Bewertung alternativer Arbeitsmittel für Wärmepumpen im Gebäudesektor
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Forsch Ingenieurwes
https://doi.org/10.1007/s10010-022-00584-0
ORIGINALARBEITEN/ORIGINALS
Bewertung alternativer Arbeitsmittel für Wärmepumpen im
Gebäudesektor
Christoph Höges1 · Valerius Venzik1 · Christian Vering1 · Dirk Müller1
Eingegangen: 11. Oktober 2021 / Angenommen: 28. April 2022
© Der/die Autor(en) 2022
Zusammenfassung
Das Arbeitsmittel in Wärmepumpen unterliegt einer Vielzahl von Anforderungen, welche für einen effizienten und sicheren
Betrieb eingehalten werden müssen. Weiterhin steigt die Anzahl markterhältlicher Arbeitsmittel durch die Entwicklung
neuer Gemische kontinuierlich an, wodurch deren Auswahl erschwert wird. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieses
Beitrags eine Marktanalyse alternativer Arbeitsmittel durchgeführt und die selektierten Arbeitsmittel hinsichtlich ihres
Potentials für Wärmepumpen bewertet. Die Marktanalyse beinhaltet eine Einordnung der Arbeitsmittel durch politische
Vorgaben (kein Ozonabbaupotential, geringes Treibhauspotential), sicherheitstechnischer Aspekte (Toxizität, Brennbar-
keit) sowie technischer Anforderungen (unterkritischer Betrieb, maximale Prozesstemperaturen). Hierbei werden 32 Fluide
identifiziert, welche die gestellten Anforderungen einhalten. Diese sind alle brennbar und größtenteils entweder Kohlen-
wasserstoffe (KW) oder Hydrofluorolefine (HFO). Anschließend wird die Effizienz im einfachen Kältekreislauf nach DIN
EN 14825 bestimmt. Um die Fluidabhhängigkeit detailliert und realitätsnah abschätzen zu können, wird ein semi-physika-
lisches Verdichtermodell eingesetzt, welches fluid- und betriebspunktabhängige Verdichterwirkungsgrade liefert. Innerhalb
der Kreislaufberechnung zeigen die Fluide RC270 und R161 die höchsten Effizienzen und führen zu einer Verbesserung
der saisonalen Arbeitszahl im Vergleich zu R410A von bis zu 15 %. Diese führen aber zu hohen Temperaturen am Verdich-
teraustritt und sind daher ungeeignet. Weiterhin zeigen KW höhere Effizienzen als HFO. Bei der Wahl des Arbeitsmittels
müssen allerdings weitere Aspekte, wie der Umwelteinfluss sowie Füllmengenbeschränkungen aufgrund der Brennbarkeit
des Fluids betrachtet werden. Insgesamt weisen die Arbeitsmittel Propan und Propen das höchste Anwendungspotential auf.
Für Anwendungen, in denen füllmengenbeschränkte Wärmepumpen erforderlich sind, bieten die HFO R454C, R457A und
R516A effiziente Alternativen, deren Potenzial durch die Integration eines internen Wärmeübertragers in den Kältekreislauf
gesteigert werden kann.
1
E.ON Energieforschungszentrum, Lehrstuhl für Gebäude-
Christoph Höges und Raumklimatechnik, RWTH Aachen University,
christoph.hoeges@eonerc.rwth-aachen.de Mathieustraße 10, 52074 Aachen, Deutschland
KForsch Ingenieurwes
Evaluation of alternative working fluids for heat pumps in the building sector
Abstract
The working fluid in heat pumps is subject to a variety of requirements that must be met for efficient and safe operation.
Furthermore, the number of market-available working fluids is continuously increasing due to the development of new
mixtures. Therefore, this paper screens the market for alternative working fluids. Additionally, the performance of the
selected working fluids in heat pump cycles is evaluated. The market analysis includes a classification of the fluids by
political requirements (no ozone depletion potential, low global warming potential), safety aspects (toxicity, flammability)
as well as technical requirements (subcritical operation, maximum process temperatures). We identify 32 fluids that meet the
requirements. These are flammable and are mostly either hydrocarbons (HC) or hydrofluoroolefins (HFO). Subsequently,
the efficiency in a simple refrigeration cycle is determined according to DIN EN 14825. The cycle model includes
a semi-physical compressor model in order to take into account the influence of fluids on the compressor and thus to
represent a realistic operation. Within the cycle calculation, the fluids RC270 and R161 show the highest efficiencies and
lead to an improvement in the seasonal coefficient of performance of up to 15% compared to R410A. However, these
lead to high compressor output temperatures also and thus, are unsuitable. Furthermore, the HC show significantly higher
efficiencies than the HFO. When selecting the working fluid, however, other aspects must be taken into account. HFO form
trifluoroacetic acid in the atmosphere, which contaminates groundwater. HC, on the other hand, are highly flammable and
are therefore subject to further filling quantity restrictions. Overall, the working fluids propane, propene and their mixtures
show the best performance. For applications where indoor heat pumps are required, the HFO R454C, R457A and R516A
offer efficient alternatives whose efficiency can be increased by integrating an internal heat exchanger into the refrigeration
cycle.
1 Einleitung ner Wärmepumpe überwiegen derzeit aufgrund der hohen
spezifischen Emissionen des Strommixes in Deutschland
In Deutschland fallen etwa 30 % der Treibhausgasemissio- die indirekten Emissionen. Folglich müssen Wärmepumpen
nen im Gebäudesektor an [1]. Die Hauptursache ist die Be- möglichst effizient betrieben, wobei gleichzeitig Leckagen
reitstellung von Wärme für den Heiz- sowie Trinkwarmwas- am Aufstellungsort vermieden werden müssen [4, 5].
serbedarf. Zusätzlich zeigt eine Studie des Bundesverbands Innerhalb einer Wärmepumpe zirkuliert ein Arbeitsmit-
der Energie- und Wasserwirtschaft e. V. (BDEW), dass das tel, welches maßgeblichen Einfluss auf beide Emissionsar-
Durchschnittalter der Wärmeerzeugersysteme in Deutsch- ten hat. Zum einen hängen die direkten Emissionen vom
land im Jahre 2018 bei etwa 17 Jahren lag [2]. Konven- Treibhauspotential (GWP) des Arbeitsmittels sowie der
tionelle Wärmeerzeuger nutzen größtenteils fossile Ener- Leckage vor Ort ab. Werden umweltfreundliche Arbeits-
gieträger (Öl oder Gas) und haben eine niedrige Effizienz, mittel (kein GWP) verwendet, sind im Falle einer Leckage
sodass diese bei langen Technologiezyklen wesentlich zu die direkten Emissionen null. Zum anderen beeinflusst das
Treibhausgasemissionen beitragen. Eine vielversprechen- Arbeitsmittel mit seinen thermodynamischen Eigenschaften
de Technologie, die Treibhausgasemissionen in Folge der maßgeblich die Systemeffizienz und somit die indirekten
Wärmebereitstellung zu reduzieren, ist die elektrisch an- Emissionen. Folglich ist die Wahl des Arbeitsmittels von
getriebene Wärmepumpe. Diese nimmt Umgebungsenergie entscheidender Bedeutung für Wärmepumpen [6].
auf einem niedrigen Temperaturniveau auf, wertet diese mit Hinsichtlich der Auswahl und Verwendung der Arbeits-
Hilfe elektrischer Energie exergetisch auf und gibt anschlie- mittel existieren zunehmend striktere Regularien. Diese
ßend Wärme auf einem höheren Temperaturniveau wieder umfassen insbesondere Umwelteinflüsse und Sicherheits-
ab. Durch den Bezug von Umgebungsenergie und potenziell aspekte. So werden beispielsweise durch das Montrealer
emissionsfreiem Strom, besteht deswegen die Möglichkeit Protokoll ein Ozonabbaupotential (ODP) von null und
der emissionsfreien Wärmeversorgung von Gebäuden. durch die europäische F-Gas Verordnung das maximal
Aktuell teilen sich die Emissionen einer Wärmepumpe erlaubte GWP von 150 für definierte Anwendungen vorge-
noch in indirekte und direkte Emissionen auf. Die indirek- schrieben [7, 8]. Aufgrund dieser Regularien ist der Fokus
ten Emissionen entstehen durch den Strombedarf, welcher derzeit auf zwei Arbeitsmittelgruppen gerichtet: Die na-
für den Betrieb der Wärmepumpe notwendig ist. Diese hän- türlichen Arbeitsmittel und die Hydrofluorolefine (HFO)
gen somit unmittelbar von den spezifischen Emissionen des [9]. Weiterhin werden neben Reinstoffen, welche in der
verwendeten Stroms sowie der Effizienz der Wärmepumpe Vergangenheit hauptsächlich eingesetzt wurden, vermehrt
ab. Direkte Emissionen entstehen durch Anlagenleckagen Arbeitsmittelgemische betrachtet [10–13].
