Auf der Suche nach der idealen Wärmepumpe
In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi geförderten Projekt »LC150 Entwicklung eines kältemittelreduzierten Wärmepumpenmoduls mit Propan« entwickelt das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) Kältekreise für Wärmepumpen, die möglichst effizient und mit geringen Mengen des klimafreundlichen Kältemittels Propan betrieben werden. Nun wurde eine einzigartige Messkampagne zur Füllmengenreduktion gestartet. In einer groß angelegten automatisierten Kreuzevaluation testet ein Team des Instituts verschiedene Einzelkomponenten von Wärmepumpen in Dutzenden Kombinationsvarianten und unter verschiedenen Betriebsparametern. Ziele sind die weitere Reduktion der benötigten Kältemittelmenge, das Erkennen methodischer Zusammenhänge und das Gewinnen von Daten für die simulative Auslegung von Wärmepumpen.
In der Messkampagne werden Dutzende Kombinationen von Wärmepumpen-Komponenten unter verschiedenen Betriebsparametern getestet. (Bild: © Fraunhofer ISE)
Drei parallele Teststände liefern ein Jahr lang 24 Stunden täglich Messwerte. (Bild: © Fraunhofer ISE)
Kältemittel Propan
Der Kohlenwasserstoff Propan weist hervorragende thermodynamische Eigenschaften auf. Zudem gilt er als besonders energiesparendes Kältemittel. Auch der Kostenfaktor stimmt: Propan ist weltweit preiswert erhältlich. Allerdings kann Propan mit der Luft zündfähige Gemische bilden und ist brennbar. Um das Sicherheitsrisiko zu reduzieren, muss die Kältemittelmenge möglichst gering gehalten werden. Die Sole/Wasser-Wärmepumpe LC150, der Prototyp des ISE, erbringt mit 150 g Propan (also einem Viertel dessen, was bei marktverfügbaren Systemen eingesetzt wird) rund 8 kW Heizleistung. Damit könnte die Wärmepumpe – als erste ihrer Art in Deutschland – ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen im Inneren von Häusern aufgestellt werden
Messkampagne
Ein Jahr lang erhebt die Messkampagne rund um die Uhr eine Fülle an Parametervariationen und generiert damit eine einzigartige Datenbasis. Dafür werden zwischen 40 und 80 Prototypen für Sole-Wärmepumpen gebaut, wobei die einzelnen Komponenten (Verdampfer, Verdichter, Kondensator, interner Wärmeübertrager und Expansionsventil) in verschiedenen Konstellationen zusammengesetzt werden. Die Tests laufen an drei identischen Testständen, pro Prototyp werden zwischen 30 und 150 Betriebspunkte angefahren und die Messwerte von 26 Sensoren aufgezeichnet. Für die automatisierte Durchführung der Tests entwickelt das Team des Fraunhofer ISE ein System zur automatischen Kältemittelbefüllung und -entleerung der Wärmepumpen, um das aufwändige händische Handling des Propans durch geschultes Fachpersonal zu sparen.
Möglich gemacht wurde die breit angelegte Messkampagne durch die Beteiligung von Komponentenlieferanten, die marktverfügbare und gezielt angepasste Komponenten wie Wärmeübertrager und Verdichter zur Verfügung gestellt haben. Laut Dr. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE, kann das ISE „in vergleichsweise kurzer Zeit einen umfangreichen multidimensionalen Datenschatz heben und so die Basis für die schnelle Marktumsetzung deutlich kältemittelreduzierter Kältekreise legen«.
Sensoren erfassen Temperatur, Druck, Leistungsaufnahme und Volumenströme in den Prototypen, die Daten werden automatisch in eine Software zur Auswertung geladen. Um ihre Auswirkungen auf die Komponenten zu ermitteln, werden Wärmesenken und -quellen ebenso variiert wie Temperaturen und Betriebszustände. Dies erlaubt die Abschätzung der saisonalen Effizienz einer mit dem jeweiligen Kältekreis aufgebauten Wärmepumpe. Auch die Ölmenge und der Öltyp im Verdichter werden variiert.
Auf Basis der Messergebnisse wollen die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer ISE »Best of«- Kombinationen der besten Komponenten über einen längeren Zeitraum testen, um eine weitere Füllmengenreduzierung des Kältemittels Propan bewirken zu können.
Datenbasis für spätere Simulation
In Zukunft sollen kältemittelreduzierte Wärmepumpen mit weniger Aufwand ausgelegt werden können. Die technische Universität von Valencia (UPV) entwickelt dafür mit ihrer Software IMST-Art ein Werkzeug für simulative Voraussagen. Während der Messkampagne werden die Simulationsergebnisse mit den tatsächlichen Messwerten abgeglichen und die Software so laufend verbessert.
Auch die Partner des LC150- Projektkonsortiums können auf die browserbasierte Datenbank mit den vom Fraunhofer ISE aufbereiteten Ergebnissen der Messkampagne zugreifen, um diese nach ihren eigenen Vorgaben auszuwerten.
Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi gefördert (Förderkennzeichen 03EN4001A).
