Pkw-Wärmepumpe im zyklischen Ver- und Enteisungsbetrieb

In batterieelektrischen Fahrzeugen werden Wärmepumpen zur energieeffizienten Beheizung eingesetzt. Wird die Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt, kann sich bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen Reif auf der Oberfläche des Verdampfers bzw. Umgebungswärmeübertragers niederschlagen. Bei signifikanter Bereifung muss der Wärmeübertrager enteist werden. Das übergeordnete Ziel der Arbeit ist die Analyse und energetische Bewertung eines zyklischen Ver- und Enteisungsbetriebs einer Pkw-Wärmepumpe. Es werden unterschiedliche MPET-Wärmeübertragerkonstruktionen hinsichtlich ihrer Eignung für einen zyklischen Ver- und Enteisungsbetrieb als Direktverdampfer analysiert und bewertet. Die besonderen zusätzlichen Anforderungen an einen Wärmeübertrager für diesen Betrieb sind ein spätes Versperren des Luftpfads durch die Reifbildung und das Rückhalten einer möglichst geringen Schmelzwassermasse nach einer Enteisung. Die Wärmeübertragereigenschaften Lamellenabstand, Lamellenüberstand, Wärmeübertragertiefe sowie Entfall von Louvern und unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen werden hinsichtlich der genannten Anforderungen experimentell analysiert. Es stellt sich heraus, dass Wärmeübertrager mit gelouverten Lamellen, unbeschichteter Oberfläche, Lamellenabständen ≥1,15mm und zunehmender Tiefe für einen effizienten zyklischen Ver- und Enteisungsprozess förderlich sind. Ein neuartiges, numerisches Berechnungsmodell für einen MPET-Wärmeübertrager im zyklischen Ver- und Enteisungsbetrieb unter Berücksichtigung der Transportvorgänge und Zustände des rückgehaltenenWassers wird entwickelt. Der Vergleich mit experimentellen Daten weist eine mittlere Abweichung der gewählten Vergleichsgrößen kleiner als 4% auf. Eine experimentelle Analyse des Verhaltens einer Pkw-Wärmepumpe im Ver- und Enteisungsbetrieb zeigt, dass die Vereisungsbetriebszeit sich mit abnehmender Ventilatordrehzahl und zunehmender Zyklenanzahl verringert. Bei Enteisungen während der Fahrt sind kurze Enteisungszeiten durch die Wahl hoher Verdichterdrehzahlen für einen geringen elektrischen Gesamtenergiebedarf der Klimatisierung zu bevorzugen. Die durch die Wärmepumpe erzeugte Heizleistung während einer Enteisung ist begrenzt und muss durch einen vergleichsweise hohen Energiebedarf des elektrischen Widerstandheizers kompensiert werden. Bei einer Enteisung ohne Heizanforderung sind niedrige Verdichterdrehzahlen zu favorisieren. Ein Vergleich zwischen den experimentellen Daten und den numerischen Daten eines Wärmepumpenmodells im zyklischen Ver- und Enteisungsbetrieb zeigt eine mittlere relative Abweichung der gewählten Vergleichsgrößen von weniger als 7 %. Mit einer zyklischen Ver- und Enteisungsbetriebsstrategie kann die mittlere aufgenommene elektrische Gesamtleistung des Wärmepumpensystems bei Experimenten mit einem prototypischen Fahrzeugaufbau um bis zu 39% gegenüber einer Vereisungsvermeidungsstrategie im Umgebungslufttemperaturbereich zwischen −7,8 °C und −1,4 °C verringert werden. Die mittlere Abweichung des Berechnungsmodells liegt im Vergleich zu den experimentellen Daten bei 4,4 %. Anhand des Berechnungsmodells kann die Wärmepumpe bei unterschiedlichen Randbedingungen des Wärmepumpensystems verglichen werden. An exemplarischen numerischen Szenarien bei Umgebungslufttemperaturen von −10 °C und 0 °C wird ein energetischer Vorteil einer zyklischen Ver- und Enteisungsstrategie ab einer relativen Luftfeuchtigkeit größer als 50% gegenüber einer Vereisungsvermeidungsstrategie nachgewiesen. Bei 100% relativer Luftfeuchtigkeit liegt der energetische Vorteil der betrachteten Szenarien bei 42 %. Die zu Beginn des Wärmepumpenbetriebs rückgehaltene Wassermasse, die Umgebungslüfterdrehzahl und die Fahrgeschwindigkeit haben einen geringen Einfluss auf die elektrische Gesamtleistung des Klimatisierungssystems