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Aggregate für einen kombinierten Wärmepumpen- / Kälteanlagenbetrieb in Reisezugwagen
Durch gezielte Umgestaltung der aktuellen Klimaanlage des InterCity Neigezugs lässt sich das Aggregat sowohl als Wärmepumpe wie auch als Klimaanlage betreiben. Der zusätzliche Wärmepumpenbetrieb kann genutzt werden um einen Teil der elektrischen Widerstandsheizung zu ersetzen und somit den Energieverbrauch zu senken. Detaillierte Untersuchungen im Bezug auf die gesamte ICN‐Flotte haben ergeben, dass jährlich 4.7 GWh Energie eingespart werden können. Diese Reduktion von 30 % des Energieverbrauchs im Heizbetrieb wirkt sich direkt auf die Betriebskosten aus, welche dadurch jährlich um eine halbe Million Schweizer Franken gesenkt werden können. Nicht nur das Portemonnaie wird geschont, sondern auch die Umwelt. Die Senkung des Energiebedarfs entspricht einer äquivalenten CO2‐Reduktion von 1‘290 Tonnen pro Jahr! Diese beeindru‐
ckenden Ergebnisse veranlassen den Industriepartner SBB, das Projekt weiter zu verfolgen. Der Leiter der Fahr‐
zeugklimatechnik der SBB, Dr. Ralf Hofer, liess verlauten: “Ihre Arbeit wird für mich Anlass sein, die entspre‐
chende Überzeugungsarbeit zu leisten, um die praktische Erprobung resp. Umsetzung der Thematik bei der SBB voranzutreiben“. Abbildung: IC-Neigezug der Schweizer Bundesbahnen SBB
Im Rahmen dieser Bachelor‐Arbeit wurden Konzepte für einen kombinierten Wärmepumpen‐ / Klimaanlagen‐
betrieb erarbeitet und deren Einsparungspotential wie auch deren Wirtschaftlichkeit untersucht. Die Arbeit beinhaltet Untersuchungen zur Prozessumkehrung, zur Leistungsanpassung sowie zum Abtauvorgang. Weiter wurde die Leistungsanpassung an einem Kompressorprüfstand validiert und Ideen wie z.B. die Fortluftnutzung aufgeführt. Prozessumkehrung Mit der Prozessumkehrung wird erreicht, dass die Anlage für den Heiz‐ und Kühlbetrieb eingesetzt werden kann. Dabei muss der Wärmetauscher an der Wageninnenseite je nach Bedarf als Verdampfer (Kühlbetrieb) oder als Kondensator (Heizbetrieb) betrieben werden können. Um dies zu bezwecken, wurden verschiedene Möglichkeiten zur Prozessumkehrung untersucht. Unter anderem wurde eine Prozessumkehrung mittels Vier‐
wegventil, eine Umlenkung der Luftströme oder eine Integration von umschaltbaren Solekreisläufen betrach‐
tet. Die Prozessumkehrung mittels Vierwegventil setzte sich aufgrund der platzsparenden Bauweise und der günstigen Anschaffung / Umrüstung durch. Leistungsanpassung Im Fahrgastraum soll die Temperatur möglichst konstant sein. Je nach Wärmebedarf des Reisezugwagens, muss die Heiz‐ bzw. Kühlleistung des Klimaaggregats angepasst werden. Dazu wurden mehrere Leistungsanpas‐
sungsvarianten für den Bahnbetrieb untersucht. In die engere Auswahl schafften es die Leistungsregelung mit‐
tels Frequenzumrichter (Drehzahlvariation), die Zylinderabschaltung und der Einsatz eines Digital Scroll Kom‐
pressors. In Absprache mit dem Industriepartner wurden die Drehzahlvariation mittels Frequenzumrichter und die Zylinderabschaltung für genauere Untersuchungen ausgewählt. Abtauen Im Heizbetrieb, bei Temperaturen bis ca. 5 ° kann sich Eis am Aussenwärmetauscher bilden. Dabei verschlech‐
tert sich die Effizienz des Aussenwärmetauschers beträchtlich. Somit muss der Aussenwärmetauscher im Heiz‐
betrieb periodisch abgetaut werden. Für diesen Arbeitsvorgang des Klimaaggregats wurden verschiedene Vari‐
anten überprüft. Das elektrische Heizregister hebt sich von den anderen Varianten durch seinen robusten Auf‐
bau, der preiswerten Anschaffung und der einfachen Regelung ab. Konzepte Aus den Kernbestandteilen der Prozessumkehrung, Leistungsanpassung und Abtauung wurden Konzepte er‐
stellt. Die Konzepte B und C wurden in Absprache mit der SBB für die wirtschaftliche Untersuchung ausgewählt. Das Konzept B besteht aus Prozessumkehrung mittels Vierwegventil, Leistungsanpassung mittels Drehzahlvari‐
ation und dem Abtauen über ein elektrisches Heizregister. Das zweite Konzept C unterscheidet sich nur in der Leistungsanpassung mittels Zylinderabschaltung vom Konzept B. Tabelle: Kernbestandteile der Konzepte B und C
Konzept B
Konzept C Prozessumkehung mittels Vierwegventil Prozessumkehrung Prozessumkehung mittels Vierwegventil Drehzahlvariation anhand Frequenzum‐
richter Leistungsanpassung Zylinderabschaltung Heizregister Naturabtauung Abtauung mit Heizregister mit Natur‐
abtauung Wirtschaftlichkeit Kosten / Einsparung [CHF]
30,000
25,000
10,000
5,000
0
Konzept C
15,000
Konzept B
20,000
Derzeitiges
Heizverfahren
Energieverbrauch [kWh]
In einem weiteren Schritt wurden die Konzepte B und C aus wirtschaftlicher Sicht geprüft. Anhand von Simula‐
tionen wurde der Energieverbrauch der Konzepte in Abhängigkeit der Aussenlufttemperatur ermittelt. Energie‐
technisch sind beide Konzepte gleichwertig (Diagramm 1). Die jährliche Betriebskostensenkung verhält sich proportional zur Energiesenkung und beträgt ca. 500‘000 CHF auf alle 308 ICN‐Reisewagen. Es stellte sich her‐
aus, dass sich durch die geringeren Investitions‐ und Installationskosten das Konzept C wirtschaftlich durchzu‐
setzen vermag. Die geringeren Investitions‐ und Installationskosten des Konzepts C führen zu einer Amortisa‐
tionszeit von neun bis zehn Jahren bei einer typischen Lebensdauer von 20 Jahren (Diagramm 2). Verlauf der Mehrkosten zur
aktuellen Variante
Verlauf der
Kosteneinsparung
12,000
9,000
6,000
3,000
0
0
6
8
10
12
Zeit [a]
Diagramm 2: Amortisationszeit Konzept C pro Aggregat
Diagramm 1: Jährlicher Energieverbrauch im Heizbetrieb pro
Klimaaggregat
2
4
Als Entscheidungshilfen wurden weitere Vergleiche und Untersuchungen durchgeführt. Aus einer Nutzwertana‐
lyse und einer statischen Investitionsrechnung geht hervor, dass das Konzept C weiter verfolgt werden sollte. Referent: Prof. Bertsch Stefan, Ph.D. Korreferent: Prof. Dr. Stöck Max Studenten: Hüttig Mark Schönenberger Jonas