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See detailModellierung eines PVT-basierten Wärmepumpensystems auf der Basis von CO2 Direktverdampfung
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

in Proceedings of Deutsche Kälte- und Klimatagung DKV 2018 (2018)

Die Systemkombination aus Wärmepumpe und solarthermischen Absorber, basierend auf freier Konvektion und Strahlung, und Photovoltaik (PV) in einem Modul (PVT-Modul) kann aufgrund der Reduzierung des ... [more ▼]

Die Systemkombination aus Wärmepumpe und solarthermischen Absorber, basierend auf freier Konvektion und Strahlung, und Photovoltaik (PV) in einem Modul (PVT-Modul) kann aufgrund der Reduzierung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden und des verstärkten Betriebs von Wärmepumpen während der Niedrigstrompreiszeiten am Tage und dem damit verbundenen höheren Strahlungsanteil der Umweltwärme zukünftig eine Alternative zu zwangskonvektions-basierten Luft-Wärmepumpen sein. Der Beitrag beschäftigt sich mit einem CO2-Wärmepumpensystem, bestehend aus einem neuartigen Solar-Hybridmodul, welches einen mikrokanal-basierten Verdampfer einer CO2-Wärmepumpe mit einem PV-Modul vereint (PVT-direkt). Um die Machbarkeit des neuartigen PVT-direkt-Wärmepumpensystems zu demonstrieren, wird im Rahmen eines Forschungsprojekts ein funktionsfähiges PVT-direkt-Modul konstruiert und schließlich als Teil eines CO2-Wärmepumpensystems getestet und modelliert. Die Besonderheit der Kombination eines thermischen Absorbers mit einer Wärmepumpe liegt in der Erschließung der Solarenergie und Umgebungsenergie als Energiequelle. Hierbei ist die Kenntnis über die thermische Leistung des PVT-Moduls unter anderem durch den konvektiven Wärmeübergang zwischen dem PVT-Modul und der Umgebung relevant. Sowohl der Modulneigungswinkel (Anströmwinkel) und die Windrichtung (Azimutwinkel) haben einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf den resultierenden Wärmeübergangskoeffi-zienten der erzwungenen Konvektion. Da im Rahmen einer Literaturrecherche keine für das PVT-Modul direkt zu übertragenden experimentelle Untersuchungen und Berechnungsgrundlagen zur Bestimmung des konvektiven Wärmeübergangs gefunden werden konnten, wurde mit Hilfe der Software ANSYS Fluent eine CFD-Simulation zum konvektiven Wärmeübergang am PVT-Modul durchgeführt, deren Ergebnisse in dieser Arbeit präsentiert werden. [less ▲]

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Peer Reviewed
See detailDevelopment of a Control Strategy for a PVT-based CO2 Heat Pump
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

in Proceedings of 7th International Energy and Sustainability Conference (IESC) (2018)

In recent years, the possibility of combining photovoltaics (PV) and solar thermal collectors into one solar hybrid module (PVT-module) has been increasingly investigated. PVT-modules produce thermal and ... [more ▼]

In recent years, the possibility of combining photovoltaics (PV) and solar thermal collectors into one solar hybrid module (PVT-module) has been increasingly investigated. PVT-modules produce thermal and electrical energy at the same time. Since the efficiency of a photovoltaic module decreases with increasing temperature, the temperature of the heat transfer media is often limited to about 30 °C and the PVT-module is combined with a heat pump, which increases the temperature on the “warm side”. A common approach is to integrate the PVT-module directly as an evaporator in a heat pump system (PVT-direct). This paper presents the development of a control strategy for a PVT-based CO2 heat pump that takes into account solar radiation, ambient temperature, wind speed, evaporator temperature and compressor power. The developed control strategy provides different operating modes depending on the solar radiation supply as well as the ambient temperature. [less ▲]

Detailed reference viewed: 52 (2 UL)
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See detailEntwicklung eines PV/Thermie-basierten Wärmepumpensystems auf der Basis von CO2 Direktverdampfung
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

Poster (2018)

