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Innovative Wärmepumpensysteme

27.06.2018 | FoE Sustainable Systems | TU Graz research

Von René Rieberer

Das Institut für Wärmetechnik forscht seit über 30 Jahren an Wärmepumpen. In den vergangenen Jahren gewinnt die Technologie im Gebäudebereich, in der Industrie und in Fahrzeugen mehr Aufmerksamkeit.

R600-Hochtemperaturwärmepumpe im IWT-Labor.

So vielfältig wie die Anwendungsmöglichkeiten von Wärmepumpen ist auch das Spektrum der Forschungsprojekte am Institut für Wärmetechnik. Besonders zur Beheizung von neuen Wohngebäuden mit niedrigem Wärmebedarf sind Wärmepumpen interessant. Heizsysteme in Neubauten müssen Wärme nur auf moderatem Temperaturniveau bereitstellen (typischerweise maximal 35 °C). Das thermodynamische Grundprinzip erlaubt deshalb auch bei tiefen Außentemperaturen eine effiziente Gebäudebeheizung mit Außenluft als Wärmequelle. Am Institut für Wärmetechnik wurden unter anderem prädiktive Regelungsansätze entwickelt, die es erlauben, das Heizungssystem „vorausschauend“ – unter Einbeziehung von Wetterprognosen, zeitlich veränderlichen Stromtarifen und/oder einer „Eigenstromproduktion“ mittels Photovoltaikanlage etc. – zu betreiben. So kann unter Berücksichtigung des „Ladezustandes“ des Gebäudes oder des Warmwasserspeichers die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe entsprechend verändert werden (vgl. Abbildung 1).

Eine Grafik

Modellprädiktive Regelung von Wärmepumpen.

Absorptionswärmepumpen

In den vergangenen Jahrzehnten kaum beachtet, erleben die thermisch angetriebenen Absorptionswärmepumpen eine Renaissance. Sie nutzen zum Antrieb anstelle von Strom Wärme auf hohem Temperaturniveau (rund 80 bis 150 °C). Heute werden sie beispielsweise als Nachfolger der effizienzmäßig ausgereizten Brennwertkessel gehandelt, da gasbefeuerte Absorptionswärmepumpen im Vergleich eine Gasverbrauchsreduktion von 40 Prozent erwarten lassen. Das Institut für Wärmetechnik arbeitet gemeinsam mit einem namhaften Kesselhersteller an der simulationsbasierten Optimierung von gasbefeuerten Ammoniak/Wasser-Absorptionswärmepumpen (vgl. Abbildung 2), die speziell für Bestandsgebäude mit existierender Gasinfrastruktur als Nachrüstungsmöglichkeit gedacht sind.

Gasbetriebene Absorptionswärmepumpe.

Industrielle Anwendung

Ein riesiges Energie- und damit Treibhausgas-Einsparpotenzial schlummert in Industriebetrieben. Vor allem der Einsatz von Wärmepumpen zur Abwärmerückgewinnung oder als Ersatz für Gaskessel gewinnt an Interesse. Eine große Herausforderung liegt aber im geforderten Nutztemperaturniveau, das typischerweise bei 80 °C und höher liegt und mit konventionellen Anlagen nicht erreicht werden kann. In Zusammenarbeit mit dem steirischen Kälteanlagen- und Wärmepumpenhersteller Frigopol arbeitet das Institut für Wärmetechnik im Projekt HotCycle an einer Hochtemperaturwärmepumpe, die mit dem umweltfreundlichen Kältemittel R600 (Butan) betrieben wird und Nutztemperaturen von über 100 °C bereitstellen kann.

E-Fahrzeuge

Elektrisch betriebene Fahrzeuge (Hybrid- bzw. Elektroautos) stellen gewohnte Heizungs- und Klimasysteme vor große Herausforderungen, denn ihnen fehlt eines teilweise bzw. gänzlich: die Motorabwärme, die in konventionellen Fahrzeugen zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums genutzt wird. Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird daher oft eine elektrische Direktheizung (also eine Widerstandsheizung) verwendet, die die Batterie des Fahrzeugs deutlich belastet und so die Reichweite drastisch reduziert. Eine mögliche Alternative ist es, statt der Direktheizung den Kältekreislauf der Klimaanlage im Umkehrbetrieb als Wärmepumpe zu verwenden und so den Energiebedarf deutlich zu reduzieren. Es konnte bereits gezeigt werden, dass der Jahresgesamtenergieverbrauch für Beheizung und Klimatisierung mit einer „reversiblen“ Kälteanlage unter Verwendung des umweltfreundlichen Kältemittels R744 (CO2) um bis zu 40 Prozent reduziert werden kann. Abbildung 4 zeigt ein E-Fahrzeug, das mit einer R744-Kälteanlage/-Wärmepumpe ausgestattet und in der Klimakammer am Institut für Wärmetechnik messtechnisch analysiert wurde.

E-Fahrzeug mit reversibler R744-Kälteanlage in der IWT-Klimakammer.

Schienenfahrzeuge

Auch in Zügen spielt der Energieverbrauch von Nebenaggregaten eine zunehmende Rolle. Bis zu 20 Prozent des gesamten Energieverbrauchs wird für die Beheizung und Klimatisierung aufgewendet. Wie bei E-Autos wird auch in Waggons vorwiegend mit elektrischen Direktheizsystemen gearbeitet, die künftig durch Kälteanlagen mit Wärmepumpenfunktion ersetzt werden könnten. Das Institut für Wärmetechnik hat im Projekt GreenHVAC4Rail gemeinsam mit dem Kompetenzzentrum VIRTUAL VEHICLE und den Firmenpartnern Liebherr-Transportation Systems, Obrist Engineering und Rupert Fertinger einen R744-Kältekreislauf zum Heizen und Kühlen von Schienenfahrzeugen entwickelt. Das Konzept ist so vielversprechend, dass es im Rahmen des Nachfolgeprojekts eco2jet in einem Railjet-Waggon der ÖBB im Realbetrieb getestet werden soll. Aus dieser exemplarischen Aufzählung von Forschungsprojekten wird klar, dass die Wärmepumpentechnik an Bedeutung gewinnt. Hauptsächlich deshalb, weil Wärmepumpen gegenüber konventioneller Wärmebereitstellung eine signifikante Reduktion des Energieverbrauchs und damit auch der Treibhausgasemissionen ermöglichen.

Kontakt

René RIEBERER
Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Institut für Wärmetechnik
Inffeldgasse 25/B
8010 Graz
Tel.: +43 316 873 7302
rene.rieberernoSpam@tugraz.at