Wärmepumpen gelten als Heizsysteme der Zukunft dank ihrer energieeffizienten Betriebsform. Das Ende ihres Potenzials scheint jedoch keineswegs ausgeschöpft. Immer wieder gelingen Forscher weitere Durchbrüche, die die Effizienz der Systeme weiterhin steigern können. Der neuste Vorstoß auf diesem Gebiet stammt von britischen Forschern der Universität Glasgow und der Universität Liverpool. Die Forschergruppe hat ein experimentelles, flexibles Wärmepumpenkonzept vorgestellt. Damit ist eine Effizienzsteigerung von 11,2 Prozent möglich.
Neues Konzept für mehr Leistung bei Wärmepumpen: Abtauprozess verbessert
Bisher sahen sich Wärmepumpen einem Nachteil gegenüber. Wenn das Kältemittel im vereisten Verdampfer kondensiert, kommt es zu einer Reduzierung der Wärmezufuhr. Der neue Ansatz hingegen sorgt dafür, dass die Kondensation des Kältemittels selbst den Verdampfer abtaut. Den Verdampfer auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit abzutauen, stellte sich bisher als große Hürde für Luft-Wärmepumpen dar. Durch die Eisbildung kommt es zu einem verringerten Luftstrom im Verdampfer. Infolgedessen erhöht sich der Wärmewiderstand des Wärmetauschers – und weniger Wärme kann übertragen werden. Die Leistung der Luftwärmepumpe senkt sich damit nicht nur. Es kann sogar zu einer vollständigen Abschaltung der Luft-Wärmepumpen-Einheit kommen.
Das neue Wärmepumpenkonzept der britischen Forscher begegnet diesem Problem mit einer integrierten Wärmespeicherung. Sie basiert auf dem sogenannten Evans-Perkins-Dampfkompressionszyklus, der bereits in vielen Klimaanlagen und Fahrzeugen heute Anwendung findet. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es einen Teil der Wärme zurückgewinnt, die während des Abtauvorgangs automatisch aus dem Kondensator austritt. Die so gewonnene Wärme kann dann für einen weiteren Abtauvorgang wiederverwendet werden. Diese Vorgehensweise bietet mehrere Vorzüge im Vergleich zu heutigen Ansätzen. Zum einen kann ein Abtauvorgang gleichzeitig zur Wärmeabgabe stattfinden. Des Weiteren erhöht sich die mögliche Abgabe der Wärme durch die Wärmepumpe – und ebenso die Verdampfungstemperatur. Für Besitzer der Wärmepumpen bedeutet das einen niedrigeren Stromverbrauch und eine höhere Effizienz.
Vier Betriebsarten für das neue Wärmepumpenkonzept
Insgesamt kann das Wärmepumpen-Modell der britischen Forscher auf vier verschiedene Arten arbeiten. Zum einen durch das Heizen inklusive eines Aufladens des integrierten Wärmespeichers, durch die Entladung des Wärmespeichers inklusive der Stromersparnis, Entladen des Wärmespeichers inklusive Stromersparnis und Abtauen sowie der reinen Ladung des Wärmespeichers. Durch die passende Kombination der verschiedenen Betriebsmodi miteinander kann die Gesamteffizienz des Systems entsprechend gesteigert werden. Ein Mikrocontroller übernimmt im Gerät den Wechsel zwischen den einzelnen Betriebsformen, um die gesamte Leistung der Wärmepumpe zu steigern.
Dabei kommen laut Forschern verschiedene Überwachungsstrategien zum Einsatz, damit die Funktionen in den richtigen Momenten ein- und ausgeschaltet werden. Die besten Werte mit dem Modell konnte die Forschergruppe bisher mit dem klimafreundlichen Kältemittel R1234yf erzielen. Mit diesem Kältemittel konnte sogar eine Effizienzsteigerung von 13,2 Prozent erreicht werden. Beim Einsatz von R410a, das heute in vielen Wärmepumpen integriert ist, war eine Steigerung von 7,5 bis 11,2 Prozent möglich. Das ebenso gängige R134a konnte seine Leistung um 7,5 bis 10,8 Prozent steigern. Weitere Testläufe könnten neue Kältemittel identifizieren, die mit dem neuen Ansatz ideal harmonieren. In jedem Fall stellen die Testergebnisse einen wichtigen, nächsten Schritt in den Bemühungen dar, die Effizienz von Wärmepumpen auch weiterhin zu steigern.