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Propan als alternatives, umweltfreundliches Kältemittel in Wärmepumpen

(6.12.2018) In der Regel werden Wärmepumpen mit synthetischen und mitunter nicht gerade unumstrittenen Kältemitteln betrieben, die umweltschädliche, fluorierte Treibhausgase (F-Gase) enthalten. Die Europäische Kommission hat deshalb im Juni 2014 beschlossen, dass F-Gase schrittweise vom Markt genommen werden müssen.

Eine umweltfreundliche, natürliche Alternative zu synthetischen Kältemitteln ist beispielsweise Propan - in Klima- und Kälteanlagen bereits zunehmend im Einsatz, in Wärmepumpen aber weit weniger verbreitet. Fraunhofer-Forscher haben darum jetzt im Rahmen eines Konsortiums eine Wärmepumpe mitentwickelt, in der alternativ Propan eingesetzt wird. Das soll Wärmepumpen nicht nur klimafreundlicher, sondern auch effizienter machen.

Zur Erinnerung: Eine Wärmepumpe funktioniert im Prinzip wie ein Kühlschrank: Das Kältemittel entzieht dem Innern eines Kühlschranks Wärme und befördert sie nach draußen. Doch während beim Kühlschrank die Wärme an der Rückwand verpufft, wird die Wärme, die eine Wärmepumpe der Erde, dem Grundwasser oder der Luft entzieht, zum Heizen oder für die Warmwasserzubereitung verwendet. Dazu wird das erwärmte, dampfförmige Kältemittel verdichtet und so seine Temperatur und sein Druck erhöht. Das heiße Kältemittelgas gibt seine Wärme an das Wasser ab und kondensiert. Das warme Wasser strömt in Fußbodenheizungen, Heizkörper oder Warmwasserspeicher und das abgekühlte, flüssige Kältemittel fließt wieder zurück in den Verdampfer, wo es erneut Wärmeenergie aufnimmt. Der Kreislauf beginnt von Neuem:

Grafik © Bundesverband WärmePumpe e.V 

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“, fasst Dr. Lena Schnabel, Leiterin der Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE, die Herausforderungen zusammen.

Bionische Struktur sorgt für gleichmäßige Verteilung

Die ISE-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,“ erklärt Frau Dr. Schnabel.


Verteiler-Modell (Bild © Fraunhofer ISE)

Um das Problem zu lösen, entwickelten Dr. 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 (Bild rechts), 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, kommt außerdem ein spezieller Verdichter zu Einsatz, in dem sämtliche Zündquellen gekapselt wurden. Damit kein Propan entweichen kann, wurden die einzelnen Bauteile der Pumpe besonders sorgfältig miteinander verbunden. „Zur Zeit modifizieren wir die technische Gestaltung der Wärmepumpe, prüfen die Bauteile im Langzeitverhalten und erstellen tragfähige Sicherheitskonzepte“, erklärt die Forscherin.

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