des Arbeitsmittels vor Ort [3]. Über den Lebenszyklus ei-
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Das Mischen zweier oder mehrerer Reinstoffe führt zu und Expansionsventil berechnet. Bei der Berechnung wird
zwei Aspekten, welche das Systemverhalten positiv beein- ein semi-physikalisches Verdichtermodell, welches die Ef-
flussen können: Zum einen können die thermodynamischen fizienzen sowohl fluid- als auch betriebspunktabhängig be-
Eigenschaften der Reinstoffe so angepasst werden, dass die- rechnet, verwendet. Dadurch wird ein realitätsnahes Ver-
se für eine definierte Anwendung optimal ausgelegt sind. halten simuliert, sodass mögliche Vorteile der Wärmeüber-
Hierunter fällt beispielweise die kritische Temperatur, wel- tragung durch Verschlechterungen der Kompression aufge-
che die Lage des Nassdampfgebietes bestimmt. Zum ande- wogen werden können. Abschließend wird die Eignung der
ren haben zeotrope Gemische im Vergleich zu Reinstoffen berechneten Arbeitsmittel bewertet und für die unterschied-
die zusätzliche Eigenschaft des Temperaturgleits während lichen Anwendungen von Wärmepumpen diskutiert.
der isobaren Verdampfung. Diese Eigenschaft umschreibt
die Abhängigkeit der Verdampfungstemperatur von der Zu-
sammensetzung des Gemischs. Dadurch nimmt die Tem- 2 Vorauswahl potenzieller Arbeitsmittel
peratur bei einer isobaren Verdampfung eines Gemisches
zu, wohingegen ein Reinstoff isotherm verdampft. Auf- 2.1 Methodik der Arbeitsmittel-Vorauswahl
grund der nicht isothermen Verdampfung kann die treiben-
de Temperaturdifferenz während des Phasenwechsels zwi- Das Arbeitsmittel in Wärmepumpen unterliegt einer Viel-
schen Kältemittel und Wärmequelle bzw. Wärmesenke ver- zahl an Anforderungen. Diese lassen sich in drei Bereiche:
kleinert werden, wodurch die Entropieproduktion und damit Politisch, (sicherheits-)technisch, und ökonomisch-ökolo-
die Verluste der Wärmeübertragung reduziert werden. Dies gisch unterteilen. Innerhalb der ersten Kategorie befinden
führt zu erhöhten Effizienzen des Systems [14]. sich gesetzliche Vorgaben. Hierunter fallen unter anderem
Das Potenzial von Gemischen in Wärmepumpen wird die europäische F-Gas Verordnung [7] sowie das Montrea-
von theoretischen Arbeiten innerhalb der Literatur aufge- ler Protokoll [8]. Diese begrenzen das maximale Ozonab-
zeigt [15–20]. Hierbei wird ein Verbesserungspotential hin- baupotential (ODP) zu null und das maximal erlaubte Treib-
sichtlich der Leistungszahl von bis zu 35 % aufzeigt. Die hauspotential (GWP) zu 150 für zukünftige Arbeitsmittel
Steigerung hängt allerdings maßgeblich von den äußeren in Wärmepumpen. Weiterhin sind weitere Beschränkungen
Randbedingungen und der Temperaturspreizung der sekun- von Arbeitsmitteln im Rahmen der europäischen REACH
dären Fluide ab. Den beschriebenen Arbeiten ist gemein, Regulierung für 2022 geplant [25]. Hierunter fallen vor al-
dass der Fokus stets auf den Wärmeübertragern und da- lem die Fluide der HFO-Gruppe wie R1234yf, R1234ze(E)
mit einer Verbesserung der Wärmeübertragung durch die und R1243zf. Da die genauen Vorgaben noch nicht be-
Anpassung des Temperaturgleits auf die Quelle und Senke schlossen sind, werden im Rahmen dieser Arbeit Fluide,
liegt. Der Verdichterwirkungsgrad wird dabei meist kon- welche nach aktuellem Stand von der Regulierung betrof-
stant angenommen. Allerdings beeinflusst das Fluid den Be- fen sind, gekennzeichnet. Eine weiterführende Diskussion
trieb des Verdichters und somit die resultierende Effizienz wird allerdings nicht vorgenommen.
[21, 22]. Roskosch et al. [23] zeigen hier für ein Wärme- Neben den politischen Beschränkungen müssen techni-
pumpensystem mit Hubkolben-Verdichter, dass durch die sche Rahmenbedingungen erfüllt sein. Hierunter fallen mi-
Vernachlässigung der Verdichtereinflusses die Systemeffi- nimale und maximale Betriebstemperaturen und –drücke.
zienz trotz optimaler Wärmeübertragung reduziert wird, da Die minimale Temperatur des Kältemittels hängt bei ei-
die negativen Auswirkungen im Verdichter die Vorteile der ner Wärmepumpe vor allem von der Wärmequelle und da-
Wärmeübertragung überwiegen. mit der Quellentemperatur ab. So müssen bei Luft-Was-
Durch die Betrachtung von Gemischen steigt insgesamt ser Wärmepumpen in Deutschland niedrigere Temperatu-
die Anzahl markterhältlicher Fluide drastisch an. Gleichzei- ren berücksichtigt werden als bei bspw. Sole-Wasser Wär-
tig nehmen die politischen Regularien zu, wodurch die Aus- mepumpen. Gleichzeitig muss ein Betrieb im Überdruck
wahl eines geeigneten Arbeitsmittels zunehmend erschwert (oberhalb des Umgebungsdruck von 1 atm) sichergestellt
wird. In dieser Arbeit wird daher zunächst eine Selekti- werden, da ansonsten Luft in den Kältekreis eindringen
on markterhältlicher Arbeitsmittel durchgeführt. Diese wer- und dadurch den Betrieb stören kann. Zusätzlich dürfen
den sowohl nach politischen (GWP, ODP), als auch den Maximalwerte nicht überschritten werden. Hierbei limitie-
technischen Anforderungen (Betriebsgrenzen, Temperatu- ren die Materialeigenschaften der eingebauten Komponen-
ren) reduziert. Hierdurch entsteht eine Auflistung potenziell ten den maximalen Druck. Weiterhin darf die Temperatur
geeigneter Arbeitsmittel für Wärmepumpen. Anschließend am Verdichteraustritt, welche die höchste Temperatur im
wird das Systemverhalten der Fluide in Form der saisona- Prozess darstellt, definierte Grenzwerte nicht überschrei-
len Arbeitszahl (SCOP) nach DIN EN 14825 [24] bewertet. ten. Das Öl, mit welchem das Arbeitsmittel innerhalb des
Dabei werden die Fluide innerhalb des einfachen Kreis- Verdichters zur Verschleißreduktion im Kontakt steht, kann
laufes bestehend aus Verdichter, Verdampfer, Kondensator außerhalb der Betriebsgrenzen seine Schmierfähigkeit ver-
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Tab. 1 Randbedingungen für die Arbeitsmittel-Vorauswahl
3 2
GW Pmax 150
ODPmax 0
Sicherheitsklassen A1, A2L, A2, A3
Minimale Verdampfungstemperatur –15 °C; –30 °C
Minimaler Betriebsdruck 1,1 bar
Maximale Kondensationstemperatur 70 °C
Maximaler Kondensationsdruck 50 bar 4 1 Abb. 1 Schema des einfachen
Wärmepumpenkreislaufs
Betriebsart Unterkritisch
lieren und seine Molekülstruktur beginnt bei hohen Tem- noch 14 Fluide im Überdruck betrieben. Abgesehen von
peraturen aufzubrechen. Zusätzlich zu den technischen Be- R152a und R161 gehören die Fluide entweder der Gruppe
dingungen, müssen sicherheitstechnische Vorgaben erfüllt der Kohlenwasserstoffe (KW) oder der Hydrofluorolefine
werden. Diese korrelieren unmittelbar mit der Brennbarkeit (HFO) an. Weiterhin sind alle der selektieren Fluide min-
und der eingesetzten Füllmenge des ausgewählten Arbeits- destens A2L klassifiziert und somit brennbar.
mittels.
