Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Volltext zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-1032781
Xiao, Shengqing
Richter, Markus (Prof. Dr.-Ing.) ; Kabelac, Stephan (Prof. Dr.-Ing.) (Gutachter)
Betriebsverhalten und Optimierung von Großwärmepumpen zur Wärmeversorgung von Wohnquartieren
Kurzfassung in deutsch
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit systematischen Untersuchungen von Großwärmepumpen zur Quartierswärmeversorgung. Die vorgestellten Ergebnisse entstanden im Rahmen des Verbundvorhabens ZED, in dem die Realisierung der emissionsfreien Wärmeversorgung eines typischen Wohnquartiers durch den Einsatz von Großwärmepumpen-Speicher-System untersucht wurde.Auf der Wärmesenkenseite wurde eine Versorgungstemperatur auf 75 °C und eine Temperaturspreizung von 10 bis 15 K angenommen. Die typischen Wärmequellen in Wohnquartieren lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Umweltwärmequelle mit schwankender Temperatur auf relativ tiefem Temperaturniveau (z. B. Solarthermie) und Abwärme auf relativ konstantem und hohem Temperaturniveau (z. B. Fernwärmerücklauf). In dieser Arbeit wurden zwei Systemkonzepte mit Solarthermie und Fernwärmerücklauf als Wärmequelle entwickelt. Die Modellierung und stationäre Simulation der Wärmepumpenschaltungen erfolgten mit der Software EBSILON®Professional Version 14.0. Für die Wärmepumpenvariante mit Solarthermie als Wärmquelle wurden sechs Schaltungen simuliert. Die Variante ST-3, die eine zweistufige Verdichtung mit Open-Flash-Economizer aufweist, sowie die Variante ST-6, bei der zwei Wärmepumpen in Reihe geschaltet und getrennt an den Speicher angeschlossen sind, wurden als die optimalen Wärmepumpenschaltungen identifiziert. Variante ST-3 erzielt die höchste Leistungszahl unter allen untersuchten Varianten. In Variante ST-6 können die beiden Verdichter unabhängig voneinander betrieben werden, wodurch sich die Leistungszahl durch die Verwendung verschiedener Niederdruck-/Hochdruck-Kältemittelpaarungen weiter optimieren lässt. Im Vergleich zu Variante ST-6 bietet Variante ST-3 jedoch eine kompaktere und kostengünstigere Systemausführung. Zur Nutzung einer Fernwärme-Rücklaufleitung als Wärmequelle wurden zwei Wärmepumpenvarianten mit unterschiedlichen Betriebsstrategien untersucht. Der begrenzte Volumenstrom des bestehenden Fernwärmerücklaufs im Projekt ZED stellte hierbei eine zentrale Herausforderung dar. Standard-Wärmepumpen mit einer Temperaturspreizung im Verdampfer von 3 bis 5 K sind für die Deckung der winterlichen Heizlast in diesem Fall unzureichend. Die Variante FR-1 nutzt eine Standard-Wärmepumpe mit Beimischschaltungen auf der Wärmequellenseite, um das aus dem Verdampfer austretende Wasser mit dem Vorlaufwasser zu mischen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Variante FR-2 eine Erhöhung der Temperaturspreizung im Verdampfer auf bis zu 15 K durch den Einsatz von vier Wärmepumpen-Verdichter-Kondensator-Kreisen.
