Verschaltungsvarianten von Großwärmepumpen
Zur Steigerung der Effizienz von Kompressionswärmepumpen und zur Optimierung des Anlagenbetriebs sind verschiedene Verschaltungsvarianten entwickelt worden, die mittlerweile breit am Markt verfügbar sind. Die Wahl der passenden Verschaltungsvariante erlaubt eine optimale Anpassung an die spezifischen Temperatur- und Leistungsanforderungen, was die Effizienz des Gesamtbetriebs verbessert.
Während komplexere Verschaltungskonzepte, die zusätzliche Komponenten zur Erhöhung des COP integrieren, zwar höhere Investitionskosten mit sich bringen, bieten sie zugleich das Potenzial für signifikante Effizienzsteigerungen. Daher ist es wichtig, die möglichen Vorteile gegen die zusätzlichen Kosten abzuwägen. Mit steigender Betriebsdauer können die niedrigeren Betriebskosten die anfänglichen Mehrinvestitionen aufwiegen, sodass sich die Wirtschaftlichkeit einer Verschaltungsvariante anhand der geplanten Betriebsstunden bewerten lässt.
Eine klassische Kompressionswärmepumpe besteht im einfachsten Fall aus einem Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsventil und arbeitet in einem linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozess. Zunächst verdampft das Kältemittel im Verdampfer durch die Aufnahme der Wärme einer Wärmequelle. Danach wird es im Verdichter komprimiert, wodurch Druck und Temperatur ansteigen. Im Kondensator gibt das Kältemittel die Energie an eine Wärmesenke ab und verflüssigt sich dabei. Abschließend wird das Kältemittel im Expansionsventil entspannt und in seinen Ausgangszustand zurückgeführt, bevor der Prozess von Neuem beginnt.
Durch die Erweiterung eines einstufigen Kreislaufs um einen internen Wärmeübertrager (engl.: Internal Heat Exchanger, IHX) lässt sich die Effizienz des Systems weiter steigern. Nach der Verdampfung wird das gasförmige Kältemittel im IHX überhitzt, wodurch potenzieller Tröpfchenschlag im Verdichter vermieden und die Betriebssicherheit erhöht wird. Gleichzeitig wird das flüssige Kältemittel nach dem Kondensatoraustritt unterkühlt, was ebenfalls zu einer höheren Gesamteffizienz des Systems beiträgt. Diese Maßnahmen optimieren den gesamten Wärmeübertragungsprozess und erhöhen die Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe.
Bei der zwei- oder mehrstufigen Verdichtung mit Zwischenkühlung gibt es zwei gängige Konfigurationen, die beide darauf abzielen, die Effizienz, insbesondere bei höheren Temperaturhüben, durch Aufteilung des Verdichtungsprozesses in mehreren Stufen zu erhöhen.
Mehrstufiger Kreislauf mit Economizer
In dieser Konfiguration wird die Verdichtung mit hintereinander geschalteten Verdichtern durchgeführt. Dadurch wird das Druckverhältnis in jedem Verdichter verringert, was die Energieeffizienz steigert. Während der Zwischenverdichtung wird überhitzter Dampf aus dem Economizer in den Prozess eingespeist. Dabei wird ein Teil des verflüssigten Kältemittels auf ein mittleres Druckniveau entspannt, durch den Economizer geführt und anschließend dem zweiten Verdichter zugeführt. Die Effizienzsteigerung ergibt sich infolge geringere Exergieverluste, da nur ein Teil des Kältemittels auf das niedrige Druckniveau entspannt wird. Diese Vorgehensweise ist in der Industrie weit verbreitet und wird bereits erfolgreich in kommerziellen Hochtemperatur-Wärmepumpen eingesetzt.
Mehrstufiger Kreislauf mit Flash-Tank
Ähnlich wie beim Economizer wird auch hier die Verdichtung in zwei Stufen mit zwei Verdichtern durchgeführt und Dampf im Zwischenprozess eingespeist. Allerdings verwendet dieser Kreislauf einen Flash-Tank (Seperator) anstelle eines geschlossenen Economizers. Dabei wird gesättigter Dampf eingespritzt, anstatt überhitztem Dampf, was eine andere Art der Zwischenkühlung ermöglicht.
Bei einer Wärmepumpe, die mit einem Ejektor ausgestattet ist, erfolgt der Expansionsvorgang polytrop. Durch die Drosselung des Treibmassenstroms hinter dem Kondensator erfolgt eine Verdichtung des Saugmassenstroms hinter dem Verdampfer. Dies führt zu einer Effizienzsteigerung, da infolge dieser Vorverdichtung der Druckhub, den der Verdichter leisten muss, verringert wird. In einem Flashtank erfolgt eine Phasenabscheidung des Kältemittels, wobei der austretende Sattdampf durch einen IHX geführt werden kann, um eine Überhitzung zu erreichen und Tröpfchenschlag im Verdichter zu vermeiden. Es ist jedoch zu beachten, dass der Einsatz eines Ejektors nicht für jedes Kältemittel gleichermaßen geeignet ist.
Durch die Erweiterung um zusätzliche Verdampfer oder Kondensatoren kann das System für unterschiedliche Temperaturniveaus sowohl an den Wärmequellen als auch an den Wärme Senken optimiert werden.
Zusätzliche Verdampfer (Booster)
Ein zusätzlicher Verdampfer ermöglicht die Nutzung von Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus. Diese Konfiguration kann mit einem Economizer kombiniert werden.
Zusätzlicher Kondensator
Der Kondensationsprozess in dieser Konfiguration wird auf zwei Kondensatoren aufgeteilt, die bei unterschiedlichen Druckbedingungen arbeiten. Dies bietet einen wesentlichen Vorteil für Prozesse mit einem hohen Temperaturunterschied zwischen der Einlass- und der Auslasstemperatur des sekundären Wärmeträgers am Wärmeübertrager.
Bei einer Wärmepumpen-Kaskade werden zwei Kreisläufe hintereinander geschaltet, um größere Temperaturhübe effizient zu überbrücken. Der erste Kreislauf verdichtet das Kältemittel auf ein mittleres Temperaturniveau. Der Kondensator des ersten Kreislaufs dient als Verdampfer für den zweiten Kreislaufs. Der zweite Kreislauf verdichtet das Kältemittel auf das erforderliche Temperaturniveau für die Wärmesenke. Durch die Aufteilung auf zwei Kreisläufe können Verdichter und Kältemittel optimal auf die jeweiligen Temperaturbereiche abgestimmt werden, was zu einem höheren COP führt. Allerdings kann es durch den Wärmeübertrager zwischen den beiden Wärmepumpen zu Verlusten aufgrund der Gradienten im Wärmeübertrager kommen.
Durch die Entspannung des Kältemittels in einer Turbine (Expander) zum Antrieb des Verdichters anstelle eines Expansionsventils, lässt sich die externe Antriebsleistung des Verdichters reduzieren. Dies kann eine Effizienzsteigerung zufolge haben. Der Einsatz von Expandern in Großwärmepumpen hängt insbesondere von den spezifischen Eigenschaften des Kältemittels und die Betriebsbedingungen des Systems ab.