Als dritte Kategorie sind die ökologisch-ökonomischen
Voraussetzungen zu nennen. Beide Aspekte werden durch 3 Bewertung der Arbeitsmittel
die resultierende Kreislaufeffizienz beeinflusst. Diese ist
maßgeblich für die Betriebskosten (ökonomisch) und 3.1 Modellierung des Kreisprozesses
gleichzeitig für die indirekten Emissionen (ökologisch)
einer Wärmepumpe verantwortlich. Die indirekten Emis- Im Anschluss an die Vorauswahl der potenziellen Arbeits-
sionen, welche bei der Erzeugung des benötigten Stroms mittel wird eine Kreislaufberechnung durchführt, um das
entstehen, sind aufgrund der relativ hohen spezifischen Potenzial des Arbeitsmittels innerhalb der Wärmepumpe zu
Emissionen des deutschen Strommixes der Großteil der mit bestimmen. Dafür wird ein einfacher Kältekreislauf beste-
Wärmepumpen einhergehenden Emissionen [26, 27]. hend aus den vier Komponenten Verdichter, Kondensator,
Tab. 1 fasst die genannten Anforderungen zusammen. Expansionsventil und Verdampfer betrachtet. Abb. 1 illus-
Für die Sicherheitsklasse werden alle nicht-toxischen Flui- triert das Kreislaufschema und die Verschaltung der Kom-
de zugelassen. Somit sind auch entflammbare (A2L, A2, ponenten. Weiterhin werden für die Berechnung Annahmen
A3) Arbeitsmittel erlaubt. Weiterhin werden zwei mini- benötigt. Diese sind:
male Verdampfungstemperaturen zugelassen. Diese stellen
Vernachlässigung der Druck- sowie Wärmeverluste
Grenzwerte für den Betrieb einer Luft-Wasser bzw. Sole-
Konstante Überhitzung am Eintritt des Verdichters von
Wasser Wärmepumpe dar.
ΔTÜH = 5 K
Am Kondensator muss mindestens eine Unterkühlung
2.2 Ergebnisse der Vorauswahl
TUK;min = 0,2 K vorliegen
Minimale Temperaturdifferenz in den Wärmeübertragern
Die in Abschn. 2.1 vorgestellte Selektionsmethodik für Ar-
von TPinch = 2 K
beitsmittel in Wärmepumpe wird nachfolgend angewandt.
Wärmeübertrager in Gegenstromauslegung
Die Basis der Fluide bildet die REFPROP Stoffdatenbank
des amerikanischen NIST [28]. Diese umfasst in der aktuel- Abb. 2 zeigt für ein Fluid exemplarisch das Tempera-
len Version 268 Fluide, darunter sowohl Reinstoffe als auch tur-Enthalpie Diagramm. Dort sind die Zustandsänderungen
Gemische. Weiterhin werden neuere Gemische, für welche des Arbeitsmittels in schwarz dargestellt. Weiterhin sind in
noch kein Stoffmodell in REFPROP vorhanden sind, hän- Rot das sekundäre Fluid im Kondensator (Wasser) und in
disch hinzugefügt. Das Ergebnis der Vorselektion liefert
Tab. 2.
Die Vorauswahl liefert 32 Fluide, welche bei –15 °C
noch im Überdrück betrieben werden können. Von die-
sen ist nur R516A nicht in REFPROP vorhanden und wir
über Mischungsregeln in REFPROP angenähert. Weiter-
Abb. 2 Exemplarisches Tem-
hin sind die drei konventionell eingesetzten Arbeitsmittel
peratur-Enthalpie Diagramm
R410A, R134a und R32 als Referenz aufgelistet. Bei einer für den einfachen Kreislauf mit
Verdampfungstemperatur von –30 °C hingegen werden nur sekundären Fluiden
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Tab. 2 Selektierte Fluide, welche die Rahmenbedingungen aus Tab. 1 einhalten. Zusätzlich sind die Arbeitsmittel R410A, R134a und R32 als
Referenz aufgelistet [7, 29]. Weiterhin ist angegeben, ob die Fluide bei –30 °C Verdampfung ebenfalls einen Druck größer 1,1 bar besitzen und ob
diese von der aktuellen REACH Regulierung betroffen sein werden
Fluid Komponenten Verhältnis in GWP ASHRAE Verdampfung Voraussichtlich non T2In °C bei
mass-% bei –30 °C im REACH betroffen? A-7/W65
Überdruck
R152a Reinstoff – 124 A2 nein ja 138
R161 Reinstoff – 12 A3 ja nein 126
RE170 Reinstoff – 1 A3 nein nein 138
(DME)
RC270 Reinstoff – 1 A3 nein nein 135
R290 Reinstoff – 3 A3 ja nein 99
R429A DME/R152a/R600a 60/10/30 14 A3 nein ja 121
R430A R152a/R600a 76/24 95 A3 nein ja 117
R431A R290/R152a 71/29 38 A3 ja ja 100
R432A R1270, DME 80/20 2 A3 ja nein 112
R433A R1270, R290 30/70 3 A3 ja nein 101
R433B R1270, R290 5/95 3 A3 ja nein 100
R433C R1270, R290 25/75 3 A3 ja nein 101
R435A DME, R152a 80/20 26 A3 nein ja 135
R436A R290, R600a 56/44 2 A3 nein nein 111
R436B R290, R600a 52/48 2 A3 nein nein 112
R440A R290, R134a, 0,6/1,6/ 144 A2 nein nein 137
R152a 97,8
R441A R170, R290, 3,1/54,8/ 4 A3 nein nein 151
R600, R600a 6/36,1
R443A R1270, R290, 55/40/5 2 A3 ja nein 105
R600a
R444A R32, R152a, 12/5/83 93 A2L nein ja 123
R1234ze(E)
R445A R290, R134a, 6/9/85 134 A2L nein ja 147
R1234ze(E)
R451A R1234yf, R134a 89,8/10,2 149 A2L nein ja 90
R454C R32, R1234yf 21,5/78,5 148 A2L ja ja 106
R455A R744, R32, 3/21,5/75,5 148 A2L ja ja 111
R1234yf
R457A R32, R152a, 18/12/70 139 A2L ja ja 108
R1234yf
R459B R32, R1234yf, 21/69/10 145 A2L ja ja 107
R1234ze(E)
R510A DME, R600a 88/12 1 A3 nein nein 131
R511A R290, DME 95/5 9 A3 ja nein 100
R516A R134a, R152a, 8,5/14/ 142 A2L nein ja 105
R1234yf 77,5
R1234yf Reinstoff – 4 A2L nein ja 89
R1234ze(E) Reinstoff – 7 A2L nein ja 110
R1243zf Reinstoff – 0 A2L nein ja 102
R1270 Reinstoff – 2 A3 ja nein 107
R32 Reinstoff – 675 A2L ja ja 160
R134a Reinstoff – 1430 A1 nein ja 111
R410A R32/R125 50/50 2088 A1 ja ja 122
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Blau das sekundäre Fluid im Verdampfer (Luft/Sole) ein- Basierend auf der Kreislaufberechnung werden Kenn-
getragen. zahlen zur Einordnung der Arbeitsmittel bestimmt. Eine
Das obere und untere Druckniveau stellen sich dabei in wesentliche thermodynamische Kennzahl ist die Effizienz
Abhängigkeit der Sekundärfluide ein. Dazu wird ein Pinch- (COP). Der COP beschreibt das Verhältnis aus thermi-
Modell für beide Wärmeübertrager verwendet. Als minima- schem Nutzen zu energetischem Aufwand. Innerhalb einer
le Temperaturdifferenz ΔTPinch wird in der Berechnung 2 K Wärmepumpe ist dies der im Kondensator abgeführte Wär-
gewählt. Dabei werden die Druckniveaus so optimiert, dass mestrom bezogen auf die im Verdichter zugeführte elek-
zum einen ein physikalisches Verhalten gegeben ist und trische Leistung. Dieses Verhältnis zeigt Gl. 3. Für einen
zum anderen die Kreislaufeffizienz (COP) für jedes Fluid konstanten Massenstrom gilt spezifisch:
maximiert wird. Selbiges geschieht für die Unterkühlung
am Kondensatoraustritt. Die Bestimmung einer fluidabhän- h2 − h3
COP = (3)
gigen Unterkühlung ist bei der Betrachtung von Gemischen h1 − h2
entscheidend, da diese einen unmittelbaren Einfluss auf das Auf Basis des COP, welcher die Effizienz in einem defi-
obere Druckniveau hat. Das obere Druckniveau beeinflusst nierten Betriebspunkt darstellt, wird die saisonale Arbeits-
wiederum die zugeführte Arbeit im Verdichter und somit zahl SCOP ausgewertet, da Wärmepumpen im Allgemeinen
die Effizienz. nicht statisch betrieben werden. Die Berechnung erfolgt im
Die Berechnung der Zustandsänderung im Verdichter er- Rahmen dieser Arbeit auf Basis der DIN EN 14825 [24]
folgt mit Hilfe des isentropen Wirkungsgrades ηis. Dieser für eine Luft-Wasser Wärmepumpe in einem mittleren Kli-
stellt das Verhältnis aus der minimalen und der real benö- ma (ähnlich zu Straßburg) für niedrige Senkentemperaturen
tigten Arbeit dar. Dieses Verhältnis zeigen Gln. 1 und 2. (35 °C).
