Verdoppelung der Arbeitszahl von Wärmepumpen und ...

Energieforschung Energieforschungsprogramm
Umgebungswärme, WKK, Kälte
Jahresbericht 2004, 15. Dezember 2004
Verdoppelung der Arbeitszahl
von Wärmepumpen und
Kältemaschinen mit kleinem
Temperaturhub
Autor und Koautoren Dr. Beat Kegel, Dr. Beat Wellig, Heinz Richter
beauftragte Institution Ernst Basler + Partner AG
Adresse Mühlebachstrasse 11, 8032 Zürich
Telefon, E-mail, Internetadresse +41 (0)1 395 16 16
beat.kegel@ebp.ch
www.ebp.ch
BFE Projekt-/Verfügung-Nummer 100771 / 150884
Dauer des Projekts (von – bis) 1. Mai 2004 – 1. Nov. 2005
im Auftrag des
Bundesamts für Energie BFE
ZUSAMMENFASSUNG
VERDOPPELUNG DER ARBEITSZAHL VON WÄRMEPUMPEN UND KÄLTEMASCHINEN MIT KLEI-
NEM TEMPERATURHUB
Die Arbeitszahl von Wärmepumpen und Kältemaschinen ist stark abhängig von der Temperaturdifferenz
zwischen Wärmequelle und –senke. In vielen Anwendungen in der Gebäudetechnik genügt im Prinzip ein
Temperaturhub von 10–20 K. Das Potenzial für Anlagen mit sehr hohen Arbeitszahlen wird jedoch nur
ungenügend genutzt, da Standard-Anlagen für Temperaturhübe von 30–60 K gebaut sind. Grundlegende
Entscheidungen, die zu dieser nicht-optimalen Auslegung führen, werden von den Planern in der ersten
Projektphase getroffen. Das Ziel dieser Studie ist die Ausarbeitung von Richtlinien für die Auslegung von
Anlagen mit kleinem Temperaturhub. In einem ersten Schritt wurden die theoretischen Betrachtungen mit
Messungen an einer Klimakälteanlage in einem Bürogebäude verglichen. Die Messungen bestätigen die
Abhängigkeit der Leistungsziffer vom Temperaturhub. Mit abnehmendem Temperaturhub steigt die
Leistungszahl von 4.0 bei 25 K auf rund 5.5 bei 10 K Temperaturhub. Wenn die Energieaufnahme des
Ventilators und aller Pumpen berücksichtigt wird, beträgt die Leistungszahl ca. 3.5 und ist unabhängig vom
Temperaturhub. Mit folgenden Massnahmen kann die Effizienz signifikant erhöht werden: (1) Der
Temperaturhub muss so klein wie möglich gehalten werden, d.h. weder die Verdampfungs- noch die
Kondensationstemperatur sollte auf einen konstanten Wert geregelt werden. Die Verdampfungstemperatur
ist in Abhängigkeit der Enthalpie der Aussenluft zu regeln. (2) Die Anlage sollte soweit wie möglich in der
Nacht und am Vormittag betrieben werden (am Nachmittag höchsten Entfeuchtung). Mit der in der
Gebäudemasse gespeicherten Kälteenergie können Lastspitzen gebrochen werden. (3) Das hydraulische
System muss sehr sorgfältig ausgelegt werden. Mit der Umsetzung dieser Massnahmen können
Energieverbrauch und Betriebskosten beträchtlich reduziert werden.

