Biomassebetriebene Absorptions-Wärmepump-Anlage zum Heizen und Kühlen

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Auf Grund des Kyoto-Protokolls muss Österreich bis 2010/2012 seine CO2-Emissionen um 13 % (bezogen auf 1990) reduzieren. Der Haupt - Endenergiesektor ist der Gebäudebereich, und in diesem Bereich ist es möglich, mit Wärmepumpen den Energieverbrauch durch Nutzung von freier Umgebungsenergie aus Luft, Erdreich und Grundwasser signifikant zu vermindern. Mit Wärmepumpen ist auch Kühlung möglich, die auf Grund der geänderten Architektur und des gestiegenen Komfortbedarfes immer wichtiger wird. Im Fall von elektrisch angetriebenen Wärmepumpen ist die Stromerzeugung der Bereich, in dem CO2-Emissionen auftreten. Im Fall von Absorptionswärmepumpen ist die Antriebsenergie Wärme, und wenn diese Wärme aus Biomasse erzeugt wird, werden Wärmepumpen weitestgehend CO2-neutral.

Absorptions-Wärmepump-Anlagen mit "natürlichen" Kältemitteln - wie Ammoniak/Wasser - stellen weiters eine umweltverträgliche Alternative zu Kompressions-Wärmepumpen mit fluorierten Kohlenwasserstoffen dar, deren weitere Verwendung als Kälte- und Kühlmittel zukünftig eingeschränkt wird.

Das Ziel des Projekts BioAWP war es, eine hocheffiziente biomassebeheizte Absorptionswärmepumpe zu entwickeln, die das Erdreich als Wärmequelle bzw. Wärmesenke nutzt und ein Niedertemperatur Heizungs- bzw. Kühlungssystem mit integrierter Warmwassererzeugung versorgt.

Für den Antrieb der Absorptionswärmepumpe (AWP) wurde ein Biomasse-Kessel für den Betrieb mit hohen Vorlauftemperaturen (bis 180°C) umgebaut und getestet. Durch die Verwendung von Wärmeträgeröl im hydraulischen Kreis konnte der Kessel mit atmosphärischem Druck betrieben werden und die notwendigen Modifikationen am gewählten Serienprodukt hielten sich in Grenzen.

Bei der Entwicklung der Absorptionswärmepumpe wurde das Ziel verfolgt, die Kosten durch die Verwendung von Standardkomponenten zu minimieren. Zu Beginn des Projektes wurde der Absorber-Generator-Heatexchanger (GAX) Prozess angestrebt, da dieser höhere erreichbare Wärmeverhältnisse verspricht als z.B. der einstufige Prozess. Die weiteren Untersuchungen haben allerdings ergeben, dass Standard-Plattenwärmetauscher für den GAX-Prozess nur eingeschränkt einsetzbar sind. Deshalb wurde ein einstufiger Prozess verwirklicht, wobei für alle Wärmetauscher Standard-Plattenwärmetauscher verwendet wurden. Der Prototyp der Absorptionswärmepumpe wurde in Betrieb genommen, getestet, optimiert und dann mit dem Pelletskessel gekoppelt und gemeinsam vermessen. Die Ergebnisse zeigen die Funktionsfähigkeit des Systems sowohl im stationären als auch im instationären Betrieb und vergleichsweise hohe Wärmeverhältnisse der Absorptionswärmepumpe.

Zur Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle bzw. Wärmesenke wurde eine CO2-Erdreichsonde untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass der Betrieb der CO2-Sonde als Wärmesenke, d.h. im Kühlbetrieb der AWP, nur im einphasigen flüssigen Betrieb möglich ist und dass der CO2-Umlauf durch Spezialpumpen erzwungen werden muss. Die durchgeführten Berechnungen und Messungen zeigen, dass der notwendige Massenstrom zur Wärmeabgabe an das Erdreich und der damit verbundene Leistungsbedarf der Umwälzpumpen relativ hoch liegen. Eine marktgerechte Umsetzung dieser Technologie erscheint derzeit als unwahrscheinlich. Alternativ zur CO2-Pumpsonde wird ein alternatives System mit horizontalem Kollektor und Phasenwechsel im Kühl- und Heizbetrieb vorgeschlagen.

Das dem Projekt BioAWP zugrunde gelegte Gesamtkonzept für Heizung, Kühlung und Warmwasserbereitung wurde weiters für unterschiedliche Anwendungsfälle untersucht und mit alternativen Technologien verglichen.

Insgesamt kann aus diesen Vergleichen geschlossen werden, dass das BioAWP-Konzept für Heizbetrieb annähernd konkurrenzfähig ist. Für ausschließlichen Kühlbetrieb ist der Biomasseeinsatz des BioAWP-Konzeptes relativ groß und die Konkurrenzfähigkeit zu Kompressionskältemaschinen deshalb schwierig. Aus ökologischer Sicht bietet das BioAWP-Konzept durchwegs niedrige CO2-Emmisionen und hat sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb Vorteile gegenüber Kompressionswärmepumpen.

Projektleiter

Dr. René Rieberer
TU Graz, Institut für Wärmetechnik

Projekt- und Kooperationspartner

• Heliotherm Wärmepumpentechnik GmbH
• KWB - Kraft und Wärme aus Biomasse GmbH
• M-TEC Mittermayr GmbH

Dr. René Rieberer
TU Graz, Institut für Wärmetechnik
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