Erhöhung der Effizienz durch Kältemittelgemische

Die Effizienz von Wärmepumpen hängt von vielen Größen ab: der Auslegung der Komponenten, der Regelung der Wärmepumpe und dem Temperaturniveau der Wärmequelle und -senke. Einen der größten Einflüsse hat allerdings das verwendete Kältemittel /2/. In der Vergangenheit wurden häufig Fluorkohlenwasserstoffe (FKWs) wie etwa R134a eingesetzt. Aufgrund ihrer Treibhauseffekte (GWP) – so ist R134a etwa 1.300 mal schädlicher als CO₂ – findet derzeit ein Kältemittelwechsel hin zu natürlichen Kältemitteln wie R290 (Propan) statt. R290 hat mit einem GWP von 0,02 signifikant niedrigere Auswirkungen aufs Klima und führt gleichzeitig zu höheren Effizienzen der Wärmepumpe. Dennoch geht die Forschung an der Effizienz von Wärmepumpen weiter.

Zeotrope Kältemittel

Eine Möglichkeit zur Effizienzsteigerung bieten zeotrope Kältemittelgemische (nachfolgend Gemische genannt).^*

Fußnoten

• * Ein zeotropes Gemisch ist ein chemisches Gemisch mit unter­schiedlicher Zusammen­setzung in flüssiger und gasförmiger Phase.

Gemische haben im Gegensatz zu Reinstoffen wie R290 die zusätzliche Eigenschaft des Temperaturgleits. Der Temperaturgleit führt dazu, dass der isobare Phasenwechsel (bei konstantem Druck) in den Wärmeübertragern nicht isotherm (bei konstanter Temperatur) stattfindet, sondern eine Temperaturänderung vorliegt. Bild 2 stellt den Effekt vereinfacht dar. Durch den Temperaturgleit kann die Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Quellen- bzw. Senkenmedium reduziert werden, wodurch nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik die Verluste reduziert werden und die Effizienz der Wärmepumpe steigt.

2 - Schematischer Verlauf der Zustandsänderung im Verdampfer und Kondensator von Kältemittelreinstoffen (gestrichelt) und Kältemittelgemischen (durchgezogen). Bild: RWTH Aachen

Um das Verbesserungspotenzial von zeotropen Kältemittelgemischen zu untersuchen, wurde am Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik der RWTH Aachen ein Sole-Wasser-Wärmepumpenprüfstand konzeptioniert. Der Prüfstand (Bild 1) ermöglicht die Untersuchung unterschiedlicher Kältemittel, darunter Reinstoffe und Gemische, und hat einen internen Wärmeübertrager integriert, der die Effizienz der Wärmepumpe zusätzlich steigern kann /3/. Der Prüfstand ist mit Messtechnik ausgestattet, so dass für die vollständige Bilanzierung der Wärmepumpe die Größen Temperatur, Druck, Massenstrom und Volumenstrom aufgenommen werden können. Eine detaillierte Umschreibung des Prüfstands liefert eine Open-Access Publikation /4/.

Untersuchung auf dem Wärmepumpen-Prüfstand

Die dargestellte Wärmepumpe wurde für die Untersuchung von insgesamt neun verschiedenen Kältemitteln (Reinstoffe und Gemische) verwendet. Im Folgenden werden der Übersicht halber allerdings nur fünf Kältemittel miteinander verglichen. Eine Auflistung der Kältemittel bietet Tabelle 1. Als Referenzreinstoffe werden R134a und R290, bei dem es sich um einen Kohlenwasserstoff (KW) handelt, verwendet. Zusätzlich werden die drei Gemische R436A, R454C (Hydrofluorolefin – HFO) und R477A untersucht.

Bild: RWTH Aachen

Im Rahmen der nachfolgenden experimentellen Analyse werden die vier typischen Betriebspunkte B-7/W35, B2/W35, B7/W35 und B12/W35 von Wärmepumpen analysiert. Dabei steht B2 für die Wärmequelle Sole (engl. Brine) mit einer Eintrittstemperatur von 2 °C und W35 für die Wärmesenke Wasser (engl. Water) mit einer Austrittstemperatur von 35 °C. Die Temperaturspreizungen betragen jeweils 5 K.

