Energieeffiziente Wärmepumpen durch Anti-Eis-Strategien

Die Energiewende erfordert auch eine Transformation in der Wärmeversorgung. Neben energetischen Sanierungen sind Wärmepumpen ein wichtiger Bestandteil bei der Umstellung der Heizungssysteme.

Wärmepumpen nutzen Strom, um Umgebungswärme aus Luft oder Boden in Heizwärme umzuwandeln. Wie effizient sie dabei sind, hängt von vielen Faktoren ab. Ein reglementierender Faktor ist die Umgebungstemperatur. Sinkt diese auf unter 3,5 °C und steigt zugleich die Luftfeuchtigkeit auf über 85 %, kann dies zur Vereisung am Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (Verdampfer) führen. Die Eisschicht muss dann abgetaut werden, was erhöhte Stromkosten und eine Minderung der Heizleistung zur Folge hat.

Strategien, die dem Vereisen entgegenwirken, wollen die Partner im kürzlich gestarteten BMWK-Projekt PIEZOdevICE entwickeln. Dafür werden zwei Stellschrauben genutzt. Zum einen soll die Oberfläche des Verdampfers so gestaltet werden, dass kaum Wasser an ihr haftet. So wird die Eisbildung verzögert und das Abtauen beschleunigt. Zum anderen soll ein System entwickelt werden, das aufwachsende Eisschichten erkennt und diese zusätzlich aktiv »abschütteln« kann.

Kombination aktiver und passiver Verfahren

Für das zu entwickelnde Überwachungssystem bringt u. a. das Fraunhofer IKTS sein Know-how ein: Das System basiert auf Plattenwellen, die durch sogenannte Piezowandler (Sensoren, die aktiv Strom in Schwingung wandeln und passiv Schwingungen empfangen können) in den Verdampfer eingespeist und auch ausgelesen werden. Beim passiven Auslesen erkennen die Sensoren, ob bereits Eis aufgewachsen ist. Sollte dem so sein, werden durch die Wandler aktiv Ultraschallwellen eingeleitet, die hochfrequente Schwingungen im Verdampfer auslösen. Diese Schwingungen führen zum Abschütteln des Eises und sollen weniger Strom als bisherige Verfahren zum Abtauen benötigen.

In kleinen Schritten zum Ziel

Zunächst finden Vorarbeiten an kleinen Laborproben und Analysen am Verdampfer der Wärmepumpe statt, um die Oberflächenstruktur der Komponenten zu optimieren. Anschließend steht die Integration des Überwachungssystems in die Wärmepumpe im Fokus. Die Analysen werden durch ein umfangreiches Digitalisierungspaket unterstützt.

Am Ende soll ein Demonstrator für einen neuartiger Wärmeübertrager inkl. Eisminderungsfunktion entstehen, der den Funktionsnachweis der Enteisungsstrategie bestätigt.

Über das Projekt

An dem auf drei Jahre angelegten Projekt PIEZOdevICE sind folgende Partner beteiligt:

• Glen Dimplex Deutschland GmbH
• Güntner GmbH & Co. KG
• Fusion Bionic GmbH
• WiE GmbH – Werk für industrielle Elektronik
• Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
• Technische Universität Dresden