Heat pumps and latent thermal energy storages at residential heating temperature levels : A thermodynamic investigation combining theory and experiment for separate and combined systems

Due to the constantly increasing proportion of renewable energies in the electricity mix, switching to all-electric heating methods, such as heat pumps, represents an opportunity to reduce CO2‑emissions in the building sector. For existing buildings, the proportion of heat pumps is still in the range of a few per cent due to reservations regarding their use at low outside temperatures or without floor heating and extensive structural investments.

Therefore, this work aims to contribute overcoming such concerns. Experimental investigations are performed to achieve a deeper understanding of the relationships between both internal and external influences on the heat pump at these temperature levels and thus contribute to the current state of research. These experiments were carried out on a compression heat pump with heat sink temperatures of up to 75 °C, thus in the range of heating systems in existing buildings. Internal influences were considered through the variation of an isobutane/propane mixture as a working fluid and external influences through the change in heat demand as well as the variation of the temperature of the heat source.

In combination with heat pumps, latent thermal stores can be used whose limited heat transfer is compensated for by various methods, such as fins or increasing driving temperature gradients. Another aim of this work is to evaluate whether the increasing heat flux is proportional to the parameter changes of the methods. For this purpose, the charging and discharging of a storage with paraffin as the storage material is investigated both simulatively and experimentally and a new parameter for the intended evaluation is introduced with the dimensionless heat flux. Finally, based on the measurement data, fundamental considerations are presented when the use of a thermal store is more advantageous from an energy point of view than a necessary adjustment of the heat pump process to the heat demand. 

The analyses show that the influence of zeotropic working fluid mixtures is lower in practice than in theory, even at higher temperature levels. Approximately 5 % higher COPs were observed compared to the pure fluid, whereby the increases were decreasing with raising temperature levels. The compressor was the most important component of the process with the highest exergy destruction, and its operating behaviour superimposes other influences on the process. For this reason, an effect of the secondary fluid parameters on the COP was only observed when the operating parameters of the compressor were changed.

In the investigation of the latent thermal store, the increasing effect on the heat flux decreased with increasing parameters of the improvement methods for heat transfer. Discharging the storage at a high temperature level was an exception; here, higher driving temperature gradients were favourable. For the combination of heat pump and thermal storage, it was found that even in the non-optimized laboratory systems the heat flow rate transferred to the storage was higher than the reduced electrical power of the compressor for adaptation to the lower heat demand.

Overall, this shows that the use of heat pumps at the temperature level of a heating system in existing buildings is possible and that the efficiency of such a system can be increased by understanding the influences on the process or through optimisations such as coupling with thermal storages.

Durch den immer weiter ansteigenden Anteil an erneuerbaren Energien am Strommix, stellt ein Wechsel auf vollelektrische Heizmethoden, wie die Wärmepumpe, eine Möglichkeit dar die CO2‑Emissionen im Gebäudesektor zu reduzieren. Für Bestandsbauten liegt der Anteil der Wärmepumpen jedoch, durch Vorbehalte bezüglich des Einsatzes bei geringen Außentemperaturen oder ohne Fußbodenheizung und weitreichende bauliche Investitionen, noch im Bereich weniger Prozent.

Diese Arbeit verfolgt deshalb das Ziel dazu beizutragen, solche bestehenden Bedenken auszuräumen. Mit experimentellen Untersuchungen soll ein tieferes Verständnis über die Zusammenhänge von sowohl internen als auch externen Einflüssen auf die Wärmepumpe bei diesen Temperaturniveaus erreicht und so ein Beitrag zum aktuellen Forschungsstand geleistet werden. Diese Experimente wurden an einer Kompressions-Wärmepumpe mit Temperaturen der Wärmesenke von bis zu 75 °C im Bereich von Gebäudeheizungen in Bestandbauten durchgeführt. Interne Einflüsse wurden durch die Variation eines Isobutan/Propan Gemisches als Kältemittel und externe Einflüsse durch die Änderung des Wärmebedarfs als auch die Variation der Temperatur der Wärmequelle betrachtet.

In Kombination mit Wärmepumpen können latente thermische Speicher verwendet werden, deren eingeschränkte Wärmeübertragung durch verschiedene Methoden, wie Rippen oder höhere treibende Temperaturgradienten, ausgeglichen werden. Die Einordnung, ob der so zunehmende Wärmestrom proportional zu den Parameterveränderungen der Methoden steht, ist ein weiteres Ziel dieser Arbeit. Dazu wird, simulativ als auch experimentell, die Be- und Entladung eines Speichers mit Paraffin als Speichermaterial untersucht und mit der dimensionslosen Wärmestromdichte eine neue Kenngröße für die angestrebte Einordnung eingeführt. Zuletzt werden anhand der Messdaten grundlegende Überlegungen präsentiert, wann der Einsatz eines thermischen Speichers energetisch vorteilhafter als eine notwendige Anpassung der Heizleistung der Wärmepumpe an den Wärmebedarf ist.  

Durch die Analysen zeigt sich, dass der Einfluss von zeotropen Kältemittelgemischen auch für höhere Temperaturniveaus in der Praxis geringer als in der Theorie ist. Ungefähr 5 % höhere Leistungszahlen konnten im Vergleich zum reinen Kältemittel beobachtet werden, wobei mit zunehmendem Temperaturniveau die Steigerungen geringer ausfielen. Der Verdichter stellte die wichtigste Komponente des Prozesses mit den höchsten Exergieverlusten dar, dessen Betriebsverhalten andere Einflüsse auf den Prozess überlagert. Aus diesem Grund wurde nur bei einer Änderung der Betriebsparameter des Verdichters ein Einfluss der Sekundärfluidparameter auf die Leistungszahl beobachtet.

Bei der Untersuchung des latenten thermischen Speichers nahm der steigernde Effekt auf die Wärmestromdichte mit zunehmenden Parametern der Verbesserungsmethoden für die Wärmeübertragung ab. Die Entladung des Speichers bei einem hohen Temperaturniveau stellte eine Ausnahme dar, hier waren höhere treibende Temperaturgradienten vorteilhaft. Für die Kombination von Wärmepumpe und thermischen Speicher ergab sich, dass der auf den Speicher übertragene Wärmestrom schon bei den nicht optimierten Laboranlagen höher als die reduzierte elektrische Leistung des Verdichters für die Anpassung an den geringeren Wärmebedarf ist.

Insgesamt zeigt sich so, dass der Einsatz von Wärmepumpen auf dem Temperaturniveau eines Heizungssystems in Bestandsgebäuden möglich ist und, mit Hilfe des Verständnisses der Einflüsse auf den Prozess oder Optimierungen wie die Kopplung mit thermischen Speichern, die Effizienz eines solchen Systems gesteigert werden kann.

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