Dokument: Abwasser als Wärmequelle und Wärmesenke für gasbetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen

Titel:	Abwasser als Wärmequelle und Wärmesenke für gasbetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen
Weiterer Titel:	Waste Water as Heat Source and Heat Sink for Gas Heat Pumps and Chillers
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=53401
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20200617-134606-7
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Goebel, Johannes [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 15,60 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 10.06.2020 / geändert 10.06.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Adam, Mario [Gutachter] Prof. Dr. Schierbaum, Klaus [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Optimierung eines Energieversorgungssystems zum Heizen und Kühlen von Gebäuden unter Nutzung von kommunalem Abwasser als Wärmequelle/-senke für Gas-Sorptions-wärmepumpen/-kältemaschinen (Gas-WP/KM). Ökologisch und ökonomische Vorteile, wie das hohe Tempera-turniveau des Abwassers mit etwa 10 bis 20°C im Jahresverlauf und die bei Sorptionswärmepumpen geringeren Kosten für den Abwasser-Wärmeübertrager (geringere Wärmequellenleistung als bei Kompressions-WP), sollen hierbei ausgeschöpft werden. Das untersuchte Systemkonzept besteht zum Heizen aus einer Gas-Absorptionswärmepumpe der Fa. Buderus (40 kW Nennheiz- und 16 kW Nennkühlleistung) und einem Spitzenlast-Gasbrennwertkessel. Beim Kühlen wird zur Deckung der Kältegrundlast eine elektrische Kompressionskältemaschine (besserer Wirkungsgrad) eingesetzt, ergänzt um die Spitzenlast vom Absorptionsgerät. Die (Ab-)Wärme wird über einen im Kanal verbauten Edelstahl-Abwasser-Wärmeübertrager zu- bzw. abgeführt. Die Detailanalysen zu diesem Systemkonzept erfolgen mit Simulationsmodellen unter MATLAB/Simulink mit den Toolboxen CARNOT und Stateflow. Das Modell der Gaswärmepumpe wurde durch Messdaten aus einem Hardware-in-the-Loop-Test validiert, mit der Gas-WP/KM als Hardware und der Emulation aller übrigen Systemkomponenten. Die Tests wurden mit ausgewählten Typtag Abwasser- und Wetterdatensätzen durchgeführt. Optimiert wurde mithilfe eines neuronalen Netzes (als Approximationsmodell, aus Rechenzeitgründen) und einem Partikelschwarmoptimierer. Es wurden optimale Lösungen als zweidimensionale Pareto-Front, hinsichtlich der beiden Zielgrößen spezifischer Primärenergiebedarf und spezifische Jahresgesamtkosten unter Einhaltung des thermischen Raumkomforts, ermittelt. Es zeigt sich, dass die spezifischen Primärenergiebedarfe und Jahresgesamtkosten der pareto-optimalen Konfigurationen mit Zunahme der jahresmittleren Abwassertemperatur von 10 °C auf 15 °C stark, und von 15 °C bis 20 °C nur noch schwach sinken. Bei diesem Temperaturniveau muss wesentlich weniger Wärmeübertragerfläche eingesetzt werden, um hohe Laufzeiten der Gaswärmepumpe zu ermöglichen. Bei jahresmittleren Abwassertemperaturen von über 15 °C liegen pareto-optimierte Auslegungen bei etwa 60 % Leistungsanteil der Sorptionswärmepumpe an der Heizlast und etwa 60 % Leistungsanteil der Kompressionskältemaschine an der Kühllast. Die anschließenden Vergleiche des untersuchten Systemkonzeptes mit Konkurrenztechnologien auf Basis von Gas- und Elektro-Wärmepumpen und -kältemaschinen mit Abwasser und Erdsonden als Wärmequelle und –senke und einem konventionellen Referenzsystem mit Gasbrennwertkessel und luftgekühltem Kaltwassersatz erfolgen anhand von sechs Bewertungskriterien: den Jahresgesamtkosten und fünf ökologischen Kriterien (Primärenergie, CO2, SO2, TOPP und CSB). Systeme mit rein passiver Kühlung im Sommer, wie bei Wärmeabfuhr über Erdsonden ans Erdreich, schneiden bei allen ökologischen Kriterien am besten ab und haben geringere Kosten als die Referenzvariante, können aber nicht zu jedem Zeitpunkt die Einhaltung definierter Komfortgrenzen garantieren. Abwasser ist aufgrund höherer sommerlicher Temperaturen für passive Kühlung schlechter geeignet als Erdsonden. Bei Raumheizung im Winter und aktiver Kühlung im Sommer gibt es kaum Bewertungsunterschiede zwischen Abwasser und Erdsonden als Wärmequelle/-senke für Wärmepumpen/Kältemaschinen, da sich die Vorteile des Abwassers im Winterbetrieb und die Vorteile der Erdsonden im Sommerbetrieb bei den hier betrachteten Heiz- und Kühlbedarfen gegenseitig kompensieren. Bezüglich der besten Art von Wärmepumpe bzw. Kältemaschine, insbesondere zur Nutzung von Abwasser als Wärmequelle/-senke, ist das Verhältnis von Kühlbedarf zu Heizwärmebedarf zu beachten: 1. Bei geringem Kühlbedarf bis maximal 30 % des Heizwärmebedarfes führen Gas-Sorptions-WP/KM unter den gewählten Randbedingungen bei allen betrachteten Umweltindikatoren zu besseren Ergebnissen als das konventionelle Referenzsystem, bei nur leicht erhöhten Jahresgesamtkosten. Elektro-Wärmepumpen/Kältemaschinen wären bzgl. Primärenergieverbrauch, CO2-und TOPP-Ausstoß besser geeignet, weisen aber deutlich höhere Jahresgesamtkosten und SO2-Emissionen auf. Die Kombination von Gas-Sorptionswärmepumpe zum Heizen und elektrischer Kompressions-Kältemaschine zum Kühlen führt, im Vergleich zur reinen Gas-WP/KM, bei allen Umweltaspekten zu deutlich besseren Bewertungen, jedoch auch zu Jahresgesamtkosten knapp unterhalb des Niveaus einer Elektro-WP/KM. 2. Bei steigenden Kühlbedarfen wirkt sich der schlechte Wirkungsgrad von