Masterarbeit Dennis Körner

 

Zur Förderung der Marktdurchdringung von Technologien für die Nutzung nachhaltiger Energiequellen sind eine Erhöhung der Effizienz und die Reduzierung von CO2-Emissionen im Vergleich zur Verbrennung fossiler Energieträger notwendig. Im Rahmen von häuslichen Anwendungen zur Wärmeerzeugung wird diesen Entwicklungszielen große Bedeutung beigemessen.

Eine nachhaltige Alternative zur Verbrennung fossiler Energieträger für die Bereitstellung von Wärme stellen Kompressionswärmepumpen dar. Allerdings haben die aktuell in Kompressionswärmepumpen verwendeten Kältemittel ein hohes Treibhauspotential. Deshalb hat die Europäische Union durch die F-Gas-Verordnung ein Gesetz verabschiedet, das den Verkauf von Kältemitteln mit hohem Treibhauspotential in Zukunft einschränkt. Folglich wird der Erwerb dieser Kältemittel unwirtschaftlich und es müssen geeignete Alternativen eingesetzt werden.

Sowohl die große Anzahl an erhältlichen Kältemitteln als auch Anforderungen hinsichtlich thermodynamischer Eigenschaften, Sicherheit sowie Regelung und Effizienz des Systems ergeben ein mehrdimensionales Optimierungsproblem im Hinblick auf die Auswahl des Kältemittels. Aus diesem Grund ist im Rahmen der Auslegung von Wärmepumpen eine modellgestützte Entwicklung zur Reduzierung von Entwicklungskosten erforderlich.

Daher wird in dieser Arbeit ein dynamisches Wärmepumpenmodell entwickelt. Die Modellierung erfolgt komponentenweise, damit die Anwendung unter geringem Aufwand auf andere Systeme übertragbar ist. Der Kreisprozess wird durch vier Zustände abgebildet. Hieraus resultiert eine geringe Anzahl an Modellparametern, die maßgebend für den Aufwand der Kalibrierung des Modells ist. Entscheidende Parameter bei der Modellierung einer Wärmepumpe stellen isentroper Wirkungsgrad ´is und Liefergrad ¸l des Verdichters dar. Zur Bestimmung der beiden unbekannten Parameter wird eine entsprechende Methode entwickelt. Ein Vergleich mit der Literatur bestätigt im Anschluss die Plausibilität der Ergebnisse.

Aus der Modellentwicklung und Bestimmung der Parameter resultiert ein plausibles Modell, das im Vergleich zu experimentellen Daten eine maximale relative Abweichung von 1,5% in Bezug auf Heizleistung und COP aufweist. Im Rahmen der Betrachtungen ist das Modell zur Abbildung des Betriebsverhaltens bei verschiedenen Quell- und Nutztemperaturen geeignet.

Im Anschluss erfolgt eine Untersuchung der Betriebsstrategie von Wärmepumpen anhand des validierten Modells. Dabei liegt der Fokus auf dem Zustand des Kältemittels am Austritt des Verdampfers, wobei dessen Einfluss auf die Heizleistung der Wärmepumpe untersucht wird. Bei vollständiger Verdampfung des Kältemittels resultiert die maximale Heizleistung. Damit ist im Vergleich zur Überhitzung um 1K zwecks Schutz des Verdichters eine Zunahme der Heizleistung von 5 % zu erreichen. Eine Teilverdampfung des Kältemittels ist nicht sinnvoll.