Start-up-Unternehmen nutzt Simcenter Engineering Services und Simcenter STAR-CCM+, um eine Wärmepumpe zu entwickeln, die die Energiekosten senkt

Keine „Schande“ mehr

Die meisten amerikanischen Häuser werden entweder mit einem Ofen oder einem Heizkessel beheizt, während ein kleiner Teil der Haushalte mit Wärmepumpen heizt, die mithilfe von Energie (in der Regel Strom) Umgebungswärme von außen nach innen transportieren. Hocheffiziente Ofen- und Kesselsysteme sind nach wie vor teuer und erfordern niedrige Heiztemperaturen, um den maximalen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten. Bei hoher Wärmebelastung sinkt der Wirkungsgrad oft. Elektrische Wärmepumpen gibt es schon seit vielen Jahren, doch sie haben sich aufgrund der schlechten Leistungswerte in kalten Klimazonen nicht durchgesetzt. Der Wirkungsgrad sinkt bei niedrigen Temperaturen, wenn die Wärme am dringendsten benötigt wird, was zusätzliche Brennstoffe oder Widerstandsheizungen erfordert, die die Kosten erhöhen können.

Klimaanlagen (A/C) sind Wärmepumpen, die Wärme von kälteren in heißere Umgebungen übertragen. Die überwiegende Mehrheit der Klimaanlagen nutzt einen Dampfverdichtungszyklus mit einer kleinen Installation von Absorptionssystemen und stellt den größten Anteil des Stromverbrauchs im Haushalt (22 Prozent) dar. Klimaanlagen werden hauptsächlich elektrisch angetrieben und laufen in den Sommermonaten, sodass Strom dann benötigt wird, wenn er am wenigsten verfügbar und am teuersten ist. Dampfverdichtungssysteme verwenden auch Kältemittel, die eine Vielzahl von Umweltproblemen, einschließlich Ozonabbau und Treibhauseffekte, mit sich bringen.

ThermoLift entstand Anfang 2012 aus einem Gespräch zwischen den beiden Freunden und Kollegen Dr. Peter Hofbauer und Paul Schwartz, aus unterschiedlichen Unternehmen. Die beiden diskutierten über eine Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK), die den Energieverbrauch von Gebäuden verändern könnte. Hofbauer beklagte: „Es ist eine Schande, dass die Technologie nicht entwickelt wird.“ Das war der Auslöser für Schwartz, in seinem Keller in Long Island, New York, mit der Geschäftsentwicklung zu beginnen, um das Startkapital für die Gründung von ThermoLift zu beschaffen.

Heute hat ThermoLift seinen Sitz im Advanced Energy Center der State University of New York (SUNY) in Stony Brook, beschäftigt 20 Vollzeitmitarbeiter und hat fast 20 Millionen US-Dollar an Finanzmitteln aufgebracht, darunter Zuschüsse sowohl vom US-Energieministerium (DOE) als auch von der New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA). Das ThermoLift-System ist eine erdgasbetriebene Klimaanlage und Wärmepumpe, die Heizungs-, Kühl- und Warmwassersysteme von Gebäuden mit einem einzigen Gerät ersetzen kann. Dieses Gerät ist mit einer Vuilleumier-Wärmepumpe (VHP) verwandt, verwendet jedoch einen modifizierten Zyklus, den TC-Cycle™, der die Vorteile gegenüber einer VHP noch verstärkt und die Kosten für den Energieverbrauch beim Heizen und Kühlen von Gebäuden sowie die Treibhausgasemissionen reduziert.

Abbildung 2: Die innovative Wärmepumpe der Generation 1.0 von ThermoLift.

Vuilleumier-Wärmepumpen

Die ThermoLift-Technologie ist aus der VHP hervorgegangen, einer Wärmekraftmaschine, die direkt mit einer Wärmepumpe gekoppelt ist. Eine VHP bewegt ein Arbeitsgas, wie z. B. Helium, zwischen drei Kammern innerhalb eines geschlossenen Systems. In der VHP bewegen sich zwei kurbelsynchron geschaltete Verdränger innerhalb eines Zylinders, um das Arbeitsgas zwischen getrennten Heiß-, Warm- und Kaltkammern zu bewegen. Der thermodynamische Kreislauf nutzt die Kühlung durch expandierende Gase, um eine kalte Temperatur in der Kältekammer zu erzeugen. Energie aus thermischer Verdichtung und Verbrennung eines Brennstoffs (oder einer Solarsammlung) im heißen Ende sorgt für warme Temperaturen in der warmen Kammer, die für die Raumheizung und/oder die Warmwasserversorgung genutzt werden kann. Das ThermoLift-Gerät unterscheidet sich von der VHP dadurch, dass die Verdränger unabhängig voneinander über Mechatronik gesteuert werden, um die Verdrängerbewegung und damit den thermodynamischen Kreislauf besser zu steuern.

