Kältemittel auch diesmal im Fokus

Die Auswahl der folgenden Zusammenfassungen bezieht sich auf die Arbeitsabteilungen AA II.2 Anlagen und Komponenten der Kälte- und Wärmepumpentechnik, AA III Kälteanwendung, AA IV Klimatechnik und Wärmepumpenanwendung. Bei mehreren Autoren eines Beitrags ist immer nur der Vortragende namentlich benannt. Die Vorträge waren zumeist gut besucht, vor allem und zu Recht der Vortrag von Dr. Christian Ellwein zur Cyber-Sicherheit in der Kälte- und Klimatechnik. Im überfüllten Raum sprach Philipp Zehentmaier über Kälteanwendung auf Megayachten, ohne besonderes kältetechnisches Potenzial, aber mit ordentlichem Schauwert.

Das Kältemittel R744

Den Reigen eröffnete Sascha  Hellmann, Carrier Kältetechnik Deutschland GmbH, der über effizienzsteigernde und einsatzerweiternde Entwicklungen von R744-Anlagen für Supermärkte sprach. Für kalte Klimata mit der Möglichkeit der Verflüssigung des R744 gibt es einen Gaskühler-Bypass. Für die warmen Klimazonen werden erprobt

Economiser mit Parallelverdichtung durch einen zusätzlichen Verdichter,

Ejektor mit modulierendem Doppelkegel und Schrittmotorventil,

Kältemittelpumpe mit Ejektor und über-flutetem Verdampfer und mit Abwärmenutztung oder in Wärmepumpenschaltung.

Diese Entwicklungen verbessern auch den Einsatz bei Normalklima. Dabei werden erhebliche Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent erreicht.

Florian  Schacherreiter, Hoerbiger Ventilwerke GmbH, stellte ein Ventil für die Leistungsregelung von R744-Hubkolbenverdichtern vor, mit dem eine nahezu stufenlose Leistungsanpassung an den Bedarf der Anlage möglich wird. Zusammen mit Frascold wurde die taktende Saugdruckabsperrung einer Zylinderbank mit Taktzeiten von bis zu 5 s herab erprobt. Dies ist gegenüber der Regelung mittels Frequenzumformer eine deutlich wirtschaftlichere Lösung. Das Ansteuerungsventil muss wegen des hohen Systemdruckes transkritischer Anlagen dicht sein. Als Ergebnis konnte mitgeteilt werden, dass bei einem Teillastanteil von 50 Prozent die Aufnahmeleistung ca. 60 Prozent beträgt und der COP-Wert auf 83 Prozent des Volllastwertes sinkt.

Matthew  Quinn, Emerson, Aachen, beschrieb die rechnerische und experimentelle vergleichsweise Untersuchung eines transkritischen R744-Prozesses in der Grundausführung, mit Flashgas-Bypass und mit mechanischer Unterkühlung. Der Unterkühler-Kälteprozess ist am Ausgang des Gaskühlers angeordnet und mit einem Plattenwärmeübertrager an den R744-Prozess thermisch angekoppelt. Die Versuchseinrichtung und Anordnung wurden ausführlich beschrieben. Die optimalen Systemdruckbedingungen und die wesentlichen Verbesserungen der Kälteleistungen und des COP-Wertes wurden ermittelt, wobei der Prozess mit mechanischer Unterkühlung gegenüber dem Grundprozess bis 30 Prozent mehr Kälteleistung erbringt und den COP-Wert um bis zu 18 Prozent steigert und auch gegenüber dem Flashgas-Prozess fast ähnlich hohe Verbesserungen aufweist.

