Wärmepumpen für kalte Nahwärmenetze
Solare kalte Nahwärme der zweiten Generation
Das Ziel von „SolKaN2.0“ ist die Entwicklung einer neuen bzw. zweiten Generation von solaren kalten Nahwärmesystemen, bei denen als Wärmeträgermedium Wasser, anstatt wie bisher ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch, eingesetzt wird. Hierdurch können die Investitionskosten perspektivisch um mehr als 20 % und die Betriebskosten um ca. 10 % reduziert werden.
Kurzbeschreibung
Bisher wird in sogenannten kalten Nahwärmenetzen ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch eingesetzt, um die Wärme von zentralen Wärmequellen bzw. thermischen Energiespeichern mit Austrittstemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser an die einzelnen Verbraucher zu verteilen. Die Verwendung eines Wasser-Forstschutzmittel-Gemisches als Wärmeträgermedium zum Wärmetransport im Nahwärmenetz weist jedoch sowohl ökonomische als auch ökologische Nachteile im Vergleich zur Verwendung von Wasser als Wärmeträgermedium auf.
Das Ziel des Forschungsprojekts „SolKaN2.0“ ist daher die Entwicklung einer neuen bzw. zweiten Generation von solaren kalten Nahwärmesystemen, bei denen als Wärmeträgermedium Wasser, anstatt wie bisher ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch, eingesetzt wird. Hierdurch können die Investitionskosten perspektivisch um mehr als 20 % und die Betriebskosten um ca. 10 % reduziert werden.
Aus der Verwendung von Wasser als Wärmeträgermedium resultieren jedoch einige technische Herausforderungen, für die adäquate Lösungen erarbeitet werden müssen. Diese betreffen insbesondere die hydraulische Integration eines thermischen Energiespeichers und den als zentrale Wärmequelle verwendeten Luft-Sole-Kollektoren, welche der Nutzung der solaren Strahlungsenergie sowie der Umgebungswärme dienen.
Für die thermische Energiespeicherung wird ein Eisspeicher genutzt. Dieser zeichnet sich primär dadurch aus, dass er im relevanten Temperaturbereich aufgrund des Phasenwechsels eine relativ hohe effektiv nutzbare spezifische Wärmekapazität aufweist. Um diesen Vorteil auch weiterhin nutzen zu können, muss der Eisspeicher über eine zusätzliche zentral positionierte Wärmepumpe entladen werden, die im Temperaturbereich von ca. – 10 °C bis + 10 °C arbeitet. Durch den Einsatz dieser zentralen Wärmepumpe wird gewährleistet, dass im kalten Nahwärmenetz immer ein Temperaturniveau oberhalb von 0 °C vorliegt und somit Wasser als Wärmeträgermedium verwendet werden kann. Das kalte Nahwärmenetz dient dann als Wärmequelle für die dezentral in den einzelnen Gebäuden installierten Wärmepumpen, die die Wärme auf Nutztemperaturniveau anheben. Angestrebt wird eine gleichbleibende oder erhöhte Systemeffizienz, trotz des Einsatzes einer zusätzlichen zentralen Wärmepumpe. Damit dies gewährleistet werden kann, kommt der Effizienzoptimierung der zentralen Wärmepumpe im Nenn- und Teillastbetrieb eine entscheidende Bedeutung zu. Als Arbeitsfluid in der Wärmepumpe wird der Einsatz von natürlichen Kältemitteln angestrebt. Die Untersuchung einschließlich der Entwicklung, Realisierung und Erprobung einer entsprechenden Wärmepumpe ist ein Schwerpunkt des Vorhabens „SolKaN2.0“.
Weitere Schwerpunkte sind die Entwicklung einer Regelstrategie für das Gesamtsystem inkl. der zentralen und dezentralen Wärmepumpen, die Realisierung und Erprobung des neu entwickelten SolKaN2.0-Konzepts in einer Versuchsanlage im Realmaßstab sowie die ökologische und ökonomische Bewertung des SolKaN2.0-Konzepts.
Laufzeit
01/2024 – 12/2027
Projektpartner
Wissenschaftliche Projektpartner:
Technische Universität Dresden, Schaufler-Professur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik (K3T) tu-dresden.de/mwiet/kkt
Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgartwww.igte.uni-stuttgart.de
Industrieller Projektpartner:
Viessmann Climate Solutions SEwww.viessmann-climatesolutions.com
Danksagung
Das Projekt SolKaN2.0 wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages durch den Projektträger Jülich (PTJ) unter dem Förderkennzeichen 03EN6033A gefördert. Die Autoren danken für die Unterstützung und übernehmen die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung.
Kontakt
© Felix Gerhardt
wiss. Mitarbeiter
NameHerr Dipl.-Ing. Dominik Herden
- Kältetechnik -
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