Kälteanlagen/Wärmepumpen

Eine vielversprechende Technologie für die klimaneutrale Bereitstellung von Wärme für Gebäude und Wohnviertel basiert auf der Nutzung von Solarstrahlung und Umweltwärme in kalten Nahwärmenetzen, die bei niedrigen Temperaturen im Bereich von -10 bis 20 °C betrieben werden können. Hauptbestandteile solcher Systeme sind saisonale Eisspeicher, Luft-Sole-Kollektoren und dezentrale Wärmepumpen in den Gebäuden. Eine alternative Umsetzungsmöglichkeit beinhaltet den Einsatz einer zentralen Wärmepumpe, welche die Quelltemperaturen der dezentralen Wärmepumpe erhöhen kann und dabei die Möglichkeit der Verwendung von Wasser anstelle von Wasser-Glykol als Wärmeträgermedium bietet, welche zahlreiche Vorteile mit sich bringt.

Das Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines Simulationsmodells der zentralen Wärmepumpe in Dymola. Dazu sollen alle Komponenten der Wärmepumpe möglichst genau implementiert werden und anschließend transiente Simulationen der Wärmepumpe durchgeführt werden.

Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in Dymola als Simulationsprogramm unter Verwendung von TIL-Suite
• Implementierung von allen notwendigen Komponenten der Wärmepumpe in Dymola
• Erstellen des Gesamtsimulationskreislaufes inkl. der Regelung der Wärmepumpe
• Durchführen von transienten Simulationen von vorgegebenen Betriebsmodi
• Optimierung des Kreislaufs durch Erweiterung des Simulationsmodells mit vorgegebenen Effizienzsteigernden Maßnahmen (modifizierte Kreislaufvariante)
• Vergleich der beiden Kreislaufmodelle hinsichtlich der Effizienz bei verschiedenen Betriebsmodi und Bewertung des gesamten Energiebedarfs
• Ausführliche Dokumentation der Teilarbeitsschritte

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Eine vielversprechende Technologie für die klimaneutrale Bereitstellung von Wärme für Gebäude und Wohnviertel basiert auf der Nutzung von Solarstrahlung und Umweltwärme in kalten Nahwärmenetzen, die bei niedrigen Temperaturen im Bereich von -10 bis 20 °C betrieben werden können. Hauptbestandteile solcher Systeme sind saisonale Eisspeicher, Luft-Sole-Kollektoren und dezentrale Wärmepumpen in den Gebäuden. Eine alternative Umsetzungsmöglichkeit beinhaltet den Einsatz einer zentralen Wärmepumpe, welche die Quelltemperaturen der dezentralen Wärmepumpe erhöhen kann und dabei die Möglichkeit der Verwendung von Wasser anstelle von Wasser-Glykol als Wärmeträgermedium bietet, welche zahlreiche Vorteile mit sich bringt.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Auslegung und Konstruktion eines Prüfstandes für eine solche zentrale Wärmepumpe unter festgelegten Randbedingungen durchzuführen.

Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in kalte Nahwärmenetze
• Auslegung einer Wärmepumpe unter vorgegebenen Randbedingungen
• Einholung von Angeboten bei Herstellern von Komponenten
• Erstellung eines RI-Fließbilds und einer Stückliste der Komponenten inklusive der Messtechnik
• Erstellung eines CAD-Modells der Wärmepumpe in Solidworks
• Ausführliche Dokumentation der Teilarbeitsschritte

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Eine vielversprechende Technologie für die klimaneutrale Bereitstellung von Wärme für Gebäude und Wohnviertel basiert auf der Nutzung von Solarstrahlung und Umweltwärme in kalten Nahwärmenetzen, die bei niedrigen Temperaturen im Bereich von -10 bis 20 °C betrieben werden können. Hauptbestandteile solcher Systeme sind saisonale Eisspeicher, Luft-Sole-Kollektoren und dezentrale Wärmepumpen in den Gebäuden. Eine alternative Umsetzungsmöglichkeit beinhaltet den Einsatz einer zentralen Wärmepumpe, welche die Quelltemperaturen der dezentralen Wärmepumpe erhöhen kann und dabei die Möglichkeit der Verwendung von Wasser anstelle von Wasser-Glykol als Wärmeträgermedium bietet, welche zahlreiche Vorteile mit sich bringt.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Durchführung einer Lebenszyklusanalyse der zentralen Wärmepumpe inkl. der angrenzenden Peripherie, die ausweist, wie viel Energie- und Ressourcenaufwand für die Herstellung, die Aufstellung, den Betrieb sowie das Recycling der Anlage von Nöten ist. Bewertet werden soll dies auch in Bezug auf die Energieausbeute und die Laufzeit.

Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in die Lebenszyklusanalyse und die DIN ISO 14044
• Einarbeitung in das LCA-Programm openLCA und die Datenbank ecoinvent
• Datenerhebung und Abschätzung
  • Datenerhebung zum ORC-Modul bei der kooperierenden Firma
  • Datenerhebung bei Komponentenhersteller, soweit möglich
  • Abschätzung der Fehlstellen
  • Begründete Auswahl mehrerer Betriebsfälle
• Softwaregestützte Auswertung
  • Durchführung einer parametrierbaren Lebenszyklusanalyse
  • Untersuchung der Sensitivität von Betriebsfällen und Laufzeit
  • Auswertung und Identifikation von Optimierungspotenzialen im Lebenszyklus (Betrieb, Laufzeit, Prozessabläufen, Komponentenbezug)
• Ausführliche Dokumentation der Teilarbeitsschritte

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Zur Untersuchung der erwarteten Vorteile des Einsatzes von zeotropen Kohlenwasserstoffgemischen in Wärmepumpen, soll eine Wärmepumpen-Pilotanlage bis zu 20 kW_th konzipiert und aufgebaut werden. Im Vorfeld können bereits verschiedene Hauptkomponenten- wie der Verdichter- ausgewählt sein, alle weiteren Komponenten müssen im Zuge der Arbeit ausgewählt und dimensioniert werden. Der Schwerpunkt des Prüfstandes liegt insbesondere in der Untersuchung der Auswirkungen von Öl-Kältemittel-Interaktionen auf die Gesamteffizienz der Anlage, sowie auf die Bewertung der Ölabscheidereffizienz für verschiedene Ölabscheidungskonzepte.

Die Bearbeitung kann unteranderem folgende Punkte umfassen:

• Literaturrecherche bezüglich verschiedener Konzepte der Messung und Bewertung von der Effizienz von Ölabscheidern
• Auswahl, Auslegung und Dimensionierung der Komponenten und Sensorik für den Kältemittelkreislauf
• Erstellen eines CAD-Modells der Wärmepumpen-Pilotanlage, Ableitung der technischen Zeichnungen und Erstellen einer Stückliste
• Ausführliche Dokumentation und Präsentation der Ergebnisse,

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Die Europäische Union verfolgt mit dem European Green Deal das Ziel einer ressourceneffizienten Wirtschaft. U.a. wird die Verbesserung der Ressourceneffizienz und Langlebigkeit von Produkten angestrebt. Bei Kältemittelverdichtern spielt hierfür die Verringerung der genutzten Ressourcen wie Schmieröl eine entscheidende Rolle. Da es im Stand der Technik bisher nur vereinzelte Untersuchungen zu ölfreien Kälteanlagen und Wärmepumpen gab, sollen mittels eines Demonstrators die Potentiale des ölfreien Betriebs aufgezeigt werden.

Im Rahmen dieser Aufstellung soll daher ein Demonstrator einer ölfreien Wärmepumpe konzeptioniert und aufgebaut werden. Für dessen Konzeption und Aufbaustellt die Professur die benötigten Komponenten und Ressourcen und die geeignete Infrastruktur zur Verfügung.

Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themengebiete Scroll-Verdichter, Wärmepumpen, ölfreie Verdichtung und Auslegung von Kaltdampfkompressionsanlagen
• Konzeption des Demonstrators mit Auslegung des Kältemittelkreislaufs, Auswahl des Kältemittels, der Messtechnik, der tragenden Struktur und der Kreislaufkomponenten unter Berücksichtigung der vorhandenen Infrastruktur
• Aufbau des Demonstrators mit Verrohrung, Anordnung der Komponenten sowie Messtechnik und der tragenden Struktur
• Erstellung eines Steuerungs- und Messtools mittels Labview
• Zusammenfassung und Dokumentation der Herangehensweise, der Ergebnisse und Erkenntnisse

Betreuer: Dipl-Ing. M. Joswig

Mobile Anwendungen weisen im Unterschied zu stationären Anwendungen eine Reihe von Besonderheiten auf, wie sich stark ändernde Randbedingungen und hohe Anforderungen an Platz und Gewicht. Daher stellt es sich als problematisch heraus, neue Technologien bzw. Ansätze zur Effizienzsteigerung in diesen Anwendungen zu integrieren, ohne diese spezifischen Forderungen zu verletzen. Ein Ansatz ist es daher, den bzw. die verwendeten Verdichterkonzepte bzw. auch neue  Verdichterdesigns möglichst effizient zu verschalten und zu regeln.

Ziel der Arbeit ist es, für eine spezifische mobile Anwendung unterschiedliche Verdichterkonzepte und -anordnungen zu vergleichen.

