Die Teqtoniq GmbH mit Sitz in Horw (LU) entwickelt und produziert gasgelagerte, ölfreie, geräusch- und vibrationsarme Turbokompressoren für den Einsatz in Kälteanlagen und Wär-mepumpen. Das erste Serienprodukt eines Turbo-Kältemittelkompressors der Teqtoniq GmbH basiert auf dem in diesem Beitrag vorgestellten Kompressor und soll noch im Jahr 2020 auf den Markt kommen.
Der gasgelagerte und ölfreie Radialturbokompressor eignet sich für den Einsatz in Klima- kälteanlagen/Wärmepumpen mit Temperaturhüben von 15-40 K. Die Kälteleistung eines Kom-pressors kann durch Drehzahlvariation in einem Bereich von etwa 20-100 kW eingestellt wer-den. Zur Lagerung der rotierenden Komponenten kommt eine selbsttragende Gaslagerung zum Einsatz. Durch die Gaslagerung kann der Kompressor und damit der Kältemittelkreislauf gänz-lich ölfrei betrieben werden. Der Turbokompressor kann mit den Kältemitteln R134a, R1234ze und R513a betrieben werden. Die technischen Daten des Turbo-Kältemittelkompressors der Teqtoniq GmbH sind in Bild 1 zusammengefasst.
Gasgelagerter, ölfreier
Bild 1: Gasgelagerter und ölfreier Turbo-Kältemittelkompressor der Teqtoniq GmbH mit ei-ner Nennkälteleistung von ca. 100 kW für die Kältemittel R134, R1234ze und R513a
Versuchsaufbau
Klimakälteanlage/Niederhub-Wärmepumpe
Die in diesem Beitrag vorgestellte Klimakälteanlage/Niederhub-Wärmepumpe ist mit vier iden-tischen, gasgelagerten und ölfreien Turbokompressoren der Teqtoniq GmbH ausgestattet. Die Kompressoren weisen eine Nennkälteleistung von 100 kW auf (siehe oben). Für die Anlage ergibt sich dementsprechend eine Nennkälteleistung von 400 kW. Die Kälte- bzw. Heizleistung der Anlage kann über die Drehzahl der Kompressoren sowie durch Ein- und Ausschalten ein-zelner Kompressoren eingestellt werden.
Die technischen Daten der Klimakälteanlage/Niederhub-Wärmepumpe sind in Bild 2 zusam-mengefasst. Die Platzierung der angebrachten Messtechnik zur Bestimmung der Effizienz der Anlage ist in Bild 3 schematisch dargestellt.
Technische Daten
Bild 2: Wasser/Wasser Klimakälteanlage/Niederhub-Wärmepumpe mit vier identischen gas-gelagerten und ölfreien Turbokompressoren der Teqtoniq GmbH
Bild 3: Platzierung der angebrachten Messtechnik PI: Druckmessung, TI: Temperaturmes-sung, FI: MassendurchflussmesTemperaturmes-sung, JI: Messung der elektrischen Leistung
Laborinfrastruktur
Die Laborinfrastruktur der Hochschule Luzern ermöglicht es, thermische Systeme wie bspw.
Wärmepumpen/Kälteanlagen, Wärmeübertrager, thermische Energiespeicher usw. experimen-tell zu untersuchen.
Mit der Laborinfrastruktur kann Wärme und "Kälte" in einem Temperaturbereich von -20°C bis +80°C bereitgestellt werden. Kernstück der Infrastruktur sind zwei Wasser/Glykol- Speichertanks mit einem Fassungsvermögen von jeweils 5'000 Litern. Je nach Anwendungsfall können die Speicher mit einer Hilfs-Kälteanlage, einem Rückkühler oder mit elektrischen Heiz-stäben konditioniert werden. Die Wärme/Kälte wird über verschiedene Wasser- und Wasser/Glykol-Kreisläufe verteilt, die jeweils mit drehzahlvariablen Pumpen und Durchfluss-messgeräten zur Durchflussregelung und -messung ausgestattet sind. Die Temperaturen mehrerer Kreisläufe werden aktiv über 3-Wege-Mischventile geregelt.
Mit dieser Laborinfrastruktur ist es möglich, Wärmepumpen und Kälteanlagen mit Heizleistun-gen von bis zu 600 kW experimentell zu untersuchen und zu prüfen. Die AnforderunHeizleistun-gen an die Regel- und Messgenauigkeit nach Prüfnorm EN14511 werden erfüllt. Bild 4 zeigt ein stark vereinfachtes Schema der Laborinfrastruktur für die Anwendung "Messung/Prüfung einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe/Kälteanlage".