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Verdoppelung der Arbeitszahl von Wärmepumpen und Kältemaschinen mit kleinem Temperaturhub
Author und Coauthors Dr. Beat Kegel, Dr. Beat Wellig, Heinz Richter
Institute or Company Ernst Basler + Partner AG
Address Mühlebachstrasse 11, 8032 Zürich
Telephon, E-mail, Internet-address +41 (0)1 395 16 16
beat.kegel@ebp.ch
www.ebp.ch
Duration of the project 1. Mai 2004 – 1. Nov. 2005
ABSTRACT
DOUBLING OF THE COEFFICIENT OF PERFORMANCE OF HEATPUMPS AND REFRIGERATION
SYSTEMS WITH SMALL TEMPERATURE GRADIENT
The coefficient of performance (COP) of heat pumps and refrigeration systems is closely related to the temperature
difference between the heat source and heat sink. In many applications in building services engineering,
a temperature lift of 10–20 K is sufficient in principle. However, the potential for systems with very
high COP is not fully exploited as standard plants are designed for lifts of 30–60 K. Basic decisions, which
ultimately lead to such a less than ideal design, are taken at an early stage of a project. The main objective
is to give guidelines and rules for the design of systems with small temperature lifts. In a fist step, a refrigeration
system in an office building was analyzed. In this system, the COP increases with decreasing temperature
lift from approximately 4.0 at 25 K up to values around 5.5 at 10 K. If the auxiliary energy consumption
of the fan and pumps is taken into account, the COP is around 3.5 and independent of the temperature
lift. The following measures have to be taken in order to significantly improve the efficiency: (1) The temperature
lift should be kept as small as possible, i.e. neither the evaporation nor the condensation temperature
should be controlled to a constant value. The evaporation temperature should be controlled depending
on the enthalpy of the ambient air. (2) The chiller should primarily run during the night and morning when
the temperature lift is small (at the utmost dehumidification in the afternoon). The stored cooling energy in
the building material can be utilized to offset heat gains during the day. (3) The hydraulic system has to be
very carefully designed. Implementing these simple measures will considerably reduce energy consumption
and on-going operating costs.

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Verdoppelung der Arbeitszahl von Wärmepumpen und Kältemaschinen mit kleinem Temperaturhub
Projektziele
Obwohl in vielen Fällen eine geringe Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und -senke vorhanden
ist, wird dieses Potenzial für Wärmepumpen und Kältemaschinen mit sehr hoher Arbeitszahl
(AZ) nur ungenügend genutzt. Ein Grund liegt darin, dass Standard-Anlagen in der Gebäudetechnik
für einen Temperaturhub von 30 bis 60 K ausgelegt sind. Solche Anlagen arbeiten sowohl
thermodynamisch als auch ökonomisch nicht optimal. Grundlegende Entscheidungen, die letztlich
zu dieser nicht-optimalen Ausnutzung führen, werden in einer frühen Projektphase durch die Beteiligten
(Architekt, Gebäudetechnik-Planer, Unternehmer) getroffen. Genau an diesem Punkt setzt
das vorliegende Projekt den Hebel an.
Im Prinzip ist die Technologie zur Erreichung hoher Arbeitszahlen bei geringem Temperaturhub
bekannt. Anlagentechnische Aspekte werden im Rahmen dieses Projekts nur soweit untersucht,
wie es die Systemintegration und Regelung der Systeme verlangen. Das Hauptziel des Projektes
ist die Beschreibung des Zusammenwirkens der Komponenten im gesamten Energieversorgungssystem
und das Bereitstellen von Planungsrichtlinien.
Das Projekt richtet sich also an die am Prozess beteiligten Planer, welche mit dem Konzept zur
Wärme/Kälteerzeugung, der Energieverteilung sowie der Energieabgabe an den Raum entscheidenden
Einfluss auf den benötigten Temperaturhub haben. Um für einen vorhandenen geringen
Temperaturhub das Ziel einer Anlage mit hoher AZ zu erreichen, sind im Planungsablauf, in der
Auslegung der Anlage und bei der Auswahl von System-Komponenten einige wichtige Punkte zu
beachten. Die bereitgestellten Planungswerkzeuge sollen mithelfen, grobe Fehler in der Planungsphase
zu vermeiden.
Die Zielsetzungen sind zusammengefasst:
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Aufzeigen von Anwendungen, wo Anlagen mit geringem Temperaturhub den Primärenergieverbrauch
für Heizen und Kühlen massiv reduzieren.
