Wir analysieren mithilfe eines Simulationsmodells den Einfluss der Vereisung auf den Kreisprozess und die Performance einer Wärmepumpe. Die Erkenntnisse, was technisch passiert wenn eine Wärmepumpe vereist, sind Grundlagen zur Entwicklung von energieeffizienten Enteisungsstrategien.
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Bei einer außenluftbetriebenen Wärmepumpe wird, wie der Name vermuten lässt, Außenluft als Wärmequelle zum Verdampfen des Kältemittels verwendet. Außenluftbetriebene Wärmepumpen werden typischerweise zur Bereitstellung von Warmwasser für die Gebäudebeheizung verwendet und stellen in Deutschland den verbreitetsten Wärmepumpentyp (nach BWP/BDH-Absatzstatistik) dar. Im Winter besteht jedoch die Gefahr, dass der Verdampfer der Wärmepumpe vereist und die Performance absinkt. Im Extremfall kann der interne Kreisprozess (auch Kältekreislauf genannt) sogar komplett zum Erliegen kommen. In einem weiteren Blogartikel erklären wir die Grundlagen des Kältekreislaufs einer Wärmepumpe.
Die Außenluft wird mit einem Lüfter über den Verdampfer der Wärmepumpe gefördert und gibt dabei Wärme an das Kältemittel ab. Dabei verringert sich die Temperatur der Außenluft. Bei niedrigen Temperaturen und einer gleichzeitig hohen Luftfeuchte kann die Luft dabei soweit abgekühlt werden, dass Wasser ausfällt und an der kalten Oberfläche des Verdampfers gefriert. Mit der Zeit bildet sich so eine Eisschicht auf dem Verdampfer, die immer weiter wächst. Die Wärmepumpe vereist.
Mithilfe des 1D-Modells einer Wärmepumpe zeigen wir im Folgenden, welchen Einfluss die Vereisung des Verdampfers auf den Kreisprozess hat. Die Wärmepumpe haben wir hierzu mit den Modell-Bibliotheken TIL Suite in der Modellierungssprache Modelica modelliert. TIL ist eine spezialisierte Bibliothek zur Modellierung thermischer Systeme.
In unserem Beispiel simulieren wir einen typischen Wintertag in Deutschland: Die Außenlufttemperatur beträgt 0 °C mit einer Luftfeuchtigkeit von 95%. Die Wärmepumpe nutzt CO2 als Kältemittel. Das Expansionsventil der Wärmepumpe wird so geregelt, dass sich ein Kondensationsdruck von 100 bar einstellt. Der Lüfter wird nicht geregelt und arbeitet bei einer konstanten Drehzahl. Im Normalbetrieb stellt sich für die gewählten Randbedingungen ein Verdampfungsdruck von 27 bar ein. Das entspricht einer Verdampfungstemperatur von ca. -9°C. Die Zustandsänderungen des Kältemittels sind im p-h-Diagramm dargestellt.
Der Kreisprozess der Wärmepumpe mit einem vereisten Verdampfer weist im Vergleich zum Kreisprozess der Wärmepumpe im Normalbetrieb einen deutlich verringerten Verdampfungsdruck auf. Der verringerte Verdampfungsdruck ist charakteristisch für vereiste Verdampfer und ist im Wesentlichen auf zwei Effekte zurückzuführen:
Damit vom Verdampfer weiterhin die von der Gebäudeheizung benötigte Wärme bereitgestellt werden kann, muss die Verdampfungstemperatur, und damit der Verdampfungsdruck, des Kältemittels sinken. Der erhöhte Wärmewiderstand des Verdampfers und der verringerte Wärmekapazitätsstrom der Außenluft werden durch eine erhöhte Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Außenluft ausgeglichen.
Detailliertere Analysen der Simulationsergebnisse zeigen, dass der luftseitige Druckverlust einen deutlich höheren Einfluss auf das Absinken der Verdampfungstemperatur hat als der erhöhte Wärmewiderstand des Verdampfers. Das ist vor allem darauf zurückzuführen, dass Eis eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und die thermische Isolationswirkung der Eisschicht daher nicht so stark ins Gewicht fällt.
Ist die Wärmepumpe nur geringfügig vereist, führt das zu keiner merklichen Performanceeinbuße der Wärmepumpe: Der COP (Coefficient of Performance) bleibt bis ca. 100 g Eis nahezu konstant bei 2,95. Erst wenn sich größere Mengen Eis auf dem Verdampfer gebildet haben, fällt der COP sichtbar ab. Bei 350 g Eis hat sich der COP im Vergleich zum Normalbetrieb schließlich um ca. 25 % verringert. Spätestens jetzt sollte eine Enteisung des Verdampfers durchgeführt werden, um ein Zusammenbrechen des Kreislaufs zu verhindern.
Durch unsere Simulation einer Wärmepumpe konnten wir die wesentlichen Auswirkungen einer Vereisung des Verdampfers auf den Kreisprozess und die Performance identifizieren. Eine häufig genutzte und sehr energieeffiziente Möglichkeit, den Verdampfer wieder abzutauen, ist die Kreislaufumkehr mit einem 4-Wege-Ventil.
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