25.08.2022

Je länger Kühl- oder Gefrierschränke in Betrieb sind, desto geringer ist ihre Energieeffizienz. Forschende wollen Isolationsmaterialen aus Polyurethanschaum und Vakuum-Isolations-Paneele optimieren und diesem Alterungsprozess entgegenwirken.

Polyurethanschaum (PUR-Schaum) und Vakuum-Isolations-Paneele (VIP) sind Isolationsmaterialen und werden in Haushaltskältegeräten wie Kühlschränken verbaut. Im Forschungsprojekt GERALT wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diese Materialen untersuchen und diffusionsbeständiger machen. So soll die Isolierung altersbeständiger werden, damit die Geräte auch nach mehreren Betriebsjahren energieeffizient bleiben.

Wie jedes technische System altern auch Haushaltsgeräte je länger sie genutzt werden. In der Konsequenz verschlechtert sich die Dämmleistung der Isolierung. Das kann etwa bei Kühl- oder Gefrierschränken über einen Zeitraum von 18 Jahren zu einem Anstieg des Stromverbrauchs von bis zu 30 Prozent führen. Das haben Forschende im vorangegangenen Forschungsprojekt ALGE nachgewiesen.

Forschungsprojekt ALGE

 

Im Forschungsprojekt ALGE hat das Wissenschaftsteam den Einfluss der Isolierung, der Komponenten des Kältekreises, der Türdichtungen sowie des Nutzerverhaltens auf den Alterungsprozess von Haushaltskältegeräten untersucht. Sie konnten zeigen, dass der größte Effekt von der Isolierung ausgeht. Dabei erfolgt der größte Anstieg des Energieverbrauchs in den ersten acht Jahren. Die Forscherinnen und Forscher haben in ALGE zwei Generationen von Demonstratoren entwickelt, die auch im Folgeprojekt GERALT eingesetzt und weiterentwickelt werden.

 

zum Projekt in EnArgus

Alterungsverhalten von Polyurethanschaum in Kühl- oder Gefrierschränken

Die Geräte altern, weil das Zellgas Kohlenstoffdioxid aus dem für die Isolierung eingesetzten PUR-Schaum nach und nach ausdiffundiert und durch Luft (Sauerstoff und Stickstoff) und Wasserdampf ersetzt. Stickstoff und Sauerstoff haben im Vergleich zu Kohlenstoffdioxid eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Diese steigt deshalb über die Zeit im Kühl- oder Gefrierschrank an und die Dämmwirkung des PUR-Schaums sinkt.

Mit GERALT wollen die Forscherinnen und Forscher Ansätze finden, um die Zellgasdiffusion des PUR-Schaums in Kühl- oder Gefrierschränken zu reduzieren. Ziel ist es, ein diffusionsdichtes Innengehäuse auf Basis von neuen Materialien zu entwickeln, das die Energieeffizienz über den Lebenszyklus im Gegensatz zu den herkömmlich eingesetzten Materialien verbessert.

Optimierte Vakuum-Isolations-Paneele senken Energieverbrauch und Betriebskosten

Neben PUR-Schaum werden zum Teil auch Vakuum-Isolations-Paneele (VIP) im Gehäuse einiger Haushaltskältegeräte eingesetzt. Sie können den Lagerraum der Geräte gegen örtlich begrenzte Wärmequellen im Gehäuse abschirmen und reduzieren damit den Wärmeeinfall: Die Energieaufnahme sinkt um circa 20 bis 35 Prozent gegenüber Haushaltskältegeräten mit verbautem Polyurethanschaum. Aber VIP sind im Vergleich zu PUR-Schaum teurer in der Fertigung, was den Preis für Kühl- und Gefrierschränken ansteigen lässt. Daher werden sie aktuell als High-End-Produkte hauptsächlich in energiesparende Kühlschränke eingebaut. Im Forschungsprojekt GERALT wollen die Forschenden jetzt ein kostenoptimiertes VIP entwickeln.

