#843842

DoublePump Neues Konzept einer thermischen Lösungsmittelpumpe für NH3/H2O-Absorptionswärmepumpsysteme kleiner Leistung

Absorptionswärmepump-Anlagen können bei Antriebsenergiebereitstellung durch Wärme aus erneuerbaren Energien ein besonderes ökologisches und ökonomisches Potenzial bieten. Vor allem im kleinen Leistungsbereich werden diese Systeme jedoch nur vereinzelt eingesetzt. Um die Verbreitung derartiger Systeme weiter zu erhöhen ist es erforderlich die Wirtschaftlichkeit dieser Systeme zu verbessern. Durch den Ersatz der elektrisch angetriebenen Lösungsmittelpumpe durch eine thermisch angetriebene Lösungsmittelpumpe kann dies, unter bestimmten Voraussetzungen, sowohl bei den Investitions- als auch bei den Betriebskosten erreicht werden.

Ausgangssituation

Im vorliegenden Projekt war es das Ziel ein neues Konzept einer thermisch angetriebenen Lösungsmittelpumpe für Absorptionswärmepump-Anlagen kleiner Leistung (Kälteleistung < 20 kW bzw. Heizleistung < 50 kW) zu entwickeln und in einer am Markt verfügbaren Kälteanlage der Firma Pink GmbH (PinkChiller PC19) experimentell zu untersuchen.

Hauptaugenmerk lag auf Ammoniak/Wasser-Anlagen kleiner Leistung welche, im Gegensatz zu Wasser/Lithiumbromid-Absorptionswärmepump-Anlagen, von den Lösungsmittelpumpen eine kleine Fördermenge bei großem Förderhub fordern. Die dafür am Markt verfügbaren Lösungsmittelpumpen sind aufgrund des beschränkten Angebotes nur schwer an individuelle Anwendungen anzupassen, weshalb diese für viele Anwendungen zu groß und somit verhältnismäßig teuer sind. Um diese Situation zu verbessern wurden in diesem Projekt folgende Schwerpunkte an das neue Pumpkonzept gesetzt:

Verwendung in der Kühl- und Heizanwendung
Großer Leistungs- und Temperaturbereich
Skalierbare Bauweise
Verwendung von Standardkomponenten
Höchstmögliche Effizienz des Gesamtsystems
Einsatzorientierte Betriebsstrategie

Projektverlauf

Hauptaugenmerk ist die Reduzierung von Treibhausgasemissionen und Reduktion des Primärenergieverbrauches durch die vermehrte Nutzung erneuerbarer Energien wie sie durch solarthermische Anlagen, industrielle Abwärme oder Umgebungswärme gegeben sind. Durch den hohen Anteil am Primärenergieverbrauch von Raumheizung, Warmwasser und Klimatisierung von ca. 33% kann der Einsatz thermisch angetriebener Wärmepumpen und Kälteanlagen kleiner Leistung in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie Industrie und Gewerbebetrieben dabei helfen den Anteil von Gas und Öl bzw. den Stromverbrauch zu reduzieren. Durch die Konzeptentwicklung einer thermisch angetriebenen Lösungsmittelpumpe besteht die Möglichkeit die Nutzung der thermischen Antriebsquelle weiter zu erhöhen, was sich bei kostenloser Antriebswärme zusätzlich positiv auswirkt und zu einer weiteren Verbreitung führen kann.

Somit wurden innerhalb des Projektes folgende Themen adressiert:

Sonstige erneuerbare Energieträger und Umwandlungstechnologien – thermisch angetriebene Wärmepumpen
Energie Effizienz in Industrie und Gewerbe – Nutzung von Abwärme

Ergebnisse

Die Ergebnisse zeigen, dass die Umsetzung einer thermisch angetriebenen Lösungsmittelpumpe technisch möglich ist. Sowohl der Anfahrvorgang als auch ein effizienter Betrieb können mit den erarbeiteten Strategien erreicht werden. Die Abweichung der Effizienz des PinkChillers im Betrieb mit „DoublePump“ und elektrisch angetriebener Pumpe wurden hinsichtlich unterschiedlicher Parameter quantifiziert und konnten nachvollzogen werden.

Im Rahmen der Umsetzungsstudie konnte gezeigt werden, dass unter bestimmten Rahmenbedingungen ein wirtschaftlicher Betrieb mit der „DoublePump“ darstellbar ist. Leider lässt sich dieser nur schwer darstellen, da die Herstellkosten über den Erwartungen liegen. Die Herstellkosten werden zum einen durch die höheren Kosten in der Herstellung der „DoublePump“ im Vergleich zur elektrisch angetriebenen Pumpe und des Weiteren durch die geringere Kälteleistung im Betrieb mit der „DoublePump“ verursacht. Eine möglichst hohe Anzahl an Betriebsstunden reduziert diesen Einfluss nur geringfügig.

Die größten Einflüsse auf die Effizienz und Kälteleistung des im Versuchsstand verbauten Funktionsmusters waren durch den saugseitigen Anschluss der Pumpe an den Absorber gegeben, was zu einer Reduktion der Absorbereffizienz im Vergleich zum Betrieb mit der elektrischen Pumpe führte. Dies ist jedoch eine Besonderheit der Versuchsanlage und könnte durch Tausch der Anschlussseite wesentlich verbessert werden. Am Versuchsstand war dieser Wechsel nicht möglich, da dies eine völlige Demontage der Kälteanlage und eine Neupositionierung mehrerer Komponenten erfordert hätte. Bei Anlagen mit anderem Absorberdesign ist dieser Einfluss vermutlich weniger stark ausgeprägt.

Zusätzlich zeigte sich, dass Hubankermagnetventile vom Magnetventiltyp „normally closed“ schlecht für die Druckverläufe, wie sie in der „DoublePump“ auftreten, geeignet sind. Wenn beim Schließen der Magnetventile kein Differenzdruck über die Ventile vorhanden ist, sollten Ventile vom Typ „normally open“ verwendet werden. Die Leckage der verwendeten Magnetventile hat nach der Absorbereffizienz den größten Einfluss auf Kälteleistung und Effizienz des Gesamtsystems.

Das weitere Verbesserungspotential durch Optimierung von Schadraum, Wärmeaustausch und Flächenverhältnis ist im Vergleich zur Absorbereffizienz und Leckage der Ventile von untergeordneter Bedeutung.