Eine weitere Kennzahl zur Einordnung der notwendigen
h2s = h.s1 I p2 / (1) Anlagengröße ist die volumetrische Heizenergie VHC. Die-
h2s − h1 se stellt den abgeführten Wärmestrom im Kondensator in
is = (2) das Verhältnis zum Volumenstrom am Eintritt des Verdich-
h2 − h1
ters und ist in Gl. 4 dargestellt.
Dabei ist h die spezifische Enthalpie, s die spezifische
Entropie und p der Druck des jeweiligen Zustandes. Der QP Kond
VH C = = .h2 − h3 / 1 (4)
Zustand 2 s entsteht in Folge einer isentropen Kompression. VP1
Innerhalb der Kreislaufberechnung wird der isentrope
Wirkungsgrad mit Hilfe eines semi-physikalischen Verdich- Die volumetrische Heizenergie ist ein Maß für die benö-
termodells für einen Hubkolbenverdichter berechnet [30]. tigte Anlagengröße. Fällt diese vergleichsweise klein aus,
Das Modell bestimmt den isentropen Wirkungsgrad in Ab- müssen die Durchmesser der Rohrleitungen und der Ver-
hängigkeit des Eintrittsdrucks p1, der Eintrittstemperatur T1 dichter größer gewählt werden, sodass eine ähnliche Wär-
und des Austrittsdrucks p2 für jedes Fluid individuell. Da- meleistung zu Arbeitsmitteln mit hoher VHC erzielt wer-
durch kann ein realitätsnahes Fluidverhalten im Verdich- den kann. Die Berechnung des Kreislaufes erfolgt inner-
ter abgebildet werden. Ein realitätsnahes Verdichterverhal- halb der Programmiersprache Python. Für die Berechnung
ten ist bei der Fluidbewertung essentiell, da dort die größ- der Fluideigenschaften wird die Stoffdatenbank REFPROP
ten Verluste anfallen und somit maßgeblichen Einfluss auf des NIST [28] verwendet.
die Kreislaufeffizienz hat [12]. Der Hubkolbenverdichter
erreicht tendenziell niedrigere Effizienzen als Scroll- und 3.2 Kreislaufverhalten der identifizierten
Rollkolbenverdichter, welche in den meisten Wärmepum- Arbeitsmittel
pen eingesetzt werden. Allerdings liegt der Fokus dieser
Arbeit auf der resultierenden Fluidreihenfolge und nicht auf Das Betriebsverhalten der zuvor reduzierten potenziellen
den absoluten Größen. Die relativen Änderungen durch die Arbeitsmittel wird nachfolgend analysiert. Hierfür wird auf
Anpassung des Fluids sind bei Verdichtern ähnlich, weshalb die DIN EN 14825 zur Berechnung des SCOP zurückgegrif-
ein realitätsnahes Ranking der Fluide mit dem Hubkolben- fen, welche die aktuelle Richtlinie für Wärmepumpenher-
verdichtermodell bestimmt werden kann. Zusätzlich ist die steller darstellt. In dieser Richtlinie wird die saisonale Ar-
Verwendung eines Verdichtermodells entscheidend, da un- beitszahl auf Basis einzelner Betriebspunkte bestimmt. Für
terschiedliche Betriebspunkte in die Berechnung der der die Berechnung wird eine niedrige Temperatur der Senke
saisonalen Arbeitszahl eingehen. Hierfür ist die Abhängig- (35 °C) unter mittleren Klimabedingungen (charakteristisch
keit der Effizienz vom Betriebspunkt ausschlaggebend, da für die Stadt Straßburg) angesetzt.
diese Abhängigkeit für jedes Fluid unterschiedlich ausfällt. Abb. 3 zeigt das Betriebsverhalten nach DIN EN 14825
für die in Abschn. 3.1 vorausgewählten Arbeitsmittel (siehe
KForsch Ingenieurwes
Effizienzen zeigen. Dies kann vor allem auf den jewei-
ligen Temperaturgleit zurückgeführt werden, welcher für
beide Gemische um 20 K liegt. Durch den hohen Tempera-
turgleit innerhalb des Zweiphasengebietes liegt der Pinch-
Punkt innerhalb der beiden Wärmeübertrager jeweils am
Austritt des Arbeitsmittels. Dadurch stellt sich eine ins-
gesamt deutlich höhere mittlere Temperaturdifferenz zwi-
schen Arbeitsmittel und sekundärem Fluid ein, wodurch
nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zusätz-
liche Verluste (Zunahme der Irreversibilität) während der
Wärmeübertragung entstehen. Weiterhin muss der Prozess
dadurch zu niedrigen, unteren Druckniveaus ausweichen.
Die Folge ist, dass das Druckverhältnis und somit auch die
notwendige Verdichtungsarbeit zunehmen. Insgesamt hat
dies einen negativen Einfluss auf die Kreislaufeffizienz.
Abb. 3 Saisonale Arbeitszahl (SCOP) nach DIN EN 14825 und volu-
metrische Heizenergie (VHC) normiert auf R410A für die identifizier- Wird weiterhin als dritte Größe zusätzlich die Sicher-
ten Low-GWP Arbeitsmittel heitsklasse der Arbeitsmittel berücksichtigt, zeigt sich, dass
die A3 Arbeitsmittel (die nicht-toxischen aber hochent-
zündlichen Fluide) das höchste Potenzial sowohl hinsicht-
Tab. 2). Dabei ist die Effizienz der Wärmepumpe über der lich der Effizienz als auch der volumetrischen Heizener-
volumetrischen Heizenergie aufgetragen. Alle Werte sind gie besitzen. Innerhalb dieser Studie handelt es sich dabei
auf das Arbeitsmittel R410A normiert. Die Farbskala in- abgesehen von R161 um KW. Dabei beinhaltet die Grup-
nerhalb der Abbildung zeigt die Sicherheitsklassen der je- pe sowohl Reinstoffe als auch Gemische, wobei entweder
weiligen Fluide. Propan (R290) oder Propen (R1270) den Hauptbestandteil
Im detaillierten Arbeitsmittelvergleich sind mehrere der jeweiligen Gemische darstellen. Weiterhin erreichen die
Aspekte auffällig. Zum einen weisen alle alternativen Ar- A2 klassifizierten Arbeitsmittel ebenfalls hohe Effizienzen,
beitsmittel kleinere volumetrische Heizenergien als die Re- allerdings ist deren volumetrische Heizenergie verhältnis-
ferenzfluide R410A und R32 auf, wobei Propen (R1270) mäßig gering (vgl. R152a etwa 40 % von R410A) und lie-
mit etwa 70 % von R410A den höchsten Wert aufweist. gen damit in einem ähnlichen Bereich wie das Referenzfluid
Hauptursache sind die unterschiedlichen Betriebsdrücke. R134a. Diese Beobachtungen können auch experimentellen
Bei R410A und R32 handelt es sich um Hochdruckfluide. Arbeiten entnommen werden [21, 31].