Weiter will das Wissenschaftsteam genau die Faktoren identifizieren, die das Alterungsverhalten von VIP beeinflussen und sich auf die Energieeffizienz der Haushaltskältegeräte auswirken. Hier entwickeln die Forscherinnen und Forscher Simulationsmodelle, mit denen die Diffusion und der Wärmeübergang der Isolationsmaterialien vorhergesagt werden kann.

Im Forschungsprojekt GERALT sollen später Konstruktionsrichtlinien für die in Haushaltskältegeräten verbauten Isolationsmaterialien erstellt werden, die den Energieverbrauch senken und zu verringerten Gesamtkosten für die Verbraucherinnen und Verbraucher führen. (az)

Wärmedämmung: Polyurethan-Schaum versus Vakuum-Isolations-Paneele

Im Durchschnitt werden in den OECD Mitgliedsstaaten 13,4 Prozent des Stromverbrauchs privater Haushalte durch das Kühlen und Gefrieren von Lebensmitteln verursacht. Für die Energieeffizienz spielt hier die Dämmung eine entscheidende Rolle: Herkömmlich mit Polyurethanschaum gedämmte Geräte können die obersten Energieeffizienzklassen nur mit sehr großer Dämmdicke erzielen. Das würde jedoch Stauraum — etwa für Gemüse, Fleisch oder Käse — einbüßen. In hochpreisigen Kühl- und Gefriergeräte werden Vakuumisolationspaneele (VIP) zum Teil für die Isolierung verbaut. Sie machen die Geräte zwar teurer als eine Dämmung aus herkömmlichen Polyurethanschaum, bedeuten aber für die Verbraucherinnen und Verbraucher geringere Stromkosten und mehr Nutzvolumen.

VIP sind dünner und effizienter als Polyurethan und haben eine geringere Wärmeleitfähigkeit als PUR-Schaum. Sie bestehen aus einer chemisch synthetisierten Kieselsäure, die vakuumverpackt und mit einer gas- sowie wasserdampfdichten Kunststofffolie umhüllt ist. Das physikalische Prinzip
der VIP ähnelt dem einer Thermoskanne: In einem luftleeren Raum wird der Wärmetransport durch die thermisch induzierte Bewegung der Luft (Konvektion) unterbunden.

Grafik zum Anstieg des Energieverbrauchs von Haushaltskältegeräten über mehrere Jahre
©Technische Universität Berlin

Anstieg des Energieverbrauchs von Haushaltskältegeräten: Messwerte und ein daraus entwickeltes Alterungsmodell zum Anstieg des Energieverbrauchs von Haushaltskältegeräten über deren Lebenszyklus

Grafik zur zeitlichen Veränderung der Wärmeleitfähigkeit von PUR-Schaumproben
©Technische Universität Berlin

Zeitliche Veränderung der Wärmeleitfähigkeit von Polyurethanschaumproben (PUR-Schaumproben): Die Messwerte zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit von PUR-Schäumen mit der Zeit ansteigt.

Grafik zur zeitlichen Veränderung der Zellgas-Zusammensetzung von PUR-Schaumproben
©Technische Universität Berlin

Zeitliche Veränderung der Zellgas-Zusammensetzung von PUR-Schaumproben: Über die Zeit diffundieren CO2 und Cyclopentan aus den Schaumzellen aus und werden durch Luft ersetzt.

Geralt - Alterung energieeffizienter Haushaltskältegeräte

För­der­kenn­zei­chen: 03EN4021A-E

Projektlaufzeit
01.01.2022 13.02.2024 Heute ab­ge­schlos­sen

The­men

Maschinenbau, Fahrzeugbau, Elektrotechnik, Feinmechanik, Optik, EBM-Waren

För­der­sum­me: rund 1,12 Millionen Euro

ALGE - Alterungsmechanismen von Haushaltskältegeräten

För­der­kenn­zei­chen: 03ET1544A-E

Projektlaufzeit
01.01.2018 30.06.2021 Heute ab­ge­schlos­sen

The­men

Maschinenbau, Fahrzeugbau, Elektrotechnik, Feinmechanik, Optik, EBM-Waren

För­der­sum­me: rund 782.000 Euro

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