Thermoelektrische Mikrowärmepumpe

02.05.2021 | Veröffentlicht in Ausgabe 05-2021 | Druckvorschau

Die Schlüsselfunktion der elektrisch angetriebenen Wärmepumpe für die Wärmewende erfordert auch Lösungen für spezielle Anwendungsfelder. An der FH Aachen wird untersucht, wie sich Thermoelektrik für Wärmepumpen zur Raumtemperierung nutzen lässt, beispielsweise zur Modernisierung von Gas-Etagenheizungen.

Bild 1 Außeneinheiten von Wärmepumpen / Klimaanlagen. Ohne unauffällige / ästhetische Lösungen zur architektonischen Integration der Außeneinheiten bzw. der Außen- und Fortluftgitter zum Erschließen der Außenluft als Wärmequelle wird die Marktdurchdringung im Gebäudebestand erschwert.

Kompakt zusammengefasst
■ Thermoelektrische Wärmepumpen sind eine bereits bewährte Lösung in elektrischen Kühlboxen.
■ Eine Übertragung des dabei genutzten Peltier-Effekts auf die Gebäudeheizung verspricht zahlreiche Vorteile: Lautloser Prozess ohne Kältemittel, umkehrbare Funktion, geringer Platzbedarf und die Leistung ist gut regelbar.
■ Für praxistaugliche Produkte mit attraktiven Leistungszahlen sind allerdings mehrere Herausforderungen zu überwinden, wie ein erster Testaufbau an der FH Aachen zeigt. Ein zweiter Testaufbau soll identifizierte Schwachstellen reduzieren.

Elektrisch betriebene Wärmepumpen sind seit einigen Jahren der eindeutige Gewinner im Ringen um Marktanteile bei den Wärmeerzeugern (Marktanteil Wärmeerzeuger im Neubau: 46 %) [1]. Dieser Trend wird sich voraussichtlich fortsetzen, wenn die nationalen und globalen Ziele zur CO₂-Vermeidung und die damit verbundene Abkehr von fossilen Brennstoffen konsequent verfolgt werden (Bild 2). Allerdings bestehen Herausforderungen, um die Entwicklung auch zukünftig weiter vorteilhaft zu gestalten:

Bild 2 Spezifische CO2-Bilanz der Wärmebereitstellung nach Energieträger [2, 3]. — Bild 2 Spezifische CO₂-Bilanz der Wärmebereitstellung nach Energieträger [2, 3].

Sobald eine andere Wärmequelle als Luft, insbesondere Erdwärme genutzt wird, ist die nachträgliche Installation von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden mit vergleichsweise großem Aufwand verbunden. Wird hingegen Außenluft als Wärmequelle verwendet, sind die Geräuschemissionen und die harmonische Eingliederung der Außeneinheit in die architektonische Gestaltung oft eine Herausforderung (Bild 1) [4].

Ein weiteres Problem im Gebäudebestand kann eine zu hohe Vorlauftemperatur der bisherigen Heizungsanlage sein. Die nachträgliche Installation einer Flächenheizung, die besser zur Charakteristik einer Wärmepumpe passt, ist sehr aufwendig, insbesondere im bewohnten Zustand.

Dennoch ist der nachträgliche Einbau für viele einzelne Miet- bzw. Eigentumswohnungen in Mehrfamilienhäusern, die aktuell mit dezentralen Gas-Etagenheizungen beheizt werden, von Interesse. Das ist allerdings bisher kaum realisierbar, weil marktverfügbare Wärmepumpen dafür überdimensioniert und die notwendigen Änderungen in der Leitungsführung unverhältnismäßig sind.

Zur Erschließung weiterer Marktsegmente und Energieeinsparpotenziale im Bereich dezentraler Technik wird deshalb an der FH Aachen im Rahmen des EFRE-Forschungsprojekts „Flexible Module in Holzbauweise (FlexiMoH)“ (Förderkennzeichen: EFRE-0801167) eine auf Thermoelektrik basierende Mikrowärmepumpe konzeptioniert. Hintergrund ist, dass das Prinzip des Modulbaus auch eine gebäudetechnische Entsprechung durch weitgehend dezentrale, modulare Gebäudetechnik finden soll. Der Bau eines ersten Testaufbaus ist bereits erfolgt.

Funktionsprinzip

Unter Thermoelektrizität versteht man die gegenseitige Beeinflussung der physikalischen Größen Temperatur und Elektrizität und ihre Umsetzung ineinander (Seebeck-Effekt, Peltier-Effekt und Thomson-Effekt).

