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„Klimaforschung“ einmal anders

26.05.2017 | FoE Sustainable Systems | FoE Mobility & Production | Forschungsinfrastruktur

Von Ulrike Keller

Geht es um zukunftsträchtige Fahrzeugtechnologien, stehen energieeffizientere Klimaanlagen im Forschungsfokus. In den Klimakammern am Institut für Wärmetechnik der TU Graz können neue Entwicklungen getestet werden.

Systemprüfstand für das Projekt „GreenHVAC4Rail“ am Institut für Wärmetechnik der TU Graz.
Systemprüfstand für das Projekt „GreenHVAC4Rail“ am Institut für Wärmetechnik der TU Graz. © VIRTUAL VEHICLE Research Center

Auf gut klimatisierte Zugabteile möchte kein Fahrgast mehr verzichten. Doch haben Sie gewusst, dass bis zu 20 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs eines Zuges für die Beheizung und Klimatisierung aufgewendet wird? „In diesem Bereich gibt es noch enormes Einsparpotenzial“, erklärt René Rieberer vom Institut für Wärmetechnik der TU Graz, der bereits an konkreten Lösungen forscht: „Derzeit kommen in Zügen vorwiegend elektrische Direktheizsysteme, also Widerstandsheizungen, zum Einsatz. In naher Zukunft könnten diese durch Kälteanlagen mit Wärmepumpenfunktion ersetzt werden, die nicht nur energieeffizienter, sondern auch umweltfreundlicher sind“, so René Rieberer.

Wie ein Kühlschrank

Die Kälteanlage einer Klimaanlage funktioniert wie ein Kühlschrank: Ein Kältemittel nimmt im Verdampfer zuerst Wärme – etwa vom Zugabteil, PKW-Innenraum oder vom Gebäude – auf, indem es verdampft und so Kühlung bewirkt. Danach wird es im Kreislauf wieder komprimiert, wobei die Temperatur stark ansteigt. Die bei der Kühlung aufgenommene Wärme wird zusammen mit der Antriebsenergie des Kompressors als Abwärme nach Außen abgegeben. So funktioniert prinzipiell auch eine Wärmepumpe, nur wird der Prozess umgelenkt: Aus der Umgebung wird Wärme aufgenommen und dann anschließend zusammen mit der Antriebsenergie des Kompressors als Nutzwärme zum Beispiel an die Zugkabine oder an den Heizungskreislauf im Gebäude abgegeben. Die dabei erreichbare Effizienz ist um ein vielfaches höher als bei der elektrischen Direktheizung.

Im FFG-Projekt „GreenHVAC4Rail“ entwickelten Forschende der TU Graz und vom VIRTUAL VEHICLE Research Center (ViF) zusammen mit den Firmenpartnern Obrist Engineering, Liebherr-Transportation Systems und Rupert Fertinger eine Klimaanlage zum Heizen und Kühlen speziell für Schienenfahrzeuge, die mit dem umweltfreundlichen Kältemittel CO2 arbeitet. Im Vergleich zu den derzeit verwendeten teilhalogenierten Fluor-Kohlen-Wasserstoffen (HFKWs) weist CO2 ein vernachlässigbares Treibhauspotenzial auf. „Eine große Herausforderung im Projekt war es“, so Alois Steiner, Projektleiter am VIRTUAL VEHICLE Research Center in Graz, „ein Konzept mit einer Schaltungsvariante zu finden, das drei verschiedene Betriebsarten ermöglicht: einen Kühlbetrieb, einen Heizbetrieb sowie den aufgrund der Eisbildung im Winter notwendigen Abtaubetrieb des Außenraumwärmetauschers, der am Dach des Zuges montiert ist und allen Witterungsbedingungen standhalten muss.“

Systemprüfstand am Institut für Wärmetechnik

Um die Kälte- und Heizleistung der umweltfreundlichen Prototyp-Anlage auf ihre Effizienz und Funktionstüchtigkeit zu testen, richteten die Forschenden in einer der Klimakammern an der TU Graz einen Systemprüfstand ein. „Das Versuchsprogramm umfasste Tests bei Umgebungstemperaturen von -10 Grad Celsius bis +50 Grad Celsius „Die Messergebnisse haben gezeigt, dass die Wärmepumpe in der kalten Jahreszeit bis zu 40 Prozent Strom im Vergleich zu den rein elektrischen Heizanlagen einsparen kann“, so René Rieberer.

