Prototyp einer PV-unterstützten Wärmepumpe mit Doppelkondensator erreicht einen Leistungskoeffizienten von 7,59
Mar 03, 2026
Forscher an der Universität Miguel Hernández in Elche in Spanien haben ein Luft-{0}}zu--Wärmepumpensystem entwickelt, das die Produktion von Warmwasser (Warmwasser) auf zentrale Tagesstunden verlagern und so die Nutzung der PV-Stromerzeugung maximieren kann.
Die Neuheit des Systems liegt in der Verwendung von zwei Kondensatoren anstelle einer einzelnen Einheit.
Die Forscher erklärten, dass eine herkömmliche kompakte Warmwasser-Wärmepumpe (DHW) einen Kompressor, einen Verdampfer, ein Expansionsventil und einen Kondensator umfasst, der um den Boden des Speichertanks gewickelt ist und das gesamte Wasservolumen durch natürliche Konvektion erwärmt. Die vorgeschlagene Konfiguration mit zwei-Kondensatoren fügt einen zweiten Kondensator an der Oberseite des Tanks hinzu, kombiniert mit einem optimierten Steuerungssystem zur Auswahl des Betriebsmodus, während die Standardkomponenten beibehalten werden.
Sowohl der untere als auch der obere Kondensator bestehen aus Spiralrohren, die zwischen der Tankwand und der Isolierschicht installiert sind. Wenn der untere Kondensator in Betrieb ist, wird Wärme an den Boden des 215-Liter-Tanks abgegeben, wodurch die Schichtung gefördert und das gesamte Volumen erwärmt wird. Bei Aktivierung des oberen Kondensators wird nur der obere Bereich des Tanks erwärmt, was einen gezielteren Betrieb und eine geringere Energiespeicherung ermöglicht.
Der Prototyp wurde aus einer kommerziellen Luft-{1}zu-Wasser-Wärmepumpe vom -Typ -entwickelt, die mit einem 600-W-Scrollkompressor und dem Kältemittel R134a ausgestattet ist. Um den Betrieb ausschließlich im Wärmepumpenbetrieb zu gewährleisten, wurde die ursprüngliche elektrische Widerstandsheizung mit 2.400 W abgekoppelt. Das System hatte einen vom Hersteller-bewerteten Leistungskoeffizienten (COP) von 3,17 bei 14 °C. Zu den Änderungen gehörten die Integration des zweiten Kondensators, die Neugestaltung des Kühlkreislaufs und die Aktualisierung des Steuerungssystems für Tests unter realistischen Warmwasser- und PV-Betriebsbedingungen.
Der Versuchsaufbau wurde entwickelt, um den realen Warmwasserbedarf eines Haushalts mithilfe eines geschlossenen -Kreislaufsystems nachzubilden, um Wasserverschwendung zu vermeiden. Es umfasste zwei Klimakammern, die Doppelkondensator-Wärmepumpe, eine 600-W-PV-Anlage und einen gesteuerten Hydraulikkreislauf. Die Wärmepumpe war sowohl an das Netz als auch an die PV-Anlage angeschlossen, eine finanzielle Entschädigung für überschüssigen ins Netz eingespeisten Strom war nicht vorgesehen.
Ein Hilfstank, eine Umwälzpumpe und ein Wasserkühler hielten die Wassereinlasstemperatur auf 10 °C, um die Bedingungen der Netzversorgung zu simulieren. Ein Arduino Mega-Controller verwaltete Pumpen, Ventile, den Kühler und die Wärmepumpe, um automatisierte Tests zu ermöglichen. Das System war außerdem mit 30 Temperatursensoren, Durchflussmessern und elektrischen Überwachungsgeräten ausgestattet, wobei die Daten in Intervallen von einer Minute aufgezeichnet wurden.
Die Forscher bewerteten drei Konfigurationen bei einer Umgebungstemperatur von 18 °C: eine herkömmliche Einzel-Kondensator-Wärmepumpe, das gleiche System gekoppelt mit PV und die Doppel-Kondensator-Wärmepumpe mit PV. Die Tests folgten einem auf EN 16147 basierenden Warmwasserverbrauchsprofil und stellten Vorlauftemperaturen über 45 °C sicher.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Konfiguration mit zwei Kondensatoren die Schichtungskontrolle verbesserte, den Gesamtenergieverbrauch senkte und die Qualität der Warmwasserversorgung aufrechterhielt, während gleichzeitig der PV-Eigenverbrauch erheblich gesteigert wurde.
Die Analyse ergab, dass der durchschnittliche saisonale COP der Wärmepumpe 3,55 in der Einzel-Kondensatorkonfiguration und 3,65 in Kombination mit PV erreichte.
„Erwartungsgemäß sind beide Werte ähnlich, da zwischen ihnen kein Unterschied in der Betriebsart besteht“, betonte das Forschungsteam. „Im dritten Test mit zwei Kondensatoren und einer verbesserten Steuerstrategie, die den Betrieb mit einer niedrigeren Wassertemperatur ermöglicht, steigt dieser Wirkungsgrad auf 3,71. Dieser Trend ist bei der Analyse der Effizienz des Warmwasserdienstes noch deutlicher, wo die Ergebnisse 3,08 und 3,12 für die ersten beiden Betriebsmodi und 3,37 für die Konfiguration mit zwei Kondensatoren und PV-Modulen betragen. Da der Tank in der Konfiguration mit zwei Kondensatoren kälter ist, gibt es weniger Wärmeverluste.“
Der Solarenergie-Eigenverbrauch-mit dem Dual--Kondensatorsystem stieg inzwischen von 9,9 % auf 55,5 %.
„Die Ergebnisse unterstreichen auch die Notwendigkeit, den momentanen Eigenverbrauch zu berücksichtigen und dabei eine Berechnungsbasis von höchstens einer Minute-für-Minute statt einer stündlichen oder täglichen Berechnung zu verwenden, da letzteres zu unrealistisch hohen Solarbeiträgen führt“, schlussfolgerten die Wissenschaftler. „Unter Berücksichtigung der von den PV-Modulen gelieferten Energie kann die Leistung der HP neu bewertet werden, was zu einem COP von 3,46 bei der Arbeit mit einem Kondensator und von 7,59 bei der Arbeit mit der Doppelkondensatorkonfiguration führt.“
Das System wurde in „Experimental Assessment of a Novel Photovoltaic Heat Pump Design with Dual Condenser“ beschrieben, veröffentlicht in Solar Energy.