Thermoelektrik kommt aktuell häufig in elektrischen Kühlboxen für den mobilen Gebrauch zum Einsatz. Dort sind Halbleiterelemente verbaut, die bei Stromfluss einseitig kalt werden. Die auf dieser Seite aufgenommene Wärme wird auf der gegenüberliegenden Seite wieder abgegeben, sodass es hier zu einer Temperaturerhöhung gegenüber der Umgebung kommt.

Der Effekt entspricht dem einer Wärmepumpe. Die Grundlage dafür bildet der Peltier-Effekt. Er besagt, dass sich an der Kontaktstelle zweier unterschiedlicher Metalle eine Temperaturdifferenz ausbildet, sobald diese von einem Strom durchflossen wird [5].

Durch den günstigen Aufbau dieser Kontaktstellen lässt sich bei Halbleitermaterialien eine Wärmeaufnahme auf einer Seite und gleichzeitige Wärmeabgabe auf der anderen Seite erreichen. Das resultiert dann in einer Erhöhung der Temperatur auf der wärmeabgebenden und in einer Temperaturabsenkung auf der wärmeaufnehmenden Seite. Eine solche Kombination wird als thermoelektrisches Element (TEE) bezeichnet.

Es ist ersichtlich, dass sich die abgegebene Wärme auf der warmen Seite nicht allein durch die Zufuhr elektrischer Leistung ergibt, sondern auch durch Wärmetransport von der kalten Seite.

Ausgehend von diesen Überlegungen wird an der FH Aachen eine Integration von TEE in dezentrale Lüftungsanlagen untersucht. Als potenzielle Vorteile gegenüber einer konventionellen Wärmepumpe bzw. der konkurrierenden Wärmerückgewinnung mit elektrischer Zuluftnacherhitzung sind insbesondere folgende Faktoren identifiziert worden:

● geringe Geräuschemissionen durch lautlosen thermoelektrischen Prozess

● Prozess frei von Kältemitteln

● einfacher Wechsel zwischen Kühl- und Heizbetrieb durch Änderung der elektrischen Stromrichtung

● geringer Platzbedarf durch Abmessung eines TEE von etwa 4 × 4 × 0,5 cm

● Effizienzvorteil gegenüber rein elektrischer Beheizung

Bild 3 Kennfeld des thermoelektrischen Elements „European Thermodynamics APH-199-14-08“.

Ein einzelnes der untersuchten TEE kann dabei laut Herstellerangaben eine Heizleistung von maximal 516 W bei idealen Bedingungen liefern. Das entspricht einer flächenspezifischen Heizleistung von etwa dem 200-fachen eines konventionellen Heizkörpers.

Weil bei einem thermoelektrischen Element die warme und die kalte Seite in der Regel nur wenige Millimeter voneinander getrennt sind und durch die Halbleiter eine vergleichsweise gut wärmeleitende Verbindung besteht, kommt es immer auch zu einem Rückstrom der Wärme von der warmen auf die kalte Seite.

Dieser Effekt nimmt mit steigendem Temperaturhub (Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite) zu und ist ein Hauptgrund für die begrenzte Effizienz der Technologie. Um eine hohe Effizienz und Leistungszahl zu erreichen, ist es also notwendig, die auftretenden Temperaturdifferenzen und die Auslastung gering zu halten.

Diese Charakteristik lässt sich in (Bild 3) ablesen. Aus dieser Erkenntnis lassen sich folgende Maßnahmen für die Konstruktion und den Betrieb eines Aggregats basierend auf thermoelektrischen Elementen ableiten:

● ein TEE-Betrieb weit unter Nennleistung bewirkt eine Reduktion der Wärmeleitung

● geringe Übertemperaturen bewirken eine sehr gute Wärmeübergabe

● die Verschaltung wie ein Gegenstrom-Wärmeübertrager bewirkt kleine ΔT pro TEE

● eine große Anzahl an TEE bewirkt einen kleinen individuellen Temperaturhub

Anhand dieser Vorgaben wurde ein Testaufbau einer Wärmepumpe aus thermoelektrischen Elementen konstruiert, welcher praxisnahe Erkenntnisse dazu liefern soll.

Testaufbau

Realisiert wurde ein 1,5 m langer Kanal, in dem bis zu zehn TEE Platz finden. Der Kanal ist in eine warme und eine kalte Seite geteilt. Auf jeder Seite der Peltier-Elemente ist ein Aluminium-Kühlkörper angebracht, um die Wärme ab- und zuzuführen.

