Optimierung von CO2-Wärmepumpen für maximale Leistung
Wärmepumpen nehmen thermische Energie aus der Umgebung auf – meist aus der Luft, aber auch aus dem Boden oder Wasser – und übertragen diese zum Heizen oder Kühlen. Da sie wenig Elektrizität benötigen und nicht auf fossile Brennstoffe angewiesen sind, sind sie äußerst effizient und sauber. Angesichts ihrer hohen Leistung in vielen der gemäßigten Klimazonen Europas sind sie vielversprechend für Netto-Null-Ziele(öffnet in neuem Fenster). CO2-Wärmepumpen funktionieren nach demselben Prinzip, verwenden aber statt eines chemischen Kältemittels (wie Fluorkohlenwasserstoffen (FKW)) CO2 für den Energieübertragungsprozess. „Sie sind sogar noch umweltfreundlicher, weil das CO2 nicht in die Atmosphäre freigesetzt wird. CO2 ist außerdem nicht giftig und hat ein Treibhauspotenzial(öffnet in neuem Fenster), das viel niedriger ist als das chemischer Alternativen“, erklärt Natasa Nord, Koordinatorin des ROCOCO2HP-Projekts. Doch wenn sie an ein Heizsystem angeschlossen sind, reagieren CO2-Wärmepumpen sehr empfindlich auf die hohen Flüssigkeitstemperaturen am Einlass des Gaskühlers oder die hohen Rücklauftemperaturen der Flüssigkeit aus dem Heizsystem. Das im Rahmen der Marie Skłodowska-Curie Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) geförderte Projekt ROCOCO2HP fand heraus, dass die Anpassung der Größe und Leistung des Gaskühlers zusammen mit Änderungen am Expansionsventil diese Leistungseinschränkung überwinden kann. Dies ermöglichte es dem Projekt, ein Modell(öffnet in neuem Fenster) zu entwickeln, das als Anleitung für die Dimensionierung und die Wahl der Komponenteneigenschaften dient.
Optimierung des Aufbaus
Um Energie in einer CO2-Wärmepumpe auszutauschen, verwendet ein Gaskühler das CO2 mit hoher Temperatur und hohem Druck, um Wasser zu erwärmen, das dann Gebäude beheizt. In einer regulären Wärmepumpe ist der Gaskühler ein Kondensator, aber in einer CO2-Wärmepumpe ohne Kondensation gelangt das abgekühlte CO2 mit hohem Druck und niedriger Temperatur in ein Expansionsventil, das als Drossel fungiert. Wenn der Druck im Expansionsventil sinkt, tritt das CO2 in einen Verdampfer ein und verdampft bei niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur. Diese wird dann komprimiert, um wieder zu Nutzwärme zu werden und den Kreislauf zu schließen. In CO2-Wärmepumpen muss die Rücklauftemperatur des Wassers aus dem Heizungssystem unter 31 °C liegen. Sie ist jedoch häufig höher, sodass das Ventil für eine effiziente Verdampfung zu früh gedrosselt wird. Das führt zu einer geringeren Wärmezufuhr zum Verdampfer und damit einer geringeren Nutzwärmeleistung am Gaskühler, was letztlich eine schlechte Leistungszahl zur Folge hat. Nach dem Erwerb einer CO2-Wärmepumpenanlage verband das Team diese mit der virtuellen Plattform LabVIEW(öffnet in neuem Fenster), um sie zu beobachten und zu steuern. Um sich speziell auf das Problem der unerwünscht hohen Rücklauftemperaturen des Heizungssystems zu konzentrieren, wurde ein „Heizungsraum“ eingesetzt, der von verschiedenen Geräten, wie etwa Heizkörpern, beheizt wurde, die sämtliche Wärme von ihrer CO2-Luftwärmepumpe bezogen. „Diese Experimente machten deutlich, dass die derzeitigen Konfigurationen von CO2-Wärmepumpen nicht über die notwendigen Steuerungen verfügen, um die gewünschten Leistungsniveaus zu erreichen“, so Nord von der Norwegian University of Science and Technology(öffnet in neuem Fenster), dem Projektträger. Um die Leistungszahl zu erhöhen, testete das Team mit Hilfe von LabVIEW verschiedene Parameter, darunter Änderungen der Teilheizlasten, der Verdichtersteuerung, der Ventileinstellungen und des Auslassdrucks. „Wir fanden heraus, dass der Bereich des Gaskühlers größer sein sollte, um die CO2-Flüssigkeit besser zu kühlen. Da die Expansionsventile für typische Haushaltsanlagen klein sind, sollten sie außerdem hochwertiger sein, um den CO2-Durchfluss besser zu steuern“, so Nord weiter.
Auf dem Weg zu einem optimierten Steuerungssystem in Echtzeit
Im Zuge der Abkehr von fossilen Brennstoffen in der EU in Richtung einer umweltfreundlicheren Zukunft mit nahezu Null-Energie-Haushalten werden CO2-Wärmepumpen eine Schlüsselrolle spielen. „Unsere Erkenntnisse können in Richtlinien und Normen einfließen und zu besseren Produkten, Dienstleistungen und letztlich zu günstigerer und umweltfreundlicherer Energie führen“, so Nord abschließend. Das ultimative Ziel von ROCOCO2HP ist die Entwicklung eines KI-gestützten Systems zur optimalen Steuerung einer CO2-Wärmepumpe in Echtzeit als Teil eines Systems zur Energieversorgung von Gebäuden.
