Propan/Isobutan-Gemische in Wärmepumpen: Sensitivität der optimalen Gemischzusammensetzung auf Prozessrandbedingungen

Innerhalb des Gebäudesektors entfällt ein Großteil der Emissionen auf die Bereitstellung von Raumwärme und Trinkwarmwasser [1]. Die Emissionen entstehen durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern, welche für den Betrieb von Gas- und Ölheizungen benötigt werden. Eine emissionsärmere Möglichkeit der Wärmeerzeugung stellt die Wärmepumpe dar. Diese kann mit Hilfe von elektrischem Strom und Umgebungswärme Nutzwärme für den Gebäudebedarf bereitstellen [2].

Grundlegend unterteilen sich die Emissionen von Wärmepumpen in zwei Bereiche: die indirekten und die direkten Emissionen. Die indirekten Emissionen resultieren aus der Stromerzeugung und sind an die benötigte Strommenge und somit die Effizienz der Wärmepumpe gekoppelt. Die direkten Emissionen entstehen durch Leckagen des Kältemittels, welches zum Betrieb einer Wärmepumpe benötigt wird und typischerweise ein Treibhausgaspotential (engl. Global warming potential (GWP)) besitzt. Folglich werden die direkten Emissionen unmittelbar vom gewählten Kältemittel beeinflusst. Zusätzlich interagiert das Kältemittel mit den in der Wärmepumpe verbauten Komponenten, wodurch maßgeblich die Effizienz der Wärmepumpe bestimmt wird. Das Kältemittel beeinflusst somit sowohl die direkten als auch die indirekten Emissionen und ist folglich einer der Haupteinflüsse auf die Gesamtemission einer Wärmepumpe. Es existieren bereits Regularien, welche den ökologischen Einfluss von Kältemitteln und damit zulässige GWPs vorgeben [3, 4]. Diese werden derzeit überarbeitet, sodass weitere Einschränkungen für den zukünftigen Einsatz von Kältemittel entstehen [5].

Aufgrund der derzeitigen Regularien sind Kohlenwasserstoffe (KW) als Kältemittel im Fokus der Industrie. Für Wärmepumpen zur Bereitstellung von Raumwärme wird Propan (R290) häufig eingesetzt. Innerhalb von Kühlschränken hat sich das Kältemittel Isobutan (R600a) etabliert [6]. Zusätzlich zu Kältemittelreinstoffen wie Propan und Isobutan sind zeotrope Gemische derzeitiger Stand der Forschung [7]. Zeotrope Gemische können zu zwei Vorteilen führen. Zum einen können durch die Mischung zweier oder mehrerer Reinstoffe die thermodynamischen Eigenschaften des resultierenden Kältemittelgemischs angepasst werden. Durch die Einstellung der thermodynamischen Eigenschaften kann unter anderem die Wärmeübertragung verbessert, die Effizienz gesteigert und die Betriebsgrenzen erweitert werden [8, 9]. Zum anderen haben zeotrope Gemische die zusätzliche Eigenschaft des Temperaturgleites (TG), welcher zu weiteren Effizienzverbesserungen führen kann [10]. Der Temperaturgleit kann anhand des Tx-Diagramms veranschaulicht werden (Abb. 1 links).

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Bei zeotropen Gemischen findet die isobare Verdampfung nicht isotherm wie bei Reinstoffen statt. Das exemplarische binäre Kältemittelgemisch Propan/Isobutan in Abb. 1 hat einen Propananteil von x_A. Zu Beginn der Verdampfung liegt das gesamte Gemisch flüssig vor (Punkt a). Die Zusammensetzung der entstehenden Dampfblasen unterscheidet sich allerdings von der Zusammensetzung der Flüssigphase und ist eine Funktion des Dampfgehaltes sowie des Druckes. Hierdurch stellen sich innerhalb des Zweiphasengebietes (Punkt b) Propananteile in der Flüssigphase x_B (Punkt c) und Gasphase x_C (Punkt d) ein, welche sich von der Ausgangszusammensetzung x_A unterscheiden. Aufgrund der sich stetig ändernden Zusammensetzung der Flüssigphase steigt die Sättigungstemperatur während der isobaren Verdampfung, wodurch eine Temperaturerhöhung entsteht. Der Temperaturgleit ist dabei die Differenz der Temperaturen auf der Tau- und Siedelinie bei einer isobaren Verdampfung und ist eine Funktion des Druckes. Der Temperaturgleit verändert somit im Vergleich zum Reinstoff die thermodynamische Mitteltemperatur während der Verdampfung und Kondensation. Dieser Effekt kann nach Abb. 1 rechts genutzt werden, die Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Sekundärmedium zu reduzieren und somit die Verluste während der Wärmeübertragung zu minimieren [11].