Ebenfalls mit der Verbesserung der Effektivität von transkritischen R744-Systemen befasste sich Andres Hegglin, Wurm AG, Schweiz. Er geht von der zunehmenden Anwendung dieses Kältemittels im Supermarktbereich aus und beschreibt die Einbindung von Ejektoren zur Anhebung des Saugdruckes, womit die Reduzierung der Verdichterantriebsleistung verbunden ist. Der Jahresenergieverbrauch konnte um über 10 Prozent reduziert werden. Die Ejektoren wurden von SINTEF ausgelegt und sehr sorgfältig gefertigt. Es wurden verschiedene Varianten untersucht und dabei optimaler Mitteldruck und optimaler Gütegrad ermittelt. Bei Abweichung vom Optimalwert des Mitteldruckes treten Leistungseinbußen auf, und es ist auch wichtig, dass beim Betrieb der Anlage die Regelgrößen stabil sind. Im Vergleich der Systeme rangiert die Ejektoranwendung vor der Parallelverdichtung und diese wiederum vor dem Flashgas-Bypass. Die Wirkung der Gesamtheit der Maßnahmen wurde anhand von Messungen an mehreren Kälteanlagen bewertet.

Kältemittel-Ersatzlösungen

Tunca  Sekban, Ho-neywell Stationary Refrigerants, gab in seinem Vortrag Hinweise für die Verwendung geeigneter Solstice-Kältemittel für die Wärmepumpenanwendung. Dabei soll R410A wegen seines hohen GWP-Wertes abgelöst werden. Eine Vorzugsvariante ist R455A (L40), das mit einem GWP von 146 zu den schwer entflammbaren Kältemitteln zählt. Damit sind höhere Warmwassertemperaturen als mit R410A erreichbar. R455A erweist sich auch für Klima- und Prozesskälte-Anwendungen in Kombination mit Anlagenmodifikationen als vorteilhaft, während er R452A (L41y) als Kurzzeitlösung mit einem GWP von 688 für den R410A-Ersatz bei minimalen Investkostenaufwendungen benennt. Für Wäschetrockner, die bisher mit R134a betrieben werden, kommt HFO1234yf und -ze als Ersatz in Betracht und HFO1233zd für Hochtemperatur-Wärmepumpen. Dabei sind die zulässigen Füllmengen nach der neuen EN 378 in einer Größenordnung von bis über 10 kg möglich, was in den beschriebenen Anwendungen weitgehend ausreichend ist. Zudem wird Honeywell 2018 die Kältemittel R404A und R507A nicht mehr verkaufen.

Joachim  Gerstel, Chemours Deutschland GmbH, be-fasste sich am Beispiel eines Tests in einem Tiefkühlschrank mit dem R404A-Ersatz. Die Kältemittelfüllmenge betrug 1 kg, was die Verwendung von A2L-Kältemitteln erlaubt. Dabei erwies sich R454A (XL40) als am dichtesten dran an den R404A-Werten, während sich mit R454C (XL20) und R455A (L40) längere Abkühlzeiten einstellten.

Dr. Joachim Germanus, ILK Dresden, stellte ein natürliches Kältemittel vor, das für den Tief-temperatureinsatz bis 85 °C geeignet ist. In diesem Bereich ist die HFKW-Verbotsverordnung (EU) 2914/517 zwar nicht wirksam, aber die Quotierung und der Preis für die HFKW wirken auch in diesem Bereich. Es wurde ein Gemisch von N₂O (R744A) und CO₂ (R744) erprobt, wodurch die nachteiligen Eigenschaften der beiden Einzelkomponenten verdrängt werden konnten. Bei einem Anteil von 82 Prozent R744A wurden die besten Ergebnisse erzielt. Das Gemisch ist chemisch / thermisch stabil und weist günstige Mischungseigenschaften mit dem speziell erforderlichen perfluorierten Öl auf. Die elektrischen Eigenschaften sind günstig und der Fress- und Reibtest nach Almen-Wieland wurde bestanden. Gegenwärtig läuft ein Versuchsmuster als Demonstrator in einem Hermetiksystem.