Dieser Temperaturunterschied zwischen Kältekammer und Umgebung kann auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen genutzt werden, um der Umgebung Wärme für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung zu entziehen. Die Wärmepumpe von ThermoLift ist eine äußerst effiziente Methode zur Gewinnung von Wärmeenergie, im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmepumpen, die Strom verwenden, hochwertige Energie, die aus thermischer Energie erzeugt wurde, um Wärme zu entwickeln, eine minderwertige Energie. Die Wärmepumpe von ThermoLift nutzt ausschließlich Wärme und vermeidet die Energieverluste, die mit der Umwandlung, Verteilung und Phasenänderung herkömmlicher verdichterbasierter Wärmepumpensysteme verbunden sind

Die Wärmepumpe von ThermoLift nutzt den TC-Zyklus, um mehrere Innovationen zu integrieren, um das Leistungsverhalten zu verbessern und die Kosten zu senken. Der Prototyp der ersten Generation dieses Systems wurde bereits entwickelt, gebaut und getestet. Dazu gehören Innovationen wie ein extrem emissionsarmer Verbrennungsbrenner, elektronisch gesteuerte Aktuatoren zur Verbesserung der Zykluseffizienz und innovative Wärmetauscher. Mit diesen Verbesserungen wird erwartet, dass das VHP-Gerät der nächsten Generation die derzeit verfügbaren hochmodernen HLK- und Warmwassergeräte (DHW) übertreffen und die betriebliche Effizienz des thermodynamischen Prozesses erheblich steigern und gleichzeitig die Kosten und Kohlendioxidemissionen senken wird

Abbildung 4: Das Zeitverlaufsdiagramm kritischer Wärmeübertragungsmonitore.

Build-Tests und -Daten der ersten Generation

ThermoLift hat drei Generationen seines TC-Cycle-Prototyps im Rahmen früherer DOE- und NYSERDA-Förderprogramme gebaut und getestet. Die Entwicklung der Generation (Gen) 1.0 von ThermoLift konzentrierte sich auf einen elektromechanischen Antrieb als Alternative zu den kurbelsynchronisierten VHPs, die aufgrund der begrenzten Kontrolle über die Verdrängerbewegung Kosten- und Haltbarkeitsprobleme aufwiesen und die Thermodynamik des Systems beeinträchtigten. Mit den gewonnenen Erkenntnissen aus Gen 1.0 schloss ThermoLift die Entwicklung des Gen 2.0-Prototyps ab, der im Oktober 2016 Vertretern des Oak Ridge National Laboratory (ORNL)/National Renewable Energy Laboratory (NREL) vorgeführt wurde. Der Gen 3.0-Prototyp von ThermoLift wurde im August 2018 erfolgreich vom ORNL getestet.

Die erhöhte Qualität und Zuverlässigkeit der Daten der Gen 2.0-Einheit hat die Simulationen und die Leistung erleichtert. Im Juli 2017 erreichte ThermoLift einen bedeutenden technischen Meilenstein, der als weiche Landung der Verdränger bezeichnet wird, da sie sich von einem Ende zum anderen hin- und herbewegten, wodurch Maschinengeräusche eliminiert und zuverlässige und kontinuierliche Betriebslaufzeiten (mehr als 10 Stunden) ermöglicht wurden. ThermoLift rechnet damit, mehrere Gen 3.0-Prototypen zu montieren und das hohe Leistungsvermögen in Labor- und Alpha-Demonstrationen im Jahr 2018 unter Beweis zu stellen.

Erweiterung des simulationsgetriebenen Konstruktionsprozesses

Im Jahr 2016 begann ThermoLift die Zusammenarbeit mit Siemens Digital Industries Software, um in den simulationsgesteuerten Konstruktionsprozess zu expandieren. Bei der Entwicklung einer neuen innovativen Technologie wie ThermoLift kann die frühe Entwicklung von Prototypen teuer werden, wenn man sich auf experimentelle Testdaten verlässt. In der frühen Entwicklungsphase müssen viele konzeptionelle Entwürfe evaluiert werden, wobei oft verschiedene Grundideen getestet werden. Der Bau und das Testen dieser Prototypen kann für ein Start-up-Unternehmen erhebliche Risiken darstellen. Es erfordert hohe Investitionen in Ressourcen und Anlagen mit ungewisser Rendite.

