Heizen mit Umweltwärme verursacht einen geringen CO2-Ausstoß, insbesondere bei stetig sinkenden Emissionen der Stromerzeugung. Wärmepumpen sind deshalb eine zukunftssichere Heizungstechnik. Derzeit nutzen sie jedoch noch überwiegend Kältemittel mit hohem Treibhauspotenzial. Eine Wärmepumpe mit einer klimafreundlichen Alternative hat nun das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelt.
Der über die EU-weit geltende F-Gase-Verordnung eingeleitete F-Gase-Phase-down erfordert auch für Wärmepumpen Alternativen zu den bisher überwiegend eingesetzten HFKW-Kältemitteln. Erste Fortschritte sind bereits am Markt erkennbar, doch die bislang entwickelten Alternativen sind fast alle brennbar oder giftig. Sie gehören deshalb überwiegend Sicherheitsgruppen an, für die erhöhte Anforderungen gelten. Dies macht die Systeme teuer.
Propan: Klimafreundliche Alternative zu Standard-Kältemitteln
Die thermodynamisch attraktive Alternative Propan (R290) hat mit einem GWP (Global Warming Potential) von 3 ein sehr niedriges Treibhauspotenzial (das Standard-Kältemittel R410A hat ein GWP von 2088, der bereits verbreitete Nachfolger R32 und zu 50 % Bestandteil von R410A hat ein GWP von 675), ist weltweit kostengünstig verfügbar, ermöglicht hohe Leistungszahlen und hohe Vorlauftemperaturen. Jedoch sind die Sicherheitsauflagen für die Nutzung in Wärmepumpen aufgrund der Brennbarkeit ab einer bestimmten Kältemittelfüllmenge recht umfangreich.
Darum sind Propan-Wärmepumpen zur Innenaufstellung bislang wenig vertreten
Übersteigt eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus mit hier üblichen 5 bis 10 kW Leistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 g des Kältemittels Propan, kann sie nur mit hohen und kostenaufwendigen Sicherheitsmaßnahmen installiert werden. Deshalb sind Heizungs-Wärmepumpen mit Propan als Kältemittel zur Aufstellung im Innenbereich derzeit fast nicht am Markt vertreten.
Neuentwicklung ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für Innenaufstellung einsetzbar
Eine Neuentwicklung des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Arbeitsname LC150 (Bild 1), könnte dies ändern: Die Sole/Wasser-Wärmepumpe erreicht mit 150 g Propan rund 8 kW Heizleistung und wäre so auch ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für eine Aufstellung im Inneren von Häusern einsetzbar. Pro kW sind knapp 20 g Propan erforderlich. Marktverfügbare Systeme liegen aktuell bei 80 bis 90 g/kW. Bei einer Leistung von knapp 2 kW übertreffen sie damit bereits den 150-g-Grenzwert. Die meisten Wärmepumpenhersteller bieten deshalb aktuell nur außen aufgestellte Wärmepumpen mit Propan an.
Effiziente Wärmepumpe mit klimafreundlichem Kältemittel: 1. Schritt erreicht
Dr.-Ing. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme- und Kältetechnik, Kompressionstechnik am Fraunhofer ISE: „Ziel unserer Arbeiten ist eine Wärmepumpe, die ein klimafreundliches Kältemittel nutzt und mit möglichst geringer Kältemittelmenge eine hohe Leistung sowie eine gute Effizienz erreicht. Den ersten Schritt haben wir erreicht. Der Prototyp erzielt das für dieses Marktsegment avisierte Leistungsniveau mit einer sehr geringen Füllmenge, wodurch eine Aufstellung im Innenbereich möglich wäre.“
Ziel des ISE: Kompaktes, kostengünstiges System, das nationalen Sicherheitsanforderungen genügt
Nun will das ISE das System optimieren und Industriepartner für einen breiten Einsatz gewinnen. Auf der Aufgabenliste stehen etwa die Erhöhung der Effizienz und die Entwicklung serientauglicher Designs. Am Ende soll ein kompaktes, kostengünstiges System stehen, das standardisiert ist und den unterschiedlichen nationalen Sicherheitsanforderungen genügt.
Wesentlicher Baustein des Konzepts: Asymmetrischer Platten-Wärmeübertrager
Für den Prototyp wurden marktverfügbare Komponenten verwendet. Ein wesentlicher Baustein des Konzepts ist die Nutzung asymmetrischer Platten-Wärmeübertrager. Da der überwiegende Anteil des Kältemittels sich in den Wärmeübertragern und im Rohrleitungssystem des Wärmepumpensystems befindet, hat die Optimierung der Wärmeübertrager einen großen Einfluss auf die Reduzierung der eingesetzten Kältemittelmenge. Asymmetrische Wärmeübertrager kommen aufgrund ihrer Bauweise mit weniger Kältemittel aus.
Kältemittelbedarf durch reduzierte Ölmenge im Kompressor deutlich verringert
Die ISE-Arbeitsgruppe konnte den Kältemittelbedarf auch durch eine reduzierte Ölmenge im Kompressor deutlich verringern. In Experimenten wurde das System breit untersucht. Betriebsgrößen waren die Variation der Quellen- und Senkentemperaturen, die Verdichterdrehzahl, die Kältemittelfüllmenge, die Ölmenge im Verdichter sowie die Überhitzung.
Dieser Artikel erschien zuerst in der Heftausgabe 01-2020 des TGA Fachplaners unter dem Titel „Propan-Wärmepumpe zur Innenaufstellung“
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