{"id":4549,"date":"2019-05-10T14:17:01","date_gmt":"2019-05-10T12:17:01","guid":{"rendered":"https:\/\/beta.compact-kaeltetechnik.de\/?p=4549"},"modified":"2020-08-26T12:40:37","modified_gmt":"2020-08-26T10:40:37","slug":"artikel-co2-waermepumpe","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.compact-kaeltetechnik.de\/de\/news\/artikel-co2-waermepumpe\/","title":{"rendered":"CO2 W\u00e4rmepumpe im Hochtemperaturbereich – F\u00f6rderf\u00e4hig in die Zukunft"},"content":{"rendered":"

W\u00e4rmepumpen werden \u00fcberall dort verwendet, wo viel warmes oder weniger sehr hei\u00dfes Wasser ben\u00f6tigt wird. Bestenfalls stehen eine Erdsonde oder ein Kollektorfeld zur Verf\u00fcgung. Dies ist zunehmend im \u00f6ffentlichen Bereich, aber auch in Gewerbe und Industrie der Fall. Typische Einsatzgebiete sind Hotels, Altenheime, B\u00e4der, Schulen, Altgeb\u00e4udesanierungen, aber auch die Fleisch verarbeitende Industrie und Fertigungsbetriebe mit gro\u00dfer Heizungsunterst\u00fctzung.<\/p>\n

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Bild 1 und 2: CO2<\/sub>-W\u00e4rmepumpenkreisl\u00e4ufe im t,h-Diagramm zur Verdeutlichung des Unterschieds zwischen niedriger und hoher Wasserr\u00fccklauftemperatur im Gask\u00fchler<\/strong><\/p>\n

Im Zuge der F-Gase Verordnung und den verbundenen Einschr\u00e4nkungen auf dem K\u00e4ltemittelsektor wird die Auswahl der hierf\u00fcr verf\u00fcgbaren K\u00e4ltemittel sehr eingeschr\u00e4nkt. Soll ein nat\u00fcrliches und umweltfreundliches K\u00e4ltemittel verwendet werden, welches dar\u00fcber hinaus auch f\u00f6rderf\u00e4hig ist, stehen nur Propan (GWP 3) und Kohlendioxid (CO2<\/sub>, GWP 1) zur Verf\u00fcgung. Propan hat erstklassige Eigenschaften als K\u00e4ltemittel, ist aber durch seine Brennbarkeit und dem damit einhergehenden Sicherheitskonzept gerade f\u00fcr die Innenaufstellung nicht immer ein m\u00f6gliches Szenario. CO2<\/sub> als Hochdruckk\u00e4ltemittel mit sehr guten W\u00e4rme\u00fcbertragungseigenschaften hingegen kann durch seine Einstufung als A1 K\u00e4ltemittel ohne gr\u00f6\u00dfere Einschr\u00e4nkungen eingesetzt werden. Tripelpunkt und kritischer Punkt k\u00f6nnen im normalen Arbeitsbereich einer K\u00e4ltemaschine erreicht werden. Musste man diesen Besonderheiten vor etwa 10 Jahren noch gro\u00dfe Bedeutung schenken, ist es aufgrund der h\u00e4ufig verwendeten Boosteranlagen in der Gewerbek\u00e4lte zum Standardk\u00e4ltemittel geworden. Im W\u00e4rmepumpenbereich kommt CO2<\/sub> bislang in Deutschland nur sehr selten zum Einsatz. Das h\u00e4ngt zum einen damit zusammen, dass die Wassereintrittstemperatur auf der warmen Seite eine extrem gro\u00dfe Bedeutung f\u00fcr die Effizienz des CO2<\/sub>-Kreisprozesses hat (je niedriger desto besser) und zum anderen, dass der Aufbau und die Regelung dieser Maschinen noch nicht gel\u00e4ufig sind.<\/p>\n

CO2<\/sub>-W\u00e4rmepumpen werden i. d. R. ganzj\u00e4hrig transkritisch betrieben. Dieser Prozess oberhalb des kritischen Punkts erm\u00f6glicht eine gleitende Temperaturabgabe an ein Sekund\u00e4rmedium (z. B. Wasser) im Gask\u00fchler und das bei deutlich geringeren Exergieverlusten verglichen zu einem subkritischen Prozess mit konstanter Kondensationstemperatur im Verfl\u00fcssiger.<\/p>\n

Bild 1<\/strong> und Bild 2<\/strong> zeigen einen transkritischen W\u00e4rmepumpenprozess im Temperatur-Enthalpie-Diagramm. Die Temperaturen des jeweiligen Kreislaufs lassen sich hierbei direkt ablesen. Die L\u00e4nge der Pfeile entspricht auch der entsprechenden W\u00e4rmeleistung. Bild 1 zeigt den W\u00e4rmepumpenkreislauf bei einer optimal niedrigen Wassereintrittstemperatur und einem CO2<\/sub>-typisch sehr hohen Temperaturhub. Der \u201ePinch Point\u201c (minimale Temperaturdifferenz zwischen K\u00e4ltemittel und Sekund\u00e4rmedium), welcher v. a. bei \u00fcberkritischen CO2<\/sub>-Anwendungen f\u00fcr die Auslegung der W\u00e4rmer\u00fcckgewinnung bzw. des Gask\u00fchlers sehr wichtig ist, darf dabei keineswegs unterschritten werden (Empfehlung > 4 K). Bild 2 zeigt den W\u00e4rmepumpenprozess bei einer f\u00fcr CO2<\/sub>-W\u00e4rmepumpen recht untypisch hohen R\u00fccklauftemperatur. Der Kreisprozess ist hierbei gerade so noch abbildbar, jedoch zu \u00a0Kosten der Effizienz. W\u00fcrde man f\u00fcr beide Varianten einen gr\u00f6\u00dferen 4-Zylinder-Hubkolbenverdichter bei den dargestellten Bedingungen und t0<\/sub>=0\u00b0C einsetzen, w\u00fcrde man f\u00fcr Bild 1 eine nutzbare Heizleistung von beispielsweise 140 kW bei einem COP von 4,7 erzielen. Bei Bild 2 w\u00fcrde der gleiche Verdichter lediglich eine Heizleistung von 60 kW bei einem COP von 2,1 erreichen. Die Begr\u00fcndung liegt hierbei vorrangig an der Positionierung des k\u00e4ltemittelabh\u00e4ngigen Zweiphasengebiets. W\u00e4re der Dampfanteil nach der Entspannung bei Bild 1 ca. 5%, so w\u00e4re er bei Bild 2 bei \u00fcber 70%!<\/p>\n

