Einfluss freier und gelöster Gase auf die Effizienz von Komponenten der Wärme- und Kälteversorgung

Teilvorhaben: Bestimmung von Stoff- und Transportkoeffizienten

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Der auslegungsgemäße Einsatz von Anlagen der Wärme- und Kältebereitstellung sowohl im Bestand als auch bei Neuinstallationen ist entscheidend für eine kosten- und energieeffiziente Deckung des Bedarfs an Wärme und Kälte. Diese Anlagen enthalten Flüssigkeitskreisläufe mit Wärmeträgern, welche den thermischen Energietransport gewährleisten. Gelöste bzw. freie Gase in den verwendeten Wärmeträgerflüssigkeiten (z. B. durch eingeschlossene Umgebungsluft und Diffusionsvorgänge durch Kunststoffbauteile) können die Effizienz der Wärmeübertragung verringern. Auch die hydraulische Funktionalität dieser Systeme sowie Mess- und Regelfunktionen können infolge unterschiedlicher Effekte gestört und im Extremfall ganz unterbunden werden. Die Minimierung der durch eingeschlossene Gase indizierten Effekte verspricht ein enormes Potenzial zur Erhöhung der Anlageneffizienz, der Verringerung des Aufwandes für Wartung und Instandhaltung sowie zur Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit von der ersten Betriebsstunde an!

In der Praxis sind diese Probleme in Solarthermie- sowie in Heizungsanlagen wohlbekannt und dokumentiert. Aber auch in Kälteanlagen, Rückkühlsystemen und Geothermieanlagen ist damit zu rechnen bzw. sind den Antragstellern Beispiele bekannt.

Relevante Gase sind dabei Sauerstoff O2 und Stickstoff N2 sowie zunehmend Kohlenstoffdioxid CO2 (diffusionsoffene Wärmequellanlagen von Erdwärmesonden) und Methan CH4 (in Niedertemperatur­systemen als Produkt biologischer Prozesse). Die Wirkungen auf Strömungsverhältnisse und Wärmeübergang in den Hauptkomponenten der genannten energietechnischen Systeme und die damit verbundenen Effizienzeinflüsse sind bisher nicht quantifizierbar und sollen daher im Vorhaben untersucht werden.

Eine Anlage, die sich auch in der Praxis entsprechend der Auslegungsparameter verhält, kann die Versorgungsaufgabe bei vorausberechneten Werten für Primärenergieeinsatz und Treibhausgasemissionen zuverlässig und damit kostenoptimal erfüllen. Bei bestimmten Konzentrationen von Gasen in der Flüssigkeit ist dies oft nicht gegeben.

Zurzeit ist der Trend erkennbar, dass Anlagen sicherheitshalber mit fest installierten Vakuumentgasern ausgestattet werden. Ob dieser zusätzliche Investitions- und Wartungsaufwand sowie der entstehende zusätzliche Hilfsenergiebedarf gerechtfertigt sind, kann aktuell schwer quantifiziert werden. Hier will das Projekt Klarheit schaffen.

Daher soll das Vorhaben eine umfassende Betrachtung des Einflusses von freien und gelösten Gasen in flüssigen Wärmeträgern auf die Effizienz wärmetechnischer Komponenten im Einzelnen und deren Zusammenspiel in wärme- und kältetechnischen Systemen geben sowie Grenzgasgehalte iden­ti­fizieren.