Detailliertere Informationen zum FFG-geförderten Projekt „GreenHVAC4Rail“ finden Sie im VIRTUAL VEHICLE magazine Nr. 23 ab Seite 14. Um die Projektergebnisse weiter zu verbessern und die Komponenten für einen Serieneinsatz tauglich zu machen, startete im Frühjahr 2017 das Projekt „ECO2JET“.

Die drei Klimakammern am Institut für Wärmetechnik der TU Graz.

Die drei Klimakammern am Institut für Wärmetechnik der TU Graz. Die zwei kleineren Klimakammern (Eigentümer: VIRTUAL VEHICLE Research Center, ViF) sind für PKW-Anwendungen im Einsatz. Im Hintergrund (v.l.): Alois Steiner (ViF) und René Rieberer am Dach der großen Klimakammer, in der der Systemprüfstand für „GreenHVAC4Rail“ untergebracht war und die auch für stationäre Anwendungen – z. B. zur Vermessung von Supermarkt-Kühlmöbeln und Heizungswärmepumpen – genutzt wird.

Energieeffiziente Klimaanlagen für Hybrid- und Elektroautos

Erfahrungen mit CO2-Klimaanlagen mit Wärmepumpenfunktion haben die „GreenHVAC4Rail“-Projektpartner bereits in einem anderen Projekt gesammelt: 2013 wurde ein Prototyp einer CO2-Klimaanlage mit Wärmepumpenfunktion für Hybrid- und Elektroautos entwickelt. Bei diesen Antriebssystemen spielt die Effizienz der Klimaanlage eine wesentlich größere Rolle als bei konventionellen Fahrzeugen. Denn die beim Verbrennungsmotor erzeugte Abwärme, die zum Heizen genutzt wird, fällt teilweise oder sogar ganz weg. Deshalb wird der Innenraum meist mit einer elektrischen Direktheizung beheizt, was die Batterie der Fahrzeuge deutlich belastet und ihre Reichweite drastisch reduziert.

Ziel des Projekts war es, das Wärmepumpensystem so effizient wie möglich zu gestalten. Gleichzeitig galt es, die Eisbildung, die bei niedrigen Temperaturen am Außenwärmetauscher auftritt und die Wärmepumpenleistung einschränkt, zu minimieren. Um das Wärmepumpensystem mit dem Enteisungssystem zu optimieren, wurden am Institut für Wärmetechnik Messungen am Prototyp einer CO2-Klimaanlage mit Wärmepumpenfunktion durchgeführt – mit einem beachtlichen Ergebnis: Die Forschenden konnten zeigen, dass mit dem neuen Wärmepumpensystem der Jahresgesamtenergieverbrauch für die Beheizung und Klimatisierung um bis zu 40 Prozent reduziert werden kann.

E-Fahrzeug in einer Klimakammer der TU Graz.

Zur Optimierung des Gesamtvorgangs (Erkennung der Vereisung – Umschaltung in den Enteisungsbetrieb – Rückkehr zum Wärmepumpenbetrieb nach abgeschlossener Enteisung) wurden in der großen Klimakammer am Institut für Wärmetechnik der TU Graz Messungen am Prototyp einer CO2-Klimaanlage mit Wärmepumpenfunktion in einem E-Fahrzeug durchgeführt.

Dieses Forschungsgebiet der TU Graz ist in den Fields of Expertise "Mobility & Production" und "Sustainable Systems" verankert.

Information

Die Schwerpunkte des Instituts für Wärmetechnik bei Forschung und Entwicklung im Bereich Heizungs-, Kälte- und Klimatechnik sind:

  • Kompressions- und Absorptions-Kälteanlage und Wärmepumpen
  • Alternative Kältemittel und Kreisläufe
  • Simulationstechnische und experimentelle Analysen von Komponenten und Gesamtsystemen
  • PKW-Klimatisierung und -zuheizung im Rahmen des Kompetenzzentrums „ViF“

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
www.iwt.tugraz.at