Innerhalb der Forschung wird daher untersucht, welches Potenzial von zeotropen Gemischen ausgeht und wie dieses Potenzial in Wärmepumpen genutzt werden kann. Die Forschungsbeiträge teilen sich dabei in simulative [12‐21] und experimentelle Arbeiten [22‐28], wobei die Anzahl simulativer Arbeiten überwiegt. Zühlsdorf et al. [14] untersuchen, wie sich der Temperaturgleit auf das Potenzial von Kältemitteln auswirkt. Die Untersuchung umfasst binäre zeotrope Gemische basierend auf 14 natürlichen Kältemitteln für den Einsatz in Booster-Wärmepumpen. Die Autoren identifizieren ein theoretisches Potenzial durch die Nutzung von zeotropen Gemischen von bis zu 27 %, wobei das Verbesserungspotential vom Betriebspunkt abhängig ist. Mota-Babiloni et al. [20] analysieren das Potenzial von ternären Kältemittelgemischen für die Anwendung in Ultratieftemperatur-Kältemaschinen. Die untersuchten Gemische basieren auf 13 Reinstoffen. Die Studien zeigen, dass Verbesserungen der Effizienz von bis zu 13 % und der volumetrischen Heizenergie von bis zu 147 % im Vergleich zum Kältemittelreinstoff R170 möglich sind. Die Autoren weisen allerdings darauf hin, dass die Sicherheitsklasse berücksichtigt werden muss und die hochentzündlichen Kältemittel höhere Effizienzen aufweisen. Zu ähnlichen Erkenntnisse gelangen Bell et al. [15], welche Gemische mit bis zu vier Komponenten erstellen. Zwar können manche Kältemittelgemische die Effizienz im Vergleich zu Reinstoffen erhöhen, allerdings muss die Brennbarkeit berücksichtigt werden.

Die Ergebnisse der simulativen Studien konnten bereits durch experimentelle Arbeiten bestätigt werden, wobei das Potenzial in den experimentellen Arbeiten meist niedriger ausfällt. Chang et al. [22] untersuchen Kohlenwasserstoff-Reinstoffe sowie Gemische. Die experimentellen Ergebnisse zeigen für die Gemischpaare Propan/Butan und Propan/Isobutan Verbesserungen von 11 % und 7 % im Vergleich zu den betrachteten Reinstoffen. Das Potenzial hängt allerdings stark von der gewählten Gemischzusammensetzung ab. Venzik et al. [29] untersuchen das binäre Gemischpaar Propen/Isobutan. Die Autoren identifizieren ein Verbesserungspotential im Vergleich zu den Reinstoffen von bis zu 7 %. Quenel et al. [30] untersuchen das Gemischpaar Propan/Isobutan. Die Studie führt für eine Zusammensetzung von Propan/Isobutan (75/25) zu den höchsten Effizienzen mit möglichen Verbesserungen der Effizienz von bis zu 5 %. Die Autoren zeigen weiterhin, dass das Potenzial sowohl von der Verdichterdrehzahl als auch vom Betriebspunkt abhängig ist.

Die vorgestellten Studien der Literatur zeigen, dass zeotrope Gemische in Wärmepumpen ein Verbesserungspotential gegenüber Reinstoff aufweisen können. Gleichzeitig wird gezeigt, dass das Potenzial vom Betriebspunkt und somit den äußeren Randbedingungen abhängig ist. Die Untersuchungen finden alle allerdings unter Laborbedingungen statt. Wie sich unterschiedliche Betriebsbedingungen während der gesamten Lebensdauer einer Wärmepumpe auf die Gesamteffizienz auswirken, wurde bisher noch nicht untersucht. Generell zeigen die Studien, dass der Temperaturgleit des Kältemittelgemisches ähnlich zu den Temperaturspreizungen der sekundären Fluiden sein sollte, um die Effizienz zu maximieren [14]. In vielen Anwendungsfällen variieren die Spreizungen Quelle und der Senke allerdings mit dem Betriebspunkt. Im Gebäudesektor sind beispielsweise die Spreizungen einer Fußbodenheizung geringer als die eines Radiatorsystems oder während der Trinkwarmwasserbereitstellung [31]. Folglich kann das Potenzial eines Temperaturgleits vom späteren Anwendungsfall abhängig sein. Der genaue Einfluss der Temperaturspreizungen wurde bisher noch nicht untersucht.

