Fraunhofer ISE
In einer Kreuzevaluation testet das Fraunhofer ISE zur Füllmengenreduktion von Propan-Wärmepumpen 40 bis 80 Prototypen mit verschiedenen Konstellationen der wesentlichen Komponenten.
In dem Forschungsprojekt „LC150 Entwicklung eines kältemittelreduzierten Wärmepumpenmoduls mit Propan“ entwickelt das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) Kältekreise für Heizungs-Wärmepumpen, die möglichst effizient und mit geringen Mengen des klimafreundlichen Kältemittels Propan (R290) betrieben werden.
Nun testet ein Team des Instituts in einer großangelegten automatisierten Kreuzevaluation verschiedene Einzelkomponenten von Wärmepumpen in dutzenden Kombinationsvarianten und unter verschiedenen Betriebsparametern.
Parametervariation generiert einzigartige Datenbasis
Ziele sind die weitere Reduktion der benötigten Kältemittelmenge, das Erkennen methodischer Zusammenhänge und das Gewinnen von Daten für die simulative Auslegung von Wärmepumpen. Die Messkampagne erhebt ein Jahr lang rund um die Uhr eine Fülle an Parametervariationen und generiert damit eine einzigartige Datenbasis.
Für die Messkampagne werden zwischen 40 und 80 Prototypen für Sole/Wasser-Wärmepumpen gebaut, wobei die einzelnen Komponenten (Verdampfer, Verdichter, Kondensator, 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 und die Messwerte von 26 Sensoren aufgezeichnet werden. Für die automatisierte Durchführung der Tests entwickelt das Team des Fraunhofer ISE ein System zur automatischen Kältemittelbefüllung und Kältemittelentleerung der Wärmepumpen, um das aufwendige händische Handling des Propans durch geschultes Fachpersonal zu sparen.
Schnellere Marktumsetzung kältemittelreduzierter Kältekreise
Dr. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE: „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, die in enger Zusammenarbeit mit der EP Ehrler Prüftechnik-Engineering GmbH entwickelt wurde, 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 die Projektpartner in vergleichsweise kurzer Zeit einen umfangreichen multidimensionalen Datenschatz heben und so die Basis für die schnelle Marktumsetzung deutlich kältemittelreduzierter Kältekreise legen.“
Rückblick
Dem Fraunhofer ISE war es bereits 2019 im Rahmen einer Potenzialstudie gelungen, einen auf marktverfügbaren Komponenten beruhenden Sole/Wasser-Kältekreislauf zu entwickeln, der für eine Heizleistung von 8 kW nur 150 g Propan benötigt. Das entspricht einer Kältemittel-Reduktion um 75 % gegenüber marktverfügbaren Systemen. Eine auf diesem Konzept beruhende Wärmepumpe dürfte (ähnlich wie Kühlschränke) auch ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen im Inneren von Häusern eingesetzt werden: Wärmepumpen-Industrie setzt auf Propan-Kältekreis
Sensoren erfassen Temperatur, Druck, Leistungsaufnahme und Volumenströme in den Prototypen, 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.
Fraunhofer ISE
Projektmanager Clemens Dankwerth: „Die Herausforderungen beim Messbetriebs 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. Parallele laufende Simulationen werden durch den Messbetrieb validiert und erzeugen eine große Datenbasis.“
Auf Basis der Messergebnisse will das Fraunhofer-ISE-Team „Best of“- Kombinationen der besten Komponenten über einen längeren Zeitraum testen, mit dem Ziel der weiteren Füllmengenreduzierung des Kältemittels Propan.
Datenbasis für spätere Simulation
Mit dem Start der Messkampagne beginnt mit der Erzeugung und Auswertung der breiten Datenbasis die Kernarbeit des LC150-Entwicklungsprojekts. Aus der gewonnenen Datenbasis wollen die Forscher 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.
Auch die Partner des LC150-Projektkonsortiums können auf die browserbasierte Datenbank mit den vom Fraunhofer ISE aufbereiteten Ergebnissen der Messkampagne zugreifen, um diese nach ihren eigenen Vorgaben auszuwerten.
Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi gefördert (Förderkennzeichen 03EN4001A). ■
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