Warmtepompen gebruiken omgevingsenergie om ons van warmte te voorzien. Echter, ze vereisen over het algemeen synthetische koelmiddelen, die voor het milieu schadelijke gefluoreerde broeikasgassen (F-gassen) bevatten. Onderzoekers van Fraunhofer hebben nu bijgedragen aan de ontwikkeling van een warmtepomp die in plaats daarvan propaan gebruikt. De pomp is zowel klimaatvriendelijker als efficiënter.

"Verwarming en warm water zijn goed voor ongeveer 40 procent van het Duitse eindverbruik van energie. Het verbranden van hoogwaardige fossiele brandstoffen zoals aardgas of ruwe olie heeft niet alleen energetisch weinig zin, het schaadt ook het klimaat. Elke eenheid elektrische energie die nodig is om een ​​warmtepomp te laten werken, vaak afgeleid van hernieuwbare bronnen, genereert drie tot vijf eenheden CO ₂ -neutrale warmte-energie. Dit maakt warmtepompen een belangrijk element bij het implementeren van de overgang van Duitsland naar een duurzaam energiesysteem, " zegt dr. Marek Miara, die het werk aan warmtepompen coördineert bij het Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE in Freiburg.

Een warmtepomp werkt op dezelfde manier als een koelkast. Het koelmiddel absorbeert de warmte in de koelkast en transporteert deze naar buiten. Het verschil is dat warmte die vrij uit de achterkant van een koelkast kan ontsnappen, is wat een warmtepomp onttrekt – in dit geval uit de grond, grondwater, of omgevingslucht - om onze huizen of water te verwarmen.

Om dit te behalen, de verwarmde, verdampt koelmiddel wordt gecomprimeerd, die de temperatuur en druk verhoogt. Het hete koelgas geeft zijn warmte af aan water en condenseert. Het warme water stroomt in vloerverwarmingen, radiatoren of warmwatertanks, terwijl het vloeibare koelmiddel, nu koel, stroomt terug in een zogenaamde verdamper, waar het opnieuw warmte-energie absorbeert. De cyclus begint dan weer van voren af ​​aan.

Voor het grootste gedeelte, koudemiddelen zijn samengesteld uit een mengsel van synthetische stoffen die milieubelastende, gefluoreerde broeikasgassen (F-gassen). In juni 2014, de Europese Commissie heeft aangekondigd dat F-gassen uit de markt zullen worden genomen. Een milieuvriendelijke, natuurlijk alternatief voor synthetische koudemiddelen is propaan, die al aan populariteit wint in airconditioning- en koelsystemen. Maar het gebruik ervan in warmtepompen is nog relatief nieuw.

Want hoewel propaan uitstekende thermodynamische eigenschappen heeft, het is licht ontvlambaar, en dit vormt een uitdaging bij gebruik in een warmtecyclus.

"Als je propaan wilt gebruiken, u moet de hoeveelheid koelmiddel zo laag mogelijk houden om de risico's te minimaliseren, " zegt dr. Lena Schnabel, hoofd van de afdeling verwarmings- en koeltechnologieën bij Fraunhofer ISE.

Een bionische structuur zorgt voor een gelijkmatige verdeling

De oplossing van de ISE-onderzoekers, samen met hun Europese onderzoekspartners, is om zeer compacte, gesoldeerd, warmtewisselaars met ribben die goed werken met kleine hoeveelheden vloeistof. De thermische energie wordt via warmtewisselaars van de ene stromende stof naar de andere overgebracht. Deze zijn samengesteld uit talrijke parallelle kanalen die het circulerende koelmiddel bevatten, die ofwel warmte absorberen (bekend als "verdampers") of deze uitstralen ("condensors"). "De vloeistof moet volledig verdampen of opnieuw condenseren over de looplengte. Om te garanderen dat ze efficiënt werken, de damp-vloeistofverhouding moet in alle kanalen gelijk zijn. Over het algemeen, dat is niet gemakkelijk te bereiken, en het wordt vooral lastig als je ook probeert de hoeveelheid koelmiddel te beperken."

Het probleem oplossen, Schnabel en haar team ontwikkelden een distributeur met een bionische structuur:"Conventionele Venturi-distributeurs zien eruit als een stapel spaghetti gemaakt van vele dunne buizen die samenvloeien waar ze de verdamper ontmoeten. Onze distributeur is anders:hij heeft een continu vertakte structuur zoals de takken en takjes van een boom, die zorgen voor een gelijkmatige verdeling van het koudemiddel in de afzonderlijke verdamperkanalen, zelfs met een kleine hoeveelheid koudemiddel." Deze structuur maakt een optimaal gebruik van het volledige oppervlak van de warmtewisselaar mogelijk, wat de efficiëntie verbetert.

Om het explosiegevaar bij het comprimeren van propaan te verminderen, Schnabel en haar team gebruikten een gespecialiseerde compressor waarin alle ontstekingsbronnen waren ingekapseld. Ze hebben veel zorg besteed aan het aansluiten van de afzonderlijke componenten van de pomp om te voorkomen dat propaan ontsnapt. "Momenteel passen we het technisch ontwerp van de warmtepomp aan, het langetermijngedrag van zijn componenten testen, en het ontwikkelen van duurzame veiligheidsstrategieën, ', zegt Schnabel.