18.07.2023
Forschung: Kältemittelreduziertes Wärmepumpenmodul mit Propan
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Wärmpumpen sind eine tragende Heizungstechnologie der Zukunft und ihre Weiterentwicklung ein essenzieller Bestandteil der Wärmewende. Umso bedeutender ist die Erforschung nachhaltiger Kältemittellösungen. In Zusammenarbeit des Fraunhofer-Institut ISE und einem Industriekonsortium wurde 2022 ein Projekt vielversprechend abgeschlossen. Ziel des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWK) geförderten Forschungsvorhaben LC150 („low charge 150 g“) war die mit Wärmepumpenherstellern und -zulieferern abgestimmte Entwicklung eines standardisierten und kältemittelreduzierten Kältekreises mit dem Arbeitsfluid Propan.
LC150: Low Charge 150 g
Ein hohes Potenzial bietet das Kältemittel Propan, das mit sehr guten thermodynamischen Eigenschaften und einem geringen Erderwärmungspotentials besticht. Nachteilig ist die Brennbarkeit. Um diesen Nachteil zu minimieren, ist die Reduktion des Kältemittels auf unter 150g (Low Charge 150 g) ein vielversprechender Ansatz.
Ingenieure in Deutschland haben im vergangenen Jahr erfolgreich eine voll funktionsfähige Sole-Wärmepumpe mit einem vollständig hermetischen Kompressor entwickelt. Diese Wärmepumpe hat eine Heizleistung von 11,4 kW und benötigt lediglich 146 g Propan.
Während des LC150-Projekts hat ein Team mehr als 20 verschiedene Kombinationen von Wärmetauschern und Kompressoren aufgebaut, gemessen, bewertet und optimiert. Dank der geringen Menge an Kältemittel ist es möglich, die Wärmepumpe in Gebäuden zu installieren, ohne umfangreiche Sicherheitsvorkehrungen treffen zu müssen. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen benötigt das Gerät nur etwa ein Fünftel der Propanmenge pro Kilowatt Wärmeleistung.
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Reduzierung der Kältemittelfüllmenge
Für den Prototyp mit einem vollhermetischen Kompressor verwendete das Team handelsübliche Komponenten. Eine Schlüsselkomponente waren die asymmetrischen Plattenwärmetauscher, die weniger Kältemittel benötigen. Ebenfalls wurde Maßnahmen ergriffen, um die Kältemittelmenge zu senken:
Im Laufe des Projekts gelang dem Team sogar ein Effizienzrekord: Mit nur 124 g Propan wurde eine Heizleistung von 12,8 kW erreicht. Daraus ergibt sich eine spezifische Kältemittelfüllmenge von ca.10 g/kW. Das Ziel des Projekts, die spezifische Kältemittelmenge auf 15-30 g/kW zu reduzieren, wurde damit deutlich übertroffen. Dabei kam jedoch ein Autokompressor zum Einsatz, der nicht für die hohen Betriebsstunden und die Lebensdauer einer Wärmepumpe ausgelegt ist.