Wie kommen Luftwärmepumpen mit Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen zurecht?

Luftwärmepumpen erfreuen sich aufgrund ihrer Effizienz und Umweltvorteile großer Beliebtheit auf dem Markt. Die Leistung kann jedoch aufgrund mehrerer Faktoren erheblich variieren. In kälteren Klimazonen nimmt die Effizienz dieser Pumpen ab und die Bildung von Frost während des Heizens kann sowohl die Effizienz als auch die Zuverlässigkeit erheblich beeinträchtigen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurden Fortschritte in Technologie und Design erzielt, die die Funktionalität und Anwendung von Luftwärmepumpen in verschiedenen Umgebungen verbessern.

Fortschritte in der mehrstufigen Kompressionstechnologie

Die Kompressionstechnologie mit variabler Frequenz ist eine der effektivsten Methoden zur Verbesserung der Heizleistung von Luftwärmepumpen. Bei niedrigen Temperaturen kann eine Erhöhung der Kompressorgeschwindigkeit das Abgasvolumen deutlich erhöhen und dadurch die Heizleistung der Luftwärmepumpe verbessern. Die Technologie mit variabler Frequenz verbessert jedoch nicht die Energieeffizienz des Systems. Um gleichzeitig die Heizleistung und die Energieeffizienz bei niedrigen Temperaturen zu verbessern, wurde die mehrstufige Kompressionstechnologie entwickelt.

Abhängig von der Anzahl der Kompressionsstufen und der Zyklusstruktur können mehrstufige Kompressionsluftwärmepumpen in Kaskadenzyklen und zwei-/mehrstufige Kompression usw. unterteilt werden. Um die Heizleistung einstufiger Kompressionssysteme bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu verbessern, Kältemittel kann während des Kompressionsprozesses direkt in die Kompressionskammer eingespritzt werden, was als quasi-zweistufige Kompression bekannt ist. Da quasi zweistufige Komprimierungszyklen Merkmale einer zweistufigen Komprimierung aufweisen, werden sie in diesem Artikel zur Diskussion in den Bereich der zweistufigen Komprimierungszyklen einbezogen.

Kaskaden-Luftwärmepumpen

Aufgrund der niedrigen Umgebungstemperatur ist das Systemdruckverhältnis hoch, die Kompressionsarbeit groß und der Drosselverlust erheblich, was letztlich zu einer geringen Energieeffizienz der Wärmepumpe führt. Um Verluste zu reduzieren und die Effizienz zu verbessern, verwenden Kaskaden-Luftwärmepumpensysteme zwei Dampfkompressionszyklen in Reihe, um einen einzelnen Zyklus zu ersetzen und das Kompressionsverhältnis des einstufigen Zyklus zu reduzieren.

Wie in der Abbildung dargestellt, besteht das Kaskadensystem aus zwei unabhängigen Dampfkompressionszyklen, einer ist ein Niedertemperatur-Stufenzyklus und der andere ist ein Hochtemperatur-Stufenzyklus. Diese beiden Kreisläufe sind über einen gemeinsamen Zwischenwärmetauscher verbunden, der gleichzeitig als Kondensator für den Niedertemperaturkreislauf und als Verdampfer für den Hochtemperaturkreislauf dient. Im Winter nimmt der Niedertemperaturkreislauf über den Verdampfer Wärme aus der Umgebungsluft auf und erhöht die Wärme auf eine höhere Temperatur, um als Wärmequelle für den Hochtemperaturkreislauf zu dienen. Im Hochtemperaturkreislauf wird die Wärme weiter auf die für die Raumheizung erforderliche Temperatur erhöht.

Durch den Einsatz einer Kaskaden-Luftwärmepumpe wird das Kompressionsverhältnis des Kreislaufs erheblich reduziert, wodurch der Gesamtkompressionsverlust und der Drosselverlust reduziert werden und dadurch die Energieeffizienz der Luftwärmepumpe verbessert wird. Darüber hinaus können die Hoch- und Niedertemperaturstufen des Kaskadenzyklus abhängig von den unterschiedlichen Arbeitsbedingungen unterschiedliche Kältemittel verwenden. Da das Kaskadensystem mit zwei einfachen einstufigen Systemen realisiert werden kann, wird es seit vielen Jahren in der Heizungs- und Warmwasserversorgung eingesetzt. Allerdings führt der Temperaturunterschied beim Wärmeaustausch des Zwischenwärmetauschers im Kaskadenkreislauf zwangsläufig zu gewissen Effizienzverlusten; Darüber hinaus erfordert der Kaskadenkreislauf zwei Kompressoren und einen zusätzlichen Wärmetauscher, was ihn im Vergleich zu einstufigen Kreisläufen teurer macht.

Vorteile von zweistufigen Kompressionsluftwärmepumpen

Eine zweistufige Druckluft-Wärmepumpe verbindet zwei Kältekreisläufe miteinander und kann als vereinfachte Form des Kaskadensystems angesehen werden. Wie in der Abbildung dargestellt, können zweistufige Kompressionsluft-Wärmepumpen basierend auf den verschiedenen verwendeten Economizern in zwei Typen unterteilt werden: Flash-Tank-Systeme (FT) und Zwischenwärmetauscher-Systeme (IHX).