Aufzeigen von Optimierungspotenzial durch Messungen an bestehenden Anlagen unter Einbezug
des gesamten Energieversorgungssystems.
Eruieren von Hindernissen, welche dem Einsatz von Anlagen mit hohen AZ entgegenstehen
sowie Aufzeigen von Lösungswegen, um diese Hindernisse zu überwinden.
Der Lösungsweg besteht aus folgenden Arbeitsschritten:
Analyse einzelner bestehender oder in Planung befindlicher Anlagen, welche grundsätzlich das
Potenzial für einen geringen Temperaturhub aufweisen, dieses jedoch nicht ausschöpfen (im
Sinne des vertieften Verständnis der Entscheidungsgrundlagen und nicht als Kritik an den Projektverfassern).
Darstellung der technischen und wirtschaftlichen Zusammenhänge, d.h. Mehr- oder Minderkosten
beim Bau und Betrieb der Anlagen.
Analyse des Planungsprozesses bzw. Analyse der zu beeinflussenden Punkte im Planungsprozess.
Nachweis des Potenzials für die Reduktion des Primärenergieverbrauches.
Ausmessen und Analysieren einer bestehenden Anlage mit dem Potenzial eines geringen
Temperaturhubes, welche aber eine „tiefe“ Arbeitszahl aufweist.
Ausmessen und Analysieren einer bestehenden Anlage mit geringem Temperaturhub und hoher
Arbeitszahl.
Erarbeiten von Richtlinien und Regeln zur Planung und Auslegung von Anlagen mit hohen
Arbeitszahlen.

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Verdoppelung der Arbeitszahl von Wärmepumpen und Kältemaschinen mit kleinem Temperaturhub
Durchgeführte Arbeiten und erreichte Ergebnisse
Überblick
In den vergangenen Jahren hat sich der Trend zur Betonkernaktivierung für die Gebäudeheizung
und -kühlung verstärkt, in der Klimatisierung von Büro- und Geschäftsräumen kommen vermehrt
Kühldecken bzw. effiziente Umluftgeräte zum Einsatz, Wärmepumpen mit Erdsonden als Wärmequelle
gewinnen Marktanteile, jedoch das Potenzial zur optimalen Nutzung der geringen Temperaturdifferenz
zwischen Wärmequelle und Wärmesenke über WP und KM mit sehr hohen Leistungszahlen
wird noch ungenügend genutzt.
In der ersten Projektphase wurde der Bereich der Klimakälte betrachtet, da hier ein grosses Potenzial
für die Ausnutzung eines kleinen Temperaturhubes brach liegt. Für die Bereitstellung von
Pumpenkaltwasser für zentrale Luftaufbereitungsanlagen, Kühldecken und/oder Umluftgeräte
genügt oft ein Temperaturhub zwischen 10 und 20 K. Standard-Kältemaschinen sind nicht für diesen
kleinen Temperaturhub gebaut. Die Planer optimieren deshalb die gebäudetechnischen Anlagen
i.d.R. für einen höheren Temperaturhub. Die wesentlichen Entscheidungen zur Systemwahl
werden in der ersten Projektphase getroffen und können zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr
korrigiert werden.
Aufgrund dieser Ausgangslage wurden neben verschiedenen bestehenden Anlagen auch der
Planungsprozess analysiert. Dabei ging es insbesondere darum, Hindernisse zu erkennen, die
dem Einsatz von Anlagen mit hohen Arbeitszahlen im Wege stehen.
Weiter wurde eine erste umfangreiche Messkampagne an einer Anlage durchgeführt, welche
grundsätzlich das Potenzial für einen geringen Temperaturhub aufweist, diesen jedoch nicht oder
nur ungenügend ausnützt. Das Ziel bei der Auswahl des Messobjektes war, ein konventionelles
überschaubares System mit wenigen Verbrauchern zu finden (d.h. ein System, welches den Stand
der Technik „repräsentiert“). Gewählt wurde schliesslich die Anlage in einem fünfstöckigen Büro-
und Geschäftshaus in Zürich-Nord.
