Wärmepumpen kommen mit kaltem Klima zurecht

Zwanzig Häuser in ganz Kanada und im Norden der USA heizen diesen Winter mit Prototypen der neuesten Version von Wohnheizsystemen: Kaltklima-Wärmepumpen.

Wärmepumpen sind in Haushalten auf diesem Breitengrad nicht üblich, da sie in der Vergangenheit bei Minustemperaturen nicht gut funktionierten. Aber die Hersteller von Wärmepumpen sagen, dass sie nun über die Technologie verfügen, um Häuser bei kaltem Wetter genauso effizient zu heizen wie bei milderen Wintertemperaturen.

Um dies zu beweisen, testen acht Hersteller ihre Prototypen öffentlich im Rahmen der Cold Climate Heat Pump Technology Challenge, die vom US-Energieministerium (DOE) in Zusammenarbeit mit Natural Resources Canada veranstaltet wird. Die Aufgabe der Unternehmen besteht darin, eine hocheffiziente Luftwärmepumpe für Privathaushalte zu demonstrieren, die bei -15 °C mit 100 % Leistung arbeiten kann. Unternehmen haben die Möglichkeit, ihre Maschinen weiter bis zu -26 °C zu testen.

Nach Angaben des Energieministeriums haben die Wärmepumpenhersteller Bosch, Carrier, Daikin, Johnson Controls, Lennox, Midea, Rheem und Trane Technologies die Laborphase der Herausforderung jeweils erfolgreich abgeschlossen. Derzeit testen sie ihre Prototypen in Häusern in zehn nördlichen US-Bundesstaaten und zwei kanadischen Provinzen, wo Öfen und Kessel, die fossiles Gas, Heizöl oder Propan verbrennen, häufiger zum Einsatz kommen.

Unternehmen, die die Herausforderung abschließen, erhalten keinen Geldpreis. Aber das DOE wird ihnen dabei helfen, in Märkte mit kaltem Klima zu expandieren, indem es mit Interessenvertretern in diesen Regionen zusammenarbeitet, sagte ein DOE-Sprecher. IEEESBrust. Die Herausforderung wird später in diesem Jahr abgeschlossen und Prototypen werden voraussichtlich im Jahr 2025 für die Kommerzialisierung bereit sein.

Wie Wärmepumpen der Kälte entgegenwirken

Der technische Fortschritt ist vor allem auf die Verbesserung einer Schlüsselkomponente der Wärmepumpe zurückzuführen: dem Kompressor. Wärmepumpen bewegen und komprimieren Flüssigkeiten. Im Winter beziehen die Systeme Wärme von außerhalb des Hauses, meist aus der Luft. (Selbst bei Temperaturen unter Null ist Wärme in der Luft vorhanden.) Ein Außenwärmetauscher oder eine Spule absorbiert Wärme in das Wärmepumpensystem.

Außenluft strömt über einen Wärmetauscher, der eine Flüssigkeit oder ein Kältemittel enthält, das einen sehr niedrigen Siedepunkt hat. Ein gängiges Kältemittel namens R410a siedet bei -48,5 °C. Das Kältemittel siedet und verdampft zu Dampf, und ein Kompressor erhöht seine Temperatur und seinen Druck. Der überhitzte Dampf strömt dann durch eine Innenschlange, wo Ventilatoren Luft durch ihn blasen und so die Wärme im ganzen Haus verteilen. Im Sommer kehrt sich das System um, indem die Wärme vom Inneren des Gebäudes nach außen transportiert und das Haus gekühlt wird.

„Sie konnten das Labor nicht mehr kühlen [-30 °C]Deshalb mussten wir die Stromversorgung unterbrechen, um die Wärmepumpe auszuschalten. –Katie Davis, Trane Technologies

Je kälter die Außentemperatur, desto härter müssen Wärmepumpen arbeiten, um genügend Wärme zu extrahieren und zu transportieren, um die Temperatur im Haus aufrechtzuerhalten. Bei etwa 4 °C beginnen die meisten derzeit auf dem Markt befindlichen Luftwärmepumpen, unter ihrer vollen Leistung zu arbeiten, und irgendwann (normalerweise bei etwa -15 °C) können sie ihre Arbeit überhaupt nicht mehr leisten. Zu diesem Zeitpunkt schaltet sich eine Ersatzwärmequelle ein, die weniger effizient ist.

Aber Fortschritte in der Kompressortechnologie in den letzten fünf Jahren haben dieses Problem gelöst. Durch die Steuerung der Drehzahl des Kompressormotors und die Verbesserung des Zeitpunkts der Dampfeinspritzung in den Kompressor haben Ingenieure Wärmepumpen bei kälteren Temperaturen effizient gemacht.

Beispielsweise habe Trane Technologies mit Hauptsitz in Dublin „mit dem Dampfkompressionszyklus gespielt“, um eine zusätzliche Kältemitteleinspritzung zu erreichen, sagt Katie Davis, Vizepräsidentin für Technik und Technologie des Unternehmens. Trane Residential Activity. „Es funktioniert ähnlich wie die Kraftstoffeinspritzung“, sagt sie. Wenn das System anfängt, seine Heizfähigkeit zu verlieren, spritzt es Kältemittel ein, um es anzukurbeln, erklärt sie.

Im Laborteil des DOE-Wärmepumpen-Wettbewerbs lief die Einheit von Trane bei -15 °C mit 100 Prozent Kapazität und arbeitete auch dann weiter, wenn die Labortemperatur auf -30 °C sank, obwohl sie nicht mehr die volle Kapazität hat. „Sie konnten das Labor nicht mehr kühlen, also mussten wir den Strom abschalten, um die Wärmepumpe auszuschalten“, sagt Davis.

