Abtauen – Erkenntnisse aus Prüf- und Feldmessungen
2. Erhöhung der Abtauleistung bei der Heissgasabtauung
5.3 Analyse der Betriebs- und Abtauzeiten
Die einzelnen Messungen streuen teilweise sehr stark, es wurden deshalb für die Auswer-tungen die Tagesmittelwerte bestimmt. Damit werden die Streuwerte bedeutend gedämpft.
Die Charakteristik des Abtauverhaltens korreliert bei den Heissgasabtauungen weniger gut als bei den Prozessumkehrabtauungen.
Im Rahmen des verfügbaren Platzes kann hier nur je eine Anlage detaillierter vorgestellt werden. Die gesamten Auswertungen werden im Bericht „Abtauen 3“ publiziert.
Wärmepumpen mit Heissgasabtauung
Bei den Wärmepumpen mit Heissgasabtauung wurde bei je zwei Anlagen ein ähnliches Verhalten festgestellt. Die beiden Maschinen mit optimaler Abtauung liegen zwischen ca.
4-9 % Abtauzeitanteil bezüglich der Gesamtbetriebszeit und die beiden schlechteren Gerä-te haben AnGerä-teile, die bis auf ca. 23-24 % ansGerä-teigen. Es fällt ebenso auf, dass die Abtauung nicht wie angenommen über ca. 8 [°C] nicht mehr aktiv ist, sondern bis 10 [°C] und bei einer Anlage bis über 15 [°C] immer noch läuft. Es ist schwerlich anzunehmen, dass bei diesen Anlagen über 10 [°C] die Verdampferflächen immer noch Eis ansetzen.
Die Auswertung der Stillstandszeiten pro Zyklusdauer ist insofern interessant, als der Ein-fluss der direkten Naturabtauung gezeigt werden kann. Für die Wirkung der Naturabtauung (gemäss Kap. 4, Bild 9 beginnt das Abtropfen erst nach etwa 40 [min]) sind die Still-standszeiten über ca. 40 [min] Dauer interessant. Aus der Abb. 12 ist für diese ausgewerte-te Anlage festsausgewerte-tellbar, dass die meisausgewerte-ten Abtauvorgänge genügend lange dauern, um vom Einfluss der Naturabtauung profitieren zu können.
HG01 - Stillstandszeit pro Zyklus
30 90 150 210 270 330 390 450 510 570 >600 Zyklusdauer [min]
Anzahl Zyklen
Bild 12:Häufigkeitsverteilung der
Stillstandszeiten pro Zyklus mit Heissgas-abtauung (Beispiel)
30 90 150 210 270 330 390 450 510 570 >600 Abtaudauer [sec]
Anzahl Abtauvorgänge
Bild 13:Verteilung der Abtaudauer bei der gleichen Anlage mit Heissgasabtauung (Beispiel)
Bild 13 zeigt die Verteilung der Abtauzeiten. Es ist keine eindeutige Charakteristik festzu-stellen. Die Anzahl der Abtauungen verteilt sich in diesem Beispiel über das ganze Spekt-rum der Abtaudauer von 60 bis ca. 600 [sec].
Sofern die Naturabtauung bei der ausgewerteten Wärmepumpenanlage entsprechend den bei den Labormessungen festgestellten Wirkungen beeinflusst würde, müssten die Abtau-zeiten mit zunehmender Stillstandszeit abnehmen. Dies ist jedoch in der nächsten Grafik (Bild 14) nicht feststellbar.
Die Verhältniszahl Abtau- zur Gesamtlaufzeit des Kompressors wurde bei allen vier Anla-gen mit Heissgasabtauung ermittelt. Die hier gezeigte Anlage konnte zudem mit den Messwerten der WPZ-Prüfung verglichen werden. Dabei kann festgestellt werden, dass das Abtauverhalten im Feld um einiges günstiger ist als es bei den WPZ-Prüfungen (nach EN255) ermittelt worden ist. Diese Situation wurde eigentlich erwartet, da im Prüfablauf beim WPZ-Prüfverfahren keine Stillstandszeiten vorgesehen sind und höhere rel. Feuchten auftreten.
