IEA HPT Annex 41: Cold Climate Heat Pumps

Ausgangssituation/Motivation

Um die ambitionierten Ziele der EU zu erreichen, sind in den nächsten Jahren verstärkt Gebäude aller Größenordnungen und Verwendungszwecke entsprechend thermisch zu sanieren und ineffiziente, meist auf fossilen Energieträger basierende Heizsysteme, durch effizientere Technologien zu ersetzen. Aufgrund ihrer einfachen Installation und geringen Investitionskosten stellen luftbasierende Wärmepumpensysteme eine attraktive Alternative dar. Dieser Wärmepumpentyp hat den Nachteil, dass die Heizkapazität und Leistungszahl bei niedrigeren Außentemperaturen sehr stark sinken. Ein besonderes Problem stellt die Vereisung des Wärmeübertrages in kalten Klimazonen dar.

Zielsetzung

Der nationale Beitrag zum IEA HPP Annex 41 Projekt zielte darauf ab, die Effizienz von Außenluft-Wärmepumpen vor allem in kalten Klimata zu erhöhen, um sie für Einsatzorte mit tiefen Außentemperaturen bis -25°C effizienter und damit attraktiver zu machen.

Methodische Vorgehensweise, Ergebnisse

Es wurden Modelle zum Frostansatz- sowie zur Frostverdichtung sowie zur Berechnung der Vereisung von Wärmeübertragern erstellt, um damit zukünftig geeignete Lamellenstrukturen vorselektieren zu können. Das reduziert die Prototypenzahl für experimentelle Untersuchungen und den damit verbundenen Aufwand. Zudem wurde der Zusammenhang zwischen Vereisungszeiten einer Lamellengeometrie zum erreichbaren Wärmetransfer quantifiziert. Auf der Multi-Port-Extrusion Technologie basierende Lamellenwärmeübertrager zeigten speziell in der initialen Eisbildung Vorteile im Vergleich zu Rohrbündelwärmeübertragern. Ausgewählte Beschichtungen am Wärmeübertrager beeinflussten das Vereisungsverhalten nur in der ersten Frostphase. Die Kältemittelverteilung im Wärmeübertrager kann unmittelbar aus dessen Vereisungsverhalten abgeleitet werden, wenn die Strömungsverhältnisse um den Wärmetauscher bekannt sind. Vereinfachte Kältekreismodelle wurden erstellt und ein detailliertes Modell für LI-Kreisläufe am Laborprototyp verifiziert. Damit wurde der SCOP für unterschiedliche Klimata errechnet. Die beste Performanz ergab sich bei der Analyse mit dem vereinfachten Modell für den Kältekreislauf mit Ejektor. Die Nutzung einer Kaskade zeigte eine COP Verbesserung von bis zu 5% im Vergleich zu konventionellen Kreisläufen. COP Erhöhungen um 4% bis 10% sind bei einer Verdampfertemperatur von -30°C mit Flash Tank oder internem Wärmeübertrager möglich. Im Vergleich zu einem konventionellen Kältekreislauf konnten Kaskade, Zwischenkühler und LI Kreisläufe als vielversprechende Alternativen evaluiert werden.

Die Ergebnisse dienen dem besseren Verständnis und der Beschreibung ausgewählter Problemfelder und wurden der nationalen Wärmepumpenindustrie zur Weiterentwicklung ihrer Produkte zur Verfügung gestellt. Sie können damit die Effizienz ihrer luftbasierenden Wärmepumpensysteme erhöhen und ihre Wettbewerbsfähigkeit stärken.

Weitere Publikationen

Final Report (2017)

• Austrian Institute of Technology GmbH (AIT)
  Dr. Thomas Fleckl, Dr. Christoph Reichl, Dr. Mirza Popovac, DI Sandra Seichter
• TU Graz - Institut für Wärmetechnik
  Univ.-Prof. Dr. René Rieberer, DI Heinz Moisi, Dr. Andreas Heinz, Franz Hengel