Kältemittellabor

Willst Du das Gebäude verändern, schau auf die Energieversorgung.

Wo Menschen leben soll ein angenehmes Raumklima zur Verfügung gestellt werden. Hierfür ist thermische Energie notwendig, die häufig unter Einsatz eines Kältemittelkreislaufs zur Verfügung gestellt wird. Neben den indirekten CO2-Emissionen belasten diese Energiewandlungseinheiten auch mit treibhauswirksamen Kältemittelemissionen das Klima. Eine erfolgreiche Reduktion der Emissionen und ein Austausch der klimaschädlichen hin zu natürlichen Kältemitteln ist daher von besonderer Bedeutung. Die spezifischen Eigenschaften der einzelnen Kältemittel führen jedoch dazu, dass ein Kältemittelkreislauf neben den jeweiligen Betriebsbedingungen/Anforderungen auch speziell für ein bestimmtes Kältemittel ausgelegt ist. Ein einfacher Austausch eines Kältemittels durch ein anderes ist in einer bestehenden Anlage in der Regel nicht möglich

 

Für nachhaltige urbane Energiekonzepte gilt es die viefältigen Wechselwirkungen des Kältemittelkreislaufs als Teil des gesamten Energiesystems besser zu verstehen.

 

Konzept

 

Fluorierte Treibhausgase werden heutzutage in der im Rahmen des Urban Energy Lab 4.0 betrachteten urbanen Energieversorgung als Kältemittel in Kälte- und Klimaanlagen eingesetzt. Das Ziel der Emissionsreduktion dieser Stoffe kann durch technische Maßnahmen an den Anlagen erreicht werden als auch durch den Ersatz natürlicher Kältemittel. Die länderspezifischen Bestrebungen werden dabei durch die europäische Gesetzgebung flankiert. Die EU-Verordnung Nr. 517/2014 regelt die schrittweise Beschränkung der Verkaufsmenge von fluorierten Kohlenwasserstoffen (FKW).

Mit neuen Kältemitteln ändern sich auch die Investitions- und Betriebskosten der Anlagen. Die stofflichen Eigenschaften der verschiedenen Kältemittel ändern sich unter bestimmten Druck- und Temperaturverhältnissen, sodass für jedes Kältemittel günstigere oder weniger günstigere Einsatzbereiche entstehen. Es werden daher Forschungsinfrastrukturen benötigt, die eine detaillierte Analyse des Kältemittelkreislaufes in Interaktion mit dem Gesamtsystem ermöglichen.

Die Effizienz der Wärmepumpe wird neben der Integration in das Gesamtsystem durch vielfältige physikalische Größen innerhalb der Wärmepumpe selbst bestimmt. Diese physikalischen Größen können auf der bisherigen Prüfständen nicht erfasst und beeinflusst werden. Entscheidende Größen sind beispielsweise der Arbeitsmittelmassenstrom durch den Kompressor, der Arbeitsmittelstrom durch das Expansionsventil, die Überhitzung nach der Verdampfung sowie die Ventilöffnung. Mit den neuen Untersuchungsmöglichkeiten innerhalb des Urban Energy Labs 4.0 wird eine ganzheitliche Betrachtung des Wärmepumpensystems ermöglicht und die Möglichkeit gegeben weiteres Optimierungspotential für Wärmepumpen und Kälteanlagen aufzuzeigen sowie neue Konzepte zu entwickeln. Insbesondere im Bereich von regelungstechnischen Ansätzen, für die nun auch die internen Zustände im Arbeitsmittelkreislauf mit einbezogen werden können, sind kostengünstige Ansätze zur optimalen Einstellung von Betriebspunkten mit den passenden Druck- und Massenströmen zu erwarten.

In einer zunehmend dezentral organisierten urbanen Energieversorgung wird die Wärmepumpe eine zunehmend relevante Komponente sein. Wärmepumpen bieten die Möglichkeit überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien in Wärme umzuwandeln. Wärme kann günstiger gespeichert werden als Strom. Dies macht die Wärmepumpe zu einer attraktiven Komponente im intelligenten Stromnetz der Zukunft und ermöglicht die Kopplung des Strom- und Wärmesektors. Allerdings ändern sich damit auch die Anforderungen an Wärmepumpen. So können eine Leistungsregelung, eine erhöhte Anzahl an Schaltspielen oder Betriebsstrategien mit veränderten Randbedingungen erforderlich werden. Hier kommt die bisher fehlende Analysemöglichkeit des Kältemittelkreislaufs zum Tragen.