HG01 - Abtauzeit in Abhängigkeit der Stillstandszeit
Bild 14:Abtauzeiten vs. Stillstandszeiten bei der gleichen Anlage mit Heissgas-abtauung
Bild 15:Vergleich des Verhältnisses der Abtau- zur Gesamtlaufzeit des Kompressors für Feld- und WPZ-Messungen
HG01 - Stillstandszeiten pro Tag
Bild 16:Stillstandszeiten pro Tag vs. der Umgebungstemperatur zeigen eine deutliche Korrelation (stark überdimensionierte Anlage)
HG01- Schaltzyklen Kompr. pro Tag
0
Bild 17:Die Anzahl der Einschaltungen sind sowohl bei der Kompressorlaufzeit wie auch bei den Abtauungsvorgängen ähnlich
Die Stillstandszeiten pro Tag (24 [h]) sind einerseits ein Hinweis für die Dimensionierung der Leistung einer Wärmepumpe und spielen andererseits auch für den Einfluss der Natur-abtauung eine Rolle. Die Anzahl der Schaltzyklen pro Taggemäss Bild 17 insbesondere die Häufigkeit der Abtausignale ist im Verhältnis zu den Schaltimpulsen der Laufzeit unge-wöhnlich hoch, wobei dies von mehreren Punkten abhängen kann, wie Regulierung, etc.
Bild 18: Vergleich aller vier ausgewerteten WP-Anlagen mit Heissgasabtauung
Die Erkenntnisse aus diesen Auswertungen sind relativ klar. Im Abtausteuerungskonzept ist offenbar noch ein Verbesserungspotenzial enthalten, wie Bild 18 deutlich zeigt. Bei-spielsweise sollte die Abtauung bei höheren Umgebungstemperaturen über etwa 10 [°C]
nicht mehr aktiv sein.
Der Energieverbrauch für die Heissgasabtauung ist etwa proportional zum Verhältnis von Abtau-/Laufzeit. Die elektrische Leistungsaufnahme während der Abtauung beträgt etwa 80 % derjenigen im Heizbetrieb. Wenn man das Laufzeitverhältnis mit dem Faktor 0.8 multipliziert, erhält man in etwa das Energieverhältnis Abtau-/Heizbetrieb.
WP mit Heissgasabtaung - Verhältnis Abtau-/Laufzeit
0
Wärmepumpen mit Prozessumkehrabtauung
Es wurden ebenfalls an vier Wärmepumpenanlagen mit Prozessumkehr Feldmessungen durchgeführt. Es fällt hier auf, dass bei diesen Maschinen nur eine der vier Anlagen einen fast doppelt so hohen Abtauanteil hat. Die anderen drei Anlagen liegen in einem Bereich von 3-5 % Abtau-/Kompressorlaufzeit.
Für die Auswertung der Naturabtauung (gemäss Kap. 4, Bild 9) sind die Stillstandszeiten pro Zyklusdauer über ca. 40 [min] interessant. Aus der Bild 19 ist für diese ausgewertete Anlage feststellbar, dass die meisten Abtauvorgänge genügend lange dauern, um vom Ein-fluss der Naturabtauung profitieren zu können.
PU01 - Stillstandszeit pro Zyklus
0
25 75 125 175 225 275 325 375 >400 Zyklusdauer [min]
Anzahl Zyklen
Bild 19:Häufigkeitsverteilung der Still-standszeiten pro Zyklus mit Prozessum-kehrabtauung (Beispiel)
20 60 100 140 180 220 260 300 340 >360 Abtaudauer [sec]
Anzahl Abtauvorgänge
Bild 20:Verteilung der Abtaudauer bei der gleichen Anlage mit Prozessumkehrabtauung (Beispiel)
Das zweite Bild (Bild 20) zeigt die Verteilung der Abtauzeiten. Die meisten Abtauungen haben eine Abtaudauer von 100 bis ca. 200 [sec] und sind durchschnittlich viel kürzer als bei der Heissgasabtauung.
Auch bei der Prozessumkehrabtauung kann kein Zusammenhang zwischen der Abtau- und der Stillstandszeit erkannt werden (Bild 21). Es wird angenommen, dass die Regelung und Steuerung der Abtauung auch hier einen übergeordneten Einfluss hat, so dass die Naturab-tauung keine Wirkung zeigt.
