Britische Forscher haben ein neues Wärmepumpensystem vorgestellt, mit dem sich eine Reduzierung der Wärmezufuhr während des Abtauvorgangs vermeiden lässt. Das Konzept kann Berichten zufolge Abtauvorgänge durchführen und gleichzeitig eine kontinuierliche Beheizung durch Kondensation des Kältemittels im vereisten Verdampfer gewährleisten.
Eine Gruppe von Forschern der Universität Glasgow und der Universität Liverpool hat ein experimentelles, flexibles Wärmepumpenkonzept vorgestellt, das einen Abtauvorgang durchführen kann, ohne dass es zu einer Reduzierung der Wärmezufuhr kommt, wenn das Kältemittel im vereisten Verdampfer kondensiert.
Die Neuheit des vorgeschlagenen Ansatzes besteht darin, dass der Verdampfer durch Kondensation des Kältemittels im Inneren abgetaut wird. „Unsere Arbeit stellt eine theoretische Analyse unter idealen Bedingungen dar“, betont der Hauptautor der Studie, Zhibin Yu, gegenüber pv magazine. „Wir planen experimentelle Untersuchungen, um das Konzept zu demonstrieren“.
„Eine der größten Herausforderungen für Luft-Wärmepumpen ist die Notwendigkeit, den Verdampfer bei niedrigen Umgebungstemperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit abzutauen“, erklären die Forscher in der Studie ‚A multi-valve flexible heat pump system with latent thermal energy storage for defrosting operation‘, die kürzlich in der Fachpublikation Energy and Buildings veröffentlicht wurde. „Eisbildung verringert den Luftstrom im Verdampfer und erhöht den Wärmewiderstand der Wärmetauscher, was zu einer verringerten Wärmeübertragungsleistung führt. Dies führt zu einem Rückgang der Heizleistung und der Leistungszahl (COP) und kann möglicherweise zu einer vollständigen Abschaltung der Luft-Wärmepumpeneinheit führen.“
Das von den Forschern entwickelte flexible Wärmepumpensystem ist mit einer Wärmespeicherung ausgestattet, die auf dem herkömmlichen Evans-Perkins-Dampfkompressionszyklus basiert, dem am weitesten verbreiteten Verfahren für Klimaanlagen und Kraftfahrzeuge. Es ermöglicht dem System, einen Teil der Wärme, die während des Abtauvorgangs aus dem Kondensator austritt, zurückzugewinnen und zu speichern. Die gespeicherte Wärme wird für den eigentlichen Abtauvorgang wiederverwendet.
„Es kann einen Abtauvorgang durchführen und gleichzeitig eine kontinuierliche Heizung sicherstellen, indem es das Kältemittel im vereisten Verdampfer kondensiert“, erklären die Wissenschaftler weiter. „Die Nutzung des Wärmespeichers als Wärmequelle während des Abtauvorgangs ermöglicht eine Erhöhung der Verdampfungstemperatur, was zu einer Verringerung des Stromverbrauchs und einer verbesserten Effizienz führt.“
Effizient abgetaut
Das System besteht aus einem Kompressor, einem Verflüssiger, einem Kältemittelspeicher, einem Wärmespeichersystem, einem Verdampfer, zwei Expansionsvorrichtungen und sechs Kugelventilen. Es arbeitet in vier Betriebsarten: Heizen und Laden des Wärmespeichers; Entladen des Wärmespeichers und Stromsparen; Entladen des Wärmespeichers, Stromsparen und Abtauen; und nur Laden des Wärmespeichers.
Im ersten Modus gewinnen die Systeme Wärme zurück und laden sie zur späteren Nutzung in den Speicher, während der zweite Modus den Stromverbrauch des Kompressors durch Erhöhung der Verdampfungstemperatur senken soll. Im dritten Modus kann das Wärmepumpensystem die gleiche Heizleistung in den Räumen beibehalten und beim Abtauen Kompressorstrom sparen, während der vierte Modus eine schnellere Aufladung der Wärme durch direkte Kondensation des Kältemittels im Inneren ermöglicht.
Das Umschalten zwischen diesen Modi sollte durch einen Mikrocontroller gewährleistet werden, der die Ventile je nach den erforderlichen Vorgängen öffnet- Verschiedene Überwachungsstrategien stellen sicher, dass die Modi zum richtigen Zeitpunkt ein- und ausgeschaltet werden.
Mit Hilfe einer thermodynamischen Analyse hat das Team die potenzielle Leistung des Systems untersucht. Dabei haben die Wissenschaftler festgestellt, dass es den Abtauzyklus effizient durchführen und gleichzeitig die im Wärmespeicher gespeicherte Wärme während des Ladezyklus nutzen kann. Das führt zu einer erheblichen Energieeinsparung des Verdichters und einem höheren COP.
Beste Werte mit klimafreundlichem Kältemittel R1234yf
„Abhängig von der Speichertemperatur haben wir eine COP-Verbesserung von 7,5 bis 11,2 Prozent für R410a und von 7,5 bis 10,8 Prozent für R134a im Vergleich zu einer herkömmlichen Wärmepumpe mit umgekehrtem Abtauverfahren festgestellt“, erklären die Wissenschaftler. „Die Ersatzstoffe R1234yf und R32 mit niedrigem Treibhauspotenzial wurden ebenfalls untersucht, und R1234yf erwies sich mit einer Verbesserung von bis zu 13,2 Prozent als das leistungsfähigste Kältemittel in diesem System“.
Die Forscher schätzen außerdem, dass die Erholungsphase nach dem Abtauen für R134a und R410a bei ihrer optimalen Lagertemperatur in 1,8 Minuten durchgeführt werden kann, ohne die Leistung der Wärmepumpe wesentlich zu beeinträchtigen. Sie fanden auch heraus, dass R32 2 Minuten und R1234yf 1,7 Minuten benötigen würden.
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