Neue Lösungen sind gefragt

13.07.2015 | Veröffentlicht in Ausgabe 07-2015

In Teil 1 (siehe KK 6/2015) wurden theoretische Grundlagen zur energetischen Bewertung von Kaltdampfprozessen beschrieben. Hierbei werden jedoch Verluste des realen Prozesses nicht berücksichtigt. Diese treten in den Wärmeübertragern, Rohrleitungen, Armaturen und im Kompressor auf und sind maßgeblich für eine Entropiezunahme verantwortlich. Eine Ermittlung der einzelnen Verluste ist grundsätzlich möglich, jedoch mit sehr aufwendigen Berechnungen verbunden. Marcel Förster, Ratingen

Eine praktikablere Vorgehensweise ist die Messung der Heißgas-, Kondensations- und Verdampfungstemperatur in den jeweiligenBetriebszuständen Heizen, Kühlen und simultan Heizen/Kühlen mit Wärmerückgewinnung. Anhand dieser Temperaturen können die entsprechenden Drücke und Enthalpien im log p, h-Diagramm ermittelt werden. Unter Berücksichtigung der entsprechenden Messungenauigkeiten ist eine hinreichend genaue Aussage hinsichtlich Effizienz bzw. Leistungszahl im realen Kaltdampfprozess möglich.

Für die Messung der notwendigen Daten wurde folgender Messaufbau durchgeführt:

Split-Außengerät Mr. Slim+ (PUHZ-FRP71VHA), Kompressor: Twin Rotary

Ecodan-Innengerät Hydromodul (EHSC-VM6EB), Heizleistung: 7,5 kW (A2/W35)

Klima-Innengerät (Unterdeckengerät PCA-RP71KA), Kühlleistung: 7,1 kW (PDesign gem. Erp Lot10)

Die Innengeräte wurden kältetechnisch im 5-Meter-Abstand mit dem Außen-gerät verbunden. Für die Ermittlung der notwendigen Temperaturen wurden drei Messreihen im Heiz-, Kühl- und Simultanbetrieb mit Wärmerückgewinnung durchgeführt. Zusätzlich zu den Temperatu-ren im Kältekreislauf wurden noch die Kompressorfrequenz, Heizwassertemperatur sowie die Ansaug- und Ausblastemperatur am Split-Außengerät gemessen. Die Überhitzungstemperatur wurde für alle drei Messreihen rechnerisch ermittelt. Tabelle 1 zeigt die verwendeten Geräte und Messfühler während der drei Messreihen.

Heizbetrieb

Für die Messung wurde ein Warmwasserspeicher als Wärmesenke genutzt und von 20 °C bis ca. 55 °C aufgeheizt. Als Sollwert wurde eine Wasservorlauftemperatur von 60 °C eingestellt. Die Außenlufttemperatur betrug 19,5 °C. Der Verlauf dieser Aufheizung wurde nach ca. 50 min beendet, da der Sollwert nahezu erreicht war und der Kompressor seine Leistung reduzierte. Das Klima-Innengerät blieb die gesamte Messdauer über ausgeschaltet.

Bild 1 zeigt ein schnelles Ansteigen der Kompressorfrequenz auf maximal 113 Hz innerhalb von 10 min. Dementsprechend steigt auch die Heißgastemperatur bis auf 80 °C und erzeugt damit eine konstante Wasservor- und Rücklauf-Temperatur am angeschlossenen Plattenwärmeübertrager von 5 K. Die Temperaturdifferenz am Außengerät beträgt zwischen Ansaug- und Ausblastemperatur nahezu konstant 7 K. Für die Ermittlung der Enthalpien wird der Referenzzeitpunkt 13:30 Uhr gewählt, da hier die Vorlauftemperatur 50 °C beträgt und die kältetechnischen Temperaturen einen nahezu stationären Zustand erreicht haben. Anhand der gemessenen Temperaturen ergeben sich Betriebsparameter gemäß Tabelle 2, welche eine überschlägige Berechnung der Effizienz ermöglichen.

Damit wurde das log p, h-Diagramm in Bild 2 erstellt und die entsprechenden Drücke und Enthalpien ermittelt. Die errechnete Überhitzung von 6,5 K soll sicherstellen, dass kein Flüssigkeitsanteil in den Kompressor gelangt und Beschädigungen verursachen kann.

