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Experimentelle Arbeiten und Entwicklung von numerischen Modellen zur Analyse und Optimierung von erweiterten Adsorptionskreisläufen für die Wärmeversorgung von Gebäuden

 
: Velte, Andreas
: Füldner, Gerrit; Schnabel, Lena; Henning, Hans-Martin; Bart, Hans-Jörg

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Freiburg/Brsg., 2019, 272 S.
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2019
URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1546919
Deutsch
Dissertation
Fraunhofer ISE ()

Abstract
Der Energieverbrauch von fossilen Energieträgern für das Beheizen von Wohngebäuden und die Warmwasserbereitstellung führt zu CO2-Emissionen, welche den Klimawandel weiter antreiben. Von den jetzt schon spürbaren Auswirkungen, wie beispielsweise der zeitlichen Häufung von Wetterextremen, sind weltweit unzählige Menschen direkt oder indirekt betroffen. Diese Arbeit ist ein technischer Beitrag zur Einsparung von fossilen Energieträgern für die Wärmeversorgung von Gebäuden. Die hier untersuchte Technologie ist die thermisch angetriebene Adsorptionswärmepumpe. Diese kann neben anderen Wärmepumpentechnologien eine sinnvolle Ergänzung zur weit verbreiteten Gas-Brennwerttherme darstellen. Unter Nutzung von praktisch frei verfügbarer Umweltwärme (Luft, oberflächennahe Geothermie) kann eine thermisch angetriebene Wärmepumpe den Primärenergiebedarf für das Heizen um 20-50 % senken. Die Herausforderungen dieser Technologie für die Anwendung in Privathaushalten liegen derzeit in der eher niedrigen Effizienz und der geringen Leistungsdichte, wodurch der zusätzliche Platzbedarf auch für Systeme mit kleiner Leistung (< 10 kW) erheblich ist. Die thermisch angetriebene Adsorptionswärmepumpe basiert auf dem physikalischen Phänomen der Adsorption. Bei der Adsorption wird durch Anlagerung von Molekülen des Arbeitsmittels (Wasser) an eine Feststoffoberfläche Wärme frei. Dieser Prozess kann durch Zufuhr von Wärme umgekehrt werden (Desorption). Nach der Desorption liegt das Arbeitsmittel als Dampf vor und kann unter Freisetzung von Kondensationswärme kondensiert werden. Durch die geeignete Verschaltung der Komponenten (Adsorptionswärmeübertrager, Verdampfer, Kondensator) zu einem Adsorptionsmodul kann die Wärme der Adsorption und die Kondensationswärme für die Wärmeversorgung von Gebäuden genutzt werden. Dabei wird die Umweltwärme über den Verdampfer zugeführt. Die erforderliche Antriebswärme zur Desorption wird bei der thermisch angetriebenen Wärmepumpe durch die Verbrennung eines geeigneten Energieträgers (beispielsweise Erdgas) zugeführt.In dieser Arbeit werden systematisch verschiedene Varianten von Adsorptionsmodulen betrachtet, die durch Wärmerückgewinnung eine Steigerung der Effizienz ermöglichen. Dafür wird zunächst mit einem stationären Wärmebilanzmodell die maximal erreichbare Effizienz berechnet. Es werden die drei Adsorbentien SAPO-34, Zeolith NaY und Zeolith 13X mit Wasser als Arbeitsmittel untersucht. Die Leistungsdichte hängt vor allem von der Dynamik des Wärme- und Stofftransports im Adsorptionsmodul ab. Die Geometrie des Adsorptionswärmeübertragers als Kernkomponente wird in dieser Arbeit unter Verwendung eines räumlich aufgelösten numerischen Simulationsmodells auf eine möglichst hohe Leistungsdichte hin optimiert. Die hier untersuchte Bauform des Adsorptionswärmeübertragers besteht aus Flachrohren und Faserpaketen aus versinterten Aluminiumfasern. Die wesentlichen Freiheitsgrade der geometrischen Optimierung sind die Schichtdicke des Adsorbens auf der Faseroberfläche, die Dicke des Faserpakets zwischen den Flachrohren, die Porosität des Faserpakets, die Geometrie des Flachrohrs auf Wärmeträgerfluidseite, die Länge des Wärmeübertragers und die hydraulische Verschaltung (parallel, seriell) der Flachrohre im Wärmeübertrager. Bei der geometrischen Optimierung wird auch die hydraulische Verschaltung der angrenzenden Komponenten berücksichtigt, sodass am Ende geometrisch optimierte Varianten des Adsorptionswärmeübertragers für verschiedene Verschaltungen vorliegen.Die verwendeten numerischen Modelle werden umfassend mit experimentellen Daten validiert, sodass die Ergebnisse der numerischen Simulation auf einem soliden Fundament stehen. Dafür wurden acht verschiedene Proben bestehend aus Trägerblech und Faserpaket mit einer direkten2Aufkristallisation des Adsorbens SAPO-34 experimentell charakterisiert. Weitherin werden experimentelle Daten eines Sorptionsmoduls mit einem Adsorptionswärmeübertrager basierend auf direkt aufkristallisierten Faserpaketen zur Validierung herangezogen.Durch die anschließende numerische Simulation der Adsorptionsmodule im System „Gaswärmepumpe“ wird der Einfluss verschiedener Temperaturrandbedingungen und Leistungsanforderungen des Systems auf Effizienz und Leistungsdichte untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich mit einer geeigneten Verschaltung und mit Hilfe eines dazu passenden, geometrisch optimierten Adsorptionswärmeübertragers eine saisonale Effizienz von 1.95 erreichen lässt. Die maximale Leistungsdichte liegt bei über 600 W/dm³ bezogen auf den Adsorptionswärmeübertrager, sodass durch den Einsatz eines solchen Adsorptionsmoduls die Entwicklung einer platzsparenden, effizienten Gaswärmepumpe für die Anwendung in Privathaushalten technisch möglich ist.

