 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 Wrmepumpe im Feldtest

    Ergebnis des Feldtests:

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

    70/50

    Semihermetic

    = 0,5

    inkl:

    E- Motor

  • Ergebnisse des Feldtests

    Jahresarbeitszahl (JAZ) = 2,2

    (gemessen in Heizperiode 2001/02)

    Hauptschlich verursacht durch:

    - geringen Isentropen-Wirkungsgrad des Verdichters

    ( )0.5is =

  • Weitere Luft-Wasser CO2-Wrmepumpen

    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, (Rssmann 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- Wrmepumpe

  • 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

  • Schlufolgerung: Wrmepumpe mit CO2

    CO2 Hhere Temperaturen bis 90C Wassertemperatur mglich

    - Entkopplung von Druck und Temperatur im ber -kritischen Gaskhler

    - Niedrigeres Verdichter - Druckverhltnis

    - Niedrigeres Anlagen -COP bessere Nutzung desTemperaturgleits ntig ( Warmwasser -WP)

    - Weitere Kreislaufverbesserungen ntig fr hheres COP

  • Kltemittel und Jahresarbeitszahlenvon Wrmepumpen

    2. Vortrag:

    Arbeitszahlen in Theorie und Praxis

  • Arbeitszahlen in Theorie und Praxis

    Berechnung der Jahresarbeitszahlen nach VDI 2067 fr die Kltemittel R134a, R407C fr die Wrmequelle Luft und Erdreich bei Verwendung einfacher und EconomizerProzesse

    Berechnung der Normnutzungsgrade fr die Kltemittel R407C und Kohlendioxyd fr Luft als Wrmequelle 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 fr 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

    Kl = 0,5

    T = 20 K

    Jah

    resa

    rbei

    tsza

    hl

    [-],

    No

    rmn

    utz

    un

    gsg

    rad

    h

    [-]

  • Einfache transkritische CO2 - Kreislufe

  • Zweistufige transkritische CO2-Anlage mit Zwischeneinspritzung und Economizer

    R744

  • Normnutzungsgrad fr Luft/Wasser Wrmepumpe mit CO2

    Vergleich der Norm