Für den Betriebspunkt A2/W35 (hierbei steht das A für Als dritte Gruppe sind die A2L Arbeitsmittel dargestellt.
die Wärmequelle „Air“ und das W für die Wärmesenke Diese weisen die niedrigsten Effizienzen der alternativen
„Water“) beispielsweise liegt das untere Druckniveau für Fluide auf. Im Vergleich zu R410A erreicht der Reinstoff
R410A bei 6,8 bar und für R32 bei 6,9 bar. Demgegen- R1243zf einen um 6 % höheren SCOP, wobei das Gemisch
über stehen exemplarisch Propen (R1270) mit 5 bar und R455A mit ca. 60 % von R410A die höchste volumetri-
R1234ze(E) mit nur noch 1,8 bar, welches insgesamt die schen Heizenergie aufweist. Innerhalb der Gruppe der A2L
niedrigste volumetrische Heizenergie aufweist. Aufgrund Arbeitsmittel befinden sich ausschließlich HFOs. Die meis-
des deutlich höheren Eintrittsdrucks ist die Dichte am Ein- ten Fluide dieser Gruppe sind wiederum Gemische, wel-
tritt des Verdichters ebenfalls höher, wodurch nach Gl. 4 che größtenteils auf R1234yf und R32 basieren. Innerhalb
die volumetrische Heizenergie zunimmt. Als Konsequenz dieser Studie zeigen die Gemische im Vergleich zum Rein-
müssen zukünftige Wärmepumpen höhere Volumenströme stoff R1234yf ein verbessertes Kreislaufverhalten – sowohl
fördern, wodurch zum einen das Hubvolumen des Ver- hinsichtlich der Effizienz als auch der volumetrischen Hei-
dichters und zum anderen die Rohrdurchmesser vergrößert zenergie, liegen allerdings dennoch unterhalb der KW. Die
werden müssen, um die gleiche Heizleistung wie z. B. Gemische R454C, R455A, R457A und R459B besitzen al-
R410A zu erreichen. le einen Temperaturgleit von mindestens 6 K. Hierbei kann
Im Gegensatz zur volumetrischen Heizenergie zeigen ei- das Potenzial des Temperaturgleits im einfachen Kreislauf
nige der selektierten Arbeitsmittel hinsichtlich der Effizienz nicht vollständig genutzt werden. Das Potenzial kann aller-
ein deutliches Verbesserungspotential bezogen auf die Refe- dings in einem veränderten Kreislaufschema durch den Ein-
renzfluide. Hierbei zeigen die Reinstoffe R161 und RC270 bau eines internen Wärmeübertragers ausgeschöpft werden.
die höchsten Effizienzen mit einer Verbesserung von et- Hierbei wird die Überhitzung aus dem Verdampfer in den
wa 15 % im Vergleich zu R410A. Demgegenüber stehen internen Wärmeübertrager ausgelagert, wodurch das unte-
die Gemische R445A und R441A, welche die niedrigsten re Druckniveau angehoben werden kann. Dieser Effekt ist
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Abb. 4 Isentroper Verdichterwirkungsgrad der Fluide für die Betriebs- Abb. 5 Austrittstemperatur am Verdichter für ausgewählte Fluide für
punkte A2/W35 und A7/W35 bestimmt mit Hilfe des semi-physikali- den Betriebspunkt A-7/W65
schen Verdichtermodells
besonders stark bei Gemischen mit Temperaturgleit. Eine Dies führt insgesamt zu den niedrigeren saisonalen Arbeits-
detaillierte Untersuchung wird im Rahmen dieser Arbeit zahlen. Weiterhin wird ersichtlich, dass die Annahme eines
allerdings nicht durchgeführt. Gleichzeitig hat der Tempe- konstanten isentropen Wirkungsgrades, wie dies in der Li-
raturgleit von Gemischen nicht nur positive Einflüsse. Auf- teratur üblich ist, eine starke Vereinfachung darstellt und
grund der Temperaturänderung sowie der unterschiedlichen die Fluidauswahl beeinflusst. Daher sollten bei Fluidver-
Zusammensetzungen der Flüssig- und Gasphase innerhalb gleichen betriebspunkt- und fluidabhängige Wirkungsgrade
des Nassdampfgebietes führen Gemische meist zu einem re- im Verdichter berücksichtigt werden.
duzierten Wärmeübergangskoeffizienten während des Pha- Neben der Effizienz und der volumetrischen Heizener-
senwechsels [32]. Dies führt insgesamt zu einer reduzier- gie ist die resultierende Austrittstemperatur am Verdichter,
ten Wärmeübertragung. Dieser Einfluss muss insbesonde- welche die höchste Prozesstemperatur darstellt, eine wich-
re bei der Dimensionierung der Wärmeübertrager beachtet tige Kennzahl für die Eignung eines Arbeitsmittels. Inner-
werden. Zusätzlich entweicht im Falle einer Leckage ver- halb des Verdichters interagiert das Arbeitsmittel mit dem
mehrt die leicht-flüchtige Komponente aus dem Gemisch. Schmieröl. Um eine ausreichende Schmierung des Verdich-
Dadurch stellt sich mit der Zeit eine veränderte Gesamt- ters sicherzustellen, sollte die Öltemperatur einen Schwell-
gemischzusammensetzung ein, welche den Prozess negativ wert nicht überschreiten. Dieser liegt meist im Bereich von
beeinflussen kann. 100 bis 120 °C [33]. Diese Beschränkung ist insbesonde-
Eine Begründung dafür, dass die HFO niedrigere Kreis- re für hohe Temperaturhübe limitierend. Folglich sollte die
laufeffizienzen aufweisen als die KW, ist der isentrope Wir- Verdichteraustrittstemperatur gerade bei hohen Temperatur-
kungsgrad im Verdichter. Dieser wird innerhalb dieser Ar- hüben möglichst niedrig ausfallen.
beit fluid- und betriebspunktabhängig bestimmt. Für die Be- Abb. 5 zeigt exemplarisch die Austrittstemperaturen für
triebspunkte A2/W35 (blau) und A7/W35 (orange) sind die ausgewählte Arbeitsmittel für den Betriebspunkt A-7/W65.
Wirkungsgrade für ausgewählte Fluide in Abb. 4 darge- Weiterhin fasst Tab. 2 die resultierenden Temperaturen al-
stellt. Die Wirkungsgrade schwanken stark in Abhängig- ler betrachteten Fluiden zusammen. Von den dargestellten
keit sowohl des Fluides als auch des Betriebspunktes. Hier- Arbeitsmitteln liegen nur Propan und R1234yf unterhalb
bei zeigen die KW R432A, R1270 und R290 deutlich hö- von 100 °C und halten die Vorgabe hinsichtlich der maxi-
here Wirkungsgrade als die HFO-Reinstoffe R1234yf und malen Schmieröltemperatur ein. Dies unterliegt allerdings
R1243zf mit Unterschieden von bis zu 8 Prozentpunkten. der Annahme, dass Schmieröl und Arbeitsmittel dieselbe
Die Wirkungsgrade der HFO-Gemische liegen vornehmlich Temperatur aufweisen.
zwischen den KW und den HFO-Reinstoffen. Durch die Besonders hervorzuheben ist hier R161, welches die
niedrigeren Wirkungsgrade steigen die Verluste innerhalb höchste Kreislaufeffizienz in dieser Studie aufzeigt. Wäh-
des Verdichters für die HFO an, wodurch die Kreislaufef- rend des Betriebs können mit R161 Temperaturen oberhalb
fizienz absinkt. Bei den Gemischen kommt darüber hinaus von 120 °C auftreten, weshalb hinreichende Schmiereigen-
der bereits diskutierte Temperaturgleit, dessen Potenzial im schaften gängiger Schmierstoffe und damit eine ausrei-
einfachen Kreislauf nicht vollständig genutzt werden kann. chende Schmierung des Verdichters nicht sichergestellt ist.