Simulationen können schnelle und kostengünstige Antworten liefern. Mehrere Konstruktionskonzepte und deren Leistungsvermögen können bewertet werden und Konstruktionen mit schlechtem Leistungsvermögen können vor der Fertigung eines Prototyps eliminiert werden.

Das Entwickeln und Simulieren komplexer Systeme kann teuer und knifflig sein. Ingenieure auf der ganzen Welt folgen dem V-Zyklus (Abbildung 2) für die digitale Produktentwicklung. Die Idee ist, dass es in der Konstruktion verschiedene Detail- und Komplexitätsstufen gibt, vom Gesamtkonzept über Module bis hin zu einzelnen Komponenten. Am Anfang steht eine grobe Konzeptionierung des Systems. Das gesamte System besteht aus mehreren Modulen wie Wärmetauschern, Regeneratoren und Verdrängern. Die detaillierteste Ebene ist die Komponentenebene, die die Konstruktion von kleinen Komponenten wie Düsen, Öffnungen oder Wärmetauscherlamellen umfasst.

Während dieses Prozesses werden Konstruktionen von oben nach unten erstellt – vom Grundlayout bis zur Entwicklung von Modulen und Komponenten. Der Verifikationsprozess mittels Simulation funktioniert in die entgegengesetzte Richtung, wenn Komponenten und Module verifiziert und optimiert werden, was zu einem verbesserten Gesamtsystem führt. Mit anderen Worten: Wenn die Module, aus denen ein System besteht, besser funktionieren, funktioniert auch das Gesamtsystem besser.

ThermoLift und Simcenter™ Engineering Services haben diesen Ansatz gewählt, um die Entwicklungszeit erheblich zu verkürzen und beim Prototyping zu sparen. Bis 2016 hatte das Entwicklungsteam von ThermoLift umfangreiche 1D-Simulationen ihres einzigartigen thermodynamischen Kreislaufs durchgeführt. Die Frage war, wie man die physikalischen Prozesse in vollem 3D vorhersagen kann. Eines der wichtigsten Module der ThermoLift-Wärmepumpe ist der warme Wärmeübertrager. Dies ist das einzige Subsystem, in dem Energie aus fossilen Brennstoffen in das System gelangt, und es ist entscheidend, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.

Je mehr Wärme auf das Heliumgas im Inneren übertragen werden kann, desto höher ist der Gesamtwirkungsgrad (Abbildung 1). Es ist von entscheidender Bedeutung, einen vollständigen Einblick in die Physik und den Energieweg vom Brenner zur heißen Heliumseite zu erhalten, wobei Verbrennung, Strahlung, konvektive und konjugierte Wärmeübertragung erfasst werden. Darüber hinaus führt der reziproke heiße Verdränger eine bewegte Domäne ein, die eine transiente Analyse erfordert, die größere Hochleistungsrechenressourcen erfordert. Die Herausforderung bestand darin, eine Simulationslösung zu finden, um die komplexe Physik in Kombination mit beweglichen Domänen zu modellieren, und Simcenter Engineering Services lieferte mit der Software Simcenter STAR-CCM+™, einem Produkt des Simcenter-Portfolios, die Antwort. Simcenter STAR-CCM+ ist eine All-in-One-Lösung, die genaue und effiziente multidisziplinäre Simulationen in einer einzigen integrierten Benutzeroberfläche ermöglicht.

Abbildung 5: Verteilung von Strahlungswärmestrom und Stromlinien.

Analyse von transienten warmen Wärmeübertragern

Das Hauptziel dieser Analyse war es, einen detaillierten Einblick in den Wärmeübergang vom Brenner auf die heiße Heliumseite zu geben. Dies erforderte die Modellierung von Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung in der Brennerkammer und des warmen Wärmeübertragers in der heißen Heliumkammer sowie der hin- und hergehenden Verdrängerbewegung. Ein konjugiertes CFD-Modell (Computational Fluid Dynamics) für die Wärmeübertragung wurde aus den nativen CAD-Daten (Computer-Aided Design) der Pro/E-Software® erstellt. Die einzigartige Overset-Mesh-Technologie von Simcenter STAR-CCM+ wurde verwendet, um die hin- und hergehende Verdrängerbewegung zu modellieren. Alle Arten der Wärmeübertragung wurden modelliert und alle Flüssigkeiten wurden als ideales Gas behandelt. Zyklische Randbedingungen aus 1D-Simulationen wurden am Heliumaustritt angewendet, wo der warme Wärmeübertrager mit der ersten Regeneratorstufe verbunden ist.

