Groß­wärmepumpe Prozessintegration

Wie kann eine Großwärmepumpe sinnvoll integriert werden?

Großwärmepumpen versprechen die effiziente Nutzung von Abwärme in Industrie und Gewerbe. Aber kann dieses Versprechen auch eingehalten werden? In vielen Fälle ja! Aber nicht immer ist der Einsatz einer Wärmepumpe auch sinnvoll.

Eine notwendige Voraussetzung ist das Vorhandensein einer Wärmequelle und eines Wärmebedarfs auf den richtigen Temperaturniveaus. Genau so wichtig ist aber auch sicherzustellen, dass der Wärmebedarf nicht aus anderen, günstigeren Quellen gedeckt werden kann. Häufig kann ein Großteil der benötigen Wärmemengen bereits durch ein gut durchdachtes Netzwerk an Wärmeübertragern bereitgestellt werden – also durch interne Nutzung vorhandener Abwärmequellen. So eine direkte Wärmerückgewinnung ist immer günstiger als eine Wärmepumpe und sollte daher voll ausgeschöpft werden, bevor eine Großwärmepumpe in einen Industriebetrieb geplant wird.

Analyse der Prozess-Ströme

Zu Beginn der Planung einer Großwärmepumpe steht somit die Aufnahme und Analyse der vorhandenen Prozess-Ströme im Produktionsbetrieb. Mittels einer Pinch-Analyse lässt sich die bestmögliche Integration (Wärmerückgewinnung) der Prozess-Ströme bestimmen. Das kann sogar soweit gehen, dass bei dieser systematischen Analyse herauskommt, dass eine Wärmepumpe gar nicht sinnvoll ist. Zum Beispiel könnte der benötigte Temperaturhub viel zu hoch sein.

Im vorliegenden Fall ergab sich eine sehr günstige Situation für die Integration eine Wärmepumpe. Zum einen gab es viel Abwärme einer Kälteanlage bei ca. 55°C und zum anderen einen großen Wärmebedarf für die Brauchwassererwärmung auf 80°C. Die weiteren Prozess-Ströme z.B. für die Gebäudeheizung, Produktionsprozesse und Kühlräume können mittels Wärmeübertragern integriert werden, sodass nur noch ein geringer externer Heizbedarf verbleibt.

Eine gänzlich andere Situation hätte sich zum Beispiel bei einem größeren Wärmebedarf bei 40°C (z.B. Gebäudeheizung) ergeben. Dann hätte man die Abwärme der Kälteanlagen ohne Einsatz einer Wärmepumpe nutzen können.

Arbeitsmittel und Dimensionierung

Für eine bestmögliche Effizienz und Auslastung ist die richtige Auswahl des Arbeitsmittels und Dimensionierung der Großwärmepumpe entscheidend. Mit Hilfe unseres Log-ph-Diagramms lässt sich schnell ein erster Vergleich von Arbeitsmitteln durchführen.

Für Ammoniak ergibt sich ein theoretischer COP von 4,83 bei jeweils 10K Temperaturdifferenz zur Wärmeübertragung am Kondensator und Verdampfer. Außerdem erkennt man, dass die Austrittstemperatur des Arbeitsmittels nach dem Verdichter mit ca. 150°C hoch genug ist, um auch höhere Nutz-Temperaturen zu erzielen, wenn die Wärmepumpe richtig dimensioniert ist.

Für die Dimensionierung spielen außerdem verschiedene Betriebssituationen eine wichtige Rolle. Je nach Relevanz und Häufigkeit der Betriebssituationen (z.B. auf Grund von Schichtbetrieb, Wochenenden, saisonalen Einflüssen) und vorhandenen Backup-Systemen (z.B. Heizkessel) muss eine wirtschaftlich und technisch sinnvolle Entscheidung getroffen werden.

Betriebsstrategie der Großwärmepumpe

Bei komplexen Systemen kann es durchaus sinnvoll sein, die Regelung und Betriebsstrategie der Wärmepumpe in einem dynamischen Systemmodell zu untersuchen. Idealerweise sind hierzu zeitaufgelöste Lastgänge vorhanden. Dann können auch Regelalgorithmen getestet werden und alle Vor- und Nachteile der Integration einer Wärmepumpe in das bestehende System untersucht werden.

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