Eine Forschungsgruppe aus Wissenschaftlern des Karlsruhe Instituts für Technologie (KIT) und der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat ein neues thermoakustisches Wärmepumpensystem (TAHP) für die Beheizung von Wohnhäusern entwickelt.
Das neuartige System nutzt Wärmequellen wie Solar, geothermische Energie und Abwärme. „Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft für abgelegene Gebiete, in denen Strom nicht ohne weiteres verfügbar ist“, betonen die Wissenschaftler. „Außerdem zeichneten sich TAHP-Systeme durch ihre Vielseitigkeit bei der Nutzung von Wärmequellen und ihre hohe Energieeffizienz aus.“ Das TAHP ist derzeit noch weit von der Marktreife entfernt, so die Forscher, obwohl ihre „einfache Konstruktion“ darauf hindeutet, dass ihre Kosten wettbewerbsfähig sein könnten.
Die vorgeschlagene TAHP-Konstruktion besteht aus einem einzigen direkt gekoppelten Energieumwandlungskern und einer Phasenschiebereinheit, wobei der Kern in zwei Hauptabschnitte unterteilt ist, die Motorstufe und die Wärmepumpenstufe. „Die Motorstufe umfasst einen Wärmesenken-Wärmetauscher (SHXe), einen Regenerator (REGe), einen Heizungswärmetauscher (HHXe) und ein thermisches Pufferrohr (TBTe)“, erklärt die Forschungsgruppe. „Die Wärmepumpenstufe besteht aus einem Kühler, der einen Wärmesenkentemperatur-Wärmetauscher (SHXh), einen Regenerator (REGh), einen Wärmequellen-Wärmetauscher (HSHXh) und ein thermisches Pufferrohr (TBTh) beinhaltet.“
Die Wärmepumpe aktiviert die selbst erregte thermoakustische Schwingung, sobald der axiale Temperaturgradient über dem Regenerator einen bestimmten kritischen Wert erreicht. Die akustische Energie wird dann genutzt, um die Wärmepumpenstufe anzutreiben, welche die Wärme von der Wärmequelle zur Wärmesenke überträgt. Der HHXe wird von der Wärmequelle mittlerer bis geringer Qualität erwärmt, während der HSHXh von der Umgebungsluft gekühlt wird. Währenddessen hält das SHXs durch das zirkulierende Wasser die gewünschte Raumtemperatur aufrecht.
Die Wissenschaftler haben die vorgeschlagene Systemkonfiguration durch eine Reihe von numerischen Simulationen mit der Software Sage getestet, die in der Lage ist, die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie im Gasbereich zu lösen. Anschließend validierten sie die Simulationsergebnisse durch den Bau eines Prototyps eines zweistufigen thermoakustischen Wärmepumpensystems.
Verschiedene Tests zeigten, dass der Prototyp unter typischen Heizbedingungen eine Heizleistung von 5,7 kW und eine Leistungszahl von 1,4 erreichen konnte, mit einer Heiztemperatur von 300 °C und einer Kühlkörpertemperatur von 55 °C.
„Das vorgestellte TAHP-System zeigt eine zufriedenstellende Heizleistung unter konventionellen Wärmepumpen-Betriebsbedingungen und ist in der Lage, eine Heizleistung von 3 kW bis 7 kW mit einer Leistungszahl von 1,28 bis 1,42 zu liefern, wenn die Temperatur der Wärmequelle 7 °C beträgt und die Temperatur der Wärmesenke in den Bereich von 50 °C bis 70 °C fällt“, erklären die Forscher. „Wenn man sowohl die Energie- als auch die Umwelteinsparungen berücksichtigt, kann eine Gesamtkostenreduzierung von 1.629 € pro Jahr erreicht werden.“
Hier finden Sie das komplette Paper der Wissenschaftler: Thermoacoustic Heat Pump Utilizing Medium/Low-Grade Heat Sources for Domestic Building Heating
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