Gas-Sorptionswärmepumpen/Kältemaschinen im Kühlbetrieb immer stärker aus, sodass elektrische Kompressionsmaschinen ihre energetischen Vorteile gegenüber Gas-Sorptionsgeräten in Summe weiter ausbauen. The aim of this thesis is the study and optimization of an energy supply system for heating and cooling of buildings using municipal wastewater as heat source/sink for gas sorption heat pumps/chillers (GSHPC). Ecological and economic advantages such as the high temperature level of waste water with about 10 to 20 °C during the year and the lower costs for the waste water heat exchanger for sorption heat pumps (lower heat source capacity compared to compression heat pumps) are to be exploited. The system concept investigated consists of a Buderus gas absorption heat pump (40 kW nominal heating capacity and 16 kW nominal cooling capacity) and a peak load gas condensing boiler. For cooling, an electric compression chiller (due to better efficiency) is used to cover the cooling base load, with the addition of peak load from the absorption unit. The (waste) heat is trans-ferred via a stainless steel waste water heat exchanger installed in the duct. The detailed analyses for this system concept are performed using simulation models under MATLAB/Simulink with the CARNOT and Stateflow toolboxes. The model of the gas heat pump was validated by measured data from a hardware-in-the-loop test with the GHPC as hardware and the emulation of all other system compo-nents. The tests were performed with type days consisting of typical wastewater and weather data sets. Optimization was carried out using a neural network (as an approximation model, for reasons of computing time) and a particle swarm optimizer. Optimal solutions were found as a two-dimensional Pareto front with regard to the target values of specific primary energy demand, specific total annual costs and keeping the ther-mal room comfort. It is shown that with an increase of the annual average wastewater temperature from 10 °C to 15 °C, the specific primary energy consumption and the annual total costs of the Pareto optimal configurations decrease strongly and only slightly from 15 °C to 20 °C. The specific annual total costs of the Pareto optimal configurations increase with the increase of the annual average wastewater temperature from 10 °C to 15 °C. The specific annual total costs of the Pareto optimal configurations decrease strongly and only slightly from 15 °C to 20 °C. At this temperature level, considerably less heat exchanger surface area must be installed in order to enable long running times of the gas heat pump. At annual average wastewater temperatures above 15 °C, Pareto optimized designs have a capacity ratio of the sorption heat pump to the heating load of around 60 % and a capacity ratio of the compression chiller to the cooling load of around 60 %. The following comparisons of the investigated system concept with competing technologies based on gas and electric heat pumps and chillers with waste water and borehole heat exchangers as heat source and heat sink and a conventional reference system with gas condensing boiler and air-cooled chiller are based on six evaluation criteria: the total annual costs and five ecological criteria (primary energy, CO2, SO2, TOPP, COD). Systems with solely passive cooling in summer as well as heat dissipation to the ground by borehole heat exchanger perform best in all ecological criteria, have lower costs than the reference variant, but cannot guarantee comfort limits at every point in time. Due to higher summer temperatures, waste water is even less suitable for passive cooling than borehole heat exchangers. For room heating in winter and active cooling in summer, there are minimal evaluation differences between waste water and borehole heat exchangers as heat source/sink for heat pumps/chillers, as the advantages of waste water in winter operation and the advantages of borehole heat exchangers in summer operation compensate each other in the heating and cooling requirements considered here. With regard to the best type of heat pump or chiller, in particular for the use of waste water as a heat source/sink, the ratio of cooling demand to heating demand must be taken into account: 1. With a low cooling energy demand up to a maximum of 30 % of the heating demand, GSHPC lead to better results for all environmental indicators under the selected boundary conditions, with only slightly in-creased total annual costs compared to the conventional reference system. Electric heat pumps/refrigerators are even better in terms of primary energy consumption, CO2 and TOPP emissions, but have significantly higher total annual costs and SO2 emissions. The combination of a GSHPC and an electric compression chiller for cooling leads, in comparison to a pure GSHPC, to significantly better evaluations in all environmental aspects, but also to total annual costs just below the level of an electric heat pump/chiller. 2. With increasing cooling requirements, the low efficiency of gas sorption heat pumps/chillers in cooling mode is having an ever greater effect, so that electric compression units further extend their overall energy ad-vantages over gas sorption units.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Experimentalphysik
Dokument erstellt am:	17.06.2020
Dateien geändert am:	17.06.2020
Promotionsantrag am:	08.01.2020
Datum der Promotion:	12.03.2020