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Dementsprechend scheidet R161 als potenzielle Alternati- welche A3 Kältemittel verwenden, außen aufgestellt wer-
ve für Wärmepumpen mit hohen Temperaturhüben (bspw. den müssen, da andernfalls vergleichsweise geringe Wär-
Luft-Wasser Wärmepumpen) im Rahmen dieser Studie meleistungen (aufgrund der Füllmenge von 150 g) realisiert
aus. Für Anwendungen, welche im Allgemeinen höhere werden können [35]. Hiermit gehen zum einen zusätzliche
Quellentemperaturen und damit niedrigere Temperaturhü- Kosten aber auch sekundäre Effekte wie die zusätzlichen
be bedingen (bspw. Sole-Wasser Wärmepumpen) könnte Schallemissionen einher.
das Fluid allerdings eine hocheffiziente Alternative darstel- Bei Luft-Wasser Wärmepumpen, welche mit fast 80 %
len. Andere Fluide wie bspw. RC270 zeigen ein ähnliches den Großteil der Wärmepumpen in Deutschland ausmachen
Verhalten. [36], ist die Außenaufstellung technisch gut realisierbar,
Zusammenfassend zeigt sich, dass bei der Auswahl ei- da diese im Allgemeinen aus zwei Einheiten bestehen: Ei-
nes geeigneten Arbeitsmittels für Wärmepumpen viele Fak- ner Innen- und einer Außeneinheit. Hierfür existieren zwei
toren gleichzeitig berücksichtigt werden müssen, welche Möglichkeiten der Anordnungen für den Kältekreis: Die
bisher noch separat (z. B. anhand von einfachen Fluidheu- Anordnung als Monoblock und als Split-Einheit. Bei der
risiken oder Erfahrungen) bestimmt werden. Aus diesem Monoblock-Anordnung befindet sich der vollständige Käl-
Grund liefert das nachfolgende Abschnitt eine Diskussi- tekreis innerhalb der Außeneinheit. Innerhalb des Konden-
on über die Potenziale und Limitationen einzelner Arbeits- sators zirkuliert als sekundären Fluid meist ein Glykol-Was-
fluide. Gleichzeitig werden die Arbeitsmittel, welche unter ser-Gemisch, welches über einen zweiten Wärmeübertrager
Berücksichtigung diverser Faktoren das höchste Potenzial in der Inneneinheit die Wärme an den Heizkreislauf abgibt.
besitzen, vorgeschlagen und zusätzlicher Forschungsbedarf Demgegenüber steht die Split-Ausführung, bei welcher sich
aufgezeigt. der Kondensator innerhalb der Inneneinheit befindet – der
Kältekreis ist somit aufgeteilt. Der Vorteil an dieser Aus-
3.3 Diskussion führung ist die Einsparung des zusätzlichen Wärmeüber-
tragers. Dadurch wird der Zwischenkreislauf des Glykol-
Die Untersuchung potenziell geeigneter Arbeitsmittel in Wasser-Gemischs weggelassen und insgesamt die Tempe-
Wärmepumpen aus Abschn. 3.2 zeigt, dass unter gegeben raturdifferenz zwischen Heiz- und Kältekreislauf reduziert.
politisches Vorgaben brennbare Fluide unausweichlich sind. Die Reduktion der Temperaturdifferenz liegt dabei im Be-
Die identifizierten Arbeitsmittel teilen sich (mit Ausnahme reich von 2 bis 5 K. Dadurch kann der Temperaturhub inner-
von R152a und R161) in die zwei Hauptgruppen der na- halb des Kältekreises reduziert und insgesamt die Effizienz
türlichen Arbeitsmittel und der Hydrofluorolefine (HFO) gesteigert werden. Diese Ausführung ist aufgrund der Vor-
auf. Die durchgeführte Analyse zeigt dabei deutliche Dif- gabe zur erlaubten Füllmenge für A3 Kältemittel allerdings
ferenzen hinsichtlich der Kreislaufeffizienz zwischen den nicht zulässig, weshalb diese in der ineffizienteren Mono-
zwei Kältemittelgruppen. Dabei liefern die natürlichen Ar- block-Ausführung hergestellt werden. Für A2L Kältemittel
beitsmittel im Schnitt 5 bis 10 % höhere Effizienzen. Somit kann die Split-Ausführung aufgrund der höheren erlaubten
sind die natürlichen Kältemittel bezüglich der thermodyna- Füllmenge hingegen realisiert werden. Durch die veränderte
mischen Eigenschaften der Gruppe der HFO zu bevorzu- Ausführung kann der allgemeine Effizienzvorteil, welcher
gen. Allerdings ist ein direkter Vergleich oft nicht möglich. mit natürlichen Kältemitteln einhergeht und in Abschn. 3.2
Dies liegt insbesondere an den zusätzlichen Vorgaben hin- aufgezeigt wurde, teilweise aufgewogen werden, da diese
sichtlich der maximal erlaubten Füllmenge des jeweiligen aufgrund der höheren Temperaturdifferenz bei leicht hö-
Arbeitsmittels. Eine Vorschrift ist hier die EN 378 [34]. heren Kondensatortemperaturen betrieben werden müssen.
Innerhalb der Vorschrift wird die erlaubte Füllmenge ei- Die exakten Auswirkungen sind innerhalb der verfügbaren
nes Fluides unter anderem in Abhängigkeit der Größe des Literatur allerdings noch nicht quantifiziert worden.
Raumes, in welchem die Anlage aufgestellt wird und der Neben der Gesamtanlageneffizienz sollten bei der Ar-
unteren Explosionsgrenze des Fluides bestimmt. Die untere beitsmittelwahl auch Umwelteinflüsse berücksichtigt wer-
Explosionsgrenzen von natürlichen Kältemitteln und HFOs den. HFOs bilden innerhalb der Atmosphäre während des
unterscheiden sich deutlich, was unter anderem auch inner- Abbauprozesses unter anderem Trifluoressigsäure (TFA)
halb der höheren Sicherheitsklasse (A3 und A2L) zusam- [37]. TFA hat eine sehr hohe Wasserlöslichkeit und ist
mengefasst ist. Im Vergleich zu R1234yf hat bspw. Propan gleichzeitig schwer abbaubar. Über Niederschläge kann
eine um den Faktor acht niedrigere untere Explosionsgren- das in der Atmosphäre gebildete TFA ins Grundwasser ge-
ze. Insgesamt führt dies dazu, dass für A3 klassifizierte langen, wo dieses über herkömmliche Reinigungsmethoden
Arbeitsmittel Füllmengen im Bereich von 150 g und für nicht aus dem Wasser entfernt werden kann. Dadurch wird
A2L klassifizierte Arbeitsmittel, wozu die HFOs gehören, das Grundwasser kontaminiert, weshalb das Umweltbundes
von ca. 1,8 kg erlaubt sind, welche innen aufgestellt werden im Jahr 2019 die Empfehlung ausgegeben hat, den Einsatz
können. Die Konsequenz daraus ist, dass Wärmepumpen, von TFAs zu minimieren [38]. Die mittel- bis langfristi-
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gen Auswirkungen von TFA sind noch nicht vollständig größte Potenzial. Das Potenzial kann hierbei weiter erhöht
bekannt, weshalb der endgültige Einfluss durch einen ver- werden, wenn das Kreislaufschema durch einen internen
mehrten Einsatz von HFOs aktuell nicht bestimmt werden Wärmeübertrager erweitert und damit der Temperaturgleit
kann. Nichtsdestotrotz sind zukünftig politische Vorga- genutzt werden kann. Diese Arbeitsmittel werden allerdings
ben bezüglich des Ausstoßes von TFA bildenden Stoffen zukünftig von weiteren Regularien betroffen sein, welche
möglich und werden im Rahmen der Anpassung der eu- bei der Auswahl und der langfristigen Entscheidung für ein
ropäischen REACH Verordnung (Registration, Evaluation, Arbeitsmittel berücksichtigt werden müssen.
Authorisation and Restrication of Chemicals) bereits dis-
kutiert [25]. Daher muss bei der Verwendung von HFOs
bereits jetzt eingeplant werden, dass zusätzliche Regularien 4 Zusammenfassung
den Einsatz limitieren oder verbieten können.