Zusätzlich zu den Schwankungen der Temperaturen während des Betriebs treten über die Lebensdauer einer Wärmepumpe Kältemittelleckagen auf [32]. Aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung der Gas- und Flüssigphase eines zeotropen Kältemittelgemisches entweicht dabei ein höherer Anteil der leichtsiedenden Komponente. Dies führt zu einer Verschiebung der Gemischzusammensetzung. Die Auswirkungen einer langfristigen Nutzung zeotroper Gemische und die entstehenden Sensitivitäten auf die Betriebsbedingungen und einer auftretenden Entmischung wurden bisher noch nicht untersucht.

Im Rahmen dieses Beitrags werden daher die Einflüsse des Betriebspunktes, der Temperaturspreizung der sekundären Fluide sowie auftretender Entmischungseffekte auf das Potenzial von zeotropen Gemischen bewertet. Die Analyse erfolgt am Beispiel des binären zeotropen Gemischpaares Propan/Isobutan. Dafür ist der Beitrag wie folgt aufgebaut: Zunächst werden das numerische Simulationsmodell sowie die Bewertungsvorschrift des seasonal coefficient of performance (SCOP) in Anlehnung an die DIN EN 14825 [33] vorgestellt. Anschließend wird zunächst die Ausgangssituation für die Anwendung in einer Fußbodenheizung mit einer Vorlauftemperatur von 35 °C analysiert. Innerhalb der Bewertung werden insgesamt 21 Kältemittel (19 zeotrope Gemische basierend auf Propan und Isobutan sowie die beiden Reinstoffe) analysiert. In Abschn. 4 wird daraufhin die Sensitivität der optimalen Gemischzusammensetzung auf eine Entmischung in Folge einer Leckage, auf einen Wechsel des Anwendungsfalls (Radiatorsystem mit 55 °C Vorlauftemperatur) und einer Variation der Temperaturspreizung analysiert. Im Anschluss werden die Ergebnisse diskutiert und die Umsetzbarkeit sowie das Gesamtpotential von zeotropen Gemischen bewertet. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und weiterer Forschungsbedarf abgeleitet.

Zunächst wird die Basis für die anschließende Sensitivitätsstudie gelegt. Die Rahmenbedingungen der Studie sind in Abschn. 2.3 zusammengefasst. Die Ergebnisse für die niedrige Temperaturanwendung (35 °C) zeigt Abb. 4. Für den SCOP (Abb. 4a) stellt sich ein Optimum von 4,63 bei einer Zusammensetzung von 80 mol-% Propan ein. Im Vergleich zum Reinstoff Propan wird eine Verbesserung von 6,3 % festgestellt. Zusätzlich wird deutlich, dass der Reinstoff Propan deutlich höhere Effizienzen als der Reinstoff Isobutan aufweist.