Damit lässt sich die Berechnung über die Effizienz des Kälteprozesses durchführen:

h2 – h3

Wärmepumpe WP ==

h2 – h1ü

kJ kJ

469– 281

kgkg

= 4,95 (COP)

kJ kJ

469 – 431

kgkg

Kühlbetrieb

Die Messung im Kühlbetrieb erfolgte mit angeschlossenem Klima-Innengerät (PCA-RP71KA) bei einer Raumtemperatur von 24 bis 25 °C. Als Sollwert für die Raumtemperatur wurde 20 °C eingestellt. Die Außenlufttemperatur betrug 23 bis 25 °C. Bereits nach ca. 7 min erreicht der Kompressor seine maximale Frequenz von 86 Hz. Nach ca. 20 min erreichen die Temperaturen einen stationären Zustand (Tabelle 3). Dies veranschaulicht die schnelle Anpassung von Klima- im Vergleich zu wassergeführten Systemen. Die Temperaturspreizung am Split-Außengerät ist im Kühl-betrieb mit 19 K mehr als doppelt so groß wie im Heizbetrieb. Aufgrund der relativ niedrigen Außentemperatur ist lediglich eine Heißgastemperatur von 64 °C notwendig. Als Referenzzeitpunkt zur Ermittlung der Enthalpien wurde 14:30 Uhr gewählt. Das Wärmepumpen-Innengerät blieb während der gesamten Messdauer aus-geschaltet.

Anders als im Heizbetrieb werden nun die Fühler TH3 und TH5 für die Kondensations- und Verdampfungstemperatur benötigt. Die Temperaturen – ebenfalls im log p, h-Diagramm (Bild 3) eingetragen – ergibt die Darstellung des kältetechnischen Prozesses im Kühlbetrieb in Bild 4.

Die Berechnung der Effizienz im Kühlbetrieb erfolgt wie eingangs beschrieben über die entsprechende Formel:

h1ü – h4

Kältemaschine K ==

h2 – h1ü

kJ kJ

430– 257

kgkg

= 4,94 (EER)

kJ kJ

465 – 430

kgkg

Die ebenfalls hohe Effizienz im Kühlbetrieb lässt sich durch niedrigere Drücke und den geringen Temperaturhub erklären.

Simultanbetrieb

Der gleichzeitige Kühl- und Heizbetrieb mit interner Wärmerückgewinnung wurde als letzte Messreihe durchgeführt (Tabelle 4). Hierbei waren alle Geräte im Betrieb, wobei die Priorität auf der Trinkwarmwasserbereitung lag (Wärmesenke) und die Raumkühlung als Wärmequelle genutzt wurde. Dabei ist grundsätzlich egal, ob sich das Außengerät im Heiz- oder Kühlbetrieb befindet, denn sobald Heiz- und Kühlbedarf ansteht, schaltet das Mr. Slim+ Außengerät automatisch in den Simultanbetrieb, um maximale Effizienz zu erreichen (Bild 5). Die gesamte Wärme, die für den Heizbetrieb notwendig ist, wird vom Raum und dem Kompressor aufgebracht. Dementsprechend gibt es keine Temperaturdifferenz zwischen Ansaug- und Ausblasluft am Außengerät. Für diese Messung wurden vergleichbare Umgebungsbedingungen gewählt, wie im vorangegangenen Heiz- bzw. Kühlbetrieb. Die Raumtemperatur betrug 23 bis 25 °C und die Außenlufttemperatur zwischen 19 bis 24 °C. Für die Wassertemperatur wurde ebenfalls ein Aufheizvorgang des entsprechenden Trinkwarmwasserspeichers vorgenommen. Die Soll-Vorlauftemperatur wurde wieder auf 60 °C eingestellt und bei ca. 55 °C angehalten.

Die maximal mögliche Kompressorfrequenz ist auf 86 Hz begrenzt. Dies wirkt sich zusätzlich vorteilhaft auf den Heizbetrieb aus, da der Kompressor im Teillastbetrieb arbeitet. Man erkennt einen langsamen Anstieg der Heißgas-, Kondensations-, Vor- sowie Rücklauftempe-ratur. Die Heißgastemperatur erreicht innerhalb 60 min einen Wert von 75 °C, was einem Temperaturgradienten von 0,6 [°C/min] entspricht. Im Vergleich zum Heizbetrieb beträgt der Temperaturgradient 1,2 [°C/min] und erklärt den sehr schnellen Anstieg der Vor- und Rücklauftemperaturen wasserseitig. Die Verdampfungstemperatur entspricht dem reinen Kühlbetrieb und beträgt 5 °C. Die Raumlufttemperatur liegt etwa bei 25 °C.

