Effizienzsteigerung von Wärmepumpen

Im Rahmen des öffentlich geförderten Projekts QUEEN-HP – MEEP wurde am Fraunhofer ISE gemeinsam mit Corporate Research der Robert Bosch GmbH ein Prüfstand zur Analyse von 4-Wege-Ventilen entwickelt, um deren Einfluss auf Wärmepumpensysteme detailliert zu analysieren. Der Prüfstand ermöglicht die gezielte Untersuchung des internen Leckagemassenstroms, des internen und externen Wärmestroms sowie der Druckverluste unter realitätsnahen Betriebsbedingungen. Mithilfe präziser Messtechnik können sowohl statische als auch dynamische Kennwerte erfasst werden, um Verlustleistungen zu berechnen. Die gewonnen Daten werden verwendet, um das 4-Wege-Ventil in einem Simulationsmodell abzubilden.

In der Systemsimulation wird festgestellt, dass das 4-Wege-Ventil in der überwiegenden Zahl der Fälle zu einer Reduktion des COPs der Wärmepumpe von 1 % bis 2 % führt. Größtes Optimierungspotential bietet der Druckverlust auf der Niederdruckseite.

Einleitung

Das 4-Wege-Ventil ist ein zentrales Bauteil in Luft-Wasser-Wärmepumpen, das die Kreislaufumkehr des Kältemittels ermöglicht. Es verbindet im Heizbetrieb die Saugleitung mit dem luftseitigen Lamellen-Wärmeübertrager und die Heißgasleitung mit dem wasserseitigen Plattenwärmeübertrager. Im Heizbetrieb wird das Kältemittel vom Verdichter durch den Plattenwärmeübertrager geleitet, wo es Heizwärme abgibt und sich verflüssigt. Anschließend strömt es durch ein Expansionsventil zum Lamellen-Wärmeübertrager, nimmt Umgebungswärme auf, verdampft und wird wieder dem Verdichter zugeführt. Im Kühlbetrieb wird das 4-Wege-Ventil umgeschaltet und das Kältemittel strömt zuerst in den Lamellen-Wärmeübertrager, wo es Wärme an die Umgebung abgibt. Die Verdampfung erfolgt im Plattenwärmeübertrager, wo Wärme aus dem Heizwasserkreislauf des Gebäudes aufgenommen wird. Dieser Betrieb ermöglicht nicht nur die Kühlung des Gebäudes in den Sommermonaten, sondern wird auch im Winter zur Enteisung des Lamellen-Wärmeübertragers aktiviert. Besonders bei hoher Luftfeuchtigkeit und niedrigen Temperaturen vereist der Lamellen-Wärmeübertrager luftseitig, was die Effizienz der Wärmepumpe beeinträchtigt und in regelmäßigen Abständen eine Enteisung erfordert. Die Einbauposition und die Auswirkung auf die Kältemittelrichtung sind in Abb. 1 dargestellt.

Nach dem aktuellen Stand der Technik sind die meisten eingesetzten 4-Wege-Ventile Schieberventile, die aus einem zylindrischen Ventilkörper bestehen, in dem sich ein beweglicher Schieber befindet (Abb. 1 rechts). Der Schieber wird durch den Kältemitteldruck der Hoch- bzw. Niederdruckseite in seine Position gebracht. Der Kältemitteldruck auf der jeweiligen Seite des Schiebers wird durch ein Steuerimpulsventil (Pilotventil) geschaltet. Seitlich am zylindrischen Ventilkörper sind vier Hauptanschlüsse angebracht für den Anschluss der Heiß- und Sauggasseite des Verdichters sowie zwei Leitungen zum Plattenwärmeübertrager und Lamellen-Wärmeübertrager. Durch den Schieber wird der Anschluss des Sauggases entweder mit dem Plattenwärmeübertrager oder dem Lamellen-Wärmeübertrager verbunden. Durch den offenen Raum im Ventilkörper strömt das Heißgas vom Verdichter zum jeweils anderen Wärmeübertrager.

Durch den Schieber und den Ventilkörper kann ein Leckagemassenstrom von der Hochdruck- zur Niederdruckseite auftreten. Außerdem findet durch Schieber und Ventilkörper ein Wärmetransport von der Heißgas- zur Sauggasseite sowie von und zur Umgebung statt, wie in Abb. 2 dargestellt. Zusätzlich verursachen die Umlenkungen der Strömung vom Saug- und Heißgas Druckverluste. In der Literatur existieren Untersuchungen, die den generellen Einsatz von 4-Wege-Ventilen im Vergleich zu anderen Abtaumethoden bewerten, so z. B. Dong et al. 2008. Eine gezielte Untersuchung der beschriebenen internen Effekte im 4-Wege-Ventil ist bisher nur sporadisch Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen gewesen. Zhang et al. (2023) untersuchen die Druckverluste simulativ und validieren diese mittels eines Versuchsaufbaus.

Ziel der Arbeit ist die Quantifizierung der beschriebenen Effekte mit dem Kältemittel Propan (R290) bei realitätsnahen Temperatur- und Druckdifferenzen zwischen Hoch- und Niederdruckseite.

Von Torsten Will, Timo Methler (beide Fraunhofer ISE), Fabian Schmid, Petra Weinbrecht, Andreas Klein (alle Robert Bosch GmbH, Corporate Research)