Messungen in einem Büro- und Geschäftshaus in Zürich-Nord
Die Kompressions-Kältemaschine in diesem Gebäude versorgt eine zentrale Aussenluftaufbereitung
(Pumpenkaltwasser, PKW, 11/17°C) sowie eine Kälte-Übergabestation für die dezentralen
Wasserkühlungen (PKW 16/18°C). Der Primärkreislauf ist auf das Temperaturniveau 9/15°C ausgelegt
(Ethylenglykol/Wasser-Gemisch). Die Rückkühlung erfolgt über trockene Rückkühler auf
dem Dach des Gebäudes (Ethylenglykol/Wasser-Gemisch). Das Ziel der Messungen ist die Betrachtung
des Gesamtsystems; insbesondere sind folgende Punkte von besonderem Interesse:
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Zusammenhang zwischen Kälteerzeugung und (notwendigem) Kältebedarf,
Zusammenspiel von Wärmeübertragung (Primärkreislauf-PKW, Kälte-Übergabestation), Hydraulik,
Übergabe an den Raum und Regelung des Systems, sowie
Einfluss der vorhandenen Temperaturniveaus auf der Verdampfer- und Rückkühlseite.
Das System wurde messtechnisch so nachgerüstet, dass folgende Grössen berechnet werden
können: aufgenommene Verdichterleistung, Leistung der Rückkühler inkl. Ventilatorleistung, erzeugte
Kälteleistung (Primärkreislauf), gesamte Kälteleistung des Gebäudes (Enthalpiestrom des
PKW 11/17°C) sowie die Kälteleistung der Kühldecken (PKW 16/18°C). Für die Messung der
Temperaturen wurden kalibrierte PT100 4-Leiter (Messunsicherheit ±0.2 K), für die Volumenströme
verschiedene Typen von Ultraschall Durchfluss-Messgeräten (Messunsicherheit ±10% infolge

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Verdoppelung der Arbeitszahl von Wärmepumpen und Kältemaschinen mit kleinem Temperaturhub
kurzer Beruhigungsstrecken vor und nach den Sensoren und Signalrauschen) verwendet. Die
Energieaufnahme der beiden Schrauben-Kompressoren wurde mit Energiezählern (1 Impuls pro
100 Wh) bestimmt.
Ergänzend zu den installierten Messgeräten steht eine Vielzahl von Daten vom Leitsystem zur
Verfügung. Diese beinhalten u.a. Temperaturen an der Kälteanlage (redundante Messungen),
Temperaturen und Reglereinstellungen in verschiedenen Büroräumen sowie Messdaten der zentralen
Aussenluftaufbereitung.
Die Messkampagne erstreckte sich über den Zeitraum vom Mitte August bis Ende Oktober. In der
ersten Phase (20.8.–17.9.) wurde die Anlage in ihrem Ist-Zustand belassen. Danach wurden verschiedene
Regelparameter angepasst und weitere Messungen durchgeführt (17.9.–28.10.).
Auswertungen
Für die Analyse der grossen Datenmenge (70 Messtage, 77 Messpunkte mit Messintervallen zwischen
2 und 5 Minuten) wurde ein Auswertungsprogramm in Igor Pro 5 entwickelt. In Abbildung 1
ist beispielhaft die Leistungszahl (coefficient of performance, COP) in Abhängigkeit des Temperaturhubes
dargestellt. Die Leistungszahl wurde für insgesamt 135 stationäre Betriebspunkte
berechnet (mit wenigen Ausnahmen Mittelwerte über mindestens 30 Minuten Betriebszeit).
