Abtau- und Verdampferoptimierung für Wärmepumpen mit intelligenter Regelung zur Eisreduktion

Das Projekt »AVOID« steigert die Effizienz von Luft-Kältemittelverdampfern in Wärmepumpen durch funktionalisierte Lamellenoberflächen und selbstoptimierende Regelungsstrategien. Reifbildung – ein zentrales Problem in feucht-kalten Umgebungen – wird durch spezielle Beschichtungen aktiv reduziert, während adaptive Algorithmen Abtauphasen bedarfsgerecht und energieeffizient steuern. RWTH Aachen, Fraunhofer ISE und Güntner bündeln Grundlagenforschung, experimentelle Charakterisierung und industrielle Umsetzung zu einem durchgängigen Entwicklungspfad vom Labor bis zum Feldtest.

Ausgangslage

Die Reduktion des globalen CO₂-Ausstoßes zählt zu den zentralen Herausforderungen unserer Zeit. Wärmepumpen leisten einen entscheidenden Beitrag, indem sie erneuerbare Energiequellen effizient zur Raumheizung und -kühlung nutzbar machen. Ein wesentliches Element ist der Verdampfer, dessen thermische Leistungsfähigkeit die Gesamteffizienz maßgeblich bestimmt. In feucht-kalten Umgebungen bilden sich jedoch Reifschichten, die den Wärmeübergang beeinträchtigen, den Luftstrom blockieren und den Energieverbrauch deutlich erhöhen. Regelmäßige Abtauzyklen verursachen zusätzliche Energieverluste und unterbrechen den Heizbetrieb. Bisherige Ansätze adressieren Oberfläche oder Regelung jeweils isoliert – ein integrierter Ansatz, der beide Aspekte systematisch verknüpft, fehlte bislang.

Ziel

Ziel des Projekts »AVOID« ist es, die Effizienz von Luft-Kältemittelverdampfern in Wärmepumpen signifikant zu steigern, indem Reifbildung aktiv verringert und der Abtauprozess intelligent geregelt wird. Konkret sollen funktionalisierte Oberflächenbeschichtungen entwickelt werden, die die Reifbildung auf Verdampferlamellen deutlich verzögern und den Wärmeübergang unter Frostbedingungen verbessern. Parallel werden selbstoptimierende Regelungsstrategien erarbeitet, die Abtauphasen bedarfsgerecht initiieren und energetisch effizient gestalten. Die Kombination beider Ansätze soll in einem Demonstrator unter realen Betriebsbedingungen validiert werden. Langfristig wird ein ganzheitliches Konzept angestrebt, das die Reifproblematik vollständig in Auslegung und Regelung integriert und zu einer nachhaltigen, intelligent gesteuerten Wärmeversorgung beiträgt.

Lösungsansatz

Der Ansatz basiert auf zwei verzahnten Schwerpunkten:

1. Optimiertes Verdampferdesign – durch gezielte Oberflächenbeschichtungen wird Reifbildung reduziert und der Wärmeübergang verbessert. Verschiedene Beschichtungssysteme werden identifiziert, bewertet und im Labormaßstab auf seriennahe Komponenten übertragen.
2. Selbstoptimierende Regelung – auf Basis dynamischer Modelle und adaptiver Algorithmen werden Abtauphasen bedarfsgerecht initiiert. Hardware-in-the-Loop-Versuche bilden die Grundlage zur Validierung. Das Fraunhofer ISE bringt seine Expertise in der experimentellen Charakterisierung ein und betreibt eigens konzipierte Prüfstände zur Beobachtung von Reifbildungsprozessen sowie zum Vergleich von Beschichtungen. Ein Auslegungstool zur geometrischen Optimierung wird entwickelt und im abschließenden Feldtest an einer Demonstrationsanlage erprobt.

Das Projekt »AVOID«  wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) mit dem Förderkennzeichen: 03EN4113B gefördert.