Im Luftstrom und am Kühlkörper selbst sind Temperatursensoren angebracht. Zur Ermittlung der Leistungsaufnahme sind Strom- und Spannungssensoren installiert. Die elektrische Leistungsaufnahme der Peltier-Elemente ist stufenlos regelbar. Zum Anschluss an bestehende Lüftungssysteme wurden Anschlussrohrstücke angebracht (Bild 4).

Bild 4 Oben: Schema der geplanten Anlage mit qualitativem Temperaturverlauf (kalt = dunkelblau > blau > rot > gelb = warm) im Luftstrom. Unten: Realisierten Teststand.

Eine erste Auswertung der Versuchsdaten ergibt, dass es TEE gibt, die kalt werden und damit Kühlleistung zur Verfügung stellen. Es gibt aber auch TEE, die eher als passive Wärmebrücke von der warmen zur kalten Seite fungieren. In Summe ist deshalb keine Kälteleistung am Luftstrom messbar. Die Aufheizung des Luftvolumenstroms der Warmseite auf etwa 40 °C ist problemlos realisierbar.

Die Analyse zeigt, dass ein Grund für die mangelnde Kälteleistung (und damit geringe Leistungszahl des Prozesses) ein noch nicht ausreichend guter thermischer Anschluss der TEE an die Kühlkörper ist. Die dadurch bedingte Überhitzung der Warmseite und der resultierende Rückfluss der Wärme auch zur Kaltseite, bewirken einen Anstieg der mittleren Temperatur der TEE. Eine wirksame Kühlung ist nicht möglich.

Am Teststand ergriffene Maßnahmen, wie der Einsatz einer verbesserten Wärmeleitpaste und ein gleichmäßigerer Kraftschluss zwischen TEE und Kühlkörper bewirkten eine Verbesserung, waren aber nicht ausreichend, um nennenswerte Kühlleistung zu generieren.

Eine weitere Ursache für die unzureichenden Leistungsmerkmale konnte durch Simulationen der Wärmeströme ermittelt werden: Sie ergaben für die eingesetzten Kühlkörper einen theoretischen Wärmewiderstand von 0,17 K/W. In der Praxis wird dieser Wert aufgrund nicht idealer Wärmeübergänge höher liegen. Berechnungen anhand der Herstellerdaten des TEE zeigen, dass ein Kühleffekt nur bis zu einem Wärmewiderstand von 0,2 K/W theoretisch möglich ist.

Die Herausforderung ist also die Minimierung des Wärmewiderstands, um die gewünschte Funktion zu gewährleisten.

Weitere Entwicklung

Anhand des identifizierten Optimierungsbedarfs ist eine zweite Version des Testaufbaus konzeptioniert worden (Bild 5), die folgende strukturelle Verbesserungen beinhaltet:

l Schema relevanter Temperaturverläufe und Medienströme in einem geplanten zweiten Testaufbau.

Verbesserte Wärmeabfuhr durch separate Wasserkühlung für jedes TEE: Der konvektive Wärmeübergang vom TEE auf Wasser verspricht signifikant höhere Leistungsabfuhr [6]. Zudem kann die Rückkühlung des Wassers über beliebig große Flächen erfolgen und damit bei nahezu beliebig kleiner Temperaturdifferenz.

Verbesserung der Wärmezufuhr durch Nutzung von Heatpipes: Heatpipes („Wärmerohre“) basieren auf geschlossenen Rohren, in denen Flüssigkeit an der Wärmequelle verdampft, zur Wärmesenke strömt, dort kondensiert und zur Wärmequelle zurückfließt. Die effektive Wärmeleitfähigkeit kann die hohe Wärmeleitfähigkeit reinen Kupfers um mehrere Größenordnungen übersteigen [7].

Kompaktere Anordnung der Anlage: Anstatt eines geraden Kanals wird eine mäandernde Luftführung vorgesehen, um durch Mischung eine Reduktion der Temperaturextrema und durch ein besseres A/V- Verhältnis minimale externe Wärmeströme zu erreichen.

Kombination mit einer vorgeschalteten Anlage zur Wärmerückgewinnung: In (Bild 6) ist oben der Temperaturverlauf in einer konventionellen Wärmerückgewinnung dargestellt. Der im mittleren Diagramm abgebildete Temperaturverlauf wird für eine Anlage aus TEE angestrebt. Es wird deutlich, dass die Zuluft über die Raumtemperatur hinaus erwärmt und die Fortluft unter Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

Bild 6 schematischer Temperaturverlauf im Zuluft(zu)- und Abluftkanal(ab) für Wärmerückgewinnung (WRG), Thermoelektrische Anlage (TEE) und Kombination beider Anlagen. xi = 0 ist die Außenluftseite; xi = 1 ist die Innenraumseite.