Beim Flash-Tank-System wird das flüssige Kältemittel, das den Innenkondensator verlässt, in zwei Phasen gedrosselt und gelangt dann in den Flash-Tank, wo das zweiphasige Kältemittel in gesättigten Dampf und gesättigte Flüssigkeit getrennt wird; Der gesättigte Kältemitteldampf wird mit dem Kältemittelabgas des Niederdruckkompressors gemischt und dann vom Hochdruckkompressor erneut komprimiert. Die gesättigte Flüssigkeit wird durch das zweite Expansionsventil gedrosselt und gelangt in den Außenverdampfer, um dort zu Gas zu verdampfen gelangt in den Kompressor der Niederdruckstufe und vermischt sich anschließend mit dem Mitteldruckgas aus dem Flash-Tank.

Beim Zwischenwärmetauschersystem wird das flüssige Kältemittel vom Kondensatorauslass direkt in zwei Pfade aufgeteilt: Hauptstrom und Zweigstrom. Das Kältemittel des Zweigstroms wird auf Zwischendruck gedrosselt und gelangt in den Zwischenwärmetauscher, wo das Kältemittel mit niedriger Temperatur das Kältemittel des Hauptstroms auf einen unterkühlten Zustand abkühlt, das Kältemittel des Zweigstroms Wärme aufnimmt und in einen gesättigten Dampf- oder überhitzten Zustand übergeht und sich mit dem Abgas vermischt Vom Kompressor der Niederdruckstufe gelangt es zur weiteren Verdichtung in den Kompressor der Hochdruckstufe. Das unterkühlte Kältemittel vom Hauptstromauslass des Zwischenwärmetauschers wird gedrosselt durch den Verdampfer und kehrt schließlich zum Kompressor der Niederdruckstufe zurück, wird auf Zwischendruck komprimiert und vermischt sich mit dem Zweigstromkältemittel.

Quasi-zweistufige Komprimierung für Vielseitigkeit

Wie in der Abbildung dargestellt, sind quasi-zweistufige Kompressionsluftwärmepumpen (auch als Nachspeisesysteme bekannt) den zweistufigen Kompressionssystemen sehr ähnlich. Der Unterschied besteht darin, dass bei der quasi-zweistufigen Verdichtung das Kältemittel aus dem Flash-Tank oder Zwischenwärmetauscher in die Verdichtungskammer des Verdichters eingespritzt wird und nicht zwischen zwei Reihenverdichtern.

Daher können quasi-zweistufige Wärmepumpen als vereinfachte Form zweistufiger Wärmepumpen angesehen werden, bei denen speziell entwickelte Zusatzkompressoren anstelle von zwei Kompressoren verwendet werden, wodurch das Problem des Ölausgleichs zwischen zwei Kompressoren vermieden und die Systemkosten gesenkt werden. Noch wichtiger ist, dass quasi-zweistufige Systeme durch Schließen des Ventils am Nachspeisezweig flexibel in den einstufigen Zyklusmodus wechseln können, wodurch die Leistung von quasi-zweistufigen Wärmepumpen im Winter und Sommer optimiert wird. Aus diesem Grund wurde in den letzten Jahren die quasi-zweistufige Kompressionstechnologie in Niedertemperatur-Wärmepumpen weit verbreitet eingesetzt.

Kältemittelaustausch

Der Übergang zu umweltfreundlichen und effizienten Kältemitteln ist von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung von Luftwärmepumpen. Herkömmliche Kältemittel wie R22 und R410A werden unter anderem durch Alternativen wie R290, R32, R744 und R161 ersetzt. Jedes dieser Kältemittel hat seine Vorteile und Überlegungen, insbesondere hinsichtlich seiner Umweltauswirkungen, Effizienz und Sicherheitsstandards. Mit fortschreitender Technologie wird die Einführung dieser Alternativen in Verbindung mit fortschrittlichen Systemdesigns die Leistung und Anwendbarkeit von Luftwärmepumpen weiter verbessern.

Durch kontinuierliche Innovation und Forschung werden Luftwärmepumpen immer robuster, effizienter und für ein breiteres Spektrum an Klimazonen und Anwendungen geeignet. Die Integration fortschrittlicher Kompressionstechnologien und die Umstellung auf umweltfreundliche Kältemittel stehen im Mittelpunkt dieser Entwicklung und ebnen den Weg für nachhaltige und effiziente Heizlösungen.

Abschluss

Luftwärmepumpen stehen an der Spitze der Heiz- und Kühltechnologie und bieten eine nachhaltige und effiziente Alternative zu herkömmlichen Systemen. Durch den Einsatz mehrstufiger Kompressionstechnologien und umweltfreundlicher Kältemittel werden diese Systeme kontinuierlich weiterentwickelt, um eine bessere Leistung, Anpassungsfähigkeit und geringere Umweltbelastung zu bieten. Durch kontinuierliche Forschung und Innovation werden Luftwärmepumpen zu einer noch attraktiveren Option für eine Vielzahl von Wohn- und Gewerbeanwendungen und treiben die Zukunft des nachhaltigen Heizens und Kühlens voran.