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Die Änderungen im SCOP können auf zwei Haupteffekte zurückgeführt werden. Zum einen bildet das Gemisch mit der Zusammensetzung 80/20 einen Temperaturgleit von 5,3 K bei 20 °C (Abb. 4d) aus. Dieser liegt damit in der Größenordnung der Temperaturspreizung der sekundären Fluide (Tab. 1). Der vorliegende Temperaturgleit innerhalb des Kondensators und Verdampfers weicht allerdings leicht von diesem Wert, da der Temperaturgleit druckabhängig ist. Außerdem kann innerhalb des Verdampfers nicht der gesamte Temperaturgleit genutzt werden, da der Zustand des Kältemittels am Eintritt bereits im Zweiphasengebiet vorliegt (s. Zustand 5 in Abb. 2). Insgesamt fällt auf, dass der effektive Temperaturgleit im Verdampfer im Optimum nahe an der sekundären Temperaturspreizung liegt. Im Kondensator liegt der effektive Temperaturgleit zwar ebenfalls in der Nähe der Temperaturspreizung des sekundären Fluides, allerdings sind die Abweichungen dort größer. Insgesamt führt der Temperaturgleit damit zum einen zu einer Reduktion der treibenden Mitteltemperatur während der Wärmeübertragung in beiden Wärmeübertragern, wodurch die Verluste in den Wärmeübertragern (irreversible Entropieproduktion der Wärmeübertragung) reduziert werden. Zum anderen kann das untere Druckniveau ansteigen, wodurch sich das resultierende Druckverhältnis (Kondensationsdruck zu Verdampfungsdruck) reduziert und die benötigte Verdichterarbeit abnimmt. Beide Effekte führen zu reduzierten Verlusten und somit zu erhöhten Effizienzen.

Der zweite Effekt ist der Einfluss des isentropen Wirkungsgrads (Abb. 4c). Der isentrope Wirkungsgrad nimmt mit zunehmenden Propananteilen zu und weist das Maximum beim Reinstoff Propan (etwa 62 %) auf. Im Vergleich zum Reinstoff Isobutan (etwa 50 %) liegt dieser deutlich höher. Hieraus resultieren niedrigere Verluste im Verdichter, welche die Hauptursache von Verlusten in konventionellen Wärmepumpenanwendungen darstellt [38]. Die niedrigeren Verluste sind wiederum die Ursache für die deutlich höheren Wärmepumpeneffizienzen von Propan im Vergleich zu Isobutan. Hauptursache für die zusätzlichen Verluste von Isobutan während der Verdichtung sind die höhere molare Masse und die niedrigeren Dichten am Eintrittszustand in den Verdichter. Die benannten Effekte werden ausführlich in [40] und [41] beschrieben, weshalb an dieser Stelle auf eine ausführliche Begründung verzichtet wird.

Das Gemisch aus beiden Reinstoffen mit einer Zusammensetzung von 80/20 führt in diesem Fall zu einem isentropen Wirkungsgrad von 60 % und somit zu höheren Verlusten als Propan. Die Auswirkungen des isentropen Wirkungsgrades sind allerdings von den Auswirkungen des Temperaturgleits überlagert, wodurch sich insgesamt ein vom maximalen isentropen Wirkungsgrad unterschiedliches Effizienz-Optimum einstellt. Folglich müssen beide Effekte betrachtet werden, um das Effizienz-Optimum einer Wärmepumpe zu bestimmen. So führt weder der höchste isentrope Wirkungsgrad noch der optimal angepasste Temperaturgleit zum Effizienz-Optimum. Daher bildet sich insgesamt auch nur ein Effizienz-Maximum aus. Die Zusammensetzung 20/80 führt zwar zu einem ähnlichen Temperaturgleit, der isentrope Wirkungsgrad allerdings deutlich niedriger ausfällt, wodurch die Effizienz der Wärmepumpe reduziert wird.

Die Beobachtungen beim SCOP decken sich mit den Ergebnissen experimenteller Arbeiten der Literatur [22, 26, 30]. Chang et al. [22] identifizierten ebenfalls ein Optimum beim Gemischpaar Propan/Isobutan. Dieses lag bei einer Zusammensetzung von etwa 75 mol-% Propan und führte zu einer Verbesserung des COPs von etwa 7 %. Ähnliche Ergebnisse zeigte die Studie von Quenel et al. [30]. Innerhalb der Studie identifizierten die Autoren ein Optimum im Bereich von ebenfalls 75 mol-% Propan und einer maximalen Verbesserung von bis 8 %.

