WISE - Erweiterung des Sicherheitskonzepts von Wärmepumpen mit brennbarem Kältemittel für den Gasthermenersatz

Ausgangssituation/Motivation

Trotz unsicherer Versorgungslage und kurzzeitiger Preisschocks ist Erdgas weiterhin der größte Primärenergieträger für das Heizen in Europa. In Großstädten wie Wien nutzen unverändert rund die Hälfte aller Haushalte Gas-Kombithermen bzw. Heizwertgeräte zum Heizen oder zur Brauchwasserbereitung.

Dies betrifft vor allem den Bestand im großvolumigen Wohnbau. Wärmepumpen stellen eine nachhaltige Alternative in der Sanierung dar. Als Folge der Verschärfung der F-Gas-Verordnung wird der Einsatz von Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial künftig weiter eingeschränkt. Damit rücken natürliche Kältemittel als Alternative in den Fokus. Diese mehrheitlich als brennbar klassifizierten Kältemittel stellen jedoch hohe Anforderungen an die Sicherheit.

Inhalte und Zielsetzungen

Im Projekt werden Sicherheitskonzepte für den Leckage-Fall entwickelt, bei dem brennbares Kältemittel aus dem Kältekreislauf austritt. Ein Konzept ist die Integration mehrerer Module zur einer Gesamtwärmepumpe, welches die Sicherheit durch kleinere Einzelfüllmengen erhöht. Die Modularität geht jedoch tlw. zu Lasten der Energie- und Ressourceneffizienz.

Der großflächige Ersatz von Gasthermen braucht daher einen Kompromiss zwischen Modularität und Ressourceneffizienz. Dabei werden nicht nur die Leistungsdichte (Wärmeleistung pro Kältemittelmenge), sondern auch die Kosten- und Ressourceneffizienz als entscheidende Kenngrößen des Systems betrachtet.

Die zu entwickelnden Konzepte gewährleisten ein höheres Maß an Sicherheit für die Installation im Wohnbereich als es die aktuell gültige Sicherheitsnorm fordert. Ziel ist, die Konzentration des Kältemittels in der Umgebung der Wärmepumpe unter der Explosionsgrenze zu halten. Die Basis dafür bilden die energie-, kosten- und ressourceneffiziente Konzepte für Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln in der Wohnraumaufstellung zum Ersatz von Gasthermen.

Methodische Vorgehensweise

Im ersten Schritt werden Sicherheitskonzepte für typische Kältekreise für verschiedene natürliche, brennbare Kältemittel ausgearbeitet, um die austretende Masse bei Leckage gering zu halten und die hohe Effizienz beizubehalten. Dazu werden abstrakte Modelle erstellt und Recherchen zu den Sicherheitskonzepten angestellt, sowie die Modellierung und dynamische 1D-Simulation mit Modelica/Dymola aufgebaut.

Im nächsten Schritt werden Testgehäuse und Messkonzepte zu Leckage-Detektion entwickelt, die im Labor optimiert werden. Hierzu werden Transiente 3D-Simulation mit Navier Stokes Solvern - CFD-Tools (Ansys Fluent) als Unterstützung verwendet. Im letzten Schritt wird für eine individuelle Dimensionierung der Komponenten eine Guideline, die aus den Simulationsstudien und Laborversuchen abgeleitet wird, erarbeitet.

Die Entwicklung neuartiger, physischer Leckage-Simulatoren inkl. optimierter Regelung ermöglicht realitätsnähere und einfachere Leckagetests verglichen mit der aktuell gültigen Sicherheitsnorm - für ein noch höheres Maß an Sicherheit im Wohnbereich.

Erwartete Ergebnisse

Die gewonnenen Erkenntnisse werden uunter anderem im internationalen IEA HPT TCP Annex 64: Sicherheitsmaßnahmen für brennbare Kältemittel4 eingebracht, was dazu beiträgt, das Forschungswissen zu erweitern. Zur Verbreitung und Wiederverwendung des gewonnenen Knowhow stehen Best Practises hinsichtlich neuartiger Kopplung von 1D- und 3D-Simulationen am Ort der Leckage zur Verfügung zur realistischen Ermittlung der sich gegenseitig beeinflussenden Vorgänge inner- und außerhalb des Kältekreises.

Projektleitung

OCHSNER Wärmepumpen GmbH

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

AIT - Austrian Institute of Technology GmbH

Stephan Preisinger
Ochsner-Straße 1
Stadt Haag
Tel.: +43 (5) 04245 - 548
E-Mail: stephan.preisinger@ochsner.com
Web: www.ochsner.com