Luftstrom beeinflusst Vereisung und Abtauen bei E-Auto-Wärmepumpen
In der Entwicklung elektrischer Fahrzeuge gewinnt die Effizienz der Klimatisierung unter Extrembedingungen zunehmend an Bedeutung. Während die Reichweite und Ladeinfrastruktur im Fokus stehen, bleibt ein entscheidender Faktor oft unterschätzt: die Leistungsfähigkeit des Heizsystems bei niedrigen Temperaturen. In kalten, feuchten Umgebungen leiden Wärmepumpen unter einer natürlichen, aber problematischen Begleiterscheinung – der Vereisung des Außenaustauschers. Dieser Prozess behindert den Wärmeübergang, verringert die Heizleistung und erhöht den Energieverbrauch, was direkt auf die verfügbare Fahrzeugreichweite wirkt. Eine aktuelle Studie des Forschungsteams um Zhou Guanghui und Wang Rui von der Zhongyuan University of Technology beleuchtet nun einen bisher wenig beachteten Parameter: den Einfluss der Luftmenge im Innenraum auf Vereisung und Abtauvorgänge.
Die Untersuchung konzentriert sich auf ein modernes Wärmepumpensystem für reine Elektrofahrzeuge, das auf einer quasi-zweistufigen Kompressionstechnologie basiert und mit dem umweltfreundlichen Kältemittel R1234yf betrieben wird. Ziel war es, zu ermitteln, wie sich unterschiedliche Lüfterdrehzahlen im Fahrzeuginnenraum auf die thermodynamischen Eigenschaften des Systems auswirken, insbesondere unter Bedingungen, die typisch für den Winterbetrieb sind. Die Ergebnisse, veröffentlicht im Fachjournal Energy Conservation, liefern präzise Daten, die für die Optimierung zukünftiger Fahrzeugheizsysteme von entscheidender Bedeutung sein können.
Die Notwendigkeit solcher Forschungsarbeiten ergibt sich aus einer grundlegenden Herausforderung der Elektromobilität: Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren, die als Abwärme eine nahezu unbegrenzte Wärmequelle für die Innenraumheizung bieten, verfügen Elektrofahrzeuge über keine solche Nebenquelle. Die traditionelle Methode der elektrischen Widerstandsheizung ist zwar einfach und zuverlässig, verbraucht jedoch erhebliche Mengen an Batterieleistung. Bei Temperaturen unter 5 °C kann der Heizbedarf bis zu einem Drittel der verfügbaren Reichweite verschlingen. Um diese Schwachstelle zu beheben, setzen immer mehr Automobilhersteller auf Wärmepumpentechnologie, die durch die Umkehrung des Kältekreislaufs Wärme aus der Umgebungsluft entzieht und in den Innenraum leitet. Unter idealen Bedingungen erreichen moderne Wärmepumpen einen Wirkungsgrad (COP), der deutlich über 2,0 liegt – das bedeutet, dass sie mehr als doppelt so viel Wärmeenergie liefern, wie sie elektrische Energie verbrauchen.
Doch diese Effizienz bricht schnell zusammen, wenn die Außenluft kalt und feucht ist. Sobald die Oberflächentemperatur des Außenaustauschers unter den Gefrierpunkt fällt, kondensiert die Feuchtigkeit und gefriert zu einer Eisschicht. Diese Schicht wirkt wie eine Isolationsschicht und blockiert gleichzeitig den Luftstrom durch die engen Kanäle des Mikrokanal-Wärmetauschers. Die Folge ist ein kontinuierlicher Rückgang der Heizleistung und des COP-Werts. Wenn die Vereisung zu stark wird, muss das System in einen Abtaumodus wechseln, bei dem die Heizfunktion vorübergehend ausfällt – ein Vorgang, der nicht nur unangenehm für die Insassen ist, sondern auch zusätzliche Energie kostet.
Genau hier setzt die Studie an. Das Forschungsteam baute einen experimentellen Prüfstand auf, der den Betrieb eines E-Auto-Wärmepumpensystems unter standardisierten Bedingungen simuliert. Die Tests wurden in einem Enthalpie-Differenz-Labor durchgeführt, das präzise Kontrolle über Temperatur, Feuchtigkeit und Luftströmung ermöglicht. Als Testbedingungen wurden ein Außentemperatur von 1 °C, eine relative Luftfeuchtigkeit von 70 % und eine Kompressordrehzahl von 3.600 U/min gewählt – Werte, die typisch für winterliche Fahrbedingungen in gemäßigten Klimazonen sind. Der entscheidende Variable war die Luftmenge des Innenraumlüfters, die bei 60 %, 80 % und 100 % der maximalen Leistung getestet wurde. Der Außengebläseluftstrom wurde konstant bei 4,5 m/s gehalten, um den Einfluss des Innenraumlüfters isoliert untersuchen zu können.
