Modulare Adsorptionswärmepumpe auf Zeolith-Basis

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Engelpracht, Mirko © Urheberrecht: Lehrstuhl fuer Technische Thermodynamik der RWTH Aachen

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Mirko Engelpracht

Gruppenleitung Sorptionstechnologie

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Der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik der RWTH Aachen entwickelt in Zusammenarbeit mit der Firma Vaillant eine gasbetriebene Adsorptionswärmepumpe mit einem mittleren Jahresnutzungsgrad von 135 %. Im Jahresdurchschitt wird die Energie zur Heizung und Warmwasserbereitung lediglich zu 75 % aus derVerbrennung gewonnen. Weitere 25 % kommen aus der Umwelt. Der Jahresnutzungsgradder Zeolith- Heizgeräte liegt damit fast 30 % (abs.) über dem von Brennwertgeräten. Die Steigerung imVergleich zu Niedertemperaturkesseln liegt sogar bei rund 40 % (abs.).Das Zeolith-Heizgerät kann kontinuierlich von Wärmepumoenbetrieb auf Brennwertbetrieb umgestellt werden und stellt die nächste Gasgerätegeneration nach der Einführung der Brennwerttechnik dar.

 

Schonung der Umwelt

Etwa ein Drittel der Energie in der Bundesrepublik Deutschland wird zur Beheizung und Wassererwärmung in privaten Haushalten verbraucht. Ein erheblicher Anteil dieser Wärme wird in Brennwertgeräten oder konventionellen Feuerungen erzeugt. Die Gas-Wärmepumpentechnik ermöglicht eine Minderung des Energieverbrauchs und damit eine Verringerung des CO2 -Ausstoßes dieser Anlagen um 20 bis 30 %.

Das Stoffsystem dieser Adsorptionswärmepumpe ist Wasser (Kältemittel) und Zeolith (Sorptionsmittel). Im Gegensatz zu den sonst üblichen Kältemitteln (HFKW, Ammoniak, Propan) sind diese Stoffe völlig umweltverträglich. Zeolith wird seit Beginn der achtziger Jahre als Ersatz für Polyphosphate in Waschmitteln eingesetzt.

Zeolith:

  • Keramischer Grundwerkstoff aus AlO2 und SiO2
  • ungiftig, nicht brennbar
  • in jeder Hinsicht umweltverträglich
  • thermisch stabil bis mind. 600 °C
  • Herstellungsform: Granulat, Stäbchen, Pulver
  • Einsatz in
    • Waschmitteln (ca. 2 Mio t /a)
    • Katalysatoren (ca. 100.000 t / a)
    • Adsorbern (ca 80.000 t / a)
 

Wärmepumpentechnik

Wärme kann nicht von selbst von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergehen (R. Clausius, 2. Hauptsatz der Thermodynamik). Will man ''kalte'' Energie aus der Umwelt zu Heizzwecken nutzen, so muss das Temperaturniveau dieser Energie angehoben werden.

Nach den Regeln der Thermodynamik ist hierzu ein drittes, höheres Temperatur- oder Energieniveau erforderlich. Für diese Maschinen zum Transport von Wärmehat G.Flügel 1920 den Begriff ''Wärmepumpen''geprägt.

Die gebräuchlichsten Wärmepumpen besitzen elektrisch angetriebene Verdichter. Das Kältemittel ist meist ein HFKW, seltener Propanoder Ammoniak. Größte Verbreitung haben diese Anlagen in der Schweiz, Österreich und Skandinavien gefunden. Eine viel geringere Verbreitung besitzen die Absorptionsmaschinen. Hier hat sich nur das Stoffsystem Ammoniak / Wasser durchsetzen können. Sie dienen meist zur Klimatisierung großer Gebäude. Eine weitere Anwendung dieser Technik ist der stromlose Campingkühlschrank.Die Adsorptionsmaschinen arbeiten zumeist mit dem Stoffsystem Silicagel / Wasser. Sie werden vereinzelt zur Klimatisierung eingesetzt. Im Forschungsprojekt ''zeolith-heizgerät'' werden Adsorptionswärme-pumpen zur Wohnraumheizung und Brauchwassererwärmung entwickelt. Das Sorptionsmittel ist Zeolith, das Kältemittel ist Wasser.

 

Funktionsprinzip des Zeolith-Moduls

Der Sorptionsprozess in den Modulen läuft in zwei Schritten ab: Im ersten Teilschritt wird der Zeolith mit Hilfe eines Gasbrenners auf 200 °C erwärmt. Dabei desorbiert das Wasser und strömt als Dampf in den unteren Teil des Moduls. Hier kondensiert der Dampf und gibt dabei seine Kondensationswärme ab. Dieser Schritt ist beendet, wenn der Zeolith trocken ist und sich das gesamte Wasser im unteren Teil des Moduls befindet.

Nun wird der Brenner ausgeschaltet und das Modul kühlt unter Umgebungstemperatur ab. Das Wasser verdampft nun unten im Modul mit Hilfe von Umgebungswärme. Der Dampf strömt in den oberen Teil des Moduls und wird dort vom Zeolith adsorbiert, die dabei frei werdende Adsorptionswärme wird ebenfalls genutzt. Wenn das Wasser vollständig verdampft ist, beginnt der Prozess erneut.

 

Funktion des Zeolith-Heizgerätes

In Abbildung 5 sind die Heizungsanlage (HZ) und der Warmwasserspeicher (WW) abgebildet. Sie werden durch die drei Wärmeübertrager WÜ 1, WÜ 2 und WÜ 3 beheizt, die im Schema schwarz dargestellt sind. Mit Hilfe von Umweltwärme wird im rechten Modul das Kältemittel verdampft und anschließend im Zeolith adsorbiert. Die Adsorptionswärme wird an den Primärkreis abgegeben. Im linken Modul wird das Kältemittel aus dem Zeolith desorbiert und anschließend kondensiert. Die Energie zur Desorption kommt aus dem Primärkreis. Die Kondensationswärme wird im WÜ 1 an das Heizungssystem abgegeben. Adsorber und Desorber sind im Primärkreis hydraulisch miteinander verbunden. Zwischen dem Desorber und dem Adsorber wird im WÜ 2 Energie aus dem Primärkreis an das Heiznetz abgegeben. Hinter dem Adsorber wird der Wärmeträger in diesem Kreis durch einen Gasbrenner aufgeheizt für die Desorption. Die restliche Wärme aus dem Abgas wird in WÜ 3 an das Heizsystem übertragen. Damit ist eine optimale Energieausnutzung sichergestellt.

  • Einsatz im Einfamilienhaus
  • Vorlauftemperatur: 20 bis 75 °C
  • Heizleistung: 10 kW, später 5 bis 25 kW
  • Abmessung : 1610 X 615 X 590
  • Wartung: alle 2 Jahre (Inspektion jährlich)
  • Wirkungsgrad von 135%
  • Umwelt- und ressourcenschonend
  • umweltverträglicher Arbeitsstoff
  • sichere, robuste und geräuscharme Modul-Technologie
  • niedrige Verbrauchskosten
 

Projektdetails

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