COP Kältemaschine
6
5
4
3
2
10
15
20
einstufiger Betrieb
zweistufiger Betrieb
25
Temperaturhub / K
30
35
COP System
6
5
4
3
2
10
15
20
einstufiger Betrieb
zweistufiger Betrieb
25
Temperaturhub / K
Abbildung 1: Leistungszahl der Kältemaschine alleine (links) und des Gesamtsystems (rechts)
in Funktion des Temperaturhubes für ein- und zweistufigen Betrieb. Der
Temperaturhub ist definiert als Temperaturdifferenz zwischen den
Austrittstemperaturen des Ethylenglykol/Wasser-Gemisches aus dem Verdampfer
und Kondensator.
Obwohl die COP-Werte aufgrund der beschränkten Auflösung der Energiezähler und der Fehler
der Volumenstrommessung relativ grosse Unsicherheiten aufweisen (im Bereich von ±20%) ist ein
klarer Trend zu erkennen. Durch eine Reduktion des Temperaturhubes um 15 K wird die Leistungszahl
der Kälteanlage (Kompressorleistung/Kälteleistung) im einstufigen Betrieb um rund 40%
erhöht. Wenn die Ventilatorleistung (Rückkühlung) und sämtliche Umwälzpumpen in der Bilanzierung
mit berücksichtigt werden, steigt die Leistungszahl mit kleiner werdendem Temperaturhub
nicht an (COP ca. 3.5 über den gesamten Bereich im einstufigen Betrieb). Die Betrachtung der
Arbeitszahl anstelle der Leistungszahl zeigt ein ähnliches Bild.
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Erkenntnisse
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Verdoppelung der Arbeitszahl von Wärmepumpen und Kältemaschinen mit kleinem Temperaturhub
Folgende Massnahmen tragen zur Erhöhung der Leistungsziffer bzw. der Arbeitszahl des
Gesamtsystems bei:
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Kühlwassertemperatur anstatt konstant auf die Spitzenleistung variabel anhand der effektiv
nachgefragten Kühlleistung regeln. Die optimale Regel- oder Steuerstrategie für die
Kühlwassertemperatur muss in der zweiten Projektphase noch verifiziert werden.
Die Kühlwassertemperatur beeinflusst die Leistungsziffer der Kältemaschine je nach Gütegrad
des Verdichters mit 2 bis 4% pro Grad.
Rückkühltemperatur variabel; wenn möglich keine oder möglichst tiefe Hochhaltung. Bei
variabler Rückkühltemperatur bringt eine Konzentration des Kühlmaschinenbetriebes auf die
Nacht- und Vormittagsstunden ähnlich viel wie eine hybride Rückkühlung mit Standardbetrieb.
Rückkühler nicht an Standorten plazieren, wo die lokale Lufttemperatur durch die
Sonneneinstahlung über die mittlere Aussentemperatur aufgeheizt wird. Die lokale Überhitzung
liegt oft in der Grössenordnung von 5 bis 10°C, die entsprechende Reduktion der
Leistungsziffer beträgt 15 bis 30%.
Zulufttemperatur in der Übergangszeit so tief wie möglich, um die freie Kühlung voll
auszuschöpfen (ohne aktive Kühlung).
Schiebung der Raumtemperatur lediglich bei tiefem COP in den heissen Nachmittagsstunden.
Bei mittleren bis schweren Gebäuden reduziert die Raumtemperaturchiebung in den heissen
Nachmittagsstunden die momentane Kühllast zur Raumkühlung praktisch auf Null.
Einsatz von Kältemaschinen mit hohem COP bei tiefem Hub: Gütegrad > 0.5. Die Unterschiede
beim Gütegrad liegen bei Faktor 2!
Bei der Einzelraumregelung keine „Nachtanhebung“ programmieren und die Sollwertschiebung
durch die Nutzer auf ein Minimum begrenzen. Der Wärmeaustausch innerhalb des Gebäudes
führt bei unterschiedlichen Sollwerten dazu, dass nur ein kleiner Teil der Kühlflächen bzw.
Geräte in Betrieb ist und dadurch die Kühlwassertemperatur unnötig tief angesetzt werden
muss.
