Kurzbeschreibung
Die betrieblichen Rahmenbedingungen von Fernwärmenetzen unterliegen einem stetigen Wandel, z.B. in Folge sinkender spezifischer Wärmeverbräuche in Verbindung mit Bestandssanierungen (EnEV). Fernwärmenetze sind daher an die neuen Betriebsbedingungen anzupassen. Eine verbesserte Auskühlung des Fernheizwassers unterstützt diese Anpassung und ermöglicht eine Absenkung primärseitiger Temperaturniveaus, verringert Wärmeverteilverluste, unterstützt die Integration niedertemperierter (Ab-) Wärmequellen und verbessert die quellenseitige Wärmebereitstellung.
Derzeit stehen z.T. erheblich höhere Betriebstemperaturen und Exergieniveaus primärseitig zur Verfügung als sekundärseitig benötigt werden. Dies ist unabhängig vom Dämmstandard und der Effizienz vorhandener Heizsysteme angeschlossener Wärmeabnehmer eines Fernwärmenetzes. Während sekundärseitig Temperaturen < 70 °C für die Trinkwarmwasser- und Raumwärmebereitstellung benötigt werden, liegen primärseitig Temperaturen im Bereich 80 °C bis 130 °C an. Diese Exergie soll für den Antrieb einer Absorptionswärmepumpe mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak-Wasser genutzt werden. Diese Wärmepumpen werden in bestehende Hausübergabestationen integriert, wodurch die Effizienz des Fernwärmesystems gesteigert wird.
Funktionsprinzip
Das Kältemittel liegt vor dem Absorber (1) in gasförmigem Aggregatszustand vor. Das Kältemittelgas wird in einem Absorber mit der armen Lösung (9) in Kontakt gebracht, wodurch das Kältemittel absorbiert wird. Bei diesem Prozess wird die Verdampfungsenthalpie des Kältemittels freigesetzt, weshalb Wärme auf mittlerem Temperaturniveau abgeführt werden muss. Diese Wärme stellt einen Teil der Nutzleistung dar. Die Mischung aus Kältemittel und armer Lösung besitzt nach dem Absorber einen erhöhten Ammoniakmassenanteil und liegt flüssig vor (2). Diese Mischung wird als reiche Lösung – reich an Ammoniak – bezeichnet. Über eine Lösungsmittelpumpe wird die reiche Lösung auf das Hochdruckniveau des Systems gebracht (3). Die Auftrennung der reichen Lösung in einen Kältemitteldampf und eine arme Lösung erfolgt im Austreiber. Dort wird Wärme auf hohem Temperaturniveau dem System zugeführt wodurch ein Teil der Lösung verdampft. Diese Wärme wird aus dem Vorlauf des Fernwärmenetzes entzogen. Durch die teilweise Verdampfung der reichen Lösung (6) findet eine Stofftrennung in Kältemitteldampf (10) und arme Lösung (7) statt. Letztere wird zum Absorber zurückgeführt und für die Absorption wiederverwendet. Zur Steigerung der Effizienz wird ein Lösungsmittelwärmeübertrager (LMWÜ) zur inneren Wärmerückgewinnung zwischen reicher Lösung (3→4) und armer Lösung (7→8) eingesetzt.
Das aus dem Austreiber kommende Kältemittel liegt durch die Bindung von Wasser nicht als reines Ammoniak vor. Um die Reinheit des Kältemittels zu erhöhen wird in einem Dephlegmator der Dampf teilweise kondensiert. Bei diesem Prozess wird das Wasser vermehrt abgeschieden und reichert sich in der flüssigen Phase an. Der Kältemitteldampf (10) wird anschließend im Kondensator auf dem Temperaturniveau der Nutzwärme kondensiert und dem Prozess ein Teil der Nutzwärme entzogen. Über ein Expansionsventil wird das flüssige Kältemittel auf den Tiefdruck der Anlage entspannt (12→13). Durch die Expansion verdampft ein Teil des Kältemittels wodurch die Temperatur absinkt. Auf dem niedrigen Druckniveau kann das Kältemittel bei geringerer Temperatur verdampft werden (13→14). Dieser Effekt wird im Verdampfer genutzt, um weitere Wärme aus dem Fernwärmerücklauf zu entziehen und somit die Temperaturabsenkung des Rücklaufs zu erreichen. Der Kältemittelwärmeübertrager (KMWÜ) dient in dem Prozess wie auch der LMWÜ der Effizienzsteigerung. Dabei wird der Kältemitteldampf (14→1) überhitzt, bzw. das flüssige Kältemittel nach dem Kondensator (11→12) unterkühlt.
Ziele
Durch den Einsatz der Absorptionswärmepumpe innerhalb der Hausübergabestation soll eine maßgebliche Steigerung der bereitgestellten Nutzwärmeströme und des exergetischen Wirkungsgrades erzielt werden. Der Betrieb dieses Aggregats soll dabei eine wesentliche Absenkung der primärseitigen Rücklauftemperatur zur Folge haben. Darüber hinaus ist die Absorptionswärmepumpe hinsichtlich des Gesamtwärmeeintrags in das sekundärseitige Heizungsnetz aber auch hinsichtlich der Effizienz des Fernwärmesystems zu optimieren.
Laufzeit
November 2017 - April 2020
Projektpartner
Danksagung
Dieses vorwettbewerbliche Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit den Mitteln der IGF unter dem Förderkennzeichen 19696 N/2 gefördert.
Kontakt
Luisa Haak, M.Sc.
Wissenschaftliche Mitarbeiterin