Ausgeklügelte Wärmepumpe heizt und kühlt gleichzeitig

Technikum des Fraunhofer-FEP mit effizientem Wärmepumpenkonzept (Bild: Fh.-FEP / J. Lösel)

Das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP arbeitet an innovativen Lösungen auf den Gebieten der Vakuum­beschichtung, der Oberflächen­behandlung und der organischen Halbleiter. Grundlage dieser Arbeiten sind die Kern­kompetenzen Elektronenstrahl­technologie, Sputtern, plasma­aktivierte Hochrate­bedampfung und Hochrate-PECVD sowie Technologien für organische Elektronik und IC-/Systemdesign.

Resultierend aus den Arbeitsgebieten benötigen die Versuchs­anlagen des Instituts eine sehr umfangreiche und stabile Kühlwasser­versorgung auf einem Temperatur­niveau von ungefähr 25 Grad Celsius. Das in den Versuchs­anlagen erwärmte Kühlwasser (~28 °C) fließt dabei zu einem Sammeltank zurück und wird von dort aus – abgekühlt durch einen Kühlturm – wieder den Versuchs­anlagen zur Verfügung gestellt. Im aktuellen Fall liegt die thermische Leistung unter Berück­sichtigung der gegebenen Gleichzeitig­keiten der Versuchs­durchführung bei maximal 500 kW.

Die Versuchsanlagen befinden sich fast ausschließlich in großen Technikums­hallen. Die Temperierung dieser Hallen erfolgt mittels zentraler Raumluft­technik (RLT). Als Heizmedium steht hier aus Fernwärme umgewandelte Nahwärme zur Verfügung. Die maximale thermische Leistung dieser RLT-Geräte liegt insgesamt bei ungefähr 400 kW.

Aufgrund des im Institut vorhandenen Fachwissens über den gleichzeitigem Abwärme­anfall und der benötigten Heiz­energie hatten die Techniker die innovative Idee, eine Wärmepumpen­anwendung zu konzipieren, die beides verbindet. Bereits in einem ähnlichen Fall haben FEP und Johnson Controls gemeinsam eine Wärmepumpe zur Nutzung der Abwärme (15 kW) aus einem IT-Serverraum zur Versorgung der Heizung des Büro-Gebäudes realisiert. Die als „Abfall­produkt“ im Wärmepumpen­prozess anfallende „Kälte“ wird dabei für die aktive Kühlung des Server­raums genutzt. Diese Anwendung war technisch und wirtschaftlich so erfolgreich, dass nun der nächste größere Schritt gegangen werden sollte. Dokumentiert wird der wirtschaft­liche Erfolg durch ein Return on Invest von unter drei Jahren. Üblicher­weise erreichen Wärmepumpen­anwendungen eine Leistungszahl von ~4,5. Die beschriebene Anlage weist jedoch sogar eine Leistungszahl von ~7,5 auf. Dabei stellt die Leistungszahl das Verhältnis von gewonnener thermischer Energie zu aufgewendeter elektrischer Energie dar.

Für die ausgewogene Dimensionierung der neuen Wärmepumpe musste ein Leistungs­bereich ermittelt werden, der möglichst hohe Vollbenutzungs­stunden garantiert. Aufgrund von verschiedenen Messungen wurde die Wärmepumpe wie folgt ausgelegt: Heizleistung 115 kW, Kühlleistung 90 kW. Für dieses Projekt konnte nicht auf eine Standardlösung zurückgegriffen werden. Johnson Controls als Lieferant der Wärmepumpe installierte ein System aus zwei Verdichtern (je 50 %), von denen einer stufenlos regelbar und der zweite einstufig ausgelegt wurde.

Heizungsseitig wurde die Wärmepumpe in den RLT-Zubringerkreis eingebunden. Die Anpassung der Regelung und Hydraulik war schwierig, wurde aber gelöst. Eine ausschließ­liche Versorgung des RLT-Kreises hätte in den Nacht­stunden und am Wochenende aufgrund des Instituts­betriebes zum Stillstand der Wärmepumpe geführt. Somit wurde in dem statischen Heizkreis (Leistung max. 50 kW) ein – wenn auch kleiner – zusätzlicher Abnehmer gefunden, der eine Teillast übernehmen kann. Hinzu kommt, dass der Wärmeanfall in den Versuchs­anlagen am Wochenende ohnehin sehr eingeschränkt ist.

Der Regelbetrieb der Anlage wurde im November 2016 gestartet. Über das normale Maß hinaus wurden viele Mess- und Zähl­einrich­tungen installiert. Sie sollen den wirtschaft­lichen und störungs­freien Betrieb der Anlagen sicher­stellen und dokumentieren helfen. Mit ersten Aussagen hinsichtlich der Betriebs­erfahrungen und Wirtschaft­lichkeit wird im Sommer 2017 gerechnet. (Quelle: Fh.-FEP)

Links: Qualitäts- und Energiemanagement, Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, DresdenKaltwassersätze und Wärmepumpen, Johnson Controls Systems & Service GmbH, Essen

Speak Your Mind

*