IEA HPT Annex 58: TransCrit: R600 high-temperature heat pump in sub- and trans-critical operation (2022)

Im Zuge des Forschungsprojektes TransCrit wurde das Funktionsmuster einer Hochtemperaturwärmepumpe (HTWP), die eine Nutztemperatur von bis zu 160°C ermöglicht, entwickelt, aufgebaut und experimentell sowie simulationstechnisch untersucht.
Das natürliche Kältemittel R600 (n-Butan) wird in einem einstufigen Kältemittelkreislauf mit Niederdrucksammler und internem Wärmetauscher unter Verwendung eines Hubkolbenkompressors eingesetzt und ermöglich sub- und trans-kritischen Betrieb. Mit Ausnahme des modifizierten Kompressors wurden marktverfügbare Komponenten eingesetzt.

Anhand von detaillierten Untersuchungen werden die Einflüsse der Betriebsparameter auf die Effizienz der HTWP gezeigt. Für den Betriebsparameter Hochdruckniveau wird die Temperaturdifferenz zwischen Kältemittelaustritt aus dem und Wärmesenkeneintritt in den Kondensator als Regelgröße vorgeschlagen und experimentell getestet. Eine erhöhte Sauggasüberhitzung zeigte eine Verbesserung der Leistungszahl (COP) der HTWP. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden COP und Heizleistung für verschiedene Betriebspunkte präsentiert.

Die HTWP ermöglicht im subkritischen Betrieb ausgehend von Wärmequellentemperaturen zwischen 40 und 60 °C eine Erwärmung der Wärmesenke von 80 auf 110 bzw. 140 °C. Im trans-kritischen Betrieb ist bei Wärmequellentemperaturen zwischen 50 und 60 °C eine Erwärmung der Wärmesenke auf bis zu 160 °C möglich. Die in diesem Beitrag vorgestellten Messergebnisse umfassen Heizleistungen zwischen 14,6 kW (Wärmequelleneintritt 40 °C, -austritt 35 °C, Wärmesenkeneintritt 80 °C, -austritt 140 °C) bei einem COP von 2,7 und einer Heizleistung von 30,7 kW (Wärmequelleneintritt 60 °C, -austritt 55 °C, Wärmesenkeneintritt 80 °C, -austritt 110°C) bei einer Leistungszahl von 4,4.

IEA HPT Annex 58: TransCrit: R600 high-temperature heat pump in sub- and trans-critical operation