Verdoppelung der Arbeitszahl von Wärmepumpen und ...

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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