Propan-Wärmepumpe: Füllmenge auf dem Prüfstand

In der Messkampagne werden Dutzende Kombinationen von Wärmepumpen-Komponenten unter verschiedenen Betriebsparametern getestet.

Foto: Fraunhofer ISE

Im Zuge des Projekts „LC150 Entwicklung eines kältemittelreduzierten Wärmepumpenmoduls mit Propan“ entwickelt das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme Kältekreise für Wärmepumpen, die möglichst effizient und mit geringen Mengen des klimafreundlichen Kältemittels Propan betrieben werden. 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.

Umfangreiche Datenerhebung für die Entwicklung kältemittelreduzierter Kältekreise

Für die Messkampagne 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. An drei identischen Testständen laufen die Evaluierungen parallel ein Jahr lang – 24 Stunden am Tag. Pro Prototyp werden zwischen 30 und 150 Betriebspunkte angefahren und die Messwerte von 26 Sensoren aufgezeichnet. Diese erfassen Temperatur, Druck, Leistungsaufnahme und Volumenströme in den Prototypen. Um ihre Auswirkungen auf die Komponenten zu ermitteln, werden Wärmesenken und -quellen ebenso variiert wie Temperaturen und Betriebszustände. Dies erlaube die Abschätzung der saisonalen Effizienz einer mit dem jeweiligen Kältekreis aufgebauten Wärmepumpe, so Projektmanager Clemens Dankwerth. Auch die Ölmenge und der Öltyp im Verdichter werden variiert. Für die automatisierte Durchführung der Tests hat das Fraunhofer-Team zudem ein System zur automatischen Kältemittelbefüllung und -entleerung der Wärmepumpen entwickelt. Ein aufwendiges händisches Handling des Propans durch geschultes Fachpersonal entfällt somit.

„Die Herausforderungen beim Messbetrieb bestehen im methodischen Abgleich von Einzelmessungen an Komponenten und Messungen im Gesamtkältekreis. Die Performance des gesamten Kältekreises soll möglichst aus Messungen von Einzelkomponenten abgeleitet werden können und umgekehrt“, erläutert Clemens Dankwerth. Auf Basis der gewonnenen Messergebnisse wollen die Forschenden eine im nächsten Schritt „Best of“-Kombinationen der besten Komponenten über einen längeren Zeitraum testen, mit dem Ziel, die Füllmenge des Kältemittels Propan weiter zu reduzieren.

Erkenntnisse aus der Forschung sollen in der Industrie umgesetzt werden

Die Messkampagne lebe von der breiten Beteiligung von Komponentenlieferanten, die sich durch das Bereitstellen marktverfügbarer und gezielt angepasster Komponenten wie Wärmeübertrager und Verdichter an dem Projekt beteiligen, berichtet Dr. Lena Schnabel. „Mit der automatisierten Prüftechnik, die in enger Zusammenarbeit mit der EP Ehrler Prüftechnik-Engineering GmbH entwickelt wurde, wird jetzt das Werkzeug in Betrieb genommen, mit dem wir möglichst viele Messungen durchführen und die Teststände 24/7 betreiben können. Damit können wir für uns und die Projektpartner in vergleichsweise kurzer Zeit einen umfangreichen multidimensionalen Datenschatz heben und so die Basis für die schnelle Marktumsetzung deutlich kältemittelreduzierter Kältekreise legen“, so die Abteilungsleiterin Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE. Aus der gewonnenen Datenbasis wollen die Forschenden methodische Zusammenhänge ableiten, damit kältemittelreduzierte Wärmepumpen in Zukunft 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 auf diese Weise fortlaufend optimiert. Auch die Partner des LC150-Projektkonsortiums können auf die browserbasierte Datenbank mit den vom Fraunhofer ISE aufbereiteten Ergebnissen zugreifen.

Wachstumsmarkt Wärmepumpe

Im Jahr 2020 wurden deutschlandweit rund 120.000 Heizungswärmepumpen installiert (Statistik Bundesverband Wärmepumpe). Dies entspricht einem Wachstum von 40 % gegenüber 2019 und verdeutlicht die zunehmende Bedeutung der Wärmepumpe in Zusammenhang mit einer angestrebten Energiewende. Von besonderer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang das in den Geräten eingesetzte Kältemittel. Die Industrie ist angehalten den Anteil klimaschädlicher Gase im Kältekreis bis 2030 um 70 % gegenüber 1990 zu reduzieren. Geregelt ist dies in einer europäischen Verordnung über fluorierte Treibhausgase, der sogenannten F-Gase-Verordnung. Natürliche Kältemittel gewinnen vor diesem Hintergrund in der Branche an Bedeutung. Eines davon ist Propan. Seine Vorteile liegen in der breiten Verfügbarkeit und sehr guten thermodynamischen Eigenschaften, die eine höhere Effizienz (Verhältnis zwischen erzeugter Nutzwärme und eingesetzter Antriebsenergie) gegenüber konventionellen Wärmepumpen ermöglichen. Gleichzeitig ist das Erderwärmungspotenzial (Global Warming Potential = 3) um das 500fache niedriger als bei den derzeit verwendeten klassischen fluorierten Kältemitteln.

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