Füllmengenreduktion in Wärmepumpen

SHERLOCK

Das Ziel des Forschungsvorhabens „SHERLOCK“ ist die Entwicklung effizienterer Wärmepumpen für Gebäude und Gewerbe mit reduzierten Füllmengen durch eine geeignete Wahl des Arbeitsmittelpaares (Kältemittel und Schmierstoff) und eine darauf abgestimmte Komponenten- und Systemauslegung. Mit Hilfe eines im Rahmen des Vorhabens zu entwickelnden Simulationstools, soll außerdem die Entwicklungszeit von Wärmepumpen reduziert werden.

Kurzbeschreibung

Im Forschungsvorhaben SHERLOCK steht die Optimierung von Wärmepumpen für Ein- und Mehrfamilienhäuser im Fokus. Ziel ist die Steigerung der Energieeffizienz der Wärmepumpe sowie die Reduktion der Kältemittelfüllmenge, welche beide durch eine geeignete Wahl des Arbeitsmittelpaares (Kältemittel und Schmierstoff) und eine ideale Komponentenauslegung erreicht werden. Im Speziellen werden Propan-Isobutan-Gemische und geeignete Schmierstoffe auf den relevanten Systemebenen vom Fluid über die Komponenten bis zur Anlage analysiert, bewertet und optimiert.

Für die Optimierung der Wärmepumpe sind drei Ebenen entscheidend: Die Fluid-, die Komponenten- und die Systemebene. Die Ebenen werden sowohl separat als auch im Systemverbund untersucht, um das vollständige Potential der Wärmepumpe auszuschöpfen. Auf der Fluidebene werden Laboruntersuchungen unterschiedlicher Kältemittel(-Gemisch)- Schmierstoff-Paarungen durchgeführt und darauf aufbauend Stoffdatenmodelle entwickelt, die in den anderen Untersuchungsebenen genutzt werden können. Auf der Komponentenebene werden verschiedene Verdichtertypen und -größen experimentell vermessen sowie Wärmeübertrager und Ölabscheider mittels (CFD-) Berechnungen hinsichtlich Energieeffizienz und Füllmenge des Gesamtsystems optimiert. Auf der Systemebene werden die Wechselwirkungen und Verlustmechanismen der optimierten Komponenten im Anlagenverbund experimentell bewertet und die gewonnenen Erkenntnisse zur Validierung der Berechnungsmodelle genutzt. Die validierten, semi-physikalischen Simulationsmodelle werden in ein Auslegungs- und Simulationstool für Wärmepumpen überführt und das Tool wird open-source bereitgestellt. Mit Hilfe dieses Tools können Systemwechselwirkungen und daraus resultierende Verlustmechanismen bereits in frühen Entwicklungsphasen identifiziert und miniert werden, sodass in kürzerer Entwicklungszeit effizientere Anlagen mit reduzierter Kältemittelfüllmenge ausgelegt werden können. Das Forschungsvorhaben SHERLOCK trägt somit systematisch zur Beschleunigung der Wärmewende durch optimiert ausgelegte Wärmepumpen im Gebäudesektor bei.