Bild 4: Vereinfachte schematische Darstellung der Laborinfrastruktur des thermischen Labors der Hochschule Luzern; Anwendungsfall "Messung/Prüfung einer Wasser/Was-ser-Wärmepumpe/Kälteanlage"; Kühlung über Hilfs-Kälteanlage
Bei der Prüfung einer Wasser/Wasser-Kälteanlage werden im Kreislauf 100 die Wassertempe-ratur sowie der Massenstrom in den Verdampfer des Prüflings auf die vorgegebenen Nennwerte eingestellt. Dies ermöglicht die Simulation der Wärmequelle. Im Kreis 200 werden Wasser-temperatur und Massenstrom in den Kondensator des Prüflings eingestellt und damit die Wärmesenke simuliert. Die beiden Kreisläufe 100 und 200 sind über drei Wärmeübertrager mit den beiden "inneren" Wasser/Glykol-Kreisläufen 300 und 400 verbunden. Dadurch kann die am Kondensator des Prüflings erzeugte Wärme teilweise wieder dem Verdampfer des Prüflings zugeführt werden. Durch die interne Wärmerückgewinnung wird die zum Betrieb der Infra-struktur nötige Kälteleistung auf ein Minimum reduziert. Die überschüssige Wärme (im Wesentlichen die abzuführende innere Kompressorleistung des Prüflings) wird im "Speicher kalt" gespeichert, der sich dadurch erwärmt. Bei Erreichen einer maximal zulässigen Tempera-tur im "Speicher kalt" wird der Speichertank über den Wasser/Glykol-Kreislauf 600 mit der Hilfs-Kälteanlage auf eine minimale Zieltemperatur abgekühlt. Die Kondensatorabwärme der Hilfs-Kälteanlage wird über den Wasser/Glykol-Kreislauf 700 mit Hilfe eines Rückkühlers an die Umgebungsluft abgegeben. Der Speichertank "Speicher warm" hat die Aufgabe, die in den Kreisläufen 200 und 400 auftretenden Temperaturschwankungen auszugleichen. Dadurch wird eine konstante Temperatur am Eingang des Wärmeübertragers, der die Kreisläufe 100 und 300 trennt, gewährleistet.
Bild 5: Prüfinfrastruktur des thermischen Labors der Hochschule Luzern vor den Isolations-arbeiten
Links: Pumpen für die verschiedenen Wasser- und Wasser/Glykol-Kreisläufe Rechts: Liegender 5'000 Liter Wasser/Glykol-Speichertank "Speicher kalt"
Prüfbedingungen für die Klimakälteanlage/Niederhub-Wärmepumpe Verwendung als Klimakälteanlage
Die Jahresarbeitszahl einer Klimakälteanlage wird oft mit dem European Seasonal Energy Efficiency Ratio (ESEER) angegeben. Der ESEER basiert auf der Prüfnorm EN14511 und repräsentiert eine Jahresarbeitszahl für die Gebäudekühlung. Zur Bestimmung des ESEER-Wertes werden die EER-Werte bei Volllast sowie in verschiedenen Teillastbetriebspunkten experimentell bestimmt und unter Verwendung verschiedener Gewichtungsfaktoren addiert.
Die Wassermassendurchflüsse in Verdampfer und Kondensator werden so eingestellt, dass die Wassereintritts- und Wasseraustrittstemperaturen den Nennwerten (12/7°C, 30/35°C) für den Volllastbetrieb entsprechen (siehe Tabelle 1). Für die Teillastbetriebspunkte werden die unter Volllast bestimmten Wassermassendurchflüsse konstant gehalten. Die einzustellenden Betriebspunkte in Voll- und Teillast sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Verwendung als Niederhub-Wärmepumpe
Die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe für die Gebäudeheizung wird oft mit der Norm EN14825 bestimmt. Abhängig von der Art der Wärmequelle und -senke legt die Norm Betriebspunkte mit unterschiedlichen Temperaturniveaus und Teillastverhältnissen fest. Die experimentell ermittelten COP-Werte in den Betriebspunkten unter Voll- und Teillast können anschliessend in Kombination mit den stündlichen Temperaturwerten eines Jahres an einem Standort zur Berechnung der Jahresarbeitszahl verwendet werden. In diesem Beitrag wird eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe für kleine Temperaturhübe vorgestellt. Es gelten daher die Be-triebsbedingungen für eine Wärmepumpe, die mit einer Wärmequelle wie Grundwasser (10°C) arbeitet und Heizwasser mit niedrigen Temperaturen (24-35°C) erzeugt (siehe Tabelle 2). Die Wassermassendurchflüsse in Verdampfer und Kondensator werden ebenfalls unter Volllast ein-gestellt und in den Teillastbetriebspunkten konstant gehalten. Die einzustellenden Betriebs-punkte in Voll- und Teillast sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Teillast-
verhältnis Wassertemperaturen Verdampfer
ein/aus [°C] Wassertemperaturen Kondensator
ein/aus [°C]
100% 12 / 7 30 / 35
75% - / 7 26 / -
50% - / 7 22 / -
25% - / 7 18 / -
Tabelle 1: Prüfbedingungen für die Klimakälteanlage in Übereinstimmung mit den Normen EN14511 und Eurovent ESEER
Teillast-
verhältnis Wassertemperaturen Verdampfer
ein/aus [°C] Wassertemperaturen Kondensator
ein/aus [°C]
Tabelle 2: Prüfbedingungen für die Niederhub-Wärmepumpe in Übereinstimmung mit der Norm EN14825