Project

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THRIVE Sub-Project 3: Development of an adsorption heat pump - Component characterization and integration in compact device

English title THRIVE Sub-Project 3: Development of an adsorption heat pump - Component characterization and integration in compact device
Applicant Häberle Andreas
Number 153975
Funding scheme NRP 70 Energy Turnaround
Research institution Institut für Solartechnik SPF Hochschule für Technik Rapperswil
Institution of higher education University of Applied Sciences Ostschweiz - FHO
Main discipline Mechanical Engineering
Start/End 01.12.2014 - 31.10.2018
Approved amount 543'644.00
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Keywords (7)

Waste heat; Efficient heating and cooling; Coefficient of performance; Electricity substitution; Heat pump; Adsorption; Solar thermal

Lay Summary (German)

Lead
Das Heizen und Kühlen von Gebäuden verursacht einen beträchtlichen Stromverbrauch und grosse CO2-Emissionen. Im Rahmen der „Energiestrategie 2050“ sollen sowohl CO2-Emissionen reduziert sowie ein Ausstieg aus der Kernkraft ermöglicht werden. Im interdisziplinären Verbundprojekt „THRIVE“ (Projekt-Nr. 407040_153989) werden innovative thermisch getriebene Wärmepumpen entwickelt, deren Ziel die Nutzung von Abwärme und erneuerbaren Energien zum Heizen und Kühlen von Gebäuden mit minimalem Stromverbrauch sowie verminderten CO2-Emissionen ist. Die technische Realisierung des Projekts wird durch Industriepartner gestärkt und mit fünf Teilprojekten abgedeckt: (1) Massgeschneiderte poröse Materialien (Nr. 407040_154008), (2) Optimierte Adsorptionswärmetauscher (Nr. 407040_153940), (3) Kompakte Adsorptionswärmepumpe (Nr. 407040_153975), (4) Anwendungen und Technologiebewertung (Nr. 407040_153949), (5) Ökobilanz und Nachhaltigkeitsbewertung (Nr. 407040_1153937).
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Die Wärmeleistung und Arbeitszahl (engl. coefficient of performance, COP) einer Adsorptionswärmepumpe hängen von der Adsorptionsrate ab. Die Adsorptionsrate ihrerseits ist eine Funktion des Massenaustausches in der Vakuumkammer zum Sorptionsmittel, des Wärmetransports vom Sorptionsmittel zu den wärmeleitenden Komponenten sowie des Zweiphasen-Wärmeübergangs während der Verdampfung und Kondensation. Die Forschungsarbeit im Rahmen des THRIVE Teilprojekts 3 wird zum Verständnis dieser Prozesse beitragen, mit dem Ziel, eine Adsorptionswärmepumpe mit höheren Arbeitszahlen zu entwickeln (> 15 beim Kühlen und > 40 beim Heizen). Die Schwerpunkte des THRIVE Teilprojekts 3 sind der Entwurf, die Konstruktion und der Zusammenbau der einzelnen Komponenten einer funktionsfähigen Adsorptionswärmepumpe. Dabei werden Komponenten für den Austausch von Sorptionswärme und Betriebsmittel entwickelt und in einer Vakuumkammer integriert. Die Materialien für die Komponenten werden von den Teilprojekten 1 und 2 bereitgestellt. Die Adsorptionswärmepumpe wird im Rahmen des Teilprojekts 4 getestet.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Die Adsorptionswärmepumpen können industrielle Abwärme sowie Wärme aus erneuerbaren Energien nutzen, um Nutzwärme und Kälte bereitzustellen. Der Einsatz dieser Technologie kann die primärenergetische Effizienz von Erdöl- und Erdgasheizungen massgeblich erhöhen und deren CO2-Emissionen reduzieren. Insgesamt können damit der Stromverbrauch für Heizung und Kühlung in der Schweiz um 70% und der Verbrauch von fossiler Heizenergie um knapp 20% gesenkt werden.