Neben der Effizienz beeinflusst die Zusammensetzung weitere Parameter, welche für den Wärmepumpenbetrieb ausschlaggebend sind. Ein Aspekt ist die Heizleistung, welche innerhalb dieser Studie als volumetrische Heizenergie (VHC) berücksichtigt wird (Abb. 4b). Die volumetrische Heizenergie ist das Produkt der Enthalpiedifferenz über den Kondensator und der Dichte am Verdichtereintritt (s. Gl. 6) und steigt mit zunehmenden Propananteil nahezu linear an. Das Effizienzoptimum führt somit zu Heizleistungen, welche um 14,1 % niedriger als die des Reinstoffs Propan ausfallen. Ursache hierfür sind die deutlich höheren Betriebsdrücke von Propan im Vergleich zum Reinstoff Isobutan. Bei einer Quellentemperatur von 2 °C liegt der Betriebsdruck von Propan bei 4,1 bar und der von Isobutan bei 1,3 bar. Aus dem höheren Betriebsdruck folgt eine höhere Dichte am Eintritt des Verdichters. Gleichzeitig ist die Enthalpiedifferenz über den Kondensator für die untersuchten Kältemittel nahezu konstant, wodurch insgesamt deutliche Unterschiede in der volumetrischen Heizenergie aufgrund der Dichteänderungen folgen.

Zusätzlich sind die Betriebsgrenzen einer Wärmepumpe für das Einsatzgebiet entscheidend und hängen ebenfalls vom Kältemittel ab. Die Betriebsgrenzen werden bei niedrigeren Verdampfungstemperaturen durch den Normalsiedepunkte (NBP) beschränkt. Dieser liegt für Propan bei etwa −42,4 °C und für das Gemisch Propan/Isobutan (80/20) bei etwa −38,5 °C. Folglich resultiert eine Differenz von 4 K. Zu hohen Kondensationstemperatur werden die Betriebsgrenzen durch die maximale Prozesstemperatur und damit durch die Temperatur am Austritt des Verdichters bestimmt, da das im Verdichter verwendete Schmieröl maximale Temperaturen nicht überschreiten darf. Die Temperaturen am Austritt des Verdichters weichen innerhalb dieser Studie allerdings für alle betrachteten Kältemittel um weniger als 1 K ab, weshalb die Auswirkungen bei dem betrachteten Gemischpaar vernachlässigt werden können. Insgesamt wird also nur die minimale Verdampfungstemperatur durch das Gemisch angehoben. Die Änderung liegt allerdings in einem sehr kleinen Bereich, welcher für die konventionelle Anwendung von Wärmepumpen ebenfalls vernachlässigt werden kann.

Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse ein Verbesserungspotential, welches zeotrope Gemische (in diesem Fall das Gemischpaar Propan/Isobutan) haben können. Dabei sollten allerdings immer mehrere Zielfunktion gegeneinander abgewogen werden. Dazu gehören die unterschiedlichen Auswirkungen auf die Effizienz und die volumetrische Heizenergie (Abb. 4). Inwieweit das Potenzial von optimal ermittelten zeotropen Gemischen in der Praxis genutzt werden kann, hängt von der Sensitivität der Ergebnisse ab. Wärmepumpen werden über den gesamten Lebenszyklus (> 15 Jahre) betrieben und müssen über den gesamten Betriebsbereich hohe Effizienzen erreichen. Die detaillierte Analyse hinsichtlich der Auswirkungen einer Kältemittelleckage und einer Variation der äußeren Randbedingungen (Temperaturniveau und Temperaturspreizungen) umfasst der nachfolgende Abschnitt.

Nachfolgend wird der Einfluss einzelner Änderungen der Rahmenbedingungen analysiert. Zunächst wird der Einfluss einer kontinuierlichen Kältemittelleckage und der daraus resultierenden Entmischung untersucht. Anschließend werden die Auswirkungen einer Temperaturänderung in der Senke (von 35 auf 55 °C Vorlauftemperatur) bewertet. Abschließend wird die Sensitivität der optimalen Zusammensetzung auf die vorliegenden Temperaturspreizungen der sekundären Medien analysiert.