 

The consumption of fossil fuels for domestic heating and domestic hot water supply leads to CO2 emissions. This contributes to climate change. Countless people worldwide are directly or indirectly affected by the already noticeable effects, such as the resultant weather extremes. This work is a technical contribution to the minimized use of fossil fuels for the space heating of buildings. Thermally driven adsorption heat pump technology is investigated in this work. This technology can be a useful supplement to the widely used gas condensing boiler. Like other heat pump technologies (e. g. compression, absorption), the adsorption heat pump utilizes virtually freely available environmental heat (from, for instance, the surrounding air or shallow geothermal energy sources) in order to reduce the primary energy demand for heating. A main challenge of the current state of this technology is low efficiency and low power density. The low power density is especially hindering as it leads to large space requirements even for systems with a low nominal power (< 10 kW).The physical phenomenon of adsorption is the basis of the thermally driven adsorption heat pump. During the adsorption process, heat is transferred when molecules of the working fluid (water) attach to a solid surface. This process is reversible - by heating the solid surface the molecules detach (desorption). After desorption, the working fluid is transported to a condenser and releases condensation heat. By the appropriate interconnection of components (adsorption heat exchanger, evaporator, and condenser) to an adsorption module, the heat of adsorption and the condensation heat can be used for the heat supply of buildings. The environmental heat source is connected with the evaporator and supplies the evaporation heat. The heat required for desorption is supplied by a suitable energy source (for example natural gas).The research in this work focuses on the systematic investigation of different variants of adsorption modules. An increase in efficiency is possible if the adsorption module uses heat recovery strategies. In a first step the maximum efficiency is calculated with a stationary heat balance model. The efficiency is calculated for the three adsorbents SAPO-34, zeolite NaY, and zeolite 13X with water as working fluid. The power density depends on the dynamics of heat and mass transfer in the adsorption module. The adsorption heat exchanger is a core component of the technology. As such, its geometry is optimized in this work using a numerical simulation model. The objective of the optimization is to maximize the power density for a given efficiency. The basic design of the adsorption heat exchanger consists of flat tubes with fibrous structures in between the flat tubes. The degrees of freedom are the thickness of the adsorbent layer on the fibers, the thickness of the fibrous structure, the porosity of the fibrous structure, the geometry of the flat tubes on the heat transfer fluid side, the length of the heat exchanger and the number of the hydraulic passes of the heat exchanger. The geometric optimization takes the hydraulic interconnection of the adjacent components into account. Thus, there are different geometrically optimized variants of the adsorption heat exchanger for different interconnections. The results of the numerical simulation are backed by the extensive validation of the numerical models with experimental data. Eight different samples consisting of a metal sheet and a fibrous structure directly crystallized with SAPO-34 are experimentally evaluated. Furthermore, the numerical model is validated with the experimental data of a sorption module. This sorption module is based on the fibrous structures coated with SAPO-34.4The subsequent numerical simulation of the adsorption modules in the "gas heat pump" system investigates the influence of different temperature boundary conditions and system power requirements on efficiency and power density. It can be shown that with a suitable interconnection and a geometrically optimized adsorption heat exchanger a seasonal efficiency of 1.95 can be achieved. The maximum power density is over 600 W / dm³ relative to the volume of the adsorption heat exchanger. This makes the development of a space-saving, efficient gas heat pump for use in private households technically possible.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-603097.html