Wärmepumpen-Technologiethemen

Kältemittel zirkulieren als Arbeitsmedium im Kältekreis und transportieren die Wärme von der kalten zur warmen Seite des Prozesses. Die Wahl des Kältemittels ist entscheidend für die erreichbare Effizienz des Kältekreises in Wärmepumpen und kältetechnischen Anwendungen. Allerdings sind Kältemittel unterschiedlich stark klimaschädlich, toxisch und brennbar. Daher bringen sie besondere Anforderungen an die technische Umsetzung von Kältekreisen mit sich.

Die F-Gas-Verordnung der Europäischen Union gibt die schrittweise Reduzierung von klimaschädlichen Kältemitteln vor. Dies führt bei Anlagen- und Geräteherstellern weltweit zu Neuentwicklungen oder Umrüstungen. Natürliche Kältemittel wie z.B. Propan (R-290), Propen (R-1270) und Ammoniak (R-717) bieten hierfür gute technische Möglichkeiten. Im Hinblick auf die Anlagensicherheit erfordern sie allerdings neue Ansätze.

Das Fraunhofer ISE setzt einen besonderen Schwerpunkt auf nachhaltige, effiziente und langfristige Lösungen mit natürlichen Kältemitteln, wie Propan oder auch Wasser. Insbesondere das klimafreundliche, aber leicht brennbare Arbeitsmittel Propan gewinnt für Heizungswärmepumpen an Bedeutung. Wir entwickeln Lösungen, um dessen sichere, effiziente Verwendung zu ermöglichen

Aktuelle FuE-Ansätze:

• Kältemittelreduktion durch kompaktere Bauformen bei Wärmeübertragern und Verdichtern
• Abgestimmte, evaluierte Sicherheitsprüfungen, wie z.B. Ausströmuntersuchungen an Geräten und Kältekreisen
• Entwicklung von Sicherheitskonzepten für Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln
• Einsatz des Kältemittels Wasser für thermische Kälteerzeugung: Nutzung von Abwärme zum Kühlen durch Verfahren der thermischen Kälteerzeugung (Adsorption/ Absorption) 

Die meisten Gebäudewärmepumpen verwenden Luft als Wärmequelle: Umgebungsluft wird angesogen, über einen Wärmeübertrager geführt und dabei abgekühlt. Die Wärme wird im Kältekreis der Wärmepumpe aufgenommen. Durch die Luftströmung und den Kompressor der Wärmepumpe können Schallemissionen entstehen. Diese werden durch die Luft, das Gehäuse und teilweise sogar durch Art und Ort der Aufstellung des Geräts an die Umgebung abgestrahlt. Je nach Installationsort und Betriebspunkt können diese Geräusche als störend wahrgenommen werden. Mit den steigenden Installationszahlen außen aufgestellter Wärmepumpen im Umfeld von Gebäuden steigen daher -  besonders im verdichteten urbanen Raum  - die Anforderungen an die Geräte-Akustik.

Schwerpunkte der Arbeiten am Fraunhofer ISE sind die Charakterisierung und Bewertung von Körperschall und die Ableitung geeigneter Maßnahmen zur Geräuschreduktion. Für die akustischen Messungen und Schwingungsanalysen stehen uns eine breite experimentelle Ausstattung und analytische Expertise zur Verfügung. Der Fokus aktueller Forschungsarbeiten liegt, neben der Umsetzung geräuschreduzierender Maßnahmen, in der Vereinfachung der Prüfverfahren. Ziel ist auch, an bereits marktverfügbaren Anlagen Analysen möglichst schnell und einfach durchführen zu können. 

Aktuelle FuE-Ansätze:

• Entwicklung vereinfachter Verfahren zur Identifikation von Geräuschquellen
• Akustische und strukturdynamische Bewertung von Komponenten (Verdichter) und Geräten
• Ermüdungsanalysen von Verbindungen und Kältekreisen

Der Markt für moderne Heiz- und Klimatisierungstechnik wächst und verändert sich stark, so dass die Hersteller schnell agieren müssen, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu sichern. Die Produkte werden immer effizienter und intelligenter: Durch die Hybridisierung der Geräte, innovative Regelungskonzepte und die smarte Integration in das Energiesystem steigt aber auch deren Komplexität. Damit kommt der Geräte- und Systemvermessung unter kontrollierten Bedingungen sowohl bei der Produktentwicklung als auch bei der Gerät- und Technologiebewertung eine wachsende Bedeutung zu.