PU01 - Abtauzeit in Abhängigkeit der Stillstandszeit
Bild 21:Abtauzeiten vs. Stillstandszeiten bei der gleichen Anlage
Bild 22:Vergleich des Verhältnisses der Abtau- zur Gesamtlaufzeit des Kompressors für Feld- und WPZ-Messungen
Die Verhältniszahl Abtau- zur Gesamtlaufzeit des Kompressors wurde bei allen Anlagen mit Prozessumkehrabtauung ermittelt. Beim Vergleich mit den WPZ-Messungen kann fest-gestellt werden, dass dieses Verhältnis im Feld ein ähnliches Verhalten zeigt.
Die Stillstandszeiten pro Tag (24 [h]) sind einerseits ein Hinweis für die Dimensionierung der Leistung einer Wärmepumpe und spielen andererseits auch für den Einfluss der Natur-abtauung eine Rolle.
Für die Anlagen mit Prozessumkehrabtauung sind die Erkenntnisse aus diesen Auswertun-gen grundsätzlich positiver. Bei der Anlage PU04 (Bild 25) besteht noch ein Verbesse-rungspotenzial. Die relativ langen Abtauzeiten dieser Anlage könnten aber auch auf eine zu kleine Abtauleistung zurückzuführen sein. Es muss bei dieser Anlage bezüglich der Abtausteuerung ein starker Einfluss der Umgebungstemperatur einwirken, da der Anteil der Abtauung mit sinkender Umgebungstemperatur stark ansteigt.
Bild 25: Vergleich aller vier aus-gewerteten WP-Anlagen mit
Bild 23:Stillstandszeiten pro Tag vs.
Umgebungstemperatur zeigen eine deutliche Korrelation
PU01- Schaltzyklen Kompr. pro Tag
0
Bild 24:Die Anzahl der Einschaltungen Kompressor wie auch der Abtauungsvor-gänge sind bei diesem Beispiel in normalen Bereichen
WP mit Prozessumkehrabtaung - Verhältnis Abtau-/Laufzeit
0
6. Resumé
Diese Untersuchungen zeigen, dass doch bei den Abtausystemen einiges an energetischen Verbesserungspotenzial vorhanden ist. Diese Verbesserungen können mit bescheidenem technischem Aufwand und Kosten realisiert werden.
Wenn alle in dieser Untersuchung erwähnten Möglichkeiten, wie Ventilatoreinsatz über der Frostgrenze und die Hochhaltung des Druckniveaus bei Heissgasabtauung sowie eine optimale Abtausteuerung (nur im Bereich der Umgebungstemperaturen wirksam, wo Frostansatz geschieht) und die Ausnutzung der Naturabtauung gleichzeitig wirken, wird das Optimierungspotenzial deutlich höher und kann nach unseren Schätzungen eine Ener-gie-Einsparung von 6 – 10 % pro Heizsaison bringen.
Quellen
[1] Hubacher Beat, Ehrbar Max; Verbesserung des Abtauens bei luftbeaufschlagten Ver-dampfern, Analyse gängiger Abtauverfahren, 2000; Bundesamt für Energie BFE, CH-3003 Bern
[2] Bertsch Stefan, Hubacher Peter, Ehrbar Max; Verbesserung des Abtauens bei luftbe-aufschlagten Verdampfern, Phase2: Bewertung der Abtauprozesse, 2002, Bundesamt für Energie BFE, CH-3003 Bern
[3] Hubacher Peter, Bernal Carlos, Ehrbar Max, Schwendener Stefan; Verbesserung des Abtauens bei luftbeaufschlagten Verdampfern. Phase 3: Technische Umsetzung, La-bor- und Feldversuche. Bundesamt für Energie BFE, CH-3003 Bern, (erscheint im Sommer 2005)
[4] Ehrbar Max; Dieselmotor-Wärmepumpe im Oberstufenschulhaus Sargans, Energeti-sche Messungen, 1981, Amt für Wasser- und Energiewirtschaft des Kantons St. Gal-len
[5] H.R. Gabathuler, H. Mayer, J. Cizmar, E. Zahnd, M. Roschi, D. Trüssel; Messungen an Retrofit-Wärmepumpen, Schlussbericht, 2002; Bundesamt für Energie BFE, CH-3003 Bern
[6] Erb Markus, Hubacher Peter, Ehrbar Max; Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen FAWA, 1996-2003, Bundesamt für Energie BFE, CH-3003 Bern
Oskar Wanner, Dr. Dipl. Ing. ETH Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Eidgenössische Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz (Eawag) Überlandstrasse 133
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