Masterarbeit Mirko Engelpracht

 

Entwicklung modularer und skalierbarer Simulationsmodelle von Wärmepumpen und Kältemaschinen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Kältemittel

Masterarbeit Engelpracht Urheberrecht: EBC Schematische Darstellung der entwickelten Modellierungsarchitektur zur Umsetzung modularer und skalierbarer Wärmepumpenmodelle

Im Rahmen der in Deutschland beschlossenen Energiewende stellt die Wärmepumpe eine Schlüsseltechnologie dar, um die festgelegten energetischen und umweltspezifischen Ziele zu erreichen. Dazu muss die Wärmepumpe energetisch optimiert und es müssen effiziente Regelungsstrategien für den Einsatz in komplexen Energiesystemen entwickelt werden. Eine solche Entwicklung wird auf Grund der steigenden Systemkomplexität zunehmend mit Hilfe von Simulationswerkzeugen durchgeführt und bedarf dynamischer komponentenbasierter Simulationsmodelle, die den gesamten Kältemittelkreislauf abbilden. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Modellierungssprache Modelica verwendet.

Ein entscheidendes Submodell des Wärmepumpenmodells hinsichtlich der Modellgenauigkeit und -geschwindigkeit ist das Stoffmodell. Dieses wird auf Basis einer vereinfachten Helmholtz-Fundamentalgleichung entwickelt und es werden Modelle für die typischen Kältemittel R134a und R410A implementiert. Anschließend wird ein Architekturkonzept zur Abbildung von Wärmepumpenkonfigurationen entworfen, das die Modellmodularität und -skalierbarkeit fokussiert. Zur Umsetzung des Konzeptes werden Simulationsmodelle für den Verdichter, das Expansionsventil und die Wärmeübertrager entwickelt.

Der Verdichter basiert auf einem literaturgestützten Effizienzmodell. Die benötigten Wirkungsgrade werden über das Buckingham-Theorem implementiert und erlauben die Anwendung des Verdichtermodells für bisher nicht vermessene Kältemittel. Das Modell des Expansionsventils beruht auf der Bernoulli'schen Energiegleichung und der erforderliche Durchflusskoeffizient wird ebenfalls über das Buckingham-Theorem berücksichtigt. Beide Komponenten sind in ihrer Größe skalierbar und aus diesem Grund sind Anpassungen an verschiedene Leistungsklassen möglich. Die auf Basis des Moving-Boundary-Ansatzes entwickelten Wärmeübertrager bieten einen guten Kompromiss zwischen Simulationsgeschwindigkeit und Modellgenauigkeit. Übergangsmechanismen zwischen verschiedenen Wärmeübertragerkonfigurationen sind vorbereitet.

Die Bewertung des entwickelten Wärmepumpenmodells wird anhand der Einzelkomponenten Verdichter und Expansionsventil durchgeführt. Das Verdichtermodell kann einfach parametriert werden und die durchschnittlichen Abweichungen der vorausgesagten Massenströme sowie der elektrischen Leistungen betragen maximal 1.5 % bzw. 3.0 %. Im Zuge der Untersuchung des Expansionsventils wird gezeigt, dass die entwickelten Stoffmodelle, verglichen mit Stoffmodellen des NIST, einen vernachlässigbaren Fehler besitzen. Außerdem wird die Simulationsdauer durchschnittlich um den Faktor 30 reduziert. Eine abschließende Untersuchung bestätigt zudem die Lauffähigkeit eines geschlossenen Wärmepumpenkreislaufs und unterstreicht die Möglichkeit, dynamische Jahressimulationen durchzuführen.Jahressimulationen durchzuführen.