Kalte Nahwärmesysteme bestehen aus verschiedenen Wärmequellen, thermischen Energiespeichern, Wärmepumpen und einem kalten Nahwärmenetz zur Verteilung. Eine Besonderheit dieser Systeme ist die Nutzung von Wärmequellen mit Temperaturen, die teilweise unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser liegen.
Das Forschungsprojekt SolKaN2.0 (03EN6033A/B/C) zielt darauf ab, eine zweite Generation solar-unterstützter kalter Nahwärmesysteme mit Wasser als Wärmeträgermedium zu entwickeln, um ökologische und ökonomische Nachteile, die durch den Einsatz von Frostschutzmitteln existieren, zu vermeiden. Das neue Versorgungskonzept beinhaltet eine zusätzliche zentrale Wärmepumpe in der Nähe der Wärmequellen. Diese nutzt die Wärmequellen und erzeugt eine Netztemperatur auf einem Niveau oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser, wodurch Wasser als Wärmeträgermedium im Netz genutzt werden kann.
Die benötigte zentrale Wärmepumpe zeichnet sich durch einen Temperaturhub im Heizbetrieb von -15 °C bis 0 °C auf 5 °C bis 10 °C sowie einen Arbeitsbereich im Kühlbetrieb von 20 °C bis 25 °C auf 30 °C bis 50 °C aus. Dieses Temperaturniveau wird von den am Markt verfügbaren Wärmepumpentechnologien nur unzureichend abgedeckt, da die aktuellen Wärmepumpen eine Mindestdruckdifferenz zwischen Verflüssiger und Verdampfer benötigen, um einen sicheren und stabilen Betrieb zu gewährleisten. Um eine geeignete Wärmepumpe auszulegen, wurden daher natürliche Kältemittel in verschiedenen Kreislaufvarianten hinsichtlich ihrer Systemeffizienz verglichen, um ein passendes Kältemittel, sowie geeignete Komponenten auszuwählen.
In diesem Beitrag werden unterschiedliche Kreislaufvarianten und natürliche Kältemittel mittels eines Simulationstools rechnerisch verglichen und anhand der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe quantifiziert. Auf Grundlage des Vergleiches werden zwei Kreislaufvarianten ausgewählt, die in einer Testanlage erprobt werden sollen. Dazu wird auf die Auslegung und Besonderheiten der Testanlage, im Speziellen auf die Auswahl des Verdichters eingegangen.