Laut EU-F-Gase-Verordnung Nr. 517/2014 ist der Einsatz vieler bisher handelsüblicher Kältemittel in Wärmepumpenanlagen aufgrund ihres hohen Treibhauspotentials in naher Zukunft stark eingeschränkt. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen dieser Arbeit geeignete Low-GWP-Kältemittel für Wärmepumpenanwendungen anhand der Schaltungsvarianten ST-3 und ST-6 untersucht. Dabei wurden für die Variante ST-3 neun Kältemittel und für die Variante ST-6 insgesamt 90 Kältemittelpaarungen simuliert. In der vorliegenden Studie weisen die meisten optimalen Kältemittel mit besserer Energieeffizienz und kleinerer Verdichtergröße aufgrund ihrer Entflammbarkeit oder Toxizität zusätzliche Anforderungen an die Sicherheitstechnik auf. Hochentzündliche Kältemittel wie R290 und R1270 sind für Großwärmepumpenanlagen, die direkt in Wohngebieten installiert werden, nicht geeignet. Auch die geringe Akzeptanz von toxischen Kältemitteln wie R717 und R245fa kann ein Haupthindernis für deren Einsatz in Wohngebieten darstellen. Im untersuchten Fall wurde R1234ze(E) als handelsübliches Kältemittel mit der besten Kombination aus thermodynamischen, ökologischen und sicherheitstechnischen Eigenschaften identifiziert. Die Verwendung dieses Kältemittels ist unter Beachtung der deutschen Sicherheits- und Umweltvorschriften möglich. Die Simulationen der ausgewählten Wärmepumpenvarianten wurden mit dem Kältemittel R1234ze(E) durchgeführt. Für die Variante ST-3 wurden acht Betriebspunkte festgelegt, wobei die Verdampfer-Eintrittstemperaturen im Bereich von 5 bis 40 °C lagen. Basierend auf den mittleren monatlichen Wärmequellentemperaturen ergibt sich eine grobe Schätzung der Jahresarbeitszahl von etwa 3. Im Vergleich zur Variante FR-1 verfügt die Variante FR-2 mit zwei Wärmepumpen einen deutlich größeren Leistungsbereich. Während zur Erhöhung der Heizleistung bei der Variante FR-1 mehrere Wärmepumpen zugeschaltet werden müssen, arbeiten die Wärmepumpen der Variante FR-2 ab einer Heizleistung von etwa 750 kW deutlich effizienter. Im Bereich niedriger Heizleistungen (ca. 300 kW bis 700 kW) weisen hingegen die Heizleistungszahlen der Variante FR-1 geringfügig bessere Werte auf als die der Variante FR-2. Für die Nahwärmeversorgung eines Wohnquartiers mit einer Spitzenlast von etwa 1,5 bis 1,6 MW bietet die Variante FR-2 eine höhere Heiz-Jahresarbeitszahl. Ein weiterer Vorteil der Variante FR-2 gegenüber der Variante FR-1 liegt in der Möglichkeit, den Speicher kleiner zu dimensionieren, was Platz spart und die Anlagenkosten reduziert. Das Wärmepumpenmodell der Variante FR-2 wurde entsprechend der Produktdaten des Herstellers angepasst. Die Betriebspunkte des Wärmepumpensystems wurden sowohl mit stufenweiser als auch mit stufenloser Leistungsregelung simuliert und miteinander verglichen. Durch den Einsatz eines Frequenzumrichters können größere Leistungsbereiche abgedeckt und höhere Heizleistungszahlen erreicht werden. Die Simulation des Jahresbetriebs mit stufenloser Leistungsregelung ergab eine Jahresarbeitszahl von 4,63.
Abschließend wurden zusätzliche Optimierungsmöglichkeiten des Wärmepumpen-Kältekreislaufs analysiert und mithilfe von EBSILON®Professional-Modellen theoretisch untersucht. Die Verwendung von Temperaturgleit bei der Wärmeübertragung ermöglicht eine Verringerung der mittleren Temperaturdifferenz in Verdampfer und Verflüssiger, was zu einer Effizienzsteigerung der Wärmeübertragungsprozesse führt. Dies kann durch die gezielte Auswahl geeigneter zeotroper Kältemittelgemische realisiert werden. Darüber hinaus wurden die Optimierungspotenziale durch den Einsatz einer Expansionsmaschine sowie eines inneren Wärmeübertragers untersucht. Die exergetische Analyse der vier Optimierungsoptionen – FR-2 mit dem Einsatz des zeotropen Kältemittelgemischs R455A, FR-2-EM mit einer Expansionsmaschine, FR-2-IWÜ mit einem inneren Wärmeübertrager sowie FR-2-IWÜ in Kombination mit einem inneren Wärmeübertrager und dem Kältemittelgemisch R455A – zeigte, dass die Wärmepumpenvariante FR-2-EM die geringsten gesamten Exergieverluste aufweist und die höchste Heizleistungszahl erreicht.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Technische Thermodynamik | |
| Fakultät: | Fakultät für Maschinenbau | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Richter, Markus (Prof. Dr.-Ing.) | |
| DOI: | doi:10.60687/2026-0067 | |
| SWD-Schlagwörter: | Großwärmepumpe , Wärmeversorgung , Kältemittel , Wärmequelle , Solarthermie | |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): | Großwärmepumpe , Wärmepumpenschaltung , stationäre Simulation , Kältemittel , Heizleistungszahl , Wärmequelle , Fernwärmerücklauf , Solarthermie | |
| DDC-Sachgruppe: | 621.402 | |
| Sprache: | deutsch | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 07.11.2025 |