Die vorausgegangenen Studien zeigen, dass zeotrope Gemische hinsichtlich der Effizienz ein deutliches Verbesserungspotential im Vergleich zu Kältemittelreinstoffen aufweisen können. Innerhalb der Studien wird ein Potenzial von bis zu 7,7 % hinsichtlich des SCOPs beobachtet. Das Potenzial hängt allerdings sowohl vom Betriebspunkt und damit den Temperaturniveaus der Quelle und Senke als auch von den äußeren Temperaturspreizungen ab. Aus diesem Grund sollte das Gesamtpotential für unterschiedliche Szenarien in weiteren Studien untersucht werden. Daraus folgt entsprechend, für welche Anwendungen zeotrope Gemische eine effiziente und sinnvolle Alternative im Vergleich zu Reinstoffen darstellen. Weiterhin sollte der Fokus nicht allein auf der Effizienz liegen, da weitere Faktoren wie Wärmeleistung und Betriebsgrenzen einen wichtigen Einfluss auf die Integration einer Wärmepumpe in bestehende Energiesysteme darstellen. Hierfür sollten weitere zeotrope Gemischepaare im Detail analysiert werden. Eine Beimischung von CO₂ zu Propan anstelle von Isobutan beispielsweise kann die Wärmeleistung aufgrund der höheren Betriebsdrücke signifikant erhöhen. Die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Effizienz und weiteren Faktoren müssen allerdings individuell untersucht werden. Gleichzeitig kann durch die Mischung zweier Komponenten die Wärmeübertragung aufgrund niedrigere Wärmeübertragungskoeffizienten eingeschränkt werden [44]. Dieser Effekt wurde im Rahmen dieses Beitrags nicht beleuchtet, da vor allem höhere Investitionen in Folge vergrößerter Wärmeübertrager entstehen. Dementsprechend sollte für eine abschließende Bewertung von zeotropen Gemischen eine ökonomische Analyse durchgeführt werden.

Ein häufig auftretendes Gegenargument zu zeotropen Gemischen ist die mögliche Entmischung in Folge von Leckagen und die daraus entstehende Verschlechterung des Systemverhaltens. Die Studie aus Abschn. 4.1 zeigt allerdings, dass die direkten Einflüsse der Leckage mit einer Veränderung von einem Prozent der Effizienz nach zehn Jahren vernachlässigbar sind. Unter Berücksichtigung der regelmäßigen Wartung von Wärmepumpen fallen die Auswirkungen sogar noch kleiner aus. Die Auswirkungen sind dabei allerdings von dem gewählten zeotropen Gemisch abhängig. Die Studie zeigt aber, dass die Auswirkungen geringer als meist angenommen ausfallen. In diesem Kontext muss berücksichtigt werden, dass die Befüllung einer Wärmepumpe im Feld mit einem zeotropen Gemisch aufwendiger ist. Bei Kältemittelreinstoffen kann das sich noch in der Anlage befindliche Kältemittel weiter genutzt werden, weshalb nur die Leckage bei der Wartung ausgeglichen werden muss. Da bei zeotropen Gemischen eine Entmischung aufgrund der Leckage auftritt und somit die verbliebene Zusammensetzung unbekannt ist, muss immer das vollständige Kältemittel entnommen und ein neues Kältemittelgemisch befüllt werden. Daraus folgt ein erhöhter Kältemittelbedarf und höhere Mengen an Kältemittel, welche recycelt werden müssen, wodurch insgesamt die Kosten der Wartung steigen werden. Welche Auswirkungen genau zu erwarten sind, ist allerdings an dieser Stelle nur schwierig zu quantifizieren. Weiterhin beschäftigt sich die Forschung derzeit intensiv mit der frühzeitigen Fehlererkennung von Wärmepumpensystemen [45, 46]. In Zukunft könnte also die sowohl die fehlende Menge an Kältemittel als auch der Anteil der jeweiligen Komponente bei zeotropen Gemischen bereits vorab festgestellt werden, was den Wartungsaufwand auch für zeotrope Gemische reduziert wird. Die genauen Methoden und Auswirkungen auf die Praxis bleibt es aber abzuwarten und können in diesem Beitrag nicht weiter diskutiert werden.