Die Ergebnisse zeigen einen klaren Zusammenhang zwischen der Innenraum-Luftmenge und der Systemleistung. Mit steigender Lüfterleistung im Innenraum stieg die anfängliche Heizleistung signifikant an. Bei 60 % Lüfterleistung betrug die maximale Heizleistung 2,30 kW, bei 80 % stieg sie auf 2,70 kW und bei 100 % erreichte sie 3,40 kW. Dies ist auf eine verbesserte Wärmeübertragung am Innenwärmetauscher zurückzuführen, der im Heizmodus als Kondensator fungiert. Eine höhere Luftgeschwindigkeit führt zu einem effizienteren Wärmeaustausch zwischen dem heißen Kältemittel und der Innenraumluft.
Allerdings hat dieser Vorteil einen Preis: Die Vereisung des Außenaustauschers setzt schneller ein und verläuft intensiver. Die Messungen ergaben, dass die Verdampfungstemperatur – ein direkter Indikator für die Effizienz des Wärmeentzugs aus der Außenluft – mit zunehmender Innenraum-Luftmenge stärker absinkt. Bei 60 % Lüfterleistung fiel die Temperatur von anfänglich 1,05 °C auf -21,03 °C, bei 80 % von 0,46 °C auf -22,55 °C und bei 100 % von -0,26 °C auf -23,55 °C. Diese tiefen Temperaturen sind die direkte Folge der erhöhten Wärmeabgabe im Innenraum, die durch eine verstärkte Wärmeaufnahme im Außenbereich kompensiert werden muss. Je kälter die Oberfläche des Außenaustauschers wird, desto schneller bildet sich Frost.
Die Auswirkungen auf die Systemleistung sind entsprechend. Bei 60 % Lüfterleistung sank die Heizleistung im Laufe des Vereisungszyklus um 44,3 %, bei 80 % um 42,2 % und bei 100 % um 42,8 %. Ähnlich entwickelte sich der COP-Wert: Er fiel bei 60 % von 1,42 auf 1,01 (ein Rückgang von 28,8 %), bei 80 % von 1,65 auf 1,20 (27,2 %) und bei 100 % von 2,01 auf 1,45 (27,8 %). Diese Zahlen zeigen, dass ein höherer Luftstrom zwar eine stärkere Anfangsleistung ermöglicht, aber auch zu einer schnelleren Leistungsabnahme führt, da die Vereisung rascher fortschreitet.
Ein entscheidender Aspekt der Studie ist die Analyse des Abtauvorgangs. Das Team verwendete die sogenannte Umkehrzyklus-Abtaumethode, bei der ein Vierwegeventil den Kältemittelstrom umkehrt. Dadurch wird der Innenwärmetauscher vorübergehend zum Verdampfer und der Außenaustauscher zum Kondensator. Heißes, komprimiertes Kältemittel strömt direkt zum vereisten Außenaustauscher und schmilzt das Eis durch seine eigene Wärme. Diese Methode ist effizienter als elektrische Zusatzheizungen, da sie die im System vorhandene Energie nutzt.
Auch hier zeigte sich der Einfluss der Innenraum-Luftmenge deutlich. Die Abtaudauer verringerte sich signifikant mit steigender Lüfterleistung. Bei 60 % Lüfterleistung dauerte der Abtauvorgang 272 Sekunden. Bei 80 % sank die Dauer auf 248 Sekunden (ein Rückgang um 8,82 %) und bei 100 % auf nur 236 Sekunden (ein Rückgang um 13,24 %). Gleichzeitig stieg die durchschnittliche Kondensationstemperatur während des Abtaus von 14,46 °C bei 60 % auf 16,26 °C bei 80 % und 17,36 °C bei 100 %. Diese höheren Temperaturen erklären die schnellere Abtauleistung: Ein stärkerer Luftstrom im Innenraum ermöglicht eine effizientere Verdampfung des Kältemittels, was zu einem stabileren Kompressorbetrieb und heißerem Abgas führt. Dieses heißere Gas wird dann zum Außenaustauscher geleitet und schmilzt das Eis effektiver.
