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Wärmequelle der Zukunft

08.08.2014

Mit luftbasierten Wärmepumpen kann die Umgebungswärme günstig genutzt werden. Im EU-Projekt „Green Heat Pump“ arbeiten Forscher des Austrian Institute of Technology (AIT) an den Luft/Wasser-Wärmepumpen der nächsten Generation.

 

Der CO2-Ausstoß unserer rasant wachsenden Städte ist enorm und muss in den nächsten Jahren drastisch reduziert werden, wenn wir die europäischen Umweltziele auch nur annähernd erreichen wollen. Ein wesentlicher Aspekt bei der Umgestaltung der Städte in nachhaltige Lebensräume für viele Menschen auf relativ kleinem Raum ist die Sanierung und Nachrüstung von Gebäuden mit stark emissionsreduzierten Heizsystemen.
Dabei spielt auch die Wärmepumpentechnologie eine zentrale Rolle, mit der die Umweltenergie zum Heizen, Kühlen und zur Warmwasserbereitung genutzt werden kann. Um sie für den Einsatz im urbanen Raum fitzumachen, sind allerdings noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Zum einen sollten Wärmepumpen aufgrund des begrenzten Platzangebots in Städten einfach in bestehende Gebäude integriert werden können, zum anderen müssen sie mit bereits vorhandenen Energiesystemen kompatibel sein. Nicht zuletzt sollten die Installations- und Betriebskosten so attraktiv werden, dass ein Umstieg auf die Wärmepumpe auch im städtischen Bereich zum Akt nicht nur der ökologischen, sondern auch der wirtschaftlichen Vernunft wird.

Wärmepumpen für den urbanen Raum
Während noch bis vor etwa zehn Jahren an die 80 Prozent aller in Österreich installierten Wärmepumpen erdreichgekoppelte Systeme waren, dominieren heute zunehmend luftbasierte Wärmepumpen. Allerdings ist dafür der Einsatz dieser Systeme vor allem im kleinen Leistungsbereich in Ein- und Zweifamilienhäusern verantwortlich. Als besonders zukunftsträchtig gilt die Nutzung von Luftwärmepumpen aber auch in den Städten mit ihrer notorischen Platznot und dem großen Sanierungsbedarf bereits bestehender Bausubstanz. 
Da bei dieser Technologie keine Bohrungen für Sonden erforderlich sind und keine unbebauten Flächen für horizontale Kollektoren aufgegraben werden müssen, sind luftbasierte Wärmepumpensysteme für die Energieinfrastruktur der Smart Citys von morgen eine interessante Option. Um Luftwärmepumpen für diesen Einsatzbereich noch attraktiver zu machen, wird derzeit an mehreren Themen intensiv gearbeitet und geforscht: etwa die Einsetzbarkeit im größeren Leistungsbereich, eine weitere Steigerung der Gesamtjahreseffizienz, der Einsatz von Kältemitteln mit geringem Treibhauspotenzial oder die Reduktion der Schallemissionen der Außeneinheiten. Letzteres ist insbesondere im dichtbebauten städtischen Raum ein wichtiges Thema.

Arbeit an der nächsten Generation
Im Rahmen des EU-Projekts Green Heat Pump arbeiten Forscher und Komponentenhersteller aus Österreich, Schweden, Deutschland und Belgien an der Entwicklung einer Luftwärmepumpe der nächsten Generation, die noch effizienter sein soll und sich auch für den Einsatz in renovierten Gewerbe- oder Bürogebäuden und großen Wohnblöcken eignet. Koordiniert wird diese internationale Forschungskooperation vom AIT Austrian Institute of Technology, das in Person von Michael Monsberger auch maßgeblich an der Entstehung dieses Projekts beteiligt war. „Ziel des Projekts ist es, neue Ansätze auf der System- und Komponentenebene zu verfolgen, um zukünftige Entwicklungspfade der Technologie aufzuzeigen“, erklärt der Leiter der Business Unit Sustainable Thermal Energy Systems. Von den erarbeiteten Innovationen soll letztlich die gesamte Wärmepumpenbranche profitieren.

Suche nach dem optimalen Kältemittel
Die zentralen Forschungsschwerpunkte umfassen neben der Effizienzsteigerung durch die Entwicklung neuer Komponenten auch den Einsatz eines flammbaren natürlichen Kältemittels und den Aufbau von Schnittstellen zwischen der Wärmepumpe und anderen Energiesystemen sowie Komponenten. Erste Ergebnisse liegen bereits vor. So konnten beispielsweise zwei Kältemittel mit dem geringsten Umwelteinflusspotenzial ermittelt werden. Dabei handelt es sich um ein synthetisches sowie ein natürliches Kältemittel, die beide eine gleich gute Life-Cycle-Climate-Performance (LCCP) aufweisen. „Für die Green Heat Pump wurde das natürliche Kältemittel Propan R290 ausgewählt, da es nicht nur ein sehr niedriges Treibhauspotenzial hat, sondern auch mehr Umweltwärme pro geförderten Volumen aufnehmen kann als andere Kältemittel“, erläutert Projektmitarbeiter Andreas Zottl. „Dadurch lässt sich die benötigte Kältemittelfüllmenge minimieren.“

Experimentieren und simulieren
Parallel zu den Untersuchungen in den Klimakammern des AIT wurde die Performance der unterschiedlichen Lamellen auch in CFD-Simulationen abgebildet. Damit kann man im nächsten Schritt die Geometrien der Lamellen verändern und Optimierungen rechnen, ohne jede einzelne Änderung und ihre Auswirkungen mühsam an realen Lamellenpaketen im Labor durchzutesten. „Aus dem Vergleich zwischen den experimentellen Versuchen und den numerischen Vorhersagen ist zu erkennen, dass die stärkste Vereisung am Eintritt in den Verdampfer stattfindet“, so Zottl. „Mit den beiden Methoden ist es also möglich, die Zeit der Vereisung, die zu einer Minderung der Verdampfer-Effizienz führt, zu bestimmen und damit Empfehlungen für das Verdampferdesign und die Abtaustrategie zu geben.“

Laborprototyp aus neuen Komponenten
Eine zentrale Aufgabe der AIT-Spezialisten ist es, die im Projekt entwickelten neuartigen Komponenten zu einer kompletten Pilot-Wärmepumpe zu integrieren. Die Performance dieser Pilot-Luft/Wasser-Wärmepumpe der nächsten Generation wird dann in den AIT-eigenen Speziallabors getestet. Diese Feuerprobe wird voraussichtlich in einem Jahr erfolgen. Von den neuen Erkenntnissen des „Green Heat Pump“-Projekts sollen in der Folge aber nicht nur die fünf Industriepartner durch die Herstellung optimierter Einzelkomponenten profitieren, sondern die gesamte Branche. 

Autor/in:
Redaktion Gebäudeinstallation
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