Forschung am Propan-Kältekreis
So werden Wärmepumpen effizienter
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
5 Feuerzeuge für 1 kW Heizleistung
Die aktuell beste Konstellation – jene, die es auf 12,8 kW Heizleistung mit 124 g Propan bringt – hat eine Effizienz von 4,7 (Verhältnis der erzeugten Wärme zum eingesetzten Strom). Das heißt, dass die notwendige Kältemittelmenge pro Kilowatt Heizleistung bei nur 9,7 g Propan liegt. »Dies entspricht etwa der Propan-Menge in fünf Feuerzeugen«, verdeutlicht Projektmanager Clemens Dankwerth vom Fraunhofer ISE. Das Ziel des Projekts, die spezifische Kältemittelmenge auf 15 bis 30 g/kW zu reduzieren, ist damit deutlich übertroffen. Zum Vergleich: Handelsübliche Wärmepumpen liegen bei etwa 60 g Propan pro Kilowatt.
Der Rekord-Kältekreis ist in dieser Form allerdings noch nicht für eine Markteinführung reif, da ein halbhermetischer Automobil-Verdichter eingesetzt wurde. Dieser benötigt dank seiner hohen Drehgeschwindigkeit und der geringen Ölmenge weniger Kältemittel bei höherer Leistung. Die Verdichter aus der Automobilbranche sind bisher nicht auf die hohen Betriebsstunden einer 20 Jahre laufenden Wärmepumpe ausgelegt.
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»Die Hersteller arbeitet aber bereits an vollhermetischen Verdichtern mit längerer Lebenszeit«, blickt Clemens Dankwerth voraus. Die finale Ausführung des Rekordkältekreises würde mit etwas mehr Kältemittel und einem etwas größeren Wärmeübertrager umgesetzt, um ein ausgewogeneres System zu erreichen. Die Ziele des Projekts LC150 – ein Kältekreis mit 8 bis 10 kW Leistung bei einer maximalen Füllmenge von 150 g Kältemittel – seien damit auch unter realen Einsatzbedingungen erreichbar.
Auch der bisher zweitbeste Kältekreis im Testprogramm erfüllte mit einer Füllmenge von 164 g Propan bei einer Effizienz von 4,8 und einer Heizleistung von 8,1 kW die Zielvorgaben des Projekts. Hier kam ein herkömmlicher vollhermetischer Verdichter zum Einsatz.
Neben dem Verdichter arbeitet das Forschungsteam bereits an weiteren Stellschrauben, um die Kältemittelmenge zu senken: Das innere Volumen der Wärmeübertrager und die benötige Ölmenge werden reduziert, auch Zusatzbauteile wie Sensoren werden auf das Nötigste beschränkt. Die Rohrleitungen werden außerdem so kurz wie möglich gehalten, um die inneren Volumina zu reduzieren.
Ausblick
Aus der in den Kreuztests gewonnenen Datenbasis wollen die Forscher nun methodische Zusammenhänge ableiten, damit kältemittelreduzierte Wärmepumpen zukünftig mit weniger Aufwand ausgelegt werden können. Die Polytechnische Universität von Valencia entwickelt dafür mit ihrer Software »IMST-Art« ein Werkzeug für simulative Voraussagen. Während der Messkampagne werden die Simulationsergebnisse mit den tatsächlichen Messwerten abgeglichen; die Software wird so laufend verbessert.
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