In Bild 3 ist die Leistungszahl der Wärmepumpe (engl. Coefficient of Performance, COP) im Betriebspunkt B7/W35 dargestellt. Die Leistungszahl einer Wärmepumpe ist ein Maß für die Effizienz der Wärmepumpe und stellt das Verhältnis aus der im Kondensator abgegebenen Wärmeleistung und der im Verdichter aufgenommen elektrischen Leistung dar. Das Bild zeigt, dass die Leistungszahl stark vom verwendeten Kältemittel abhängig ist. Von den fünf dargestellten Kältemitteln führt das konventionelle Kältemittel R134a mit 4,9 zu den niedrigsten Leistungszahlen. Die beiden Kältemittelgemische R436A und R454C führen mit 5,0 zu etwa 2 % höherer Effizienz als R134a. Im Vergleich zu R290 führen alle drei Kältemittel allerdings zu einer deutlichen Reduktion der Effizienz.

3 - Effizienz (COP) der Kältemittel im Betriebspunkt B7/W35 Bild: RWTH Aachen

Die Studie zeigt, dass R290 zu etwa 10 % höherer Effizienz als R134a führt und somit bereits ein sehr wirksames Kältemittel darstellt. Die höchste Effizienz liefert das Gemisch R477A; sie liegt weitere 4,5 % höher als bei R290.

Die Analyse der Effizienz zeigt, dass Gemische die Effizienz der Wärmepumpe im Vergleich zu R290 erhöhen können (R477A). Allerdings können Gemische auch zu Effizienzeinbußen führen (R436A und R454C), obwohl der Temperaturgleit aus thermodynamischer Sicht eine Reduktion der Verluste in den Wärmeübertragern bedeutet. Ursache für die unterschiedlichen Auswirkungen sind Effizienzen in den weiteren Komponenten einer Wärmepumpe, die sich mit dem Einsatz anderer Kältemittel ebenfalls verändern. Insbesondere der Verdichter spielt in diesem Zusammenhang eine übergeordnete Rolle, da er in den meisten Betriebspunkten zu den höchsten Verlusten innerhalb einer Wärmepumpe führt /5/. Für den Verdichter kann ebenfalls eine Effizienz definiert werden. Diese wird in Form des globalen Verdichterwirkungsgrads (η_global) dargestellt.

Wirkungsgrad von Verdichtern

Bild 4 stellt den globalen Verdichterwirkungsgrad der Kältemittel exemplarisch im Betriebspunkt B7/W35 dar. Auffällig ist hierbei, dass der Verlauf des Verdichterwirkungsgrads nahezu identisch zum Verlauf der Effizienz der Wärmepumpe ist und ebenfalls stark vom Kältemittel abhängt. Ursache sind verschiedene Verlustmechanismen innerhalb des Verdichters, die u. a. von den Stoffeigenschaften molare Masse, Viskosität und isobarer Wärmekapazität abhängig sind. Folglich führt ein Wechsel des Kältemittels zu deutlichen Änderungen des Verdichterwirkungsgrads. Gleichzeitig ist der Verdichter für die Hauptverluste einer Wärmepumpe verantwortlich, wodurch die Vorteile der Gemische in Folge des Temperaturgleits aufgewogen werden können. Folglich sind hohe Wirkungsgrade des Verdichters für hohe Effizienzen der Wärmepumpe notwendig.

4 - Globaler Verdichterwirkungsgrad in Abhängigkeit vom Kältemittel im Betriebspunkt B7/W35 Bild: RWTH Aachen

Das Gemisch R477A führt in diesem Fall zu einer Erhöhung des Verdichterwirkungsgrads im Vergleich zu R290; dadurch sinken die Verluste im Verdichter. Zusätzlich bildet das Gemisch einen Temperaturgleit aus; dies reduziert die Verluste in den Wärmeübertragern der Wärmepumpe ebenfalls. Insgesamt folgt daraus, dass das Gemisch R477A die Effizienz der Wärmepumpe im Vergleich zu R290 bei gleichem Temperaturhub steigern kann.

Bild 5 stellt die Effizienz der untersuchten Kältemitteln in weiteren Betriebspunkten dar. Hierfür wurde die Quellentemperatur stufenweise von 12 °C auf –7 °C reduziert. Das Bild zeigt, dass R477A in allen untersuchten Betriebspunkten mindestens ähnliche Effizienzen zu R290 zeigt, in den meisten Betriebspunkten allerdings zu einer Erhöhung der Effizienz der Wärmepumpe führt. Folglich stellt das Gemisch eine effiziente Alternative zu R290 für die Anwendung in zukünftigen Wärmepumpen dar.

