Fraunhofer ISE optimiert Propan-Kältekreis

Die Sole-Wärmepumpe darf damit ohne umfangreiche Sicherheitsvorkehrungen im Inneren von Gebäuden aufgestellt werden. Pro KW Heizleistung benötigt das Gerät nur rund ein Fünftel der Propanmenge von marktverfügbaren Systemen.

Der Markt stellt Propan-Wärmepumpen meist nur für die Aufstellung im Außenbereich bereit, da Propan brennbar ist und für den Innenbereich erhöhte Sicherheitsanforderungen nötig sind.

Der neu entwickelte kältemittelreduzierte Propan-Kältekreis erreicht mit einem vollhermetischen Verdichter mit 146 g Propan eine Heizleistung von 11,4 KW und unterschreitet damit die vorgeschriebene Höchstmenge für den Innenbereich. Die spezifische Kältemittelfüllmenge liegt bei 12,8 g/KW – rund ein Fünftel der Propanmenge von marktverfügbaren Systemen.

Für den Prototyp verwendete das Team am Fraunhofer ISE marktverfügbare Komponenten. Wesentliche Bausteine sind die Nutzung asymmetrischer Plattenwärmetauscher, die mit weniger Kältemittel auskommen sowie eine reduzierte Ölmenge im Kompressor. Zusatzbauteile wie Sensoren wurden auf das Nötigste beschränkt und die Rohrleitungen so kurz wie möglich gehalten.

Kältemittel Propan als Alternative zu F-Gasen

Derzeit nutzen Wärmepumpen oft Kältemittel mit fluorierten Treibhausgasen (F-Gase). Das Kältemittel verbleibt zwar im geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, doch können im Herstellungsprozess, bei der Befüllung und bei Reparaturen Teile der Substanzen in die Atmosphäre gelangen.

Die derzeit in der Novellierung befindliche EU F-Gase-Verordnung schreibt eine kontinuierliche Reduktion des klimaschädlichen Potenzials von Kältemitteln vor. Bereits seit 2020 sind Kältemittel verboten, deren GWP den Faktor 2.500 übersteigt.

Das Treibhauspotenzial von Propan (R290)  liegt bei nur 3. Zum Vergleich: Das Kältemittel R410A hat einen GWP-Wert von 2.088.

Propan ist weltweit kostengünstig verfügbar und hat sehr gute thermodynamische Eigenschaften, die eine höhere Effizienz gegenüber konventionellen Wärmepumpen ermöglichen. Und anders als bei einem Teil der bisher eingesetzten Kältemittel mit niedrigem GWP entstehen beim Abbauprozess von Propan in der Atmosphäre keine kritischen per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS).

Propan-Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser

Der nächste Schritt für die Forschenden ist die Entwicklung von Propan-Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser. Dafür hat das Fraunhofer ISE Ende Dezember 2022 das neue Projekt LCR290 - Low charge HP solutions gestartet. Gemeinsam mit Heizungsherstellern und der Wohnungswirtschaft sollen einfach anwendbare und multiplizierbare Lösungen für den Austausch von Gas- und Ölheizungen in Mehrfamilienhäusern entwickelt werden.

Die Projektpartner wollen Wärmepumpen-Lösungen für drei Anwendungsfelder entwickeln: Etagenheizungen, innen aufgestellte Zentralheizungen sowie höhere Leistungsklassen für außen aufgestellte Wärmepumpen. Für die Umsetzung als Etagenheizung greifen die Projektpartner auf die Ergebnisse des Projekts LC150 zurück und erarbeiten passende Speicher- und Quellenkonzepte, Lösungen für den Anschluss an das Hydraulik- und Quellensystem sowie geeignete Regelungsansätze.