Die aktuellen Vorgaben des Gesetzgebers beziehen sich Im Rahmen dieses Beitrags wird eine Marktanalyse poten-
insbesondere auf die ökonomischen Aspekte des ODP und zieller alternativer Arbeitsmittel durchgeführt. Hierfür wer-
GWP des Arbeitsmittels der Wärmepumpe. Hierdurch soll den die Fluide hinsichtlich der ökologischen Vorgaben (kein
eine weiterer Abbau der Ozonschicht verhindert sowie das Ozonabbaupotential, Treibhauspotential unter 150) sowie
Fortschreiten des Klimawandels verlangsamt werden. In- technischen Anforderungen für Wärmepumpen zur Bereit-
nerhalb der Literatur haben allerdings mehrere Autoren auf- stellung von Raumwärme und Trinkwarmwasser selektiert.
gezeigt, dass hiermit nur ein kleiner Teil der Gesamtemis- Hierbei werden insgesamt 32 Fluide identifiziert, welche
sionen, welche mit der Herstellung, dem Betrieb sowie der potenziell als alternatives Arbeitsmittel in zukünftigen Wär-
Entsorgung von Wärmepumpen verbunden sind, berück- mepumpen geeignet sind. Die meisten Fluide sind dabei
sichtigt werden [26, 27]. In den meisten Ländern überwie- Kohlenwasserstoffe (KW) oder Hydrofluorolefine (HFO).
gen die indirekten Emissionen, welche mit der Stromerzeu- Anschließend wird das Betriebsverhalten mit Hilfe der sai-
gung verbunden sind, die durch die Leckage des Arbeits- sonalen Arbeitszahl nach DIN EN 14825 bestimmt. Für die
mittels und dessen GWP entstehenden direkten Emissio- Kreislaufberechnung wird der einfache Kreislauf mit einem
nen. Der Anteil der indirekten Emissionen wird zwar durch semi-physikalischen Verdichtermodell verwendet, um einen
eine erhöhte Einbindung regenerativer Energiequellen in realitätsnahen Betrieb abzubilden. Hierbei zeigen die KW
die Strombereitstellung in Zukunft sinken, eine vollständi- ein Verbesserungspotential der Arbeitszahl im Vergleich zu
ge Angleichung beider Emissionsarten weltweit wird aller- R410A von bis zu 15 % (RC270). Die HFO zeigen ein ge-
dings noch Jahrzehnte dauern. Folglich ist eine umfangrei- ringes Verbesserungspotential von 6 % (R1243zf). Bei der
chere, gleichzeitige Betrachtung für eine Regulierung um- Wahl des Arbeitsmittels müssen allerdings weitere Aspekte
weltfreundlicher Arbeitsmittel zielführend. Eine vergleichs- betrachtet werden. HFO bilden innerhalb der Atmosphäre
weise einfache Methode kann hier eine Abschätzung über die Trifluoressigsäure (TFA), deren langfristige Auswirkun-
den Total Equivalent Warming Impact (TEWI) sein, wel- gen noch nicht vollständig bestimmt sind. Demgegenüber
che sowohl die indirekten als auch die direkten Emissionen stehen Füllmengenbeschränkung für die hochentzündlichen
des Betriebs berücksichtigt. Eine weitere Möglichkeit ist KW. Insgesamt zeigen die Arbeitsmittel Propan, Propen so-
die Betrachtung des vollständigen Lebenszyklus der Wär- wie deren Gemische das höchste Potenzial. Für Anwendun-
mepumpe (LCA). Hierdurch können weitere Effekte wie gen, in denen innenaufgestellte Wärmepumpen erforderlich
die TFA-Bildung innerhalb der ökologischen Bewertung sind, bieten die HFO R454C, R457A und R516A effizien-
berücksichtigt werden, um den gesamten Umwelteinfluss te Alternativen, deren Effizienz durch die Integration eines
des Wärmepumpensystems zu berücksichtigen. internen Wärmeübertragers in den Kältekreislauf weiter ge-
Unter aktuellen Rahmenbedingungen für Wärmepumpen steigert werden kann.
werden natürliche Kältemittel und HFOs zukünftig unaus-
weichlich sein. Hierbei haben beide Gruppen von Arbeits-
mitteln Vor- und Nachteile. Im Rahmen dieser Studie kris- 5 Nomenklatur
tallisieren sich die A3 Arbeitsmittel Propan, Propen sowie
deren Gemische (R433A, R433B und R433C) als die effi- Die Nomenklatur ist in Tab. 3 dargestellt.
zientesten Fluide heraus. Diese sind allerdings durch ihre
Füllmenge limitiert und müssen daher als Monoblock ge-
baut werden, um die geforderten Leistungen erzielen zu
können. Der Einfluss der veränderten Ausführung sollte
zukünftig genauer quantifiziert werden. Falls eine innen
aufgestellte Wärmepumpe erforderlich ist, zeigen die A2L
Arbeitsmittel R454C, R457A und R516A insgesamt das
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Tab. 3 Nomenklatur
Formelzeichen Indizes
COP Leistungszahl [–] ÜH Überhitzung
h Spezifische Enthalpie [J/kg] UK Unterkühlung
p Druck [Pa] is Isentrop
S COP Saisonelle Arbeitszahl [–] 1–4 Thermodynamische Zustände
s Spezifische Entropie [J/(kgK)] 2s Zustand nach isentroper Verdichtung
T Temperatur [K] – –
QP Wärmestrom [W] – –
VH C Volumetrische Heizenergie [J/m3] – –
VP Volumenstrom [m3/s] – –
T Temperaturdifferenz [K] – –
Wirkungsgrad [–] – –
Dichte [kg/m3] – –
Förderung Die Arbeiten wurden im Rahmen des Vorhabens LOGIN 5. Wang Y, Ye Z, Yin X, Song Y, Cao F (2021) Energy, exergy and
(Förderkennzeichen: 03EN4011) durch das Bundesministerium für exergoeconomic evaluation of the air source transcritical CO2 heat
Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. pump with internal heat exchanger for space heating. Int J Refrig
130:14–26. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.06.028
Funding Open Access funding enabled and organized by Projekt 6. Bell IH, Domanski PA, McLinden MO, Linteris GT (2019) The
DEAL. hunt for nonflammable refrigerant blends to replace R-134a. Int J
Refrig 104:484–495. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.05.035
Interessenkonflikt C. Höges, V. Venzik, C. Vering und D. Müller ge- 7. European Parliament (2014on) Regulation (EU) No. 517/2014 of
ben an, dass kein Interessenkonflikt besteht. the European Parliament and of the Council of 16 April 2014 on
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lichen Autor(en) und die Quelle ordnungsgemäß nennen, einen Link https://doi.org/10.1111/reel.12225
zur Creative Commons Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen 9. McLinden MO, Brown JS, Brignoli R, Kazakov AF, Doman-
vorgenommen wurden. ski PA (2017) Limited options for low-global-warming-potential
refrigerants. Nat Commun 8(1):14476. https://doi.org/10.1038/
Die in diesem Artikel enthaltenen Bilder und sonstiges Drittmaterial ncomms14476
unterliegen ebenfalls der genannten Creative Commons Lizenz, sofern 10. Zühlsdorf B, Jensen JK, Elmegaard B (2019) Heat pump working
sich aus der Abbildungslegende nichts anderes ergibt. Sofern das be- fluid selection—Economic and thermodynamic comparison of cri-
treffende Material nicht unter der genannten Creative Commons Lizenz teria and boundary conditions. Int J Refrig 98:500–513. https://doi.
steht und die betreffende Handlung nicht nach gesetzlichen Vorschrif- org/10.1016/j.ijrefrig.2018.11.034
ten erlaubt ist, ist für die oben aufgeführten Weiterverwendungen des 11. Llopis R, Calleja-Anta D, Sánchez D, Nebot-Andrés L, Catalán-
Materials die Einwilligung des jeweiligen Rechteinhabers einzuholen. Gil J, Cabello R (2019) R-454C, R-459B, R-457A and R-455A as
low-GWP replacements of R-404A: Experimental evaluation and
Weitere Details zur Lizenz entnehmen Sie bitte der Lizenzinformation optimization. Int J Refrig 106:133–143. https://doi.org/10.1016/j.