Ein weiterer interessanter Befund ist die Verringerung der Vereisungszeit selbst. Mit höherer Innenraum-Luftmenge wurde die Zeit bis zur vollständigen Vereisung kürzer. Bei 60 % betrug sie 103 Minuten, bei 80 % 98 Minuten (4,85 % weniger) und bei 100 % nur 95 Minuten (7,77 % weniger). Dies bedeutet, dass ein höherer Luftstrom nicht nur die Vereisung beschleunigt, sondern auch das Abtausystem früher aktiviert. Für die Fahrzeugsteuerung ergibt sich daraus die Möglichkeit, dynamische Strategien zu entwickeln, die die Lüfterleistung basierend auf der aktuellen Vereisungsphase anpassen.
Die praktischen Implikationen dieser Forschung sind weitreichend. Für Automobilhersteller bedeutet dies, dass die einfache Anpassung der Lüftersteuerung eine kostengünstige und effektive Methode ist, um die Gesamtleistung des Heizsystems zu optimieren. Anstatt eine feste Lüfterstufe zu verwenden, könnte eine intelligente Steuerung die Lüfterleistung dynamisch anpassen. Beispielsweise könnte bei milden Bedingungen eine niedrigere Stufe gewählt werden, um die Vereisung hinauszuzögern und die Effizienz über einen längeren Zeitraum zu erhalten. Bei einem hohen Heizbedarf könnte kurzfristig auf die höchste Stufe gewechselt werden, um eine starke Anfangsleistung zu erzielen, gefolgt von einem schnelleren und effizienteren Abtauvorgang.
Die Wahl des Kältemittels R1234yf und der Einsatz der quasi-zweistufigen Kompression mit Zwischenstufeneinspritzung unterstreichen den Fokus auf Effizienz und Umweltverträglichkeit. R1234yf hat ein sehr geringes Treibhauspotenzial und ist damit eine zukunftssichere Alternative zu älteren Kältemitteln. Die zweistufige Kompression ermöglicht es dem System, auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen hohe Druckverhältnisse zu erreichen, ohne dass die Austrittstemperatur des Kompressors kritische Werte überschreitet, was die Zuverlässigkeit erhöht.
Diese Studie unterstreicht auch die Bedeutung einer systemischen Betrachtung der Fahrzeugklimatisierung. Während die Kühlung der Batterie viel Aufmerksamkeit erhält, bleibt die Heizung ein großer Energieverbraucher. Die Optimierung des Luftstroms ist eine Maßnahme, die keine Hardware-Änderungen erfordert und sich direkt in Software-Updates für die Fahrzeugsteuerung umsetzen lässt. Solche kleinen, datengestützten Verbesserungen können sich im täglichen Betrieb zu einer spürbaren Steigerung der Reichweite und des Komforts summieren.
Zukünftige Forschung könnte sich auf die Integration dieser Erkenntnisse in adaptive Steuerungsalgorithmen konzentrieren. Durch die Kombination von Sensordaten wie Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit, Innenraumtemperatur und Druckverhältnissen im Kältekreislauf könnte ein System in Echtzeit die optimale Lüfterstufe und den besten Zeitpunkt für den Abtauvorgang bestimmen. Die Verwendung von maschinellem Lernen könnte es ermöglichen, Muster in der Vereisungsdynamik zu erkennen und den Betrieb proaktiv anzupassen, anstatt auf festgelegte Zeitintervalle oder Temperaturschwellen zu reagieren.
Insgesamt liefert die Arbeit von Zhou Guanghui, Wang Rui und ihren Kollegen ein wertvolles Fundament für die Weiterentwicklung von Wärmepumpensystemen in Elektrofahrzeugen. Sie demonstriert, dass die Luftmenge im Innenraum kein passiver Parameter ist, sondern ein aktiver Hebel zur Steuerung der Effizienz und Leistungsfähigkeit des gesamten Heiz- und Abtausystems. Für die Automobilindustrie ist dies ein klares Signal: Die Optimierung der Fahrzeugklimatisierung liegt nicht nur in der Entwicklung neuer Komponenten, sondern auch in der intelligenten Steuerung der bestehenden Systeme. In einer Zeit, in der jede Kilowattstunde Batterieleistung zählt, sind solche Erkenntnisse entscheidend, um die Elektromobilität auch in den kältesten Regionen der Welt attraktiv und praktikabel zu machen.
Zhou Guanghui, Wang Rui, Li Haijun, Xu Qi, Cai Xia, Zhang Qingge, Yuan Tiesuo, Chu Xuejing, Zhongyuan University of Technology, Energy Conservation, doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008