Detailed reference viewed: 24 (0 UL)
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See detailEntwicklung einer Regelungsstrategie für eine PVT-basierte CO2-Wärmepumpe
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

in KI - Kälte Luft Klimatechnik (2018), 01-02

Die Kombination aus thermischen Absorber und Photovoltaik (PV) in einem Hybrid-Modul (PVT-Modul) vereint PV mit der (solarthermischen) Verdampfung des Kältemittels CO2 als Teilprozess einer Wärmepumpe und ... [more ▼]

Die Kombination aus thermischen Absorber und Photovoltaik (PV) in einem Hybrid-Modul (PVT-Modul) vereint PV mit der (solarthermischen) Verdampfung des Kältemittels CO2 als Teilprozess einer Wärmepumpe und kann zukünftig eine Alternative zu Luft-Wärmepumpen sein. Im Rahmen dieses Beitrags wird auf die Entwicklung einer Regelungsstrategie der PVT-basierten Wärmepumpe eingegangen, welche verschiedene Betriebsmodi in Abhängigkeit von dem Solarstrahlungsangebot sowie der Umgebungstemperatur vorsieht. [less ▲]

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Peer Reviewed
See detailEntwicklung einer Regelungsstrategie eines PVT-basierten Wärmepumpensystems auf der Basis von CO2 Direktverdampfung
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

in Proceedings of Deutsche Kälte- und Klimatagung (DKV) (2017)

Bereits Ende der 1970iger Jahre wurden Wärmepumpen in Kombination mit glykolbasierten großflächigen kombinierten Strahlungs-Umweltwärme-Absorber als Verdampfer entwickelt, welche sich im Vergleich zu ... [more ▼]

Bereits Ende der 1970iger Jahre wurden Wärmepumpen in Kombination mit glykolbasierten großflächigen kombinierten Strahlungs-Umweltwärme-Absorber als Verdampfer entwickelt, welche sich im Vergleich zu zwangskonvektions-basierten Luft-Wärmepumpen nicht nur die Umgebungsenergie, sondern auch die Solar-energie als Energiequelle zu Nutze machen. Aufgrund der nach der Ölkrise fallenden Ölpreise, der meist noch nicht wirtschaftlichen Anlagentechnik und der benötigten großen Absorberflächen konnten sich diese Anlagen nicht durchsetzen. Durch die starke Reduzierung des Heizwärmebedarfs eines Neubaus werden heutzutage deutlich kleinere Absorberflächen in Kombination mit einer Wärmepumpe benötigt, was die Systemkombination aus Wärmepumpe und Absorber aktuell wieder interessant werden lässt. Vor allem die Kombination aus thermi-schem Absorber, basierend auf freier Konvektion und Strahlung, und Photovoltaik (PV) in einem Modul (PVT-Modul) kann aufgrund der Reduzierung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden und des verstärkten Betriebs von Wärmepumpen während der solarstrombedingten Niedrigstrompreiszeiten am Tage und dem damit verbunde-nen höheren Strahlungsanteil der Umweltwärme zukünftig eine Alternative zu zwangskonvektions-basierten Luft-Wärmepumpen sein. Der Beitrag beschäftigt sich mit einem CO2-Wärmepumpensystem, bestehend aus einem neuartigen PVT-Modul, welches einen mikrokanal-basierten Verdampfer einer CO2-Wärmepumpe mit einem PV-Modul vereint (PVT-direkt). Um die Machbarkeit des neuartigen PVT-direkt-Wärmepumpensystems zu demonstrieren, wird im Rah-men eines Forschungsprojekts ein funktionsfähiges PVT-direkt-Modul konstruiert und schließlich als Teil eines CO2-Wärmepumpensystems getestet und modelliert. Die Leistung eines PVT-basierten Wärmepumpensystems ist stark von klimatischen Randbedingungen abhängig. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Regelungsstrategie eines PVT-basierten Wärmepumpensys-tems präsentiert, welche die Solarstrahlung, Umgebungstemperatur, Windgeschwindigkeit, Verdampfungstem-peratur und Verdichterleistung berücksichtigt. Zusätzlich werden die reale Antriebsleistung und der optimale Betriebspunkt des Verdichters einschließlich des optimalen Hochdruckes berücksichtigt. Die entwickelte Rege-lungsstrategie der PVT-basierten Wärmepumpe sieht verschiedene Betriebsmodi in Abhängigkeit von dem So-larstrahlungsangebot sowie der Umgebungstemperatur vor. Der Betrieb der Wärmepumpe erfolgt zwischen Deckung des Heizbedarfs in der Heizperiode und möglichst hoher Effizienz in Zeiten hoher Einstrahlungswerte und hoher Umgebungstemperaturen. [less ▲]