auf http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de. ijrefrig.2019.06.013
12. Sánchez D, Cabello R, Llopis R, Catalán-Gil J, Nebot-Andrés L
(2019) Energy assessment and environmental impact analysis of
Literatur an R134a/R744 cascade refrigeration plant upgraded with the low-
GWP refrigerants R152a, R1234ze(E), propane (R290) and propy-
1. Bundesministerium für Umwelt Treibhausgasemissionen sin- lene (R1270). Int J Refrig 104:321–334. https://doi.org/10.1016/j.
ken 2020 um 8,7 Prozent. https://www.bmu.de/pressemitteilung/ ijrefrig.2019.05.028
treibhausgasemissionen-sinken-2020-um-87-prozent/. Zugegrif- 13. Venzik V, Roskosch D, Atakan B (2017) Propene/isobutane mix-
fen: 28. Sept. 2021 tures in heat pumps: An experimental investigation. Int J Refrig
2. Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e. V. Wie heizt 76:84–96. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2017.01.027
Deutschland 2019? https://www.bdew.de/energie/studie-wie-heizt- 14. Venzik V, Roskosch D, Atakan B (2020) Propan/Isobutan-Ge-
deutschland/. Zugegriffen: 28. Sept. 2021 mische als alternative Kältemittel in Kompressionskältemaschi-
3. Ceglia F, Marrasso E, Roselli C, Sasso M (2021) An innovative en- nen: Eine experimentelle Untersuchung. Forsch Ingenieurwes
vironmental parameter: Expanded total equivalent warming impact. 84(1):65–77. https://doi.org/10.1007/s10010-019-00389-8
Int J Refrig. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.08.019 15. Li Z, Shen B, Gluesenkamp KR (2021) Multi-objective optimizati-
4. de Paula CH, Duarte WM, Rocha TTM, de Oliveira RN, Men- on of low-GWP mixture composition and heat exchanger circuitry
des RP, Maia AAT (2020) Thermo-economic and environmental configuration for improved system performance and reduced refri-
analysis of a small capacity vapor compression refrigeration sys- gerant flammability. Int J Refrig. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.
tem using R290, R1234yf, and R600a. Int J Refrig 118:250–260. 2021.01.003
https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.07.003 16. Zühlsdorf B, Jensen JK, Cignitti S, Madsen C, Elmegaard B (2018)
Analysis of temperature glide matching of heat pumps with zeotro-
KForsch Ingenieurwes
pic working fluid mixtures for different temperature glides. Energy 27. Llopis R, Calleja-Anta D, Maiorino A, Nebot-Andrés L, Sán-
153:650–660. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.04.048 chez D, Cabello R (2020) TEWI analysis of a stand-alone refrigera-
17. Zühlsdorf B, Meesenburg W, Ommen TS, Thorsen JE, Markus- tion system using low-GWP fluids with leakage ratio consideration.
sen WB, Elmegaard B (2018) Improving the performance of boos- Int J Refrig 118:279–289. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.
ter heat pumps using zeotropic mixtures. Energy 154:390–402. 05.028
https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.04.137 28. Lemmon EW, Bell IH, Huber ML, McLinden MO (2018) NIST
18. Calleja-Anta D, Nebot-Andrés L, Catalán-Gil J, Sánchez D, Ca- standard reference database 23: Reference fluid thermodynamic and
bello R, Llopis R (2020) Thermodynamic screening of alternative transport properties-REFPROP, version 10.0, National Institute of
refrigerants for R290 and R600a. Results Eng 5:100081. https://doi. Standards and Technology https://doi.org/10.18434/T4/1502528
org/10.1016/j.rineng.2019.100081 29. American Society of Heating (2019) Refrigerating and air-condi-
19. Dalkilic AS, Wongwises S (2010) A performance comparison of tioning engineers. In: ASHRAE standard 34: designation and safety
vapour-compression refrigeration system using various alternati- classification of refrigerants
ve refrigerants. Int Commun Heat Mass Transf 37(9):1340–1349. 30. Roskosch D, Venzik V, Atakan B (2017) Thermodynamic model for
https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2010.07.006 reciprocating compressors with the focus on fluid dependent effi-
20. Heredia-Aricapa Y, Belman-Flores JM, Mota-Babiloni A, Serrano- ciencies. Int J Refrig 84:104–116. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.
Arellano J, García-Pabón JJ (2020) Overview of low GWP mix- 2017.08.011
tures for the replacement of HFC refrigerants: R134a, R404A and 31. Venzik V (2019) Experimentelle Untersuchung des Fluideinflus-
R410A. Int J Refrig 111:113–123. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig. ses auf die Thermodynamik der Wärmepumpe: Kohlenwasserstoffe
2019.11.012 und deren Gemische. DuEPublico, Duisburg-Essen
21. Sánchez D, Cabello R, Llopis R, Arauzo I, Catalán-Gil J, Torrella E 32. Azzolin M, Berto A, Bortolin S, Moro L, Del Col D (2019) Conden-
(2017) Energy performance evaluation of R1234yf, R1234ze(E), sation of ternary low GWP zeotropic mixtures inside channels. Int
R600a, R290 and R152a as low-GWP R134a alternatives. Int J Ref- J Refrig 103:77–90. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.03.021
rig 74:269–282. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2016.09.020 33. Aktemur C, Ozturk IT, Cimsit C (2020) Comparative energy and
22. Thu K, Takezato K, Takata N, Miyazaki T, Higashi Y (2021) exergy analysis of a subcritical cascade refrigeration system using
Performance evaluation of a heat pump system using an HFC32/ low global warming potential refrigerants. Appl Therm Eng. https://
HFO1234yf blend with GWP below 150 for heating applica- doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.116254
tions. Appl Therm Eng 182:115952. https://doi.org/10.1016/j. 34. Deutsches Institut für Normung (2020) DIN EN 378-1: Kälteanla-
applthermaleng.2020.115952 gen und Wärmepumpen-Sicherheitstechnische und umweltrelevan-
23. Roskosch D, Venzik V, Schilling J, Bardow A, Atakan B (2021) te Anforderungen: Teil 1: Grundlegende Anforderungen, Begriffe,
Beyond temperature glide: The compressor is key to realizing be- Klassifikation und Auswahlkriterien, S 378–371
nefits of Zeotropic mixtures in heat pumps. Energy Technol. https:// 35. Yang Z et al (2021) Analysis of lower GWP and flammable al-
doi.org/10.1002/ente.202000955 ternative refrigerants. Int J Refrig. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.
24. Deutsches Institut für Normung (2019) DIN EN 14825: Air con- 2021.01.022
ditioners, liquid chilling packages and heat pumps, with electrical- 36. Bundesverband Wärmepumpe e. V. Positives Signal für den Kli-
ly driven compressors, for space heating and cooling—Testing and maschutz: 40 Prozent Wachstum bei Wärmepumpen. https://www.
rating at part load conditions and calculation of seasonal perfor- waermepumpe.de/presse/pressemitteilungen/details/positives-
mance; German version EN 14825:2018 (14825) signal-fuer-den-klimaschutz-40-prozent-wachstum-bei-
25. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Si- waermepumpen/#content. Zugegriffen: 29. Juli 2021
cherheit Beschränkungsvorschlag für PFAS: Erneute Konsultation. 37. McLinden MO, Seeton CJ, Pearson A (2020) New refrigerants and
https://www.umweltbundesamt.de/beschraenkungsvorschlag-fuer- system configurations for vapor-compression refrigeration. Science
pfas-erneute. Zugegriffen: 28. Sept. 2021 370(6518):791–796. https://doi.org/10.1126/science.abe3692
26. Adebayo V, Abid M, Adedeji M, Dagbasi M, Bamisile O (2020) 38. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicher-
Comparative thermodynamic performance analysis of a cascade heit Auf umweltfreundliche Kältemittel umsteigen. https://www.
refrigeration system with new refrigerants paired with CO2. Appl umweltbundesamt.de/themen/auf-umweltfreundliche-kaeltemittel-
Therm Eng. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.116286 umsteigen. Zugegriffen: 28. Sept. 2021
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