Flexible Absorptionswärmepumpen

In dieser Arbeit wird eine neuartige zweistufige Absorptionswärmepumpe vorgestellt, die als Pilotanlage mit einer Heizleistung von 500 kW gebaut wurde. Zur Erprobung in der Praxis wurde diese Wärmepumpe in das Heizsystem der Flugwerft Schleißheim, einer Außenstelle des Deutschen Museums, integriert. Das Ziel war, den Energiebedarf zur Raumheizung zu verringern und damit einen Beitrag zur Minderung der CO2- Emissionen zu leisten.

Neuartig an der Pilotanlage ist, dass sie Wärme auf zwei Temperaturniveaus abgibt, einmal bei einer Temperatur von über 80°C, wobei das Wärmeverhältnis (der COP) etwa 1.3 beträgt, und gleichzeitig auch bei 39°C, mit einem COP von 2.2. Dabei ist das Verhältnis der Wärmeleistungen auf den beiden Temperaturniveaus frei wählbar. Um eine große Energie­einsparung zu erzielen, sollte den Wärmeverhältnissen entsprechend das Heizsystem so ausgelegt sein, dass möglichst viel Niedertemperaturwärme benötigt wird.

Die Wärmeleistung der Pilotanlage beträgt je nach Arbeitspunkt bis zu 600 kW, und damit mindestens 55% der in der Flugwerft maximal benötigten Heizleistung. Mit der bei 39°C abgegebenen Wärme wird hauptsächlich die Fußbodenheizung der Ausstellungshallen versorgt, während die bei etwa 80°C bereitgestellte Wärme für die vorhandenen Radiatoren, die bei einer Temperatur von 60°C betrieben werden, verwendet wird. Als Umwelt­wärme­quelle steht ein Grundwasserbrunnen zur Verfügung.

Die Konstruktion der Wärmepumpe lehnt sich an die Bauweise konventioneller, zum Kühlen eingesetzter Absorptionsmaschinen an, Das bedeutet, dass die wesentlichen Komponenten, nämlich alle Wärmetauscher, als horizontale Rohrbündelapparate ausgeführt sind. Neu entwickelt wurde die Verteilung der LiBr- Lösung auf die Rohrbündel, eine auf die unter­schied­lichen Betriebsmodi zugeschnittene Regelung und ein entsprechendes Vakuumsystem sowie ein spezieller Schutzmechanismus vor Kristallisation der Lösung.

Die Maschine wurde von der Firma Entropie S.A. und Menerga gebaut und im Herbst 1992 in der Heizzentrale der Flugwerft installiert; sie nahm den Betrieb dann im Winter desselben Jahres auf.

Seither konnte die Wärmepumpe, wenn auch nicht völlig problemlos, so doch insgesamt erfolgreich, betrieben werden. Schwierigkeiten bereitet vor allem das Niedertemperatur-Heiznetz, da es weniger Wärme aufnimmt als von der Auslegung her vorgesehen. Dadurch, dass die Maschine jetzt mehr Hochtemperatur-Heizwärme liefern muss, geht der mittlere COP um etwa 5-10% zurück.

An der Pilotanlage wurden seit Sommer 1992 ausführliche Messungen durchgeführt, die noch andauern. Dazu wurde schon während des Probebetriebs der Maschine auf einem Prüfstand eine umfangreiche Messtechnik installiert. Bei den Messungen stellte sich heraus, dass an der Wärmepumpe einige Umbauten nötig waren: Der Wärmeübergang in den Lösungswärmetauschern wurde durch Einbauten von ca. 260 W/(m2K) auf ca. 360 W/(m²K) verbessert. Dies entspricht zwar nicht ganz den angestrebten Werten, ist jetzt jedoch zufriedenstellend. Die zunächst zur Absaugung der nichtkondensierten Restgase aus dem Absorber eingesetzte Dampfstrahlpumpe funktionierte nicht bei allen Arbeitspunkten der Maschine. Sie wurde deshalb durch eine Lösungsstrahlpumpe ersetzt.

Durch Entwicklung und Anwendung eines speziellen Verfahrens zur Messdatenauswertung wurde für die Dokumentierung des Betriebsverhaltens und die Berechnung wichtiger Kennzahlen eine hohe Genauigkeit erreicht. Nach dem geschilderten Umbau der Lösungswärmetauscher im Sommer 1994 werden die Auslegungsdaten, insbesondere das angestrebte Wärmeverhältnis von 1.3 bzw. 2.2 für Hoch- bzw. Niedertemperatur-Heizwärme, knapp erreicht.