Holger König, ref-tech engineering, berichtete aus seiner Arbeit mit Sicherheitsstandards für brennbare Kältemittel. Die zunehmenden Verwendungsbeschränkungen der HFKW-Kältemittel führen dazu, dass zunehmend auch brennbare Kältemittel verwendet werden. Für die Geräte und Anlagen mit diesen Kältemitteln sind erhöhte bzw. gegenüber den nicht brennbaren Stoffen ganz neue Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen. Als Grundlage dient dabei sowohl für die Konstruktion als auch den Betrieb die EN 378 mit allen ihren Blättern. Die zu erarbeitende Gefährdungsanalyse soll die vorhersehbaren Fehlanwendungen über den gesamten Lebensdauerzyklus berücksichtigen und zusätzlich erforderliche Schulungs- und Qualifizierungsmaßnahmen benennen. Das zu erarbeitende Bewertungsschema soll Leckage, Konzentration, Zündquellen Häufigkeit des Vorkommens und mögliche Unfallschwere für Personen und Sachen berücksichtigen. Diese Methode wird zunehmend in der Kältetechnik angewendet, um tatsächliche Risiken bei der Verwendung brennbarer Kältemittel zu bewerten.

Bernhard Adler, ecop Technologies GmbH, stellte eine neuartige rotierende Fliehkraft-Kältemaschine vor, die nach der Auffassung des Autors die innovative Lösung für die Zukunft der Kältetechnik sei, weil sie mit einem unbrennbaren Gasgemisch ohne ODP und GWP arbeitet und die sich besonders für Wärmepumpenanwendung anbieten soll. Das Kältemittelgas wird weder verdampft noch verflüssigt und bewegt sich durch den Antrieb eines Ventilators in einem geschlossenen System. Die Drucksteigerung erfolgt durch die Fliehkraft, die durch das Rotieren des Maschinensystems erzeugt wird und die Entspannung durch das Zurückströmen in den Nabenbereich. Der Prozess lässt sich dann als Joule-Prozess theoretisch durch zwei Isobaren und zwei Isothermen darstellen. Die Verdichtung soll mit einem Gütegrad von 100 Prozent erfolgen und bei nicht angegebenen Bedingungen gegenüber dem konventionellen NH₃-Prozess mit nur 83 Prozent zu einem COP von ca. 10 gegenüber ca. 6. Der Prototyp einer solchen Maschine als Wärmepumpe für 700 kW Heizleistung wurde bildlich gezeigt, ohne Abmessungen und Gewicht mitzuteilen. Es bleibt abzuwarten, ob und wie sich diese Lösung am Markt behaupten wird.

Kraftfahrzeug- und Bahnklimatisierung

Peter Schrank, Virtual Vehicle Research Center, Graz, be-schäftigte sich mit einem gesamtheitlichen Thermomanagement von elektrisch getriebenen Kraftfahrzeugen. Dabei wird die Nutzung der Abwärme aus der Batteriekühlung über eine Wärmepumpenschaltung mit R744 als Kältemittel einbezogen. Die Batterie wird dabei von 27 °C auf 12 °C abgekühlt und damit kann die Beheizung der Kabine sowie der Entfeuchtungs- und Abtaubetrieb unterstützt werden. In verschiedenen Simulationsrechnungen mit HFO1234yf in der Klimaanlage des Fahrzeuges und R744 in der Wärmepumpe wurde der Jahresenergieverbrauch in drei Klimaten analysiert. Dabei erweist sich die indirekt arbeitende Wärmepumpe mit thermischem Speicher als vorteilhaft. Am Beispiel eines Autobusses des Grazer Stadtverkehrs konnte auf einer Strecke von 100 km bei den dabei vorliegenden äußeren Bedingungen eine Reduzierung des Jahresenergiebedarfs um 50 Prozent und eine Reichweitensteigerung um 5 Prozent ermittelt werden. Weitere Untersuchungen mit einem PCM-Wärmespeicher sind geplant.