Ein bisher noch nicht diskutierter Einfluss zeotroper Gemische ist die Veränderung der Wärmeübertragung. Zum einen zeigen die durchgeführten Studien, dass zeotrope Gemische aufgrund des Temperaturgleits die treibende Temperaturdifferenz innerhalb der Wärmeübertrager reduzieren. Dementsprechend muss der Wärmeübertrager für die gleiche Wärmeleistung größer ausgelegt werden, da andernfalls die resultierende Pinch-Temperaturdifferenz größer ausfallen wird. Zum anderen führen insbesondere binäre zeotrope Gemische zu niedrigeren Wärmeübertragungskoeffizienten als die entsprechenden Reinstoffe [47], wodurch die Wärmeübertrager ebenfalls größer auslegt werden müssen. Die Vergrößerung der Wärmeübertrager hat mehrere negative Auswirkungen. Zum einen erhöhen sich die Kosten. Gleichzeitig steigt der Materialbedarf und somit steigt auch der ökologische Einfluss der Wärmepumpe. Zum anderen steigt mit größeren Wärmeübertragungsflächen der Bauraum der Wärmepumpe, was bei manchen Anwendungsfällen nachteilig sein kann. Die genauen Auswirkungen auf die einzelnen Zielfunktion müssen allerdings im Detail untersucht werden. Die Autoren erwarten hier eine vernachlässigbare Veränderung. Nichtsdestotrotz sollten die Phänomene berücksichtigt werden.

Neben den Wärmeübertragern beeinflusst das Kältemittel den Schmierstoff innerhalb des Verdichters, da diese im direkten Austausch miteinanderstehen. Folglich muss mit der Mischung von Reinstoffen ebenfalls der Schmierstoff berücksichtigt werden. Die Studien innerhalb der Literatur zeigen allerdings, dass bei der Mischung von Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise Propan/Isobutan, keine Änderungen am Schmierstoff aus technischer Sicht notwendig sind [24]. Der Schmierstoff beeinflusst allerdings zusätzlich die benötigte Füllmenge der Kältemittel, da immer ein Teil des Kältemittels im Schmierstoff gelöst ist. Folglich kann die Veränderung des Kältemittels eine erhöhte Löslichkeit hervorrufen, wodurch zusätzliches Kältemittel benötigt wird. Dieses Phänomen ist bisher noch nicht im Detail erforscht, weshalb die konkreten Wechselwirkungen zwischen Kältemittelgemischen und Schmierölen analysiert werden sollten.

Daraus folgt, dass Kältemittelgemische einen unmittelbaren Einfluss auf die benötigte Füllmenge haben. Dieser Einfluss resultiert aus den möglichen Anpassungen der Komponenten (Wärmeübertrager, Schmieröl) und den veränderten Stoffeigenschaften (Veränderung der Heizleistung, veränderte Dichten). Allerdings kann keine pauschale Aussage auf die Folgen getroffen werden. Zum einen können zeotrope Gemische die volumetrische Heizenergie erhöhen, wodurch tendenziell niedrigere Füllmengen möglich werden. Zum anderen hängt die erlaubte Füllmenge von der Sicherheitsklasse und der unteren Flammbarkeitsgrenze ab. Die untere Flammbarkeitsgrenze ist allerdings eine Stoffeigenschaft und kann durch die Beimischung eines nicht-brennbaren Kältemittels (bspw. CO₂) angehoben werden, wodurch die erlaubte Füllmenge steigt. Folglich muss für jedes Gemisch individuell der Einfluss auf die Füllmenge untersucht werden.

Zusammenfassend führen zeotrope Gemische zu zusätzlichen Herausforderungen und Anforderungen an Wärmepumpen. Allerdings existiert ein Verbesserungspotential insbesondere hinsichtlich der Effizienz, welches langfristig genutzt werden sollte. Weiterhin werden derzeit bereits Wärmepumpensysteme mit dem Kältemittel R454C, welches ein zeotropes Gemisch auf Basis von R32 und R1234yf darstellt, eingesetzt und installiert. Der Einsatz von R454C zeigt, dass die zusätzlichen Herausforderungen zeotroper Gemische lösbar sind. Insbesondere für Anwendungen, welche niedrige Temperaturhübe vorweisen, haben zeotrope Gemische ein hohes Potenzial die Effizienz zu steigern und somit langfristig den Primärenergiebedarf und die Emissionen der Wärmebereitstellung zu reduzieren.

Die Kernaussagen der durchgeführten Studien sind:

Folglich erhöhen zeotrope Kältemittelgemische die Anzahl von Einflüssen, welche bei der Auslegung berücksichtigt werden müssen. Gleichzeitig führen Kältemittelgemische zu einem erheblichen Verbesserungspotential hinsichtlich der Effizienz, welches langfristig genutzt werden sollte, um die Emissionen der Wärmebereitstellung zu minimieren.

Die Nomenklatur ist in Tab. 4 zu sehen.