Dr.-Ing. Essam Elgendy
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Titel der Dissertation Analysis of Energy Efficiency of Gas Driven Heat Pumps
Verteidigung am 28.07.2011,
Gutachter
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Kurzfassung
Eine effizientere Energienutzung und die nachhaltige Entwicklung sind für den Umweltschutz von wachsender Bedeutung. Gasmotorwärmepumpen (GMWP) stellen hierbei eine praktische Lösung dar, die hohe Energieeffizienz und umweltfreundliche Kühl- und Heizanwendungen bietet. Die GMWP nutzt typischerweise die bereitgestellte Arbeit des Motors, um den Verdichter der Wärmepumpe in einem Kaltdampfprozess anzutreiben. Gleichzeitig wird die Motorabwärme für Heizzwecke genutzt. Die vorliegende Arbeit richtet sich auf die Bewertung der Leistungscharakteristika der GMWP im Hinblick auf R22 Alternativkältemittel unter verschiedenen Betriebsbe-dingungen. Es wurde ein Computerprogramm entwickelt, um die Leistungscharakteristika der GMWP in Betrieb mit drei R22-Alternativkältemitteln (R134A, R407C und R410A) zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die primär-energiebezogenen Leistungszahlen (PER) von R134A und R410A um 15,5 % und 10,65 % höher als die von R407C waren. Dementsprechend ist R134A das am besten geeignete Kältemittel, um R22 in Hinblick auf Energieeinsparung zu ersetzen. Dennoch hat R134A eine geringere Heizleistung und eine schlechtere Klimabilanz als R410A. Dadurch ist R410A das beste Mittel, um R22 im Hinblick auf Energieeinsparung, hohe Heizleistung und Umweltfreund-lichkeit zu ersetzen. In einer Parameterstudie wurden die internen Betriebsparameter von Gasmotor und Wärme-pumpe unter Nutzung von R410A untersucht. Die Eingangs-daten der Studie waren die Verdampfungstemperatur (-3 - 15 °C), Kondensationstemperatur (30 - 55 °C), Grad der
Überhitzung (0 - 20K ), Grad der Unterkühlung (0 - 10 K ), der isentrope Verdichterwirkungsgrad (0,6 - 0,8) und der Wirkungsgrad des Motors (0,2 - 0,3). Die Ergebnisse zeigten, dass die primärenergiebezogene Leistungszahl der GMWP vor allem durch Verdampfungstemperatur, Kondensationstemperatur, Motordrehzahl, Motorwirkungsgrad, isentropen Verdichterwirkungsgrad und den Unterkühlungsgrad in dieser Reihenfolge beeinflusst wird. Auf der anderen Seite hat der Überhitzungsgrad bei allen Betriebsvarianten den geringsten Einfluss auf die primärenergiebezogenen Leistungszahlen der GMWP. Für die experimentellen Untersuchungen stand eine GMWP vom Typ AISIN (TGMP 280 C1N) unter Nutzung von R410A als primäres Arbeitsmedium zur Verfügung. Als sekundäre Wärmeübertragungsmedien wurden im Innenraum Wasser und in der äußeren Umgebung Luft verwendet. Mit der Testanlage wurden Experimente unter Variation externer Betriebsparameter, wie Wassereintrittstemperatur, Wasservolumenstrom, Umgebungslufttemperatur und Motordrehzahl, durchgeführt. Die Leistung der GMWP wurde charakterisiert durch Wärmeströme, Wasseraustrittstemperatur und primärenergiebezogene Leistungszahl für verschiedene Betriebsmodi, wie Kühlung, XXII Heizung und kombinierte Kühlung und Heizung. Für den Kühlmodus ergab sich, dass die Wassereintrittstemperatur im Verdampfer einen höheren Einfluss auf die Leistungscharakteristika der GMWP als die Wasserflussrate im Verdampfer hat. Eine maximale primärenergiebezogene Leistungszahl von 1,83 wurde erreicht. Für den kombinierten Modus wurden eine Kühlwasseraustrittstemperatur zwischen 5 und 15 °C und eine Warmwasseraustrittstemperatur zwischen 38 und 65 °C betrachtet. Eine maximale primärenergiebezogene Leistungszahl von 2,1 konnte dabei erreicht werden. Im Heizmodus stellt die Nutzung der Motorabwärme, einen der Hauptvorteile der GMWP im Vergleich zu konventionellen Wärmepumpensystemen dar. Motorabwärme, die bei einem relativ hohen Temperaturniveau zur Verfügung steht, kann gewonnen werden, um Warmwasser bereitzustellen oder um das Kältemittel im Kältemittelkreislauf bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen zusätzlich zu verdampfen und so das Verdampfungspotenzial zu verbessern und Vereisungsprobleme am Verdampfer zu vermeiden. Beide Möglichkeiten wurden untersucht und die Betriebsparameter, wie Wassereintrittstemperatur im Kondensator, Wassermassenstrom im Kondensator, Umgebungslufttemperatur und Motordrehzahl wurden bei sowohl niedrigen als auch hohen Umgebungslufttemperaturen analysiert. Bei einer mittleren Umgebungslufttemperatur (10 - 15 °C) sind beide Möglichkeiten realisierbar, wobei sich die Leistung der GMWP unterscheidet. Es zeigte sich, dass die GMWP effizienter arbeitete, wenn die Motorwärme bei niedriger Umgebungslufttemperatur zum Wasserkreislauf geleitet wurde. Basierend auf den obigen experimentellen Ergebnissen weist der kombinierte Modus die höchsten primärenergiebezogenen Leistungszahlen auf und seine Modellierung spielt eine wichtige Rolle in der Steuerung und Optimierung des Systems. Daher wurden eine numerische Modellierung der GMWP im Kühlmodus durchgeführt und Systemcharakteristika, wie Kälteleistung, Gasmotorenergieverbrauch und primärenergiebezogene Leistungszahl, ausgewertet. Die Modellierung der GMWP umfasst die Modellierung des Scroll-Verdichters, des Verdampfers und des Gasmotors. Massenstrom des komprimierten Kältemittels und Verdichterleistung stellen die Hauptausgangsparameter des halbempirischen Verdichtermodells dar. Durch Nutzung des Massenstroms des komprimierten Kältemittels und verfügbare Verdampfungs-Wärmübertragungskorrelationen wird die Systemkühlleistung berechnet. Basierend auf den experimentellen Daten wird eine Korrelation des Gasmotorenergieverbrauchs als Funktion von Verdichterleistung, Motordrehzahl und Umgebungslufttemperatur bereit gestellt. Das Modell wird anhand von experimentellen Daten validiert und kann zur Steuerung und Optimierung des Systems genutzt werden. Die theoretischen und experimentellen Ergebnisse bestätigen, dass die GMWP insbesondere bei gleichzeitigen Kühl- und Heizanwendungen ein hohes Potenzial zur Energieeinsparung besitzt.
Wechsel zu
Helwan University, Faculty of Engineering - Mattaria, Cairo
Department of Mechanical Power Engineering