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Peer Reviewed
See detailThermal Model of a Solar Hybrid Module as the Heat Source for a CO2 Heat Pump
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

in Proceedings of 2017 International Energy and Sustainability Conference (IESC 2016) (2017)

In recent years, the possibility of combining photovoltaics (PV) and solar thermal collectors into one solar hybrid module (PVT-module) has been increasingly investigated. PVT-modules produce thermal and ... [more ▼]

In recent years, the possibility of combining photovoltaics (PV) and solar thermal collectors into one solar hybrid module (PVT-module) has been increasingly investigated. PVT-modules produce thermal and electrical energy at the same time. Since the efficiency of a photovoltaic module decreases with increasing temperature, the temperature of the heat transfer media is often limited to about 30 °C and the PVT-module is combined with a heat pump, which increases the temperature on the “warm side”. A common approach is to integrate the PVT-module directly as an evaporator in a heat pump system (PVT-direct). This paper presents a thermal model of a PVT-direct module as the heat source for a R744/CO2 heat pump. Due to the combined effect of flow channel patterns, solar radia-tion, the ambient conditions and possible condensation and frost formation, heat transfer and thermal distribution conditions of the PVT-direct evaporator are inevitably com-plicated to determine. The proposed thermal model of this hybrid solar module that has CO2 direct evaporation in microchannels will be used to simulate the behavior of the module under different climatic operating conditions. Fur-thermore, it will quantify all energy inputs and/or losses as well as their influence on the total energy supplied by the PVT-module. This will be used to investigate the overall CO2-PVT heat pump system performance in prospective simulations. [less ▲]

Detailed reference viewed: 67 (9 UL)
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See detailEntwicklung eines PVT-basierten CO2- Wärmepumpensystems
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

in KI - Kälte Luft Klimatechnik (2017), 8-9

Die Kombination aus thermischen Absorber und Photovoltaik (PV) in einem Hybrid-Modul (PVT-Modul) vereint PV mit der (solarthermischen) Verdampfung des Kältemittels CO2 als Teilprozess einer Wärmepumpe und ... [more ▼]

Die Kombination aus thermischen Absorber und Photovoltaik (PV) in einem Hybrid-Modul (PVT-Modul) vereint PV mit der (solarthermischen) Verdampfung des Kältemittels CO2 als Teilprozess einer Wärmepumpe und kann zukünftig eine Alternative zu Luft-Wärmepumpen sein. Im Rahmen dieses Beitrags wird auf die Motivation und die Konstruktion eines funktionsfähigen PVT-Moduls eingegangen. [less ▲]

Detailed reference viewed: 56 (5 UL)
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Peer Reviewed
See detailExperimental studies on the development of a solar hybrid module with an aluminum microchannel evaporator
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Dick, Christian et al

in Proceedings of 2016 International Energy and Sustainability Conference (IESC 2016) (2016)

In recent years, the possibility to combine photovoltaics (PV) and solar thermal collectors into one hybrid module (PVT-module) has been increasingly investigated. PVT-modules produce thermal and ... [more ▼]