Die Dampfinjektionskompressortechnologie gibt es schon seit Jahren, aber bis vor Kurzem wurde sie nicht für Wärmepumpen optimiert, sagt Davis. Dies, gepaart mit der Einführung intelligenter Systeme, die es Innen- und Außengeräten ermöglichen, miteinander und mit dem Thermostat zu kommunizieren, hat es Wärmepumpen ermöglicht, kälteren Temperaturen standzuhalten.

Wärmepumpen können Emissionen reduzieren und Energiekosten senken

Das DOE drängt auf eine breitere Einführung von Wärmepumpen aufgrund ihres Potenzials zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Solche Systeme werden mit Strom statt mit fossilen Brennstoffen betrieben, und wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt, sind die Treibhausgaseinsparungen erheblich, sagt das Energieministerium.

Eine zweijährige Studie, die am 12. Februar in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Joule unterstützt die Behauptung des DOE. Die Studie ergab, dass, wenn jedes beheizte Haus in den Vereinigten Staaten auf eine Wärmepumpe umsteigen würde, der Energieverbrauch des Hauses im Durchschnitt um 31 bis 47 Prozent sinken würde und die nationalen Kohlendioxidemissionen je nach Strommenge um 5 bis 9 Prozent sinken würden geliefert. durch erneuerbare Energien. Diese Zahlen basieren auf Wärmepumpen, die Wärme aus einer Luftquelle (und nicht aus Erde oder Wasser) beziehen, und umfassen sowohl Häuser, die Wärme über Kanäle beziehen, als auch Häuser ohne Leitungen.

Es wird erwartet, dass Energieeinsparungen die Rechnungen von Hausbesitzern um 62 bis 95 Prozent senken werden, abhängig von der Effizienz und der Leistung der installierten Wärmepumpe bei kaltem Wetter. Die Qualität der Isolierung eines Hauses und die Art der ersetzten Heizungsanlage haben laut der Studie auch einen großen Einfluss auf die Energierechnung. Für Haushalte, die derzeit mit elektrischer Widerstandsheizung, Öl oder Propan heizen, könnten Wärmepumpen jedes Jahr Tausende von Dollar einsparen. Bei Erdgas fallen die Einsparungen geringer aus und hängen vom Erdgaspreis vor Ort ab.

Einige Hausbesitzer zögern aufgrund der sogenannten „Temperaturangst“, auf Wärmepumpen umzusteigen.

Wärmepumpen für kaltes Klima werden wahrscheinlich die Energieeinsparungen für Hausbesitzer erhöhen, erfordern aber höhere Vorlaufkosten, sagt Eric Wilson, leitender Forschungsingenieur am National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, und Autor des Artikels. „Es ist allgemein bekannt, dass Wärmepumpen Geld sparen können, aber es herrscht große Verwirrung darüber, ob sie in allen Klimazonen eine gute Idee sind“, sagt er. Seine Studie und die Cold Climate Heat Pump Challenge des DOE werden dazu beitragen, ein klareres Bild zu liefern, sagt er.

Das DOE ist eine von mehreren Regierungsbehörden, die versuchen, die Einführung hocheffizienter Wohnwärmepumpen zu beschleunigen. Neun US-Bundesstaaten haben Anfang des Monats zugesagt, den Verkauf von Wärmepumpen zu beschleunigen. Ihr Engagement baut auf einer Ankündigung von 25 Gouverneuren vom September auf, die zugesagt hatten, die Installation von Wärmepumpen in ihren Bundesstaaten bis 2030 zu vervierfachen. Die US-Bundesregierung bietet außerdem Steuergutschriften an und Bundesstaaten werden Rabatte gewähren, um die Installationskosten auszugleichen.

Bisher scheinen sich die Bemühungen auszuzahlen. In den Vereinigten Staaten übertrafen die Verkäufe von Wärmepumpen im Jahr 2023 zum zweiten Mal in Folge die von Öfen, so die am 9. Februar veröffentlichten Daten des Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute in Arlington, Virginia.

Europa verfolgt einen ähnlichen Ansatz. Die Europäische Kommission hat einen beschleunigten Einsatz von Wärmepumpen gefordert und den Mitgliedstaaten empfohlen, den Einsatz von Heizsystemen mit fossilen Brennstoffen in allen Gebäuden bis 2035 auslaufen zu lassen. Viele europäische Länder subventionieren die Installation von Wohnwärmepumpen, indem sie den Eigentümern Zuschüsse anbieten.

Einige Hausbesitzer zögern jedoch aufgrund der sogenannten „Temperaturangst“, auf Wärmepumpen umzusteigen. Es ist wie die Angst vor der Reichweite von Elektrofahrzeugen: Besitzer haben Angst, in einem kalten Haus stecken zu bleiben.

Und manche mögen einfach das altmodische Gefühl der Wärme. „Leute, die Öfen besitzen, sagen, dass sie das Gefühl der austretenden Hitze wirklich mögen“, sagt Davis von Trane. „Wärmepumpen erzeugen heiße Wärme und heizen Ihr Zuhause gut, aber es ist nicht die heiße Wärme, die aus einem Heizkessel kommt. »

Die Kaltklima-Wärmepumpe von Trane, die am DOE-Wettbewerb teilgenommen hat, heizt derzeit das Haus einer Familie in Boise, Idaho, sagt Davis. „Wir haben ein tolles Feedback von unseren Kunden vor Ort erhalten, die uns mitgeteilt haben, dass ihre Stromrechnungen gesunken sind“, sagt sie.

Um die DOE-Feldtests zu bestehen, müssen Wärmepumpen Wärme aus der Luft (und nicht aus dem Boden oder dem Wasser) extrahieren und in Häusern betrieben werden, die die Luft über Kanäle verteilen, da diese Konfigurationen in kälteren Klimazonen schwieriger sind.