Nach ca. 20 min zeigt sich der volle Wärmerückgewinnungseffekt anhand der beiden Temperaturen am Außengerät: Ansaug-Außenluft [TH_IN] und Ausblas-Außenluft [TH_OUT], welche zu Beginn noch eine geringe Spreizung aufweisen und sich dann kontinuierlich angleichen. Aufgrund dieses trägen Prozesses empfiehlt es sich, bereits in der Planung der Anlage, ein größeres Speichervolumen zu berücksichtigen, um einen möglichst langen, effizienten Simultanbetrieb zu gewährleisten. Für die energetische Bewertung wird der Referenzzeitpunkt 15:50 Uhr herangezogen, da auch hier wieder die wasserseitige Vorlauftemperatur von 50 °C erreicht wurde. Zum Referenzzeitpunkt sind die Ansaug- und Ausblastemperaturen am Außengerät nahezu identisch, was eine vollständige Wärmerückgewinnung im Kältekreislauf zeigt.

In Bild 6 erkennt man, dass sich der Verdampfungsdruck im Simultanbetrieb auf dem Niveau des Kühlbetriebs befindet und der Kondensationsdruck auf dem Niveau des Heizbetriebs. Die Gesamteffizienz für Simultanbetrieb wird nun wie folgt berechnet:

Qc + Q0

mit Wärmepumpe WP =

Kältemaschine K =

ergibt sich für

h2 – h3

Wärmepumpe WP =

h2 – h1ü

h1ü – h4

Kältemaschine K =

h2 – h1ü

eingesetzt in die Gleichung für die Gesamteffizienz:

kJ kJ

(468 – 278)+ (428 – 278)

kgkg

= 8,5

468– 428

kJ kJ

(468 – 278)+ (428 – 278)

kgkg

= 8,5

468– 428

(h2 – h3) + (h1ü – h4)

(h2 – h1ü)

Damit zeigt sich, dass die gleichzeitige Nutzung von Wärme und Kälte (bei optimalen Verhältnissen) nahezu eine Verdopplung der Effizienz ermöglicht.

Fazit

Die kontinuierliche Verschärfung der energetischen Anforderungen hat zur Folge, dass der Jahres-Heizwärmebedarf weiter absinkt. Bei gleichzeitig steigenden Anforderungen an den Wohnkomfort kommt immer häufiger, zusätzlich zur Heizung, auch eine Klimatisierung zum Einsatz. Dafür können Kombinationen aus Gas-/Ölheizkessel, Wärmepumpen und Klimageräten zur Anwendung kommen. Neben den höheren Investitions- und Installationskosten muss mit zusätzlichen Wartungskosten für unterschiedliche Technologien gerechnet werden. Eine deutlich effizientere Lösung bietet eine neue Technologie, in der die Funktionen Heizen, Kühlen, Trinkwarmwasserbereitung mit Wärmerückgewinnung in einem Gerät vereint werden. Die intelligente Regelung entscheidet automatisch, wann die Wärmerückgewinnung effektiv eingesetzt werden kann und passt sich den Komfortbedürfnissen der Bewohner an.

Entwässerung von Kondensat mit installationsfertigen Anlagen

Je nach Anwendungsbereich stellt Kondensat besondere Anforderungen an die Entwässerung. Dafür eignen sich installationsfertige Anlagen wie die Modelle der Baureihe Conlift von Grundfos. Sie fördern Kondensatwasser aus Klima- bzw. Kälteanlagen und Ventilatorkonvektoren, sind aber auch auf die speziellen Anforderungen von aggressivem Kondensat aus Öl- und Gasfeuerungsanlagen mit Brennwerttechnik ausgelegt. Mit vier groß dimensionierten Zuläufen und einer um 180 Grad drehbaren Motoreinheit lässt sich die Anlage an nahezu jede Einbausituation anpassen. Der Spritzwasserschutz (IP24) sichert die Anlage gegen Kurzschlüsse und die Einleitung in den Tank ist so angelegt, dass weder Gase aus dem Kessel in das Gerät gelangen noch eingeschwemmte Sedimente den Schwimmer blockieren können. Insgesamt ist der Motorbereich gegen aufsteigenden Dampf aus dem Tank geschützt und hermetisch abgeschlossen. Praktisch für den Servicetechniker ist ein Handtaster, mit dem sich mit oder ohne Wasserfüllung ein Schnelltest der Anlage durchführen lässt. Der Geräuschpegel der Anlage liegt bei weniger als 47 dB (A) im Betrieb. Die Baureihe besteht aus drei Modellen, die sich auch nachträglich mit Zusatzmodulen erweitern lassen. Das Basismodell Conlift1 bietet bereits einen vollen Funktionsumfang, das Modell Conlift2 zusätzlich eine Alarmplatine für akustischen Hochwasseralarm. Die Ausführung Conlift2 pH+ ist mit einer nachfüllbaren Neutralisationseinheit ausgestattet, die wahlweise auf oder neben der Anlage montiert werden kann und (etwa bei Brennwertanlagen) aggressives Kondensat auf einen höheren, vorgeschriebenen pH-Wert anhebt.

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