Wärmepumpen im Winter: Wie sich die Vereisung des Verdampfers auf die Performance auswirkt

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Außenluftbetriebene Wärmepumpe

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 vereist und die Performance der Wärmepumpe absinkt. Im Extremfall kann der Kreisprozess sogar komplett zum Erliegen kommen.

Warum vereist ein Verdampfer?

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.

Modellgestützte Analyse der Vereisung

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 der Modell-Bibliothek TIL 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.

Wärmepumpenprozess im p-h-Diagramm

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:

  1. Der Wärmewiderstand des Verdampfers erhöht sich.
  2. Der luftseitige Druckverlust des Verdampfers steigt. Damit sinkt der Luftvolumenstrom und der Wärmekapazitätsstrom nimmt entsprechend ab.

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.

Einfluss der Vereisung auf die Performance der Wärmepumpe

Ein geringes Maß an Vereisung führt 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.

COP der Wärmepumpe als Funktion der Eismenge

Durch unsere Simulation einer Wärmepumpe konnten wir die wesentlichen Auswirkungen einer Vereisung des Verdampfers auf den Kreisprozess und die Performance identifizieren. Auf mögliche Enteisungsstrategien für den Verdampfer werden wir in einem späteren Beitrag eingehen.

27.04.2020
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M. Sc.

Stefan Rauscher

Software- und Projekt-Ingenieur bei der TLK Energy

Stefan Rauscher hat an der RWTH Aachen Maschinenbau mit der Vertiefungsrichtung Energietechnik studiert. Er arbeitet seit 2018 bei der TLK Energy und hat sich seitdem intensiv mit der Simulation, Regelung und Optimierung von thermischen Systemen auseinandergesetzt.


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