Michael  Weiß, Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft, beschäftigte sich mit einem sehr speziellen Thema, bei dem der Massenstrom eines thermostatischen Expansionsventils in Fahrzeugklimaanlagen Gegenstand war. Ausgangspunkt waren die Strömungsgeräusche im Ventil, die besonders bei Elektrofahrzeugen hörbar und als lästig empfunden werden. Ein Simulationsmodell als getreue Nachbildung des Originalventils wurde geschaffen, wobei die Zweiphasenströmung durch Luft und Wasser nachgebildet wurde. An einer Messeinrichtung erfolgte die Verifizierung der Modellrechnung und es ergab sich eine gute Übereinstimmung beim Vergleichsbetrieb mit R134a. Weitere Präzisierungen des Rechenmodells sind in Arbeit.

Prof. Dr.-Ing. Matthäus Wollfarth, Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft, bearbeitete Schlauchleitungen in Kraftfahrzeugklimaanlagen unter dem gleichen Gesichtspunkt der Reduzierung der Nebengeräuschbelastungen in der Fahrerkabine. Er untersuchte vor allem das akustische Übertragungsverhalten vom Befestigungspunkt der Leitung zur Kabinenstruktur. Die heutigen Fahrzeuge sind schon sehr gut optimiert, sodass geringe Störquellen immer mehr ins Gewicht fallen. Insbesondere beim Betrieb mit R744 als Kältemittel liegen wenig Erfahrungen vor. Da diese Thematik vor allem experimentellen Inhalts ist, wurde ein Prüfstand entwickelt, bei dem unterschiedliche Anbindungspunkte der Leitungen realisiert und mit dem die Druckpulsationen variiert werden können. Als Prüfmedium wird für die Schlauchfüllung Luft unter so einem Druck verwendet, dass zum Kältemittel vergleichbare Schwingungszustände entstehen. Als Messergebnisse erhält man Eigenfrequenzen des schwingenden Systems und die entsprechenden Übergangsfunktionen. Im weiteren Verlauf ist der Einsatz einer akustischen Kamera vorgesehen.

Prof. Dr.-Ing. Stefan Rusche, Hochschule RheinMain in Rüsselsheim, beschäftigte sich mit der Reichweitenvergrößerung von Elektrofahrzeugen mit Wärmepumpenheizung. Die Wärmepumpe ist ohnehin die Wahl bei der Beheizung dieser Fahrzeuge, der Effekt kann aber noch verbessert werden, wenn sowohl Verdampfer als auch Verflüssiger mit PCM-Speichern kombiniert werden. Das PCM wurde dabei auf den Lamellen aufgebracht. Ein positiver Effekt entsteht dadurch, dass der Speicher beim Batterieladen oder durch Beheizung vor dem Start vorkonditioniert werden kann. Zunächst konnten bis 700 Wh Entladeenergie gespeichert werden. Die weiteren Untersuchungen sehen die Vergrößerung der beschichteten Lamellenflächen und auch die Verwendung gekapselter PCM-Elemente vor. Geeignete PCM-Materialien wurden ermittelt und die Zyklenfestigkeit untersucht. Der Piloteinsatz soll in einem Vorfeld-Flughafenbus erfolgen.

Dr.-Ing.  Henner Kerskes, Universität Stuttgart, beschäftigt sich mit der Klimatisierung von Fahrerkabinen während der Stillstandszeit des Fahrzeuges, ohne dass der Motor laufen muss. Neben der batteriebetriebenen Klimaanlage oder dem Eisspeicher als Kühlmedium betrachtete er speziell die Verwendung einer Adsorptionsanlage mit der Möglichkeit der Regenerierung durch die Auspuffenergie während der anschließenden Fahrperiode. Das ist einerseits umweltrelevant und es entstehen andererseits keine Energiekosten, außer der erhöhten Antriebsenergie für den Transport der Anlage mit ihrem Gewicht. Das wäre aber bei Eisspeicher und zusätzlicher Batteriekapazität auch zu berücksichtigen. Eine Versuchsanlage ist zunächst mit elektrischer Regenerierung und mit einem 500-Liter-Wasser-Zeolith-Adsorber ausgestattet und wird bei einem Systemdruck von 12 mbar betrieben. Mit dem regenerierenden Abgas von 500 °C kann eine Energie von 4,8 kWh gespeichert werden. Die mögliche zeitlich abnehmende Temperatursenkung beträgt 8 bis 4 K über eine Zeit bis 6 Stunden. Das soll noch verbessert werden. Das Potenzial dafür liegt in der Bewältigung der Probleme mit Inertgasen im Vakuumbereich und in der Steigerung des relativ geringen Wärmetransportes bei der Adsorption.