Bei der Speicherbewirtschaftung den Temperaturunterschied zwischen Vor- und Rücklauf hoch
halten. Die Leistungsziffer sinkt bei abnehmendem Temperaturunterschied markant.
Die Auslegung der Hydraulik eines Kaltwassersystemes beeinflusst die Leistungsziffer der
Kälteerzeugung in der gleichen Grössenordnung wie der COP des Verdichters.
Nationale Zusammenarbeit
Nationale Zusammenarbeit innerhalb der Arbeitsgemeinschaft mit der Hochschule für Technik und
Informatik Burgdorf, Prof. Dr. Kurt M. Graf, Dr. Michele Zehnder, Pestalozzistrasse 20, 3400 Burgdorf.
Daneben beteiligen sich folgende Organisationen an diesem Forschungsprojekt:
Elektrizitätswerk der Stadt Zürich (ewz), Markt und Kunden, Herr Jörg Ruosch, Tramstrasse 35,
Postfach, 8050 Zürich.
Amt für Umwelt und Energie Basel Stadt, Hauptabteilung Energie, Herr Rudolf Jegge, Kohlenberggasse
7, 4051 Basel.

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Verdoppelung der Arbeitszahl von Wärmepumpen und Kältemaschinen mit kleinem Temperaturhub
Internationale Zusammenarbeit
Keine.
Bewertung 2004 und Ausblick 2005
Die bisherigen Analysen bestätigen, dass die Kältemaschine nicht isoliert betrachtet werden darf,
wenn eine Effizienzsteigerung erreicht werden soll. Vielmehr muss das Energieversorgungssystem
und die Gebäudedynamik in die Überlegungen mit einbezogen werden. Dazu gehören die
Kälteerzeugung und -verteilung, die Übergabe an die Räume sowie die Hydraulik und Regelung
des Systems.
Die Messkampagne hat unsere theoretischen Betrachtungen grösstenteils bestätigt und wertvolle
neue Zusammenhänge aufgezeigt. Aus der verfeinerten Auswertung in den kommenden Monaten
erwarten wir zusätzliche Erkenntnisse.
Die Arbeitsschritte im Jahr 2005 umfassen folgende Punkte:
Falls möglich, wird an der in der ersten Phase untersuchten „Standard“-Anlage eine Betriebsoptimierungen
durchgeführt. Damit soll gezeigt werden, ob und wie mit einfachen Massnahmen (Änderungen
in der Regelstrategie) die Effizienz erhöht werden kann. Die Betriebsoptimierung soll vor
allem zur Quantifizierung des Potenzials beitragen und die Glaubwürdigkeit verbessern.
In der zweiten Projektphase wird eine neue Anlage analysiert, welche das Potenzial eines geringen
Temperaturhubes besser ausnützt und damit eine (wesentlich) höhere Arbeitszahl aufweist.
Eine geeignete Anlage für diese zweite Messkampagne ist noch auszuwählen. Die Messungen
werden von der HTI Burgdorf durchgeführt und sich wieder über einen Zeitraum von mehreren
Monaten erstrecken.
Weiter werden die „Standard“-Anlage und die „optimierte“ Anlage miteinander verglichen und die
entscheidenden Unterschiede herausgearbeitet.
Ein zusätzlicher Schwerpunkt besteht darin, den Betrieb und die Regelung von konventionellen
Kälteanlagen zu analysieren. Damit soll das Potenzial und die Wirtschaftlichkeit von Betriebsoptimierungen
erkannt werden.
Für die Planung von neuen Anlagen werden die wesentlichen Zusammenhänge in Richtlinien und
Regeln für die Planung von Anlagen mit hohen Arbeitszahlen einfliessen. Es wird aufgezeigt, welche
Punkte in der Planung zu beachten sind und welche Fehler unbedingt vermieden werden
müssen. Die Planer sollen konkrete Angaben zur technischen Auslegung und zur Regulierung von
Systemen mit geringem Temperaturhub sowie zu deren Integration in das Architekturkonzept erhalten.
Referenzen
Keine.