5 - Effizienz von Kältemitteln in Abhängigkeit von der Quellentemperatur bei einer Vorlauftemperatur von 35 °C Bild: RWTH Aachen

Entwicklung eines Modells

Um das vollständige Potenzial von Gemischen für die Anwendung in Haushaltswärmepumpen zu bestimmen, wurde aufbauend auf den experimentellen Daten ein Modell entwickelt, das die Bewertung weiterer Kältemittel ermöglicht. Das Modell wurde im Anschluss dafür genutzt, um weitere Gemische zu analysieren. Dafür wurden mit Hilfe von Stoffmodellen neue Mischungen basierend auf sechs Reinstoffen untersucht, die in unterschiedlichen Zusammensetzungen miteinander gemischt wurden. Daraus resultierten insgesamt 291 Gemische, die auf ihr Potenzial in Wärmepumpen untersucht wurden. Die Ergebnisse liefert Bild 6.

6 - Effizienz der Kältemittel in Abhängigkeit der Wärmeleistung bei einer Vorlauftemperatur von 35 °C. Die Ergebnisse sind auf R290 normiert. Bild: RWTH Aachen

In der Simulation werden die Effizienzen mehrerer Betriebspunkte gewichtet betrachtet, um den vollständigen Betriebsbereich der Wärmepumpe abzubilden. Hierfür wird der SCOP (seasonal coefficient of performance) in Anlehnung an die DIN EN 14825 /6/ herangezogen. In Bild 6 ist die Effizienz der Wärmepumpe in Abhängigkeit der Wärmeleistung dargestellt. Jeder Punkt stellt dabei ein Gemisch dar. Zusätzlich sind R290 und R477A als Referenz eingetragen. Aus dem Bild geht hervor, dass im Vergleich zu R477A nur noch geringe Verbesserungen der Wärmepumpeneffizienz möglich sind. Folglich ist es unwahrscheinlich, dass in Zukunft signifikant effizientere Kältemittel als R477A oder R290 für die Anwendung in Haushaltswärmepumpen identifiziert werden.

Fazit

Insgesamt zeigt die Studie, dass Gemische zu Effizienzsteigerungen von Wärmepumpen führen können. Hierbei führt das Kältemittel R477A im Experiment zu den höchsten Effizienzen. Sie liegt um bis zu 4,5 % höher als bei R290. Weiterhin zeigt die Studie, dass ein Temperaturgleit nicht zwangsweise zu einer Erhöhung der Wärmepumpeneffizienz führen muss. Haupteinflussgröße bleibt der Verdichter der Wärmepumpe. Darüber hinaus führt die abschließende simulative Potenzialanalyse zu der Erkenntnis, dass das Verbesserungspotenzial von Gemischen in Haushaltswärmepumpen im Vergleich zu R290 beschränkt ist. Folglich ist es unwahrscheinlich, in Zukunft signifikant effizientere Kältemittel als R477A zu finden.

Literaturhinweise

• /1/ Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Hrsg.), Energieeffizienz in Zahlen: Entwicklungen und Trends in Deutschland 2022: https://www.bmwk.de/Redaktion/DE/Publikationen/Energie/energieeffizienz-in-zahlen-2022.pdf?__blob=publicationFile&v=7

• /2/ McLinden, M. O.; Brown, J. S.; Brignoli, R.; Kazakov, A. F.; Domanski, P. A.: “Limited options for low-global-warming-potential refrigerants,” Nat Commun, vol. 8, no. 1, p. 14476, 2017, doi: 10.1038/ncomms14476

• /3/ Cabello, R.; Sánchez, D.; Llopis, R.; Andreu-Nacher, A.; Calleja-Anta, D.: “Energy impact of the Internal Heat Exchanger in a horizontal freezing cabinet. Experimental evaluation with the R404A low-GWP alternatives R454C, R455A, R468A, R290 and R1270,” International Journal of Refrigeration, 2022, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2022.02.007

• /4/ Höges, C. et al., “Low-GWP refrigerants in heat pumps: An experimental investigation of the influence of an internal heat exchanger,” Energy Conversion and Management: X, vol. 24, p. 100704, 2024, doi: 10.1016/j.ecmx.2024.100704

• /5/ Venzik, V.: „Experimentelle Untersuchung des Fluideinflusses auf die Thermodynamik der Wärmepumpe: Kohlenwasserstoffe und deren Gemische,“ DuEPublico: Duisburg-Essen Publications online, University of Duisburg-Essen, Germany, 2019

• /6/ DIN EN 14825: Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps, with electrically driven compressors, for space heating and cooling – Testing and rating at part load conditions and calculation of seasonal performance; German version EN 14825:2018, 14825, Deutsches Institut für Normung, 2019