Prof. Dr. Ingwer Ebinger, HAW Hamburg, ging der Frage nach, wie sinnvoll die Wärmerückgewinnung in Schienenfahrzeugen ist. Dazu verwendete er statistische Werte zur durchschnittlichen Besetzung eines Wagens, zum Umgebungstemperaturverlauf während eines Jahres und zur entsprechenden Luftfeuchte sowie die Festlegungen der Norm EN 13 129 zu Innenraumtemperaturen und Außenluftmengen. Im Ergebnis zeigt sich unter Berücksichtigung der Erhöhung der Fahrzeugmasse und der Ventilatorantriebsleistung, dass eine sommerliche Energienutzung in Deutschland nicht wirtschaftlich gestaltet werden kann, während sie in wärmeren Klimazonen sinnvoll sein kann. Das ist im konkreten Fall aber immer gründlich zu kalkulieren. Im Heizbetrieb wird schon eher eine Wirtschaftlichkeit erreicht. Es sind aber auch weitere Faktoren in die Betrachtung einzubeziehen, wie z. B. die Verfügbarkeit von bahntauglichen Enthalpieübertragern.

Internetsicherheit

Dr. Christian Ellwein, Kriwan Industrie-Elektronik GmbH, beschäftigte sich mit der Datensicherheit bei der auch in der Kälte- und Klimatechnik immer mehr zunehmenden Vernetzung der Geräte und Anlagen in Entwicklung, Realisierung und bei deren Betrieb. Industrie 4.0 ist nicht nur ein Schlagwort, sondern Wirklichkeit. Die gewonnenen und benutzten Daten sind allgegenwärtig zwischen den An-lagen und Servern, Smartphones und Computern, RAM und Cloud. Beispiele in der Branche sind die Motorensteuerung, die elektronischen Expansionsventile, die Leistungsregelungen und die Überwachung der Betriebszustände bis hin zur Ferndiagnose und Fern-Fehlerbeseitigung. Es ist unumgänglich, sich mit dem Cyber-Schutz aller dieser Vorgänge zu befassen, um Schäden durch Fremdeingriffe zu verhindern. Die Asercom-Aktivitäten zur Sicherheit sind dafür ein sehr nützlicher Ausgangspunkt, aber auch Kriwan mit seinem Produktprogramm beschäftigt sich gemeinsam mit KIMO mit der Vermeidung von Risiken zum Nutzen ihrer Kunden. Viele Schutzwerkzeuge existieren bereits, ein wichtiges ist die vorrangige Arbeit nur mit LAN und die Vermeidung von WLAN, oder wenn WLAN schon sein muss, es bei Inaktivität abzuschalten. Die Arbeit an der Kombination von Maschinenschutz und Cyber-Sicherheit ist jedenfalls eine anspruchsvolle Angelegenheit.

