Värmepumpar använder miljöenergi för att förse oss med värme. Dock, de kräver vanligtvis syntetiska köldmedier, som innehåller miljöfarliga fluorerade växthusgaser (F-gaser). Fraunhofer-forskare har nu bidragit till utvecklingen av en värmepump som använder propan istället. Pumpen är både mer klimatvänlig och effektivare.

"Uppvärmning och varmvatten står för cirka 40 procent av Tysklands slutliga energiförbrukning. Att bränna fossila bränslen av hög kvalitet som naturgas eller råolja är inte bara energiskt, det skadar också klimatet. Varje enhet av elektrisk energi som krävs för att driva en värmepump, kommer ofta från förnybara resurser, genererar tre till fem enheter CO ₂ -neutral värmeenergi. Detta gör värmepumpar till ett viktigt inslag i genomförandet av Tysklands övergång till ett hållbart energisystem, " säger Dr Marek Miara, som koordinerar arbetet med värmepumpar vid Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE i Freiburg.

En värmepump fungerar på samma sätt som ett kylskåp. Köldmediet absorberar värmen inne i kylen och transporterar den utanför. Skillnaden är att värme som lämnas fritt från baksidan av ett kylskåp är vad en värmepump utvinner – i det här fallet från marken, grundvatten, eller omgivande luft – för att värma våra hem eller vatten.

För att uppnå detta, den uppvärmda, förångat köldmedium komprimeras, vilket höjer dess temperatur och tryck. Den heta köldmediegasen avger sin värme till vatten och kondenserar. Det varma vattnet rinner in i golvvärmesystem, radiatorer eller varmvattentankar, medan det flytande köldmediet, nu coolt, rinner tillbaka in i en så kallad förångare, där den återigen absorberar värmeenergi. Cykeln startar sedan om från början.

För det mesta, köldmedier är sammansatta av en blandning av syntetiska ämnen som innehåller miljöfarliga, fluorerade växthusgaser (F-gaser). I juni 2014 EU-kommissionen meddelade att F-gaser ska fasas ut från marknaden. En miljövänlig, naturligt alternativ till syntetiska köldmedier är propan, som redan vinner i popularitet inom luftkonditionering och kylsystem. Men dess användning i värmepumpar är fortfarande relativt ny.

För även om propan har utmärkta termodynamiska egenskaper, det är mycket brandfarligt, och detta utgör en utmaning när det används i en värmecykel.

"Om du vill använda propan, du måste hålla köldmedievolymen så låg som möjligt för att minimera riskerna, " säger Dr Lena Schnabel, som leder avdelningen för värme- och kylteknik på Fraunhofer ISE.

En bionisk struktur säkerställer jämn fördelning

ISE-forskarnas lösning, tillsammans med sina europeiska forskningspartners, är att använda mycket kompakt, lödda, lamellvärmeväxlare som fungerar bra med små volymer vätska. Den termiska energin överförs från ett strömmande ämne till det andra via värmeväxlare. Dessa är sammansatta av många parallella kanaler som innehåller det cirkulerande köldmediet, som antingen absorberar värme (känd som "vaporizers") eller utstrålar den ("kondensatorer"). "Vätskan bör helt förångas eller återkondensera över löplängden. För att garantera att de fungerar effektivt, ång-vätskeförhållandet måste vara identiskt i alla kanaler. Rent generellt, det är inte lätt att uppnå, och det blir särskilt knepigt om du också försöker begränsa mängden köldmedium."

För att lösa problemet, Schnabel och hennes team utvecklade en distributör med en bionisk struktur:"Konventionella Venturi-distributörer ser ut som en hög med spagetti gjord av många tunna rör som smälter samman där de möter förångaren. Vår distributör är annorlunda:den har en kontinuerligt förgrenad struktur som grenarna och kvistar av ett träd, som säkerställer jämn fördelning av köldmediet i de enskilda förångarkanalerna, även med en liten volym köldmedium." Denna struktur tillåter optimal användning av hela värmeväxlarens yta, vilket förbättrar effektiviteten.

För att minska risken för explosion vid komprimering av propanen, Schnabel och hennes team använde en specialiserad kompressor där alla antändningskällor var inkapslade. De var mycket noga med att koppla ihop de enskilda komponenterna i pumpen för att förhindra att propan läckte ut. "Vi modifierar för närvarande den tekniska designen av värmepumpen, testa det långsiktiga beteendet hos dess komponenter, och utveckla hållbara säkerhetsstrategier, säger Schnabel.