18. Sep 2018

Vorbild Natur: Der neu entwickelte Verteiler orientiert sich an den sich verzweigenden Ästen eines Baumes (Modell). ©Bild: Fraunhofer ISE

Funktionsprinzip Wärmepumpe. ©Bild: Bundesverband Wärmepumpe e.V.

Wärmepumpe: Propan satt umweltschädliche, fluorierte Treibhausgase als Antriebsmittel

(Fraunhofer) Wärmepumpen machen Umweltenergie für Heizzwecke nutzbar. In der Regel werden sie jedoch mit synthetischen Kältemitteln betrieben, die umweltschädliche, fluorierte Treibhausgase (F-Gase) enthalten. Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher haben jetzt im Rahmen eines Konsortiums eine Wärmepumpe mitentwickelt, in der stattdessen Propan eingesetzt wird. Das macht die Pumpe nicht nur klimafreundlicher, sondern auch effizienter.


Als Kältemittel für Wärmepumpen werden in der Regel synthetische Stoffgemische verwendet, die umweltschädliche, fluorierte Treibhausgase (F-Gase) enthalten. Die Europäische Kommission hat im Juni 2014 beschlossen, dass F-Gase schrittweise vom Markt genommen werden müssen. Eine umweltfreundliche, natürliche Alternative zu synthetischen Kältemitteln ist Propan – in Klima- und Kälteanlagen bereits zunehmend im Einsatz, in Wärmepumpen weit weniger verbreitet.

Denn Propan hat zwar sehr gute thermodynamische Eigenschaften, ist aber leicht brennbar und damit eine Herausforderung für die Verwendung im Wärmekreislauf. »Wenn man Propan nutzen will, muss man die Kältemittelmenge so gering wie möglich halten, um das Sicherheitsrisiko zu reduzieren«, sagt Dr. Lena Schnabel, Leiterin der Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE.

Bionische Struktur sorgt für gleichmässige Verteilung
Die ISE-Forscherinnen und Forscher haben daher gemeinsam mit europäischen Forschungspartnern hochkompakte, gelötete Lamellenwärmeübertrager eingesetzt, die mit geringen Flüssigkeitsmengen gut funktionieren. In Wärmeübertragern wird die thermische Energie von einem Stoffstrom auf den anderen übertragen. Sie bestehen aus vielen parallel verlaufenden Kanälen, in denen das Kältemittel zirkuliert und Wärme aufnimmt, dann nennt man sie Verdampfer, oder abgibt, dann heissen sie Verflüssiger. »Die Flüssigkeit soll über die Lauflänge vollständig verdampfen beziehungsweise wieder kondensieren. Um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, muss in allen Kanälen das gleiche Dampf-Flüssigkeitsverhältnis herrschen. Das ist generell nicht einfach und wird besonders schwierig, wenn man gleichzeitig Kältemittel reduzieren will.«

Bionischen Struktur
Um das Problem zu lösen, entwickelten Schnabel und ihr Team einen Verteiler mit einer bionischen Struktur: »Herkömmliche Venturiverteiler sehen aus wie ein Spaghettihaufen aus vielen dünnen Rohren, die in den Verdampfer münden. Unser Verteiler hat im Gegensatz dazu eine kontinuierlich verzweigende Struktur wie die Äste und Zweige eines Baumes, die eine gleichmässige Verteilung des Kältemittels in die einzelnen Verdampferkanäle bei geringer Kältemittelmenge ermöglichen. « Damit kann die gesamte Wärmeübertragerfläche optimal genutzt und so die Effizienz gesteigert werden.

Um bei der Kompression des Propans keine Explosion zu riskieren, verwendeten Schnabel und ihr Team einen speziellen Verdichter, in dem sämtliche Zündquellen gekapselt wurden. Damit kein Propan entweichen kann, wurden die einzelnen Bauteile der Pumpe besonders sorgfältig miteinander verbunden. »Zurzeit modifizieren wir die technische Gestaltung der Wärmepumpe, prüfen die Bauteile im Langzeitverhalten und erstellen tragfähige Sicherheitskonzepte«, sagt Schnabel.

Text: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

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