Fabrikanten werken samen aan propaanwarmtepomp met kleine koudemiddelvulling

15 februari 2021

Propaan is in vrijwel alle opzichten een prima koudemiddel voor warmtepompen, maar de brandbaarheid ervan staat grootschalige toepassing in de weg. Europese fabrikanten werken nu voor het eerst samen, om met het Duitse onderzoeksinstituut Fraunhofer ISE een koudemiddelcircuit met een kleinere propaanvulling te ontwikkelen.

Tekst: Bas Roestenberg

Het LC150-onderzoek van Fraunhofer startte twee jaar geleden en wordt gefinancierd door de Duitse overheid. Inmiddels zijn verschillende Europese warmtepompfabrikanten aangehaakt, waaronder Vaillant, Bosch en Viessman. Het doel is om gezamenlijk een propaan-circuit te ontwikkelen met een koudemiddelvulling van maximaal 150 gram en een vermogen tussen de 5 en 10 kW. Als voorwaarden geldt daarbij dat alleen componenten worden gebruikt die al beschikbaar zijn op de markt, en dat het project uiteindelijk tot een concept voor een water/water-warmtepomp leidt die zonder extra veiligheidsmaatregelen binnenshuis kan worden opgesteld.

Kostenbesparende samenwerking
Volgens Fraunhofer is het onderzoek op zich al een doorbraak omdat verschillende fabrikanten voor het eerst samenwerken; tot nu toe ontwikkelde elke Europese fabrikant zijn eigen koudemiddelcircuit. Het LC150-project moet er uiteindelijk toe leiden dat alle fabrikanten dezelfde standaardcomponenten voor dit circuit toepassen, vergelijkbaar met hoe autofabrikanten op grote schaal soortgelijke onderdelen voor hun auto’s gebruiken. Door daar nu op in te zetten en de benodigde kennis en ervaring te bundelen, kan bij de toekomstige massaproductie van propaanwarmtepompen flink op kosten worden bespaard, luidt de gedachte.

Propaan-splitairco’s: wat mag wel, wat mag niet? De EU stuurt aan op propaan als koudemiddel in splitairco’s en warmtepompen tot 7 kW. Hoe zit het met de regels met betrekking tot installatiewerkzaamheden? Wat is de maximale vulling? In dit artikel hebben we de feiten op een rij gezet.

Eerdere resultaten
“Het reduceren van de koudemiddelvulling is een logische stap in de doorontwikkeling van propaanwarmtepompen”, vertelt Lena Schnabel, hoofd van de afdeling voor verwarming- en koeltechnologie van Fraunhofer. “En eerder hebben we aangetoond dat dit mogelijk is.” Daarmee refereert ze aan het feit dat het instituut twee jaar geleden al een eerste prototype koudemiddelcircuit voor water/water-warmtepompen ontwikkelde. Gevuld met 150 gram propaan bleek het in staat een verwarmingsvermogen van 8 kW te leveren; daarmee had dit systeem een vulling die driekwart kleiner is dan de vulling van bestaande systemen met dit vermogen. Het prototype had ongeveer 18 gram per kW nodig, terwijl het ontwerp van de gemiddelde propaanwarmtepomp die momenteel op de markt wordt aangeboden, uitgaat van 60 tot 100 gr/kW vulling .

Technische ingrepen
Tijdens de 14^e Gustav Lorentzen Conference, die in december afgelopen jaar plaatsvond in Japan, gaf Lena Schnabel uitleg over de technische ingrepen waarmee de koudemiddelvulling van de warmtepomp wordt verkleind. Daarbij is – logischerwijs – vooral gekeken naar de onderdelen die bij bestaande systemen een relatief grote vulling nodig maken. Zo past Fraunhofer asymmetrische platenwisselaars toe waarbij een kortere lengte en kleinere diameter van de pijpen mogelijk is. Schnabel schetste in dat kader een ‘trial and error’-ontwikkelingsproces. Nadat bij experimenten bleek dat het koudemiddel niet goed in de wisselaar werd gedistribueerd, wat tot interne temperatuurverschillen en een slechtere COP leidde, werden steeds nieuwe tests uitgevoerd met bijvoorbeeld een afwijkend wisselaar-ontwerp, een ander type compressor en op verschillende temperatuurniveaus. Met compressorfabrikanten werd daarbij onderzocht hoe de compressorsnelheid kan worden aangepast om de COP van het systeem te verbeteren.
Volgens Schnabel werd hierbij voortdurend gekeken naar het effect van verschillende componenten op de balans tussen koudemiddelvulling, COP en vermogen. Om een voorbeeld te noemen: de onderzoekers stelden bij hun tests vast dat met een rotary-compressor een betere COP en hoger vermogen kan worden bereikt dan met een scrollcompressor. Alleen gaat dat ten koste van het koudemiddelvolume: bij toepassing van een rotarycompressor is een grotere propaanvulling nodig.

Verdere optimalisatie
Het LC150-project loopt nog door tot maart 2023. Tot nu toe zijn verschillende configuraties getest en toepassingen gesimuleerd, volgens Schnabel met “veelbelovende resultaten”. De komende periode wordt het prototype geoptimaliseerd, verder onderzoek gedaan naar de technische mogelijkheden om het koudemiddelcircuit te verkleinen en aan validatie van de tot nu toe geboekte resultaten gewerkt.

Bronnen: Fraunhofer ISE en Hydrocarbons21