Es gibt eine Kombination aus transienten und stationären Prozessen im System. Obwohl der Verbrennungsbrenner konstante Wärme liefert, ist die Wärmeübertragung in das Helium ein zyklischer Prozess, der durch den hin- und hergehenden Verdränger angetrieben wird. Wenn sich das System erwärmt, wird schließlich ein quasistationärer Zustand erreicht, in dem die Wärmeübertragung über jeden sich wiederholenden Zyklus ausgeglichen ist. Dies erfordert lange transiente Simulationen, die im Rahmen dieses Kooperationsprojekts mit den Hochleistungsrechner-Clustern von Siemens Digital Industries Software durchgeführt wurden. Abbildung 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Wärmeübertragung über kritische Komponentenschnittstellen vom Brenner zu Helium. Nach 15 bis 20 Zyklen werden die Wärmeübertragungen zyklisch und es können zyklusgemittelte Leistungsdaten abgeleitet werden. Die Daten könnten wichtige Leistungsindikatoren wie den Wirkungsgrad des Wärmetauschers und den Wärmeverlust vorhersagen, um diese Konstruktion der zweiten Generation zu bewerten.

Abbildung 5 zeigt die volumengerenderte Temperaturverteilung von Abgas und Helium im Inneren der Maschine, wenn sich der Verdränger nach unten bewegt. Abbildung 6 zeigt die Verteilung des Strahlungswärmestroms unter Randbedingungen auf dem dem Brenner zugewandten warmen Wärmeübertrager. Die Stromlinien zeigen den Weg des Abgases vom Brenner durch die spiralförmige Kanalkonstruktion, die je nach Temperatur eingefärbt ist, und geben Aufschluss darüber, wo das Gas am warmen Wärmeübertrager an Temperatur verliert.

Abbildung 6: Volumengerenderte Temperaturverteilung von Abgas und Helium.

Partnerschaft mit Simcenter Engineering Services

Die Ergebnisse der von Simcenter Engineering Services durchgeführten Analyse des transienten warmen Wärmeübertragers halfen dem Konstruktionsteam von ThermoLift, kritische Leistungsdaten zu identifizieren, einschließlich Problemen und Ursachen:

• Die Abgastemperatur war beim Verlassen des Wärmetauschers zu hoch. Dies führte zu einer Vorverbrennungsheizung, die diese überschüssige Wärme wieder in das System zurückführte
• Der Gesamtwärmeübergang in das Helium war zu gering, um die Leistungsziele zu erreichen. Es wurde ein komplexer Rohrwärmetauscher entwickelt (Abbildung 1)
• Die Strahlungswärmeübertragung in den Wärmetauscher trug entscheidend zum Gesamtwärmeeintrag bei

Potenzielle Veränderung des Energieverbrauchs von Gebäuden

Siemens Digital Industries Software und ThermoLift setzen ihre Partnerschaft fort, um den simulationsgesteuerten Konstruktionsprozess des Unternehmens weiter auszubauen. Mit kontinuierlichem Technologietransfer und der Unterstützung von Simcenter Engineering Services ist das ThermoLift-Simulationsteam zu erfahrenen Simcenter STAR-CCM+-Anwendern geworden, die jeden Tag Komponenten simulieren und entwickeln. Siemens unterstützt und entwickelt eine Roadmap für kontinuierliches Wachstum und Prozessverbesserung bei ThermoLift durch:

• Integration weiterer Komponenten in die Simulation. Ziel ist es, die gesamte Maschine in 3D zu modellieren
• Integration der automatisierten Konstruktionsoptimierung. Anstatt nur ausgewählte Konstruktionen zu bewerten, können sie den Konstruktionsprozess von der Simulation steuern lassen
• Bereitstellung von Analyseservices und High-Performance-Computing-Ressourcen für große Simulationen, um die Kosten niedrig zu halten und gleichzeitig groß zu denken

Die Technologie von ThermoLift kann den Energieverbrauch und die Kosten für die Heizung und Kühlung von Gebäuden sowie die damit verbundenen Treibhausgasemissionen senken. Das könnte die Art und Weise, wie Gebäude in Zukunft Energie verbrauchen, verändern und die Welt grüner machen.