Der unten dargestellte Temperaturverlauf ist eine Kombination beider Systeme, bei welcher zuerst die Wärmerückgewinnung zum Einsatz kommt. Durch die Wärmerückgewinnung ist sichergestellt, dass die TEE nur zur Nacherhitzung / Nachkühlung eingesetzt werden müssen und kein elektrischer Aufwand für ohnehin rückgewinnbare Wärme entsteht. Neben einer Reduktion des Wärmebedarfs hat eine solche Verschaltung allerdings auch eine größere Temperaturdifferenz für die einzelnen TEE zur Folge, welche den positiven Effekt abschwächt.

Ausblick

Ein erster Testaufbau hat unter Beweis gestellt hat, dass eine Raumtemperierung mittels Thermoelektrik prinzipiell möglich ist, jedoch wurden auch wesentliche Details identifiziert, die einen energetisch sinnvollen Betriebszustand behindern. Dieses sind insbesondere zu große Wärmewiderstände auf dem Weg vom Thermoelektrischen Element zum wärmeaufnehmenden oder -abgebenden Medium.

Daraufhin wurde ein zweiter Testaufbau konzeptioniert, der die genannten Schwachstellen reduziert und dadurch insbesondere eine effizientere Beheizung mit Leistungszahlen im Bereich oberhalb von 1,5, sowie eine effektive Kühlung mit Leistungszahlen oberhalb von 1 ermöglichen soll.

Um die prinzipiell interessanten Potenziale der Technologie voll nutzen zu können (geringe Baugröße, keine Geräuschemissionen, gute Skalierbarkeit, einfacher Wechsel zwischen Heiz- und Kühlbetrieb), besteht weiterer erheblicher Forschungsbedarf u. a. zum bestmöglichen Anlagendesign und zum optimalen Betrieb [8].

Das Vorhaben wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGAdossier Wärmepumpe

Literatur

[1] Deutschland, Baugenehmigungen / Baufertigstellungen von Wohn- und Nichtwohngebäuden (Neubau) nach Art der Beheizung und Art der verwendeten Heizenergie, Lange Reihen ab 1980. Wiesbaden: Statistisches Bundesamt, 2021

[2] Lauf, Thomas; Memmler, Michael; Schneider, Sven: Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger 2018. Dessau Roßlau: Umweltbundesamt, 2019

[3] Dornmair, Rita, Kuhn, Philipp: Dynamische Primärenergiefaktoren – Konzept mit einem Stromsystemmodell. Garching: Technische Universität München, 2017.

[4] waermepumpen.info, Luft-Wasser-Wärmepumpe. [Online]. Verfügbar unter: https://www.waermepumpen.info/luft-wasser (Zugriff am: 22. Februar 2021)

[5] Martorana, R. T.: Thermoelectric Temperature Control of Instrumentation – A Sample Design“. IEEE Trans. Ind. Electron. Control Instrum., IECI-22, Nr. 1, S. 69–75, 1975, doi: 10.1109/TIECI.1975.351224.

[6] Ohadi, M. M.; Dessiatoun, S. V.; Choo, K.; Pecht, M.; Lawler, J. V.: A comparison analysis of air, liquid, and two-phase cooling of data centers. San Jose, CA, USA: 28th Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium (SEMI-THERM 2012), 2012, S. 58–63

[7] Manimaran, R.; Palaniradja, K.; Alagumurthi, N.; Velmurugan, K.: An Investigation of Thermal Performance of Heat Pipe Using Di-water. SCIT, Jg. 2, Nr. 4, S. 77 – 80, 2012

[8] Ma, K.; Zhao, H.; Zhao, K.; Li, G.; Shittu, S.: Building Integrated Thermoelectric Air Conditioners – A Potentially Fully Environmentally Friendly Solution in Building Services. Future Cities and Environment, Jg. 5, Nr. 1, 2019, Art. no. 12, doi: 10.5334/fce.76

Markus Hagenkamp, M.Sc.

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Bauingenieurwesen, Lehrgebiet Gebäudetechnik, an der FH Aachen, University of Applied Sciences, 52066 Aachen, www.fh-aachen.de

Tobias Blanke, M.Sc.

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Effiziente Gebäude- und Anlagentechnik im Solar-Institut Jülich (SIJ), FH Aachen, University of Applied Sciences, 52066 Aachen, www.fh-aachen.de