Im TestLab Heat Pumps and Chillers führt das Fraunhofer ISE akkreditierte Messungen für Energy Labeling, HP Keymark oder Passivhaus-Kennzeichnung bei fast alle gängigen Produktgruppen durch. Wir unterstützen unsere Industriepartner zudem im Entwicklungsprozess durch innovative Prüf- und Bewertungsmethoden, die verlässliche Informationen über das Produktverhalten unter verschiedenen Betriebsbedingungen bieten. Damit können unsere Partner die Zeit zwischen Idee und Produkteinführung beträchtlich reduzieren. Darüber hinaus entwickeln wir neue, innovative Prüfmethoden, die in Zukunft die Grundlagen der Produktqualifizierung bilden werden. Die umfangreichen Erfahrungen, die wir in zahlreichen FuE-Projekten zu Wärmepumpen und Kältegeräten gesammelt haben, fließen in unsere Verfahren ein.

Leistungen:

• Erweitertes Serviceangebot im akkreditierten Bereich – neue Produktgruppen und Prüfmethoden
• Entwicklung neuer Prüfmethoden für innovative Technologien und hybride Energiesysteme
•  Weiter- und Neuentwicklung von Prüfmethoden für die Energiekennzeichnung
• Hardware-in-the-Loop Prüfungen
• Lösungen zur sicheren Echtzeit-Mess- und –Simulationsdatenübertragung zwischen Labor und Kunden
• Mitarbeit in nationalen und internationalen Gremien zu innovativen Ansätzen der Qualitätsbewertung
• Technologieübergreifende Produktcharakterisierung in Bereichen FuE und Qualitätssicherung

Wärmepumpen sind durch den technologischen Fortschritt der vergangenen Jahre deutlich effizienter geworden. Der nächste bedeutende Optimierungsschritt liegt nun eher in der Steigerung der ökologischen und ökonomischen Effizienz des Gesamtsystems, als in der des einzelnen Geräts. Damit rücken Installation und Betriebsphase in den Fokus. Wärmepumpensysteme werden nicht immer optimal installiert und eingestellt. Dadurch sind sie oft nicht genügend auf die spezifischen Gegebenheiten des jeweiligen Gebäudes ausgerichtet und es entstehen unnötige Effizienzverluste. Zudem können Wärmepumpen so ihrer wichtigen Rolle im Energiesystem der Zukunft nicht ausreichend gerecht werden.

Das Fraunhofer ISE entwickelt Methoden zur digital unterstützten Qualitätssicherung bei der Installation und nutzt Methoden der künstlichen Intelligenz, um die Betriebsphase zu optimieren. So soll nicht nur die schnellere und fehlerarme Installation der Wärmepumpenanlagen vor Ort, sondern auch die Selbstoptimierung und Überwachung während des Betriebs ermöglicht werden. 

Aktuelle FuE-Ansätze:

• Nutzung digitaler Methoden zur Optimierung von Planung, Installation und Betrieb von Wärmepumpen
• Standardisierung der Planung unter anderem durch Kategorisierung verschiedener Wärmepumpensysteme
• Vereinfachung und Beschleunigung der Installationsphase
• Selbstlernende Wärmepumpensysteme für die Optimierung im Betrieb

Ein Kernelement der Energiewende ist die Sektorenkopplung, insbesondere die direkte und indirekte Nutzung von erneuerbarem Strom in allen Verbrauchssektoren. Die bisher verbrennungsbasierten Heiztechniken werden damit durch strombasierte ersetzt werden. Den Wärmepumpen kommt dabei eine Schlüsselrolle zu. Um dies optimal zu gestalten ist deren intelligente Integration ins Energiesystem wesentlich. Ziel ist, Wärmepumpen für die Flexibilisierung der Stromnutzung und damit zur Stabilisierung der Stromnetze zu nutzen. Dazu sind beispielsweise intelligente Steuerungen und Betriebsführungssysteme erforderlich. Neue Geschäftsmodelle für Versorger, Netzbetreiber und Anlagenbesitzer werden entstehen. Am Fraunhofer ISE entwickeln und testen wir Werkzeuge und Konzepte für eine optimale Integration von Wärmepumpen ins Stromsystem der Zukunft.

Aktuelle FuE-Ansätze:

• Analyse von Wärmepumpen/Photovoltaik-Kombinationen im Hinblick auf Eigenstromnutzung und Wechselwirkung mit dem Stromnetz
• Untersuchung des Flexibilisierungspotenzials von Wärmepumpen im Stromnetz
• Monitoring und Optimierung der Regelung und des Designs von Wärmepumpensystemen (»SG Ready 2.0«)
• Entwicklung standardisierter Kommunikationslösungen
• Betriebsführungssysteme auf Basis modellprädikativer oder agentenbasierter Regelstrategien
• Optimierung der Integration von Wärme- und Stromspeichern