Wärmepumpen

Franziska  Bockel- mann, TU Braunschweig, sucht nach dem optimalen Wärmeübertrager für die Wärmequelle von erdgestützten Wärmepumpen. Die Effizienzunterschiede der 13 verglichenen Lösungen können über die Jahresarbeitszahl ausgedrückt werden. Beeinflusst wird der Wert von der spezifischen Entzugsenergie in kWh/m²a und der Entzugsleistung in W/m. Die untersuchten Anlagen wiesen beim Flächenbedarf eine breite Streuung auf und lagen bei oberflächennahen Kollektoren bei 3 bis 52 m²/kW thermisch und bei Sonden bei 1,2 bis 12 m²/kW thermisch. Die Investitionskosten lagen zwischen 600 und 3500 Euro/kW thermisch, bei den meisten gängigen Systemen jedoch eingeschränkt zwischen 850 und 1500 Euro/kW thermisch. Aus der Betriebsanalyse geht hervor, dass es bei allen verglichenen Anlagen keine gravierenden Nutzerbeschwerden gab. Als Fazit ergibt sich, dass bei der Jahresarbeitszahl kaum Abhängigkeiten von den genannten Bedingungen ermittelt werden konnten. Bei geringen Entzugsleistungen sind Flächenkollektoren mit geringeren Investitionskosten im Vorteil, bei Einfamilienhäusern treten diese jedoch in den Hintergrund.

Danny  Günther, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, stellte ein über den Zeitraum eines Jahres durchgeführtes Monitoring zur Effizienz von 35 Elektrowärmepumpen im Bestand vor, sowohl erdreich- als auch luftgestützt. Bei den Gebäudetypen waren 23 frei stehend. Alle Elektroverbraucher einer Anlage wurden einzeln gemessen. Für die Außenluft-WP ergaben sich Jahresarbeitszahlen von 2,5 bis 4,1, im Durchschnitt 3,1, dabei hatten 6 Anlagen einen elektrisch betriebenen Zusatzheizstab. Bei den Erdreichwärmepumpen lag der JAZ-Bereich zwischen 3,0 bis 4,8, im Durchschnitt bei 3,7. Aus dem elektrischen Energieverbrauch wurde der CO₂-Ausstoß bestimmt und daraus kann die Folgerung gezogen werden, dass unter diesem Umweltgesichtspunkt die Wärmepumpe in jedem Fall gegenüber fossilen Brennstoffen die zu bevorzugende Lösung ist.

Sarah Henn, RWTH Aachen University, fragte nach Quo vadis Wärmepumpe unter dem Gesichtspunkt der Forschungsarbeit an der Thematik in der Zeit der Energiewende. In Wohn-Neubauten wurde ein Anteil von 30 Prozent Wärmepumpenheizung ermittelt, dabei vorwiegend Luft/Wasser-Wärmepumpen, in Nichtwohngebäuden 14 Prozent. Im Jahre 2016 wurden doppelt so viele verkauft als 2015. Im Bereich des BMWi wurden in den letzten drei Jahren ca. 40 Forschungsprojekte jährlich durchgeführt, dazu kommen weitere Projekte der wissenschaftlichen Begleitforschung. Der Forschungsfokus liegt auf Tools, Methoden, Konzepten und Komponenten. Aus den Ergebnissen können Entwicklungsfelder für zukünftige Wärmepumpensysteme abgeleitet und weiterer Forschungsbedarf systematisch erschlossen werden.

Christian  Vering, RWTH Aachen University, suchte nach dem optimalen Kältemittel für Wärmepumpen. Er arbeitete mit einem Simulationsprogramm, mit dem die definierten Randbedingungen bewertet wurden. Dazu gehören Umweltverträglichkeit, Wirtschaftlichkeit, thermodynamische und strömungsmechanische Eigenschaften. Zielfunktion ist die optimale Wärmeübertragung bei den Kriterien Luft/Wasser-Wärmepumpen, Heizleistung 5 bis 15 kW, Verdampfungstemperatur 15 bis 12 °C, Vorlauftemperatur 35 bis 65 °C, kein ODP, geringes GWP. Und es werden nur Einstoffgemische betrachtet und R744 ausgeschlossen. In mehreren Auswahlstufen erfolgt die Eingrenzung auf das Ergebnis und als solches verbleiben schließlich R32, R152a, RE170, R290, R600a, HFO1234yf, R1270. Für R32 und R290 ergeben sich vermehrt Eignungseigenschaften. UA