Eine internationale Forschungsgruppe hat die Leistung von Booster-Wärmepumpen in Ultra-Niedrigtemperatur-Fernwärmenetzen untersucht – und herausgefunden, dass die Kältemittelfüllung ein Schlüsselfaktor für die Machbarkeit einer solchen hybriden Systemkonfiguration ist. Booster-Wärmepumpen erlauben es, die Netze auf einem wesentlich niedrigeren Temperaturniveau zu betreiben. Das verbessert die Effizienz der in den Netzen selbst eingesetzten zentralen Wärmepumpen. Zugleich werden die Wärmeverluste im Netz erheblich verringert.
Die Forschungsgruppe setzt sich aus Wissenschaftlern der Technischen Universität Dänemark, der Universität Twente in den Niederlanden und dem dänischen Technologieunternehmen Danfoss zusammen.
In der in der Fachzeitschrift Energy and Buildings veröffentlichten Studie „Integration of booster heat pumps in ultra-low temperature district heating network: Prototype demonstration and refrigerant charge investigation“ erklären die Wissenschaftler, dass ihre Bewertung auf 212 einschlägigen, bis einschließlich 2022 veröffentlichten Arbeiten basiert. Bei ihrer Auswertung der Literatur haben sie einen erheblichen Mangel an Daten über den Einfluss der Kältemittelfüllung in Booster-Wärmepumpen, die in Fernwärmenetzen betrieben werden, festgestellt.
Zu wenig Kältemittel führt zu ausgelastetem Verdampfer
Sie betonten auch, dass die Kältemittelfüllung eine entscheidende Rolle bei der Optimierung des Betriebs der Booster-Wärmepumpen spielt, da eine unzureichende Füllung zu einem nicht ausgelasteten Verdampfer führen kann. „In Ultra-Niedrigtemperatur-Fernwärmesystemen wird die Leistungszahl der Booster-Wärmepumpe erheblich von der Rücklauftemperatur der Fernwärme beeinflusst, wenn die Temperatur des Brauchwassers festgelegt ist (zum Beispiel 60 Grad Celsius)“, schreiben die Forscher. „Es wird empfohlen, den Betrieb der Booster-Wärmepumpe auf eine höhere Verdampfer-Austrittswassertemperatur innerhalb des zulässigen Bereichs der Fernwärme-Rücklauftemperatur zu regeln.“
In der untersuchten Anlage dient der Brauchwasserspeicher eines Haushalts als Senke für die Booster-Wärmepumpe, während die Fernwärme als Wärmequelle genutzt wird. Die Wissenschaftler schlagen vor, R134a als Kältemittel für die Konfiguration zu verwenden. Ihre Analyse berücksichtigt unterschiedliche Kältemittelfüllungen, Wärmesenken- und Wärmequellentemperaturen. Dabei fanden sie heraus, dass eine Kältemittelfüllung von 4,6 Kilogramm die effizienteste Flüssigkeitsmenge für die vorgeschlagene Systemkonfiguration ist. Damit kann eine Jahresarbeitszahl von 4,95 erreicht werden.
„Es ist jedoch erwähnenswert, dass bei einer höheren Kältemittelfüllung von 4,8 Kilogramm die Jahresarbeitszahl aufgrund einer leichten Überladung etwas abnimmt, während die optimale Heizleistung an diesem Punkt erreicht wird“, fügen sie hinzu. „Folglich ist bei diesem Prototyp die optimale Kältemittelfüllung für die maximale Jahresarbeitszahl etwas niedriger als die für die maximale Kühlleistung – ein Trend, der bei vielen Klimaanlagen und Haushaltswärmepumpen zu beobachten ist“.
Bessere Integration der Erneuerbaren
Die Forscher fanden auch heraus, dass bei einer Vorlauftemperatur von 40 Grad ein geringerer Temperaturhub – also der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke – zu einer höheren Jahresarbeitszahl, aber einem niedrigeren exergetischen Wirkungsgrad führt. „In praktischen Szenarien kann es einen Kompromiss zwischen energetischem und exergetischem Wirkungsgrad geben. Ein ausgewogener Betrieb könnte durch Optimierung der Betriebsparameter erreicht werden“, so die Forschungsgruppe.
Die Wissenschaftler schließen mit der Feststellung, dass der Einsatz von Booster-Wärmepumpen in Ultra-Niedertemperatur-Fernwärmenetzen viele Vorteile bietet, darunter eine bessere Integration erneuerbarer Energiequellen. „Allerdings muss die Auslegung der Systemkonfiguration sorgfältig geprüft werden, da verschiedene Faktoren wie die garantierte Kältemittelrate, zeitabhängige Parameter und die Zieltemperatur für das Warmwasser den Betrieb und die Leistung beeinflussen“, so die Wissenschaftler.
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Weil „exergetischer Wirkungsgrad“ wohl nur WP-Spezialisten ein Begriff ist: Gemeint ist damit, wieviel der bereitgestellten Niedertemperatur-Energie dann auch im Warmwasser landet.