Miljøvenlig og effektiv propan varmepumpe

Varmepumper bruger miljøenergi til at forsyne os med varme. Imidlertid, de kræver generelt syntetiske kølemidler, som indeholder miljøskadelige fluorholdige drivhusgasser (F-gasser). Fraunhofer-forskere har nu bidraget til udviklingen af ​​en varmepumpe, der i stedet bruger propan. Pumpen er både mere klimavenlig og mere effektiv.

"Opvarmning og varmt vand tegner sig for omkring 40 procent af Tysklands endelige energiforbrug. Afbrænding af højkvalitets fossile brændstoffer såsom naturgas eller råolie giver ikke kun lidt mening energimæssigt, det skader også klimaet. Hver enhed elektrisk energi, der kræves for at drive en varmepumpe, ofte afledt af vedvarende ressourcer, genererer tre til fem enheder CO ₂ -neutral varmeenergi. Dette gør varmepumper til et vigtigt element i implementeringen af ​​Tysklands overgang til et bæredygtigt energisystem, " siger Dr. Marek Miara, der koordinerer arbejdet med varmepumper på Fraunhofer Institut for Solenergisystemer ISE i Freiburg.

En varmepumpe fungerer på samme måde som et køleskab. Kølemidlet optager varmen inde i køleskabet og transporterer den udenfor. Forskellen er, at varme, der frit kan slippe ud fra bagsiden af ​​et køleskab, er det, en varmepumpe udvinder – i dette tilfælde fra jorden, grundvand, eller omgivende luft – for at opvarme vores hjem eller vand.

For at opnå dette, det opvarmede, fordampet kølemiddel komprimeres, som hæver dens temperatur og tryk. Den varme kølemiddelgas afgiver sin varme til vand og kondenserer. Det varme vand løber ind i gulvvarmesystemer, radiatorer eller varmtvandsbeholdere, mens det flydende kølemiddel, nu cool, strømmer tilbage i en såkaldt fordamper, hvor den igen optager varmeenergi. Herefter starter cyklussen igen fra begyndelsen.

For det meste, kølemidler er sammensat af en blanding af syntetiske stoffer indeholdende miljøskadelige, fluorholdige drivhusgasser (F-gasser). I juni 2014 Europa-Kommissionen meddelte, at F-gasser skal udfases fra markedet. En miljøvenlig, naturligt alternativ til syntetiske kølemidler er propan, som allerede vinder i popularitet inden for aircondition- og køleanlæg. Men dens anvendelse i varmepumper er stadig relativt ny.

For selvom propan har fremragende termodynamiske egenskaber, det er meget brandfarligt, og dette udgør en udfordring, når det bruges i en varmecyklus.

"Hvis du vil bruge propan, du skal holde mængden af ​​kølemiddel så lav som muligt for at minimere de involverede risici, " siger Dr. Lena Schnabel, der leder afdelingen for varme- og køleteknologier hos Fraunhofer ISE.

En bionisk struktur sikrer jævn fordeling

ISE-forskernes løsning, sammen med deres europæiske forskningspartnere, er at anvende meget kompakte, loddet, lamelvarmevekslere, der fungerer godt med små mængder væske. Den termiske energi overføres fra det ene strømmende stof til det andet via varmevekslere. Disse er sammensat af adskillige parallelle kanaler, der indeholder det cirkulerende kølemiddel, som enten absorberer varme (kendt som "vaporizers") eller udstråler den ("kondensatorer"). "Væsken bør fuldstændigt fordampe eller genkondensere over løbetiden. For at garantere, at de fungerer effektivt, damp-væske-forholdet skal være identisk i alle kanalerne. Generelt, det er ikke let at opnå, og det bliver især vanskeligt, hvis du også forsøger at begrænse mængden af ​​kølemiddel."

For at løse problemet, Schnabel og hendes team udviklede en distributør med en bionisk struktur:"Konventionelle Venturi-distributører ligner en bunke spaghetti lavet af mange tynde rør, der smelter sammen, hvor de møder fordamperen. Vores distributør er anderledes:den har en kontinuerligt forgrenet struktur som grenene og kviste af et træ, som sikrer en jævn fordeling af kølemidlet i de enkelte fordamperkanaler, selv med en lille mængde kølemiddel." Denne struktur tillader optimal udnyttelse af hele overfladen af ​​varmeveksleren, hvilket forbedrer effektiviteten.

For at reducere risikoen for eksplosion ved komprimering af propanen, Schnabel og hendes team brugte en specialiseret kompressor, hvori alle antændelseskilder var indkapslet. De var meget omhyggelige med at forbinde de enkelte komponenter i pumpen for at forhindre propan i at slippe ud. "Vi er i øjeblikket ved at ændre det tekniske design af varmepumpen, teste den langsigtede adfærd af dets komponenter, og udvikling af bæredygtige sikkerhedsstrategier, " siger Schnabel.