Bachelorarbeit Jannis Schumann

 

Bewertung von Klimakammer- und Notentlüftungskonzepten für Hardware-in-the-Loop Versuchsstände für Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln

Vorderansicht des Gesamtkonzeptes bestehend aus Klimakammer, Komponentenprüfstand und des Abluftkanalnetzes. Urheberrecht: EBC Vorderansicht des Gesamtkonzeptes bestehend aus Klimakammer, Komponentenprüfstand und des Abluftkanalnetzes.

Durch die Nutzung von Luft-Wasser-Wärmepumpen zur Beheizung von Gebäuden lässt sich der Primärenergieverbrauch (PEV) im Gebäudesektor reduzieren. Im Gegensatz zur Verwendung von fossilen Brennstoffen z. B. in Gaskesseln, beziehen Wärmepumpen ihre Energie aus Umgebungs- wärme und Strom. Mit steigender Effizienz wird die Aufnahme elektrischer Leistung reduziert. Das führt zu einer Verringerung des PEV.

Ein großer Anteil der derzeit eingesetzten Wärmepumpen verwenden konventionelle Kältemittel wie z. B. R-134a und R-410A. Diese Kältemittel besitzen ein hohes Treibhauspotential, weshalb eine schrittweise Verknappung der Verkaufsmengen in der F-Gas Verordnung festgelegt wurde. Bei gleichbleibender oder steigender Nachfrage der Kältemittel führt diese Verknappung zu Preis- steigerungen am Markt. Daraus resultiert ein Bedarf an alternativen Kältemitteln, um die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen sicherzustellen. Ein Beispiel solcher Alternativen ist Propan, das günstige thermodynamische Eigenschaften bezüglich eines Einsatzes in Kompressionswärmepumpen aufweist. Für Untersuchungen von Propan-Wärmepumpen sind allerdings Sicherheitsvorkehrungen notwendig, da Propan leicht entzündlich ist.

Eine Möglichkeit, um Wärmepumpen zu untersuchen, besteht in Feldtests. Diese sind jedoch zeit- und kostenintensiv und an die lokalen Wetterbedingungen sowie Verbrauchersysteme gebunden. Es ist zudem nicht möglich, den Einfluss sämtlicher Störgrößen zu beurteilen, da an jedem Standort Auslegungs- und Montagefehler sowie dynamische Wechselwirkungen zwischen Wärmepumpe, Heizungssystem, Nutzer und Wetterbedingungen von unterschiedlicher Ausprägung auftreten können. Um diese Wechselwirkungen in Untersuchungen miteinbeziehen zu können und den Einfluss unbekannter Störgrößen minimieren zu können, werden am Institut für Gebäude und Raumklimatechnik (EBC) des E.ON Energy Research Centers (ERC) zwei Hardware-in-the-Loop (HiL) Prüfstände eingesetzt. Der Wasserkreislauf der Wärmepumpe wird hierbei an eine Hydraulikanlage angeschlossen, welche individuelle Gebäudeverhalten emuliert. Zusätzlich wird die Außeneinheit der LWWP in einer Klimakammer aufgestellt, welche mithilfe einer Raumlufttechnischen Anlage (RLT-Anlage) die Temperatur und Luftfeuchtigkeit am Aufstellungsort emuliert. Diese Methode erlaubt es, wiederholbare Messungen unter kontrollierten und beobachtbaren Bedingungen durchzuführen und gleichzeitig dynamische Effekte zu berücksichtigen. Die vorhandenen HiL-Prüfstände HiL 1 und 2 sind für konventionelle LWWP mit einer thermischen Leistung bis 50 kW ausgelegt [1]. Für Tests an Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln sind die bestehenden Prüfstände nicht ausgelegt.

Diese Arbeit befasst sich mit der Auslegung einer Klimakammer, die den Anforderungen an Aufstellungsorte von Propan-Wärmepumpen genügt. In einem ersten Schritt werden dazu Wetterdaten deutscher Großstädte untersucht und die Betriebsgrenzen der Klimakammer hinsichtlich Temperatur und Luftfeuchtigkeit abgeleitet. Die Dimensionierung der Luftkonditionierungsstrecke der Klimakammer erfolgt ausgehend von einer maximalen thermischen Heizleistung der Prüfobjekte von 25 kW. Eine Regelung für die RLT-Anlage wird entwickelt, um zeitvariable Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsprofile emulieren zu können. Ein zuvor erarbeitetes Sicherheitskonzept wird implementiert. Abschließend wird das Konzept der ausgelegten Klimakammer bewertet.

Diese Arbeit erweitert das in den bestehenden Prüfständen HiL 1 und 2 erprobte Konzept durch die Implementierung eines Sicherheitskonzeptes, das Untersuchungen an Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln erlaubt.