Flexible Wärmepumpen mit integriertem Latentwärmespeicher

Das Projekt befasst sich mit Fragestellungen der Kopplung von Strom- und Wärmeversorgung von Gebäuden. Ziel ist die Steigerung der Flexibilität beim Bezug und bei der Einspeisung elektrischer Energie ins Netz durch die optimierte Steuerung der Gebäudetechnik zum Heizen und Kühlen sowie den Einsatz elektrischer und thermischer Speicher. Das Vorhaben soll im Sinne einer „Wärmewende“ dazu beitragen, die aktuell wachsende Einengung auf die Stromversorgung zu überwinden und das Potenzial innovativer wärmetechnischer Lösungen für das Gelingen der Energiewende zu erschließen. Das Vorhaben zielt zum einen auf eine Verminderung der Belastung der Stromversorgung, die durch den Einsatz von Elektrowärmepumpen zusätzlichen Belastungen ausgesetzt ist, und zum anderen auf die Steigerung der Effizienz der Wärmepumpensysteme. Zu diesem Zweck werden unterschiedliche Optionen für den Einsatz von Latentwärmespeichern in Wärmepumpensystemen untersucht.

Zur Entlastung des Stromnetzes muss die starre Kopplung von Wärmebedarf und Strombezug zum Antrieb der Wärmepumpe oder Kältemaschine aufgehoben werden. Dies kann durch Einsatz elektrischer oder thermischer Speicher erfolgen.

Im Rahmen des Vorhabens sollen Lösungen für den Einsatz von Latentwärmespeichern in Wärmepumpen entwickelt und erprobt werden, um günstig verfügbaren Strom für die Wärmeerzeugung zu nutzen und diese Wärme zeitversetzt dem Gebäude zuzuführen. Der Strombezug aus dem Netz zum Antrieb der Wärmepumpe/ Kältemaschine orientiert sich an der Angebotssituation, die durch die fluktuierende Einspeisung aus regenerativen Quellen dominiert wird. Die bereitgestellte Nutzenergie wird in Form von Wärme oder Kälte gespeichert.

Außerdem sollen in Zusammenarbeit mit den finnischen Partnern Konzepte zum Einsatz elektrischer und thermischer Speicher entwickelt und erprobt werden. Dazu wird an der Hochschule TAMK in Tampere eine Pilotanlage erstellt und betrieben, in der neben verschiedenen Wärmeerzeugern auch elektrische Batteriespeicher und eine Wärmepumpe mit integriertem Latentwärmespeicher erprobt werden sollen. Die Entwicklung dieser Wärmepumpe mit Wärmespeicher ist Gegenstand des hier beschriebenen Vorhabens.

m Vorhaben an der Hochschule München erfolgt die Entwicklung eines innovativen Wärmepumpenheizsystems mit neuartiger Einbindung eines Latentwärmespeichers im Verbund mit zwei Heizwärmeübertragern auf der Hochdruckseite des Wärmepumpenkreislaufes. Generell wirkt sich die konstante Temperatur des Latentwärmespeichers bei Abgabe oder Aufnahme von Wärme positiv auf die Leistungszahl der Wärmepumpe aus. Dies wird unterstützt durch die direkte Beaufschlagung der Komponenten mit Kältemittel, anstatt der Realisierung über separate Versorgungskreisläufe, die zusätzliche Temperaturdifferenzen benötigen würden. Durch die neuartige, kaskadierte Anordnung des Latentwärmespeichers kann der Wärmepumpenprozess bei günstigeren Temperaturniveaus im Vergleich zu herkömmlichen Speicherkonzepten betrieben werden. Weitere Effizienzgewinne ermöglicht der integrierte Wärmespeicher durch den flexiblen Einsatz bei günstigen Umgebungstemperaturen sowie den zeitlichen Ausgleich zwischen Heiz- und Kühlbetrieb.

Entscheidend für die erfolgreiche Umsetzung ist eine kompakte und kostengünstige Konstruktion des Latentwärmespeichers. In Bezug auf die Funktion der Gesamtanlage besteht die Hauptaufgabe darin, die zur Regelung notwendigen kältetechnischen Komponenten in den Wärmepumpenkreislauf zu integrieren.

Das Vorhaben beinhaltet die folgenden Bearbeitungsschritte:

• Potentialermittlung im Wohngebäudesektor
• Thermodynamische Modellierung und Auslegung des Wärmepumpenkreislaufs
• Konstruktion einer Labor-Versuchsanlage
• Durchführung von Versuchsreihen im Labor
• Einbindung des Systems in ein Gebäude
• Durchführung von Messungen im Dauerbetrieb