In recent years, the possibility to combine photovoltaics (PV) and solar thermal collectors into one hybrid module (PVT-module) has been increasingly investigated. PVT-modules produce thermal and electrical energy at the same time. As the efficiency of a photovoltaic module decreases with temperature, the temperature of the heat transfer media is often limited to about 30 °C and the PVT-module is combined with a heat pump, which increases the temperature on the “warm side”. This paper deals with a PVT-module, which combines a microchannel based evaporator of a CO2 (R744) heat pump with a PV panel (PVT-direct). The PVT-direct overall system is reduced to the refrigerant circuit due to the direct refrigerant expansion in the PVT-module. A conventional PVT heat pump system has an additional glycol-water circuit. Since a pump and an additional heat exchanger for the secondary cycle were omitted, the system has increased efficiency. Due to lower module temperatures, the increase of the photovoltaic efficiency is a further advantage of the PVT-direct-module. To prove the feasibility of the PVT-direct heat pump system, the Cologne Institute for Renewable Energy (CIRE) is developing and modeling a test facility for this purpose within the research project “PVT-direkt”. Furthermore, a functional PVT-direct-module with a microchannel based evaporator was designed and built. Much importance has been given to experimental studies under laboratory conditions in order to investigate (1) the adjustment of the functionality and layout of the PVT-direct-module for characterizing the joining of brazed joints in aluminum microchannel evaporators and (2) the influence of the backside aluminum plate of the PVT-direct-module regarding leakage currents and parasitic capacitances. The overall results obtained in these experimental studies are analyzed in this paper. [less ▲]

Detailed reference viewed: 86 (11 UL)
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See detailEntwicklung eines PVT-basierten Wärmepumpensystems auf der Basis von CO2 Direktverdampfung
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Hadji-Minaglou, Jean-Régis UL et al

in Proceedings of Deutsche Kälte- und Klimatagung (DKV) (2016)

Bereits Ende der 1970’iger Jahren wurden Wärmepumpen in Kombination mit glykolbasierten großflächigen Absorbern entwickelt, welche sich die Umgebungsenergie und Solarenergie als Energiequelle zu Nutze ... [more ▼]

Bereits Ende der 1970’iger Jahren wurden Wärmepumpen in Kombination mit glykolbasierten großflächigen Absorbern entwickelt, welche sich die Umgebungsenergie und Solarenergie als Energiequelle zu Nutze machen. Aufgrund der nach der Ölkrise fallenden Ölpreise, der meist noch nicht wirtschaftlichen Anlagentechnik und den benötigten großen Absorberflächen, konnten sich diese Anlagen nicht durchsetzen. Durch die starke Reduzierung des Heizwärmebedarfs eines heutigen Neubaus werden heutzutage deutlich kleinere Absorberflächen in Kombination mit einer Wärmepumpe benötigt, was die Systemkombination aus Wärmepumpe und Absorber aktuell wieder interessant werden lässt. Vor allem die Kombination aus thermischen Absorber, basierend auf freier Konvektion und Strahlung, und Photovoltaik (PV) in einem Modul (PVT-Modul) kann aufgrund der Reduzierung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden und des verstärkten Betriebs von Wärmepumpen während der Niedrigstrompreiszeiten am Tage und dem damit verbundenen höheren Strahlungsanteil der Umweltwärme zukünftig eine Alternative zu zwangskonvektions-basierten Luft-Wärmepumpen sein. Im Rahmen dieser Arbeit wird auf die Konstruktion eines funktionsfähigen PVT-direkt Moduls eingegangen, welches einen mikrokanalbasierten Verdampfer einer transkritischen CO2-Wärmepumpe mit einem PV-Modul kombiniert. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein thermisches Modell des PVT-direkt Moduls hergeleitet, welches in zukünftigen Untersuchungen Anwendung findet, um eine Aussage über die PV-seitige Wirkungsgradsteigerung durch niedrigere Modultemperaturen aufgrund der Kältemittelverdampfung an der Modulrückseite treffen zu können. Der zweite Teil dieser Arbeit präsentiert die Auslegung zweier Verdampfer-Designvarianten (Mäander und Harfendesign) und eine Temperaturverteilungsanalyse. Bei beiden Konzepten fällt die Temperaturverteilung annähernd homogen aus. [less ▲]

Detailed reference viewed: 93 (5 UL)