ELEKTRISCHE UND THERMISCHE WÄRMEPUMPEN

Die Bereitstellung von Wärme und

Kälte macht etwa 40 % des gesamten

deutschen Endenergieverbrauchs aus. Der

Energiebedarf für die Heizung wird oftmals

unterschätzt, tatsächlich entfallen auf die

Bereiche Raumwärme und Warmwasser

mehr als 80 % des Energieverbrauchs

in den Haushalten. Angesichts des

fortschreitenden Klimawandels sowie

der Ressourcenknappheit ist es dringend

notwendig, den Wärme- und zunehmend

auch Kältebedarf möglichst effizient und

nachhaltig bereitzustellen. Die Wärme-

pumpentechnologie ist in der Lage diesen

Anforderungen gerecht zu werden. In

Gewerbe und Industrie können mit der

Wärmepumpe signifikante Ersparnisse

erzielt werden – ob für Prozesswärme bzw.

-kälte – oder für die Klimatisierung von

Gebäuden und Produktionsstätten.

Die Wärmepumpe ermöglicht eine effizi-

ente Bereitstellung von Nutzwärme, -kälte

– oder von beiden gleichzeitig – unter Ver-

wendung der frei zur Verfügung stehenden

Umweltenergie. Als Antrieb kommt dabei

elektrische oder thermische Energie (z. B.

Biogas, Prozesswärme, Solarthermie) zum

Einsatz. Wichtig für die Effizienz einer Wär-

mepumpe ist das Verhältnis zwischen der

verwendeten Umwelt- zur aufgebrauchten

Antriebsenergie. Je höher diese Zahl ist,

umso effizienter arbeitet die Wärmepumpe.

Dies bringt sowohl wirtschaftliche als auch

ökologische Vorteile mit sich.

Um die Effizienz und ökologische Bilanz der

Wärmepumpen weiterhin zu verbessern,

widmet sich das Fraunhofer ISE sowohl

der Entwicklung bzw. Weiterentwicklung

von einzelnen Komponenten, als auch

den gesamten Kälteanlagen und Wärme-

pumpen sowie deren Systemen. Dabei

spielt die Integration dieser Technologie in

Gesamtenergiesysteme eine wichtige Rolle,

z. B. netzdienliche Betriebsoptimierung in

zukünftigen Energienetzen (Smart Grid) in-

klusive Lastmanagement oder preisgeführ-

ten Regelkonzepten für multienergetische

Hybridanlagen.

1 In situ Vermessung einer reversiblen Wär-

mepumpe mit Turboverdichtertechnologie.

2 Vermessung eines Gaswärmepumpe-

Prototyps im Feldtest.

3 Detail eines binären Kältemittelver-

teilers für Luft-Wasser-Wärmepumpen.

Fraunhofer-Institut für

Solare Energiesysteme ISE

Heidenhofstraße 2

79110 Freiburg

Telefon +49 761 4588-0

Fax +49 761 4588-9000

www.ise.fraunhofer.de

Energieeffiziente Gebäude –

Elektrische und thermische

Wärmepumpen

Dr.-Ing. Marek Miara

Telefon +49 761 4588-5529

building.heatpumps@ise.fraunhofer.de

Februar 2015

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F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R S O L A R E E N E R G I E S Y S T E M E I S E

Komponentenentwicklung

Schwerpunkte unserer Arbeiten bei der

Komponentenentwicklung für Kalt-

dampfverfahren sind kältemittelreduzierte

Systeme, Systeme zur Vermeidung der Fehl-

verteilung von Luft oder Kältemittel, sowie

Technologien zur Verbesserung der Anla-

gensicherheit von Systemen mit brennbaren

Kältemitteln. Hierfür stehen Prüfstände für

Fluidverteiler, luftgekühlte Verdampfer und

Multifluid-Verdampfer für unterschiedliche

Wärmepumpenarten und Kälteanlagen zur

Verfügung (Nutzleistung von bis zu 50 kW;

alle Quellen- und Senkenmedien).

Sorptionswärmepumpen

Neben den bereits marktgängigen elek-

trisch angetriebenen Wärmepumpen finden

in den letzten Jahren zunehmend auch

gasbefeuerte Sorptionswärmepumpen ihren

Weg in den Markt und sind eine vielverspre-

chende, klimaschonende Heizungstechnik

der Zukunft. Das Fraunhofer ISE arbeitet seit

vielen Jahren an der Entwicklung von neuen

Sorptionsmaterialien und verbesserten

Komponenten (Adsorber, Verdampfer) für

Adsorptionswärmepumpen und Sorptions-

kälteanlagen und begleitet Hersteller

in allen Phasen der Entwicklung bis zur

Systembewertung im Feld.

Modellierung

Unsere Entwicklungsarbeiten werden durch

grundlagennahe Modellierung unterstützt,

wobei kommerzielle und am Fraunhofer ISE

entwickelte Software zum Einsatz kommt

(System- und Detailsimulationen, CAD,

CAM, CFD etc.).

4 Öffentliche Messdatenvisualisierung

von Monitoringdaten (www.wp-monitor.de).

5 Sorptiv beschichteter Rippenrohrwärme-

übertrager (in situ Beschichtung MOF 1 auf

einem Kupfer-Lamellen WÜ).

6 Aus Biomasse hergestellte Aktivkohlen für

Adsorptionsprozesse.

4 5

Felduntersuchungen

Das Fraunhofer ISE hat in den letzten

Jahren umfangreiche Felduntersuchungen

von Wärmepumpen und Kälteanlagen

durchgeführt, sowohl in Neubauten als

auch in Bestandsgebäuden. Mit diesen

Arbeiten konnte der erreichte technische

Stand zuverlässig und praxisnah – sowohl in

Wohn- als auch in Nichtwohngebäuden –

dokumentiert werden. Die dadurch

entwickelten, standardisierten Mess- und

Auswertungsverfahren setzen internationale

Maßstäbe und sind auch auf andere An-

wendungsgebiete übertragbar.

Analyse des Systemverhaltens

Diese Untersuchungen erlauben neben der

zuverlässigen Ermittlung von Effizienzkenn-

werten auch eine detaillierte Analyse des

Systemverhaltens. Dadurch können typische

Fehler im praktischen Betrieb erkannt

und Verbesserungsvorschläge erarbeitet

werden, die von der Planungsphase über

die Installation und Inbetriebnahme bis zum

Betrieb reichen.

Prüf- und Entwicklungszentrum

Das Fraunhofer ISE arbeitet seit vielen

Jahren an Konzepterstellung, Modellierung,

Simulation und Vermessung von Wärme-

pumpensystemen. Im neuen Prüf- und

Entwicklungszentrum werden Anlagen mit

modernster Technik charakterisiert, sowohl

durch Norm- als auch durch kundenspezi-

fische Tests. So optimieren wir neue und

etablierte Produkte zeit- und kosten-

günstig durch Emulation stationärer oder

hochdynamischer Betriebsbedingungen,

sowie anhand von Hardware-In-The-Loop

Messungen. Dafür entwickeln wir praxisrele-

vante Bewertungsmethoden.

6

7 Numerische Optimierung komplexer Wärme-

übertragergeometrien.