Folgende Teilaufgaben sind zu bearbeiten:

• Einarbeitung in die Thematik (Spezifika der mobilen Anwendung, klimatische Randbedingungen, Verdichtertypen, Verdichterregelung, Teillastverhalten etc.)
• Recherche von verschiedenen marktverfügbaren Verdichtern sowie deren Betriebskennwerte
• Konzeptionierung unterschiedlicher Anordnungen für einen möglichst effizienten Betrieb der gewählten Verdichter bei unterschiedlichen Randbedingungen
• Aufbau eines Berechnungsprogramms zum Vergleich der Verdichter sowie der unterschiedlichen Verdichteranordnungen
• Detaillierte Auswertung und Dokumentation der erhaltenen Ergebnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Kunath

Innerhalb dieser Arbeit soll in Python ein modularer Wärmepumpenkreislauf erstellt werden. Im Zuge dessen sollen die einzelnen Anlagenkomponenten austauschbar und skalierbar erarbeitet und in einem gesamten Kreislauf eingefügt werden können. Das Ziel ist es mit dem Kreislauf durch die Verwendung von verschiedenen Komponenten den besten COP für einen bestimmten Anwendungsfall und Kältemittel bestimmen zu können.

Die Bearbeitung kann unteranderem folgende Punkte umfassen:

• Einarbeitung in die Thematik,
• Aufbau eines modularen Wärmepumpensystems mit austauschbaren Komponenten – wünschenswert als Klassenstruktur,
• Dimensionierung der Wärmepumpe als Optimierungspunkt soll vorbereitet werden,
• Test des Wärmepumpensystems mit der Berechnung des COPs für ein Beispiel Fluid,
• Robustheitstest mit der Verwendung von verschiedenen Randbedingungen,
• Dokumentation und Präsentation

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Für Kältemittelkreisläufe mit teilweise nicht mischbaren Kältemittel ist die Ölabscheidung unerlässlich. Ebenfalls kann durch die Verwendung sinnvoller Ölmanagement kann die Füllmenge von Öl und damit die Füllmenge von Kältemittel verringert werden. Durch eine signifikante Verringerung des im Öl gelösten Kältemittel, kann die Sicherheitsbetrachtung von A3-Kälteanlagen deutlich verbessert werden. Innerhalb dieser Arbeit sollen verschieden Methoden der Ölabscheidung recherchiert und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in Abhängigkeit von dem Kältemittel – insbesondere A3 Kältemittel - bewertet werden.  Am Beispiel von einem R290 Wärmepumpenkreislauf soll ein Kältemittelkreislauf konzeptioniert werden. 

Die Bearbeitung umfasst unteranderem die folgenden Punkte:

• Einarbeitung in die Thematik und Marktanalyse – insbesondere: bezgl. Technologien für die Ölabscheidung,
• Erarbeitung von Einbaukonzepten der verschiedenen Technologien für die Ölabscheidung in einem Wärmepumpenkreislauf in Abhängigkeit des Kältemittels,
• Bewertung der Technologien für die Ölabscheidung in Abhängigkeit des Kältemittels,
• Konzeptionierung des Kältemittelkreislaufs von mind. eines bevorzugten Konzeptes für ein A3 Kältemittel,

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Mobile Anwendungen weisen im Unterschied zu stationären Anwendungen eine Reihe von Besonderheiten, wie sich stark ändernde Randbedingungen und hohe Anforderungen an Platz und Gewicht, auf. Daher stellt es sich als problematisch heraus, neue Technologien bzw. Ansätze zur Effizienzsteigerung in diesen Anwendungen zu integrieren, ohne diese spezifischen Gegebenheiten zu verletzen.

Ziel der Arbeit ist es, für eine spezifische mobile Anwendung unterschiedliche effizienzsteigernde Maßnahmen zu evaluieren und diese Anhand eines Referenzkreisprozesses simulativ zu untersuchen; am Ende der Bearbeitung soll eine Aussage über die Anwendbarkeit und den Nutzen der gewählten Technologien getroffen werden.

• Einarbeitung in die Thematik sowie in die Simulationssoftware (Dymola)
• Auswahl von geeigneten effizienzsteigernden Technologiekonzepten
• Aufbau eines Referenzsystems für den Wärmepumpen- und Kältebetrieb in der besagten Software
• Integration der gewählten effizienzsteigernden Technologien
• Bewertung der effizienzsteigernden Maßnahmen im Vergleich zum Referenzsystem im Hinblick auf Effizienz und etwaigen Besonderheiten
• Bewertung sowie Diskussion der erhaltenden Ergebnisse mit Fokus auf der Anwendbarkeit in der mobilen Anwendung
• Detaillierte Dokumentation der Ergebnisse sowie des Simulations-Modells

Eine kontinuierliche Zusammenarbeit und Austausch mit dem Betreuer sind erforderlich. Die Aufgabenstellung kann im Laufe des Bearbeitungszeitraumes gegebenenfalls angepasst werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Kunath

Die Forderung nach Kältemitteln mit niedrigem Global Warming Potential (GWP) bzw. generell sog. natürlichen Kältemitteln wird in Zukunft für den Großteil von Kühl- und Heizsystemen noch weiter zunehmen. Die Prozesskette von der Gewinnung, dem Einsatz der Kältemittel in der Anwendung, bis zum Recycling und den Auswirkungen bei Leckagen auf die Umwelt werden seit Jahren untersucht und werden derzeit detailliert beleuchtet.

