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Forschung

In der Gruppe Energie- und Gebäudetechnologie arbeiten wir an Materialien, Komponenten und Systeme sowie an Modellbildung und Simulation zur Wärmespeicherung und Wärmetransformation in energieeffizienten Gebäuden.

Unter Wärmetransformation werden hier (im weiten Sinne) thermisch angetriebene Kreisprozesse zum Heizen und Kühlen verstanden. Unser Interesse gilt dabei vor allem einer Verbesserung der Adsorptionstechnologie mit geschlossenen sowie mit offenen Systemen. Zielgrößen sind hierbei die in gebäudetechnischen Anwendungen erreichbaren Jahresarbeitszahlen sowie die Leistungsdichten der Wärmepumpen und Kältemaschinen. Daraus ergeben sich Fragestellungen bzgl. einer verbesserten Prozessführung (Thermodynamik der Sorptionszyklen) sowie Fragestellungen zum Wärme- und Stofftransport in den Maschinen, insbesondere in den Adsorbern.

In enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE werden diese Fragestellungen auf verschiedenen Skalen bearbeitet. Auf der mikroskopischen Skala werden neue Sorptionsmaterialien mit verbesserten Eigenschaften bzgl. der durch die Anwendung in Gebäuden vorgegebenen Randbedingungen untersucht. Hier spielt die Aufklärung von Struktur-Eigenschafts-Relationen der Materialien (Porenstruktur und Adsorptionseigenschaften) eine wichtige Rolle. Der nächste Schritt vom Material zur Maschine betrifft das Einbringen der Adsorbentien in Wärmeübertrager (Adsorber). Hier werden gemeinsam mit weiteren Fraunhofer-Instituten Arbeiten zur Entwicklung neuartiger Adsorbens-Träger-Komposite auf Basis sinterbarer Metallfasern durchgeführt. Durch diese Komposite kann die Intensität des gekoppelten Wärme- und Stofftransports im Adsorber gegenüber dem Stand der Technik um eine Größenordnung gesteigert werden. Mit am Fraunhofer ISE zur Verfügung stehenden Messapparaturen werden Messungen zur Adsorptionskinetik sowie zur Durchströmung der Komposite durchgeführt, die zur Validierung von Modellen für den Wärme- und Stofftransport verwendet werden können. Die gekoppelten Differenzialgleichungen für Wärme- und Stofftransport werden mittels Finite-Elemente-Methoden gelöst. Ziel ist ein detailliertes Verständnis der Wärme- und Stofftransportlimitierungen im Adsorptionsprozess, um die Auslegung der Adsorptions-Wärmeübertrager gezielt verbessern zu können.

Auf der Skala der Aggregate (Wärmepumpe, Kältemaschine) ist das Hauptziel die Erhöhung der (Jahres-)Arbeitszahl durch eine verbesserte Prozessführung. Ein wichtiger Ansatzpunkt ist hierbei die interne Wärmerückgewinnung im Sorptionsprozess. Wir untersuchen die Verwendung eines temperaturgeschichteten Wärmespeichers zur Realisierung der internen Wärmerückgewinnung. Derzeit werden Systemsimulationen sowie CFD-Untersuchungen sowie experimentelle Untersuchungen zur Speicherschichtung durchgeführt.

Auf der Skala der Heiz- und Kühlsysteme und der Gebäude spielen die nutzbaren Wärmequellen und –senken eine wichtige Rolle. Hier gilt es, die Nutzung von Solar- und Umweltwärme so in die Systeme zu integrieren, dass ein hoher thermischer Komfort bei möglichst geringem Einsatz an (nicht-erneuerbaren) Primärenergieträgern erreicht wird. Auf dieser Ebene werden auch Fragestellungen bzgl. der Integration thermischer Speicher in Gebäudeenergiesysteme bearbeitet. Die wichtigste Untersuchungsmethode ist hierbei die dynamische Gebäudesimulation, wobei auch eine Exergieanalyse zur Identifikation thermodynamischer Schwachstellen im System genutzt werden kann.

Im Kontext der Transformation des Energiesystems hin zu einem hohen Anteil erneuerbarer und dezentraler Energiewandlungsanlagen kommt der thermischen Energiespeicherung in Gebäuden und Wärmenetzen eine Schlüsselrolle zu, um Strom- und Wärmebereitstellung hinreichend zu entkoppeln und somit stromseitig einen Ausgleich der fluktuierenden Erzeugung aus Wind- und Solarenergie durch netzorientiert betriebene KWK-Anlagen zu ermöglichen. Die Rolle von Gebäuden in intelligenten Versorgungsnetzen (Smart Grids) wird bisher nur sehr vereinzelt untersucht, so dass hier noch großer Forschungsbedarf besteht sowohl hinsichtlich der Nutzenbewertung verschiedener thermischer Speicher als auch bezüglich der Anpassung und Weiterentwicklung geeigneter Speichertechnologien und -systeme. Zu diesen Fragestellungen werden aktuell Forschungsarbeiten sowohl mit dem Fraunhofer ISE als auch mit verschiedenen KIT-Instituten initiiert.

Thermisch angetriebene Wärmepumpen

Motivation

Im Gebäudesektor besteht ein großes Potenzial zur Reduktion von Energieverbrauch, Betriebskosten und CO2-Ausstoß der Heizungsanlagen. Eine verbesserte Wärmedämmung, aber auch der Einsatz effizienterer Heizsysteme wie Wärmepumpen sind hier wesentliche Maßnahmen. Elektrische Wärmepumpen haben jedoch den Nachteil, dass die elektrischen Netze zu Spitzenlastzeiten im Winter zusätzlich belastet werden. Thermisch angetriebene Wärmepumpen sind daher eine interessante Alternative.

Stratisorp-Zyklus

Der Stratisorp-Zyklus basiert auf der Integration eines thermischen Schichtspeichers in den konventionellen Adsorptionszyklus. Der Speicher dient zu einer verbesserten internen Wärmerückgewinnung zwischen Adsorptions- und Desorptionsphase. Damit erhöht sich die Effizienz der Gaswärmepumpe deutlich.

Video: Gaswärmepumpe basierend auf dem Stratisorp-Adsorptionszyklus. Links befindet sich der thermische Schichtspeicher, rechts das Adsorptionsmodul mit Kondensator, Verdampfer und Drosselventil.

Im obigen Video wird der Zyklus einer Gaswärmepumpe dargestellt. Die Antriebstemperatur beträgt hier beispielhaft 210 ℃, die Heizungsrücklauftemperatur 25 ℃. Die Umweltwärme liegt am Verdampfer mit 8 ℃ an. Die hierfür simulatorisch ermittelte Heizzahl, d. h. das Verhältnis von Nutzwärme (abgeführte Heizwärme) zu aufgewendeter Wärme (Antriebswärme, z. B. bereitgestellt durch einen Gasbrenner) beträgt 2,1. Zwar sind einige Verluste wie die Vermischungseffekte im Speicher noch unzureichend berücksichtigt, doch das Potential des Zyklenkonzepts kann aufgezeigt werden.

Aktuelle Arbeitspakete

Die Arbeiten am Institut umfassen neben der Simulation einzelner Komponenten — insbesondere des thermischen Schichtspeichers mittels numerischer Strömungssimulationen und experimentellen Strömungsuntersuchungen zur Validierung — und thermodynamischen Systemsimulationen (instationär und stationär) auch die Untersuchung eines Prototypen, der momentan am Institut aufgebaut wird.

Literatur

Ein einführender Artikel aus den Energiewirtschaftlichen Tagesfragen 1—2 2012 kann hier heruntergeladen werden: Artikel im PDF-Format