Die vom ZHAW-Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) vermessene Wärmepumpe deckt gleich zwei Bedürfnisse mit einer Maschine ab: Sie ist umschaltbar, sodass mit dem gleichen Gerät sowohl gekühlt als auch geheizt werden kann. Eine Maschine, die beides kann, ist in der Anschaffung günstiger als zwei mit jeweils nur einem Betriebsmodus. Ähnliche umschaltbare Anlagen sind bereits erhältlich. Da diese jedoch oft für den Heizbetrieb optimiert sind, lassen sie sich im Kühlfall nur ineffizient betreiben. Das von der Scheco AG entwickelte und gebaute Gerät weist diesen Nachteil nicht auf. Die Umschaltung vom Heiz- auf den Kühlbetrieb und umgekehrt erfolgt in der Maschine statt im Gebäude. Somit laufen beide Betriebsarten jeweils im Optimum. Da Häuser grundsätzlich einen umweltabhängigen Heiz- und Kühlbedarf aufweisen, wurde die Maschine als erste ihrer Art mit einer stufenlosen Leistungsregelung versehen.

Zusätzlich setzt die umschaltbare Wärmepumpe auf Propan als Kältemittel. Als brennbares und farb- sowie geruchsloses Gas birgt es gewisse Risiken. Im Umgang damit sind also besondere Sicherheitsmassnahmen zu treffen. Mit einem Treibhauspotenzial ähnlich zu CO₂ ist Propan jedoch auch deutlich umweltschonender als gängige Kältemittel. Zudem ermöglicht es durch günstige thermische Eigenschaften eine äusserst hohe Wärmepumpen-Effizienz. Es wird daher langfristig gesehen eines der wenigen zugelassenen Kältemittel bleiben und als ein Betriebsmedium der Zukunft angesehen.

Das Bundesamt für Energie (BFE) hat das Projekt unterstützt. Ziel war es, den effizienten Betrieb der Propan-Wärmepumpe unter realen Bedingungen zu testen sowie mögliche Verbesserungen zu identifizieren und umzusetzen. Forschende des IEFE hatten dazu die Aufgabe, die Wärmepumpe über zwei Jahre vor Ort zu vermessen. Weiterführend sollte das Verhalten der neuartigen Maschine bei Einbindung in ein energieeffizientes Gebäude geprüft werden, was Forschende des SPF Institut für Solartechnik der HSR analysierten.

In einem Feldtest haben die Forschenden das erwartete Potenzial bestätigt, jedoch auch Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt. Das Gebäude der 3-Plan Haustechnik, das beheizt und gekühlt wird, entspricht dem strengen Minergie-P Standard – braucht also ein Minimum an Energie. Vor allem die gut isolierte Gebäudehülle reduziert Verluste. «Die Wärmepumpe war schlussendlich zu stark für das, was sie leisten musste», bilanziert IEFE-Projektleiter Silvan Steiger.

«Für einen sicheren und einwandfreien Betrieb müssen einzelne Aggregate rund um die Uhr laufen, was in einem gewissen Grundenergieverbrauch resultiert.» erklärt Silvan Steiger. «Diesen Standby-Verbrauch versuchte man also auf ein Minimum zu reduzieren. Zudem wurden nach einer Untersuchung des ersten Betriebsjahrs die Maschinenparameter den Umgebungsbedingungen angepasst.»

Im Winterbetrieb zeigten Verbesserungsmassnahmen ebenfalls Wirkung: «Wenn kalte Luft angesaugt wird, kann es vorkommen, dass die Wärmetauscher vereisen», so Silvan Steiger. «Diese müssen dann mit heissem Kältemittel abgetaut werden, wodurch die Anlage Wärmeenergie ungenutzt an die Umwelt abgibt. Durch die Optimierung solcher Abtauzyklen konnte einiges an Energie eingespart werden.»

Das gesamte Projektteam hat seine Ziele vollumfänglich erreicht. Mit der Pilotanlage kann aufgezeigt werden, dass der Betrieb einer umschaltbaren Propan-Wärmepumpe wirtschaftlich, effizient und umweltschonend ist. Die ZHAW-Forschenden sind von dieser Technologie überzeugt und arbeiten im Rahmen von Innosuisse- sowie BFE-Projekten weiter daran, Wissen zu innovativen Kälte- und Wärmesystemen zu gewinnen, bestehende Technologien zu verbessern und neue Technologien vom Labor in die Praxis zu bringen.