Die Prozesskette vom Ausgangsstoff bis zum eingesetzten Kältemittel ist aktuell nicht überall nachvollziehbar, bzw. bewertet. Im Rahmen einer studentischen Arbeit soll daher die Grundlage dafür geschaffen werden, die Prozesse zur Produktion von Hydrofluorolefin (HFO), Kohlenwasserstoffen (KW) und Ammoniak gegenüberzustellen und die CO2-Footprints der jeweiligen Produktionsketten zu bewerten.

Die zukünftigen Kältemittel müssen über die gesamte Prozesskette bewertet und verstanden werden, sodass der zukünftige Einsatz die maximale Ressourcenoptimierung zulässt.

Aufgaben:

• Prozessketten für HFO, KW und Ammoniak aufzeigen
• Prozessketten nach Aufwand, Energieeinsatz und CO2 Emissionen bewerten
• Bewertungsmartix zu verschiedenen Kältemitteln erstellen (Bsp. R1234yf, R1336mzz(Z), R290, R600, R601, R717)
• Ausblick auf die Prozessketten. Wird das Kältemittel gezielt hergestellt oder ist dieses ein Abfallprodukt der fossilen Prozessketten? Welches Verhalten könnte eintreten, wenn die fossilen Prozessketten rückläufig sind, der Bedarf weiter steigt und das Kältemittel kein Abfallprodukt mehr ist, sondern gezielt hergestellt werden muss?
• Dokumentation und Präsentation

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Wördemann

Zur einfachen Durchführung von Funktions- und Leistungsmessungen von Wärmepumpen müssen Temperaturen, Drücke, Volumenströme gezielt überwacht und gesteuert werden. Diese Daten müssen regelungstechnisch entsprechend erfasst und für die Weiterverarbeitung vorbereitet werden.

Die Herausforderung dieses hydraulischen Versuchsaufbaus, ist die Regelung von Leistungen. Die erzeugte Kälte/Wärme soll entsprechend wiederverwendet werden. Nur die zusätzlich eingebrachte Wärmemenge des Verdichters aus dem System entfernt werden. Zudem soll die Studie zeigen, welche Leistungsbreiten abgedeckt werden können. Vor allem soll herausgearbeitet werden, welche Leistungsbandbeite möglich ist. Ist es möglich den hydraulischen Aufbau von 1 bis 100 kW zu realisieren? Wie viel ist auf begrenzten Platz im Labor möglich? Wie hoch liegen die Kosten für diesen Versuchsaufbau?

Die ganze Studie würde in Kooperation mit der Firma PEWO (https://www.pewo.com/)
durchgeführt werden. PEWO ist ein Spezialist für hydraulische Baugruppen, Fernwärmestationen etc. Das Unternehmen ist deutschlandweit aufgestellt und hat den Unternehmenssitz in Hoyerswerda.

Ob die Arbeit direkt bei PEWO oder am Lehrstuhl geschrieben wird, ist dann individuell zu klären.

Ein Start zwischen Juni und September wäre ideal.

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Wördemann

Wärmepumpen stellen einen wichtigen Beitrag zur Wärmewende dar. Ihr Anwendungsbereich erstreckt sich hierbei von Anwendungen im Haushaltsbereich (Wärmepumpenwäschetrockner) über die Heizungs- und Warmwasserbereitstellung von ein und Mehrfamilienhäusern bis hin zu Großanlagen im industriellen Bereich und für Hochtemperaturapplikationen.

Dabei spielt die kontinuierliche Funktionsfähigkeit eine zentrale Rolle auch bei schwankenden Lastbedingungen. Fehlerfälle können schwerwiegende Folgen für die Nutzer haben.

Im Rahmen einer studentischen Arbeit sollen mögliche Stör- und Fehlerfälle recherchiert und in ein entsprechendes Prüfstandskonzept überführt werden. Die Auslegung der Komponenten und eine entsprechende Konstruktion sowie die Mess- und Regelungstechnik sind zentrale Punkte der Aufgabenstellung.

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Wördemann