eVald

Der Kältesektor hat einen Anteil von ca. 20 % am weltweiten elektrischen Energieverbrauch mit steigender Tendenz. In einem gewöhnlichen europäischen Haushalt zählen Kühl- und Gefriergeräte zu den größten Verbrauchern von elektrischer Energie. Während bisher hauptsächlich Kompressoren mit konstanter Drehzahl den Kältekreislauf von Haushaltskühl- und Gefriergeräten antreiben, ist bereits klar, dass die zukünftigen Anforderungen an die Energieeffizienz nur mit drehzahlvariablen Kompressoren erreicht werden können. Drehzahlvariable Kompressoren sind mit dem gleichen Ventilkonzept ausgestattet wie Kompressoren mit konstanter Drehzahl, was häufig zu einer unzureichenden Ventildynamik führt. Die Ventildynamik ist aber entscheidend für die Effizienz, die Kälteleistung, die Zuverlässigkeit und die Akustik dieser Kompressoren. Insbesondere bei drehzahlvariablen Kompressoren erfordert eine weitere Verbesserung der Ventildynamik die Berücksichtigung neuer Ventilkonzepte.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde ein neues und kostengünstiges Ventilkonzept, das mechanisch unterstützte Saugventil (MASV), an einem hermetischen Kolbenverdichter untersucht. Dafür wurde zu Beginn ein internes Kompressor-Simulationsmodell entsprechend erweitert und mit Messdaten validiert. Anschließend erfolgte die Erstellung von Metamodellen unter Verwendung von Design of Experiments (DOE) Methoden. Mit Hilfe dieser Metamodelle, die den Zusammenhang zwischen Design Faktoren und entscheidenden Qualitätskriterien beschreiben, wurde dann eine systematische Design Optimierung in Bezug auf Energieeffizienz (COP), Kälteleistung, Zuverlässigkeit und Akustik mittels eines Multi-Response-Optimierungsansatzes durchgeführt. Darüber hinaus erfolgten umfangreiche Messungen, um das MASV hinsichtlich seiner tatsächlichen Verbesserungen bei verschiedenen Betriebsbedingungen experimentell zu untersuchen.

Mit der optimierten Design-Variante wurden COP-Verbesserungen bis zu 3,6 % und Kälteleistungsverbesserungen bis zu 6 % experimentell ermittelt, wobei höhere Kompressordrehzahlen tendenziell bessere Ergebnisse erzielten als niedrigere Drehzahlen. Es zeigte sich auch, dass Ventilschließverzögerungen und die damit verbundene Gasrückströmung bei hohen Kompressordrehzahlen besonders kritisch sind. Simulationsergebnisse bei 5000 U/min zeigten, dass durch ein MASV die Ventilschließverzögerung verringert und damit die Ansaugmasse um bis zu 22 % erhöht wird. Darüber hinaus führt die Vermeidung zwischenzeitlicher Ventilaufschläge sowie eine deutliche Reduktion der Ventilaufschlaggeschwindigkeit zu einer Reduktion der Ventilbelastung und somit zu einer höheren Zuverlässigkeit des Kompressors.

Nicht nur aus technischer, sondern auch aus wirtschaftlicher Sicht scheint das MASV angesichts der Einfachheit des Konzepts und der damit erzielbaren Vorteile machbar. Die Anwendung des MASV in allen zukünftigen Kompressoren für  Haushaltskühlgeräte, würde schätzungsweise zu einer jährlichen Stromeinsparung von 2,7 TWh - 5,5 TWh führen, was etwa 3,8 % - 7,6 % des jährlichen Stromverbrauchs in Österreich im Jahr 2019 entspricht. 

Das Forschungsvorhaben wurde bei der Österreichischen Förderungsgesellschaft FFG (Förderprogramm: "Bridge 1, 25. Ausschreibung") zur Förderung eingereicht und bewilligt. Das Forschungsprojekt wurde im Juli 2017 gestartet und erstreckte sich insgesamt über 2 Jahre und 9 Monate. Durchgeführt wurde das Forschungsprojekt in Zusammenarbeit mit der Firma Secop GmbH.

Abbildung: Hermetischer Kältemittelkompressor mit mechanisch unterstütztem Saugventil.