Propan-Wärmepumpe erreicht neuen Effizienzrekord

DEUTSCHLAND: Ingenieure in Deutschland, die einen Kältekreislauf auf Propanbasis für Wärmepumpen entwickelt haben, sollen mit nur 124 g Propan eine Heizleistung von 12,8 kW erreicht haben.

Einen Prototyp der Schaltung, Teil des Projekts LC150 (Low Charge 150g), zeigt das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE diese Woche auf der Chillventa in Nürnberg (Halle 4A/Stand 306).

Während Propan sehr gute thermodynamische Eigenschaften und ein geringes Treibhauspotenzial aufweist, begrenzt seine Entflammbarkeit die Ladungsgröße, die sicher verwendet werden kann. Nach Angaben des Fraunhofer ISE verbrauchen derzeit verfügbare Wärmepumpen etwa 60 g Propan pro Kilowatt.

Das Fraunhofer ISE und ein Konsortium von Wärmepumpenherstellern haben Prototypen für Sole-Wärmepumpen gebaut und dabei die einzelnen Komponenten (Verdampfer, Kompressor, Kondensator, Wärmetauscher und Expansionsventil) in unterschiedlichen Konstellationen zusammengebaut. Diese Module werden zwei Wochen lang 24 Stunden am Tag auf Prüfständen gemessen. Jeder Prototyp wird in 30 bis 150 Betriebspunkten gefahren, die Messwerte werden von 26 Sensoren erfasst. Auf der Suche nach der idealen Wärmepumpe wurden bisher 26 Prototypen gebaut, von denen 14 bereits die komplette Messmatrix durchlaufen haben.

Das Gerät mit der besten Komponentenkonstellation erreichte eine maximale Heizleistung von 12,8 kW und einen COP von 4,7 mit nur 124 Gramm Propan. Das Erreichen von nur 9,7 g Propan pro kW Heizleistung übertraf deutlich das Projektziel, die spezifische Kältemittelmenge auf 15–30 g/kW zu reduzieren.

„Das entspricht in etwa der Menge Propan in fünf Feuerzeugen“, erklärt Clemens Dankwerth, Projektleiter am Fraunhofer ISE.

Der rekordverdächtige Kältekreislauf ist in dieser Form noch nicht marktreif, da ein halbhermetischer Automotive-Kompressor zum Einsatz kam. Aufgrund der hohen Drehzahl und des geringen Ölvolumens ist bei höherer Leistung weniger Kältemittel erforderlich. Bisher sind Kfz-Kompressoren nicht für die hohen Betriebsstunden einer Wärmepumpe ausgelegt, die 20 Jahre halten soll.

„Der Hersteller arbeitet jedoch bereits an vollhermetischen Kompressoren mit längerer Lebensdauer“, sagte Clemens Dankwerth.

Die endgültige Version des Rekordkältekreislaufs würde mit etwas mehr Kältemittel und einem etwas größeren Wärmetauscher umgesetzt, um ein ausgewogeneres System zu erreichen, heißt es. Das Forschungsteam besteht darauf, dass die Ziele des LC 150-Projekts – ein Kältekreislauf mit einer Leistung von 8–10 kW und einer maximalen Füllmenge von 150 g Kältemittel – unter realen Betriebsbedingungen erreicht werden können.

Auch der bisher zweitbeste Kühlkreislauf im Testprogramm mit einem herkömmlichen vollhermetischen Kompressor erfüllte die Projektziele: Mit einer Beladung von 164 g Propan wurde eine Heizleistung von 8,1 kW erreicht.

Zusätzlich zum Kompressor reduzierte das Forschungsteam auch das Innenvolumen der Wärmetauscher und die Ölmenge, um die benötigte Kältemittelmenge zu reduzieren. Zusätzliche Komponenten wie Sensoren wurden auf ein Minimum reduziert und die Rohrleitungen so kurz wie möglich gehalten, um das Innenvolumen zu reduzieren.

Das Projekt LC150 wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert und läuft bis März 2023.

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