Typischerweise werden CO2<\/sub>-W\u00e4rmepumpen \u00a0einstufig ohne Flashgasbypass ausgef\u00fchrt (siehe Bild 3<\/strong>). Fl\u00fcssigkeitsabscheider und Sauggas\u00fcberhitzer sind dabei zwingend notwendig, da das Hochdruckregelventil gleichzeitig das Einspritzventil am Verdampfer ist und dieser quasi-\u00fcberflutet betrieben wird.<\/p>\n

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Bild 3: RI-Schema einer typischen<\/strong> CO2<\/sub>-W\u00e4rmepumpe<\/strong><\/p>\n

F\u00fcr diese Anlagenschaltung hat die compact K\u00e4ltetechnik GmbH die Baureihe *carboHeat<\/strong> entwickelt. Typische Heizleistungen der *carboHeat bei tg<\/sub>=30\u00b0C, t0<\/sub>=-5\u00b0C, tWasser<\/sub>=20\/70\u00b0C, ph=92bar(a):<\/p>\n

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*carboHeat01<\/td>\n7 kW<\/td>\n<\/tr>\n
*carboHeat04<\/td>\n22 kW<\/td>\n<\/tr>\n
*carboHeat07<\/td>\n35 kW<\/td>\n<\/tr>\n
*carboHeat09<\/td>\n50 kW<\/td>\n<\/tr>\n
*carboHeat12<\/td>\n70 kW<\/td>\n<\/tr>\n
*carboHeat18<\/td>\n100 kW<\/td>\n<\/tr>\n
*carboHeat38<\/td>\n250 kW<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<\/div>\n

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Die *carboHeat<\/strong> ist als kompletter K\u00e4ltekreis ausgestattet mit je einem transkritischen halbhermetischen Hubkolbenverdichter (wahlweise mit FU), ein bis drei Gask\u00fchlern, Hochdruckventil, Verdampfer, Akkumulator und einem internen W\u00e4rme\u00fcbertrager in eigensicherer Ausf\u00fchrung mit 120 bar auf der Hochdruckseite und 80 bar auf der Saugdruckseite. Dabei ist im Stillstandsfall keine Notk\u00fchlung erforderlich. Mit Schaltschrank komplett verkabelt (Regelungstechnik wahlweise mit Siemens S7, Danfoss oder Wurm) erh\u00e4lt der Kunde ein \u201ePlug and Play\u201c Ger\u00e4t. F\u00fcr eine Unterst\u00fctzung bei Inbetriebnahme oder Service und Wartung steht Ihnen compact K\u00e4ltetechnik jederzeit als Ansprechpartner zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n

CO2<\/sub>-W\u00e4rmepumpen sind f\u00f6rderf\u00e4hig nach der BMU K\u00e4lte-Klima-Richtlinie. Die Baureihe von compact K\u00e4ltetechnik ist bei der BAFA gelistet. Die Berechnung der Gesamtjahresarbeitszahl erfolgt in Anlehnung an die VDI 4650 und erzielt beispielsweise f\u00fcr die *carboHeat18, welche auch in Bild 4 abgebildet ist, eine fiktive Gesamtjahresarbeitszahl von 4,3. Aktuell wurde diese CO2<\/sub>-W\u00e4rmepumpe an einen namenhaften Maschinenbaubetrieb im Raum Stuttgart zur Heizungsunterst\u00fctzung des Fertigungsbetriebs geliefert. Ausgelegt als monovalente Wasser\/Sole W\u00e4rmepumpe, bei Auslegungsbedingungen von Wasser 25\/50\u00b0C auf der warmen Seite und Ethylenglykol 30% +12\/+8\u00b0C als W\u00e4rmequelle erreicht diese *carboHeat18 eine Heizleistung von ca. 100 kW, bei FU-Betrieb mit 53 Hz. Im Betriebspunkt erreicht diese W\u00e4rmepumpe einen COP von 4,54. Gem\u00e4\u00df der zuvor beschriebenen BAFA-F\u00f6rderung wurde f\u00fcr den Betreiber eine F\u00f6rderung von ca. 8.500 \u20ac errechnet. Gemessen an den etwas h\u00f6heren Investitionskosten bedingt durch das Hochdruckk\u00e4ltemittel CO2<\/sub> ergeben sich durch die F\u00f6rderung sp\u00fcrbare Kostenvorteile f\u00fcr den Kunden.<\/p>\n

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Bild 4: CO2<\/sub>-W\u00e4rmepumpe vom Typ *carboHeat18 von compact K\u00e4ltetechnik<\/strong><\/p>\n

Zusammenfassung: <\/u><\/strong><\/p>\n