ISE startet Ein-Jahr-Messkampagne zu Propan-Wärmepumpen

Zur weiteren Entwicklung und Optimierung von hocheffizienten Propan-Wärmepumpen hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme eine zwölf Monate dauernde Messkampagne gestartet, bei der 40 bis 80 verschiedene Wärmepumpenvarianten geprüft werden.

Im 2020 gestarteten Projekt „LC150 Entwicklung eines kältemittelreduzierten Wärmepumpenmoduls mit Propan“ entwickelt das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) gemeinsam mit Industriepartnern kompakte Kältekreise für Wärmepumpen, die möglichst energieeffizient und mit geringen Mengen des natürlichen Kältemittels Propan betrieben werden. Dabei steht „LC150“ für eine Füllmenge von maximal 150 g des brennbaren Kältemittels Propan, mit der eine maximale Heizleistung der Wärmepumpe erreicht werden soll.

Messreihe Propan-Wärmepumpe
In umfangreichen Messreihen werden an parallelen Messständen verschiedene Bauarten von Propan-Wärmepumpen getestet und optimiert. (Abb. © Fraunhofer ISE)

Die Ziele des Projekts

Im Fokus des Projekts steht die mit Wärmepumpenherstellern und Zulieferern abgestimmte Entwicklung eines für unterschiedliche Komponenten qualifizierten, standardisierten kältemittel-reduzierten Kältekreises. Die Ergebnisse sollen den beteiligten Partnern konzeptionell zur Verfügung gestellt oder in einer gemeinsamen Fertigung umgesetzt werden.
Bislang entwickeln die Hersteller ihre eigenen Kältekreise für unterschiedliche Kältemittel und Leistungsklassen. „LC150“ geht nun neue Wege mit einer gemeinsamen Plattformentwicklung, die durch höhere Stückzahlen und eine automatisierte Produktion eine deutliche Kostensenkung ermöglicht. Ähnlich wie bei Automobilherstellern sollen auch im Wärmepumpenbereich durch die Schaffung von Standards Synergien geschaffen werden. Mit dem entstehenden Auslegungswissen können eine modulare Bauweise (Baukasten-System) für unterschiedliche Baureihen und Leistungsklassen und somit weitere Synergien erschlossen werden.
Das Projekt hat eine Laufzeit bis März 2023 und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit insgesamt rund 3,36 Mio. € gefördert. Industriepartner, die das Projekt ergänzend finanziell fördern, sind zum Beispiel die Unternehmen ait-deutschland GmbH, Kasendorf, BDR Thermea S.A.R.L, Apeldoorn/Niederlande, Bosch Thermotechnik GmbH, Wetzlar, Kermi GmbH, Platting, Vaillant GmbH, Remscheid, und die Viessmann Werke GmbH, Allendorf.

Propan als natürliches Kältemittel

Infolge der Umsetzung der europäischen F-Gase-Verordnung gewinnt Propan als natürliches Kältemittel mit einem geringem Treibhauspotenzial von 3 (GWP) an Bedeutung. Seine Vorteile liegen in der breiten Verfügbarkeit und in sehr guten thermodynamischen Eigenschaften, die eine höhere Effizienz gegenüber konventionellen Wärmepumpen ermöglichen. Dem ISE ist es 2019 im Rahmen einer Potenzialstudie gelungen, einen auf marktverfügbaren Komponenten beruhenden Sole-Wasser-Kältekreis zu entwickeln, der für eine Heizleistung von 8 kW nur 150 g Propan benötigt. Eine auf diesem Konzept basierende Wärmepumpe dürfte aufgrund der geringen Füllmenge auch ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen in Häusern eingesetzt werden. „Wir sind zuversichtlich, dass diese Verringerung des Kältemittels durch einen Zuschnitt aller Einzelkomponenten auf das Kältemittel Propan auch für andere Leistungen und Betriebspunkte erreicht werden kann“, prognostizierte Dr. Peter Schossig, Bereichsleiter Thermische Systeme und Gebäudetechnik, Ende 2020.
Einen ausführlichen Beitrag mit vielen Informationen veröffentlichte cci Zeitung zum Start des Projekts in Ausgabe 01/2021 auf Seite 6 und 7 hier (https://cci-dialog.de/?uploadUrl=wp-content%2Fuploads%2F2021%2F08%2Fcci_zeitung-2021-01-archiv-protected.pdf).

Messkampagne gestartet

Im Herbst 2021 hat das ISE nun auf Basis von Voruntersuchungen und -entwicklungen eine großangelegte automatisierte Kreuzevaluation gestartet, bei der ein Jahr lang verschiedene Einzelkomponenten von Wärmepumpen in dutzenden Kombinationsvarianten und unter verschiedenen Betriebsparametern getestet werden. Ziele sind die weitere Verringerung der benötigten Kältemittelmenge, das Erkennen methodischer Zusammenhänge und das Gewinnen von Daten für Simulations-Auslegungen von Wärmepumpen.
Für die Messkampagne werden zwischen 40 und 80 Prototypen für Sole-Wärmepumpen gebaut, wobei die einzelnen Komponenten (Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger, interner Wärmeübertrager und Expansionsventil) in verschiedenen Konstellationen zusammengesetzt werden. An drei identischen Testständen laufen die Tests parallel ein Jahr lang 24 Stunden am Tag, wobei pro Prototyp zwischen 30 und 150 Betriebspunkte angefahren. Bei den Untersuchungen erfassen 26 Sensoren in den Prototypen kontinuierlich Temperaturen, Drücke, Leistungsaufnahmen und Volumenströme. 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. Zur automatisierten Durchführung der Tests entwickelt das ISE-Team auch ein System zur automatischen Kältemittelbefüllung und -entleerung der Wärmepumpen.
„Die Messkampagne lebt von der breiten Beteiligung von Komponentenlieferanten, die sich durch das Bereitstellen marktverfügbarer und gezielt angepasster Komponenten wie Wärmeübertrager und Verdichter an dem Projekt beteiligen. Mit der automatisierten Prüftechnik 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 für die Projektpartner in vergleichsweise kurzer Zeit einen umfangreichen Datenpool erstellen und so die Basis für die schnelle Marktumsetzung deutlich kältemittelreduzierter Kältekreise legen“, erklärt Dr. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE.
„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. Parallel laufende Simulationen werden durch den Messbetrieb validiert und erzeugen eine große Datenbasis“, ergänzt Projektmanager Clemens Dankwerth.
Auf Basis der Messergebnisse wollen die Forscherinnen und Forscher des ISE dann „Best of“- Kombinationen der besten Komponenten über einen längeren Zeitraum testen, mit dem Ziel der weiteren Füllmengenreduzierung des Kältemittels Propan.

Datenbasis für spätere Simulationen

Aus der gewonnenen Datenbasis will das ISE 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 so laufend verbessert.

Der Beitrag wurde für cci Wissensportal von Dr. Manfred Stahl erstellt (Stand: November 2021).

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