Direct link to Lay Summary Last update: 20.10.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Serto AG Switzerland (Europe)
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Belimo Automation AG Switzerland (Europe)
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Empa, Dr. Matthias Koebel Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
IBM Research, Dr. Bruno Michel Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
ETH Zurich, Prof. André Studart Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
ETS Energie-Technik Systeme AG, Mr. Hanspeter Signer Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Industry/business/other use-inspired collaboration
HEIG-VD, Prof. Stéphane Citherlet Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure
Paul Scherrer Institut, Dr. Peter Burgherr Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
6th international conference on metal-organic frameworks & open framework compounds MOF Individual talk Pilot scale production and demonstration of low cost MOFs for chilling applications 09.12.2018 Auckland, Australia Gantenbein Paul; Persdorf Patrick; Daguenet-Frick Xavier;
12th International Conference on Solar Energy for Buildings and Industry, EuroSun Talk given at a conference Design and construction of a 10 kW sorption heat pump prototype 10.09.2018 Rapperswil, Switzerland Daguenet-Frick Xavier; Gantenbein Paul; Häberle Andreas;
Advanced Sorption Material Workshop Poster Thermally driven Adsorption Heat Pumps for Substitution of Electricity and Fossil Fuels 08.05.2018 Dübendorf, Switzerland Persdorf Patrick; Trudel Albert; Daguenet-Frick Xavier; Häberle Andreas; Gantenbein Paul;
International Sorption Heat Pump Conference Talk given at a conference Adsorption heat pump upscaling from 1 kW to 10 kW of cooling power: experimental based modelling. 07.08.2017 Tokyo, Japan Daguenet-Frick Xavier; Persdorf Patrick; Gantenbein Paul;
International Sorption Heat Pump Conference Talk given at a conference Cooling power determination by measuring the adsorbed vapor mass variations: comparison of mass adsorption cooling power correlation and external fluid loop power measurement. 07.08.2017 Tokyo, Japan Persdorf Patrick; Daguenet-Frick Xavier; Gantenbein Paul;


Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Swissmem Poster 08.03.2018 Zürich, Switzerland


Self-organised

Title Date Place
Stakeholder meeting 08.10.2018 Rapperswil, Switzerland
SPF Industry Day 2017 01.03.2017 Rapperswil, Switzerland
SPF Industry Day 2016 02.03.2016 Rapperswil, Switzerland
SPF Industry Day 2015 04.03.2015 University of Applied Sciences Rapperswil, Switzerland

Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Print (books, brochures, leaflets) Abwärme nutzen - Strom sparen International 2016
Media relations: print media, online media IBM und HSR Ingenieure wollen Rechenzentren mit Hitze kühlen Western Switzerland German-speaking Switzerland 2015

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
170754 High resolution AFM combined with high resolution IR spectroscopy 01.07.2017 R'EQUIP

Abstract

Our aim is the development, design, manufacturing and characterisation of an adsorption heat pump (AdHP) with 10 kW cooling and 30 kW heating power. The AdHP will use heat from industrial processes, cogeneration plants, traditional fuels or solar thermal energy in order to satisfy building heating and cooling demands. For this purpose, heat and mass exchangers loaded with sorbent materials developed in sub-projects 1 and 2 of the umbrella project for key applications in Switzerland will be integrated into the AdHP. The AdHP is a closed system with exchange of heat with the environment only. The assembled unit will be characterized in sub-project 4 of the common umbrella project using a dynamic test rig which enables the emulation of various heating and cooling scenarios. The main research focus areas in this sub-project include innovative adsorber/desorber heat exchangers as well as compact evaporator/condenser designs combined with an optimised vacuum enclosure to minimise materials use and heat losses. Thermal COP values greater than 0.6 (cooling) and 1.5 (heating) will be targeted as well as electrical COP values greater than 15 (cooling) and 40 (heating). Such performance values are deemed necessary to make waste heat-driven AdHPs competitive with existing compression-based solutions. At the same time, the thermal power per unit mass and volume will be increased in order to realize compact AdHP units with a rated thermal capacity of at least 10 kW/m3 (cooling) and 30 kW/m3 (heating). Compact units are desirable to minimize materials cost and enable integration into existing heating and cooling system infrastructure. The work in sub-project 3 focuses on thermo-mechanical engineering research and focuses on the design and construction of two-phase heat and mass exchangers as well as the characterisation and assembly of these components to an innovative heating and cooling system for industrial and domestic HVAC applications.
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