Grundlagenforschung für effizientere Wärmepumpen

Wärmepumpen können Wohnräume sowohl heizen als auch kühlen und sind, wenn sie mit erneuerbaren Energien betrieben werden, auch klimafreundlicher als etwa Gasheizungen. Derzeit können Wärmepumpen hinsichtlich ihrer Energieeffizienz jedoch noch nicht vollständig optimiert werden. Dies liegt vor allem daran, dass das Verhalten der für den Betrieb üblichen Öl-Kältemittel-Gemische im Kompressor einer Wärmepumpe thermodynamisch noch nicht genau verstanden ist. Hier setzten die Arbeiten der neuen Forschungsgruppe 5595 mit dem Titel „Öl-Kältemittel-Mehrphasenströmungen in Spalten mit bewegten Berandungen – Neuartige mikroskopische und makroskopische Ansätze für Experiment, Modellierung und Simulation“, kurz „Archimedes“, unter Federführung der TU Chemnitz an: Das Ergebnis soll ein neues Berechnungsmodell zur Auslegung von Kompressoren sein, wodurch sich schließlich die Energieeffizienz von Wärmepumpen und Kältemaschinen steigern lässt.

Das Verhalten einer Mischung von Schmieröl und Kältemittel im Kompressor einer Wärmepumpe oder Kältemaschine genau zu verstehen, stellt die Thermo- und Fluiddynamik vor eine besondere Herausforderung: „Faktoren wie Druck und Temperatur verändern das thermophysikalische Verhalten und damit das Strömungsverhalten, was letztlich einen Einfluss auf die Wärme- bzw. Kälteleistung hat“, erklärt Forschungsgruppen-Sprecher Prof. Markus Richter von der TU Chemnitz. „Für Öl-Kältemittel-Gemische werden wir in diesem Grundlagenforschungsprojekt erstmals die thermophysikalischen Eigenschaften genau bestimmen und darauf aufbauend einfach anwendbare Zustandsgleichungen sowie Modelle für die Viskosität und Wärmeleitfähigkeit entwickeln.“ Das sei ein wichtiger Baustein, um Wärmepumpen zu optimieren.

Strömungsverhalten hochauflösend simulieren

Prof. Andreas Brümmer, Leiter des Fachgebiets Fluidtechnik an der Dortmunder Fakultät Maschinenbau und Ko-Sprecher der Forschungsgruppe, ergänzt: „Um ein vergleichsweise einfaches Berechnungsmodell für das Strömungsverhalten von Öl-Kältemittel-Gemischen in Spalten von Kompressoren zu entwickeln, benötigen wir genaue Informationen darüber, wie sich diese Fluidgemische thermodynamisch verhalten. Darauf aufbauend charakterisieren wir das Strömungsverhalten auf makroskopischer Ebene mit laseroptischen Methoden und auf mikroskopischer Ebene mit hochauflösenden numerischen Simulationen.“

Die Forschungsarbeiten sollen 2024 beginnen. Neben der TU Chemnitz und der TU Dortmund sind die TU Dresden, die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, das Karlsruher Institut für Technologie, die Ruhr-Universität Bochum und die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen an der Forschungsgruppe beteiligt.