Entwicklung einer Regelungsstrategie eines PVT-basierten Wärmepumpensystems auf der Basis von CO2 Direktverdampfung

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.