Projekt 10266/01

Prototypentwicklung einer Heizkessel-Wärmepumpe – Vorphase

Projektdurchführung

Zeolith-Technologie GmbH
Ohmstr. 3
85716 Unterschleißheim

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklung eines energieeffizienten Heizsystems für Raumheizungen durch Kombination der Brennwerttechnologie mit einer thermisch angetriebenen Zeolith/Wasser-Sorptionswärmepumpe. Die erwartete Energieeinsparung - bezogen auf den Stand der Technik - beträgt 25%.
In der Vorphase sollen Heiz- und Leistungszahlen für ein mit Gas angetriebenes System ermittelt werden, um belastbare Daten für die Auslegung und Berechnung einer Gesamtanlage zu erhalten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchungen der Vorphase werden in drei Teilschritten durchgeführt.
Nach Festlegung auf ein Gesamtkonzept wird im Teilschritt 2 mit dem Aufbau von verschiedenen Versuchswärmetauschern für den Brenngas/Zeolith-WT begonnen werden. Die experimentellen Untersuchungen der Wärmetauscher und die Auswertungen der Messungen führen zu Verbesserungen an den Wärmetauschern. Neben der Optimierung der Wärmetauscher werden im Teilschritt 3 in einem Teststand verschiedene Brenngeometrien getestet und Experimente zur Zu- und Abfuhr der Wärme durchgeführt.
Die in Teilschritt 2 und 3 ermittelten Wärmeverhältnisse mit verschiedenen Wärmetauschern und die resultierende Bauform des Zeolithbettes liefern Daten für die Auslegung einer Gesamtanlage wie sie in der darauffolgenden Hauptphase untersucht werden soll.


Ergebnisse und Diskussion

Die Untersuchungen der Vorphase führten zu einer Bestätigung des gewählten Konzeptes. Insbesondere konnte gezeigt werden, daß die Kombination eines Gasbrenners mit einer periodisch arbeitenden Zeolith-Wärmepumpe technisch realisierbar und preiswert als Serienprodukt produzierbar ist.
Die zu Grunde liegende, periodische Betriebsweise hat den entscheidenden Vorteil, daß in nur einem einzigen Sorberbehälter sowohl die Desorption als auch die Adsorption ablaufen können. Der damit zwangsläufig einhergehende Nachteil, daß während der Desorptionsphasen keine aktive Kälteerzeugung möglich ist, wird dadurch wettgemacht, daß über den Eisspeicher Kälte abgerufen werden kann. Der Eisspeicher selbst wird während der Adsorptionsphase geladen. Er dient zugleich als preiswerter Kältepuffer. Die Kältenutzung und die Wärmebereitung ist somit weitestgehend entkoppelt.
Auf der Grundlage der experimentellen Ergebnisse und unter Mithilfe eines namhaften Heizkesselherstellers wurde ein geeignetes Anforderungsprofil erarbeitet.
Auf der Basis dieses Anforderungsprofils und eines neu entwickelten Berechnungsprogrammes zur Ermittlung der Wärmeverhältnisse wurden alle relevanten Bewertungskennzahlen variiert. Für eine typische Heizkessel-Wärmepumpe mit 55/45 (Vorlauf/Rücklauf) und einer Eiserzeugung bei -2 °C kommen die Berechnungen zu dem erfreulichen Ergebnis, daß die zu erwartenden realen Wärmeverhältnisse bei 1,25 liegen werden und zwar relativ unabhängig von den gewählten Desorptions- bzw. Adsorptions-Endtemperaturen.
Entscheidenderen Einfluß auf die Wärmeverhältnisse haben hingegen die Effizienz des Sorberwärmetauschers und die des Lammellen-Wärmetauschers. In beiden Wärmeübertragern sollten die Abgase möglichst gut abgekühlt werden. Durch das gefundene Wärmeübertragungskonzept (erzwungene Gasströmung sowohl bei Desorption als auch bei Adsorption) läßt sich diese Forderung wie in keinem anderen Fall verwirklichen.
Bemerkenswert ist auch, daß der zum Einsatz kommende Gasbrenner gegenüber der zu Grunde liegenden Normheizleistung etwa die doppelte Heizleistung hat.
Für den Auslegungsfall von 10 kW Normleistung erfordert dies also Brenner mit 20 kW Leistung. Dieser Leistungsbereich ist heute in EFH üblich und auch mit Ölbennern optimal erzielbar.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Heizkessel-Wärmepumpe somit, bei eingeschränktem Wärmeverhältnis, sogar mit der doppelten Heizleistung betrieben werden kann. Zur Warmwasserbereitung im Durchlaufverfahren ein überaus nützlicher Nebeneffekt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Vorphase werden interessierten Herstellern von Heizgeräten vorgestellt. Eine Veröffentlichung ist erst nach Abschuß der Hauptphase vorgesehen.


Fazit

Die Ergebnisse der Vorphase haben die gestellten Erwartungen erfüllt. In der nunmehr vorgesehenen Hauptphase sollen mehrere Heizkessel-Wärmepumpen aufgebaut werden und der Nachweis der Energieeinsparung von unabhängigen Stellen überprüft werden.
Der erste Prototyp könnte dann auf der EXPO 2000 einer breiten Öffentlichkeit demonstriert werden und im Anschluß daran in Kooperation mit einer Heizkesselfirma in Serie gehen.