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Foto: Renault

Fahrzeugheizung

Von der Klimaanlage zur Wärmepumpe

Warum nicht die Klimaanlage im Winter nutzen, um damit die Fahrgastzelle zu beheizen? Besonders bei Plugin-Hybriden oder Elektrofahrzeugen ist dieser Ansatz interessant. Und auch die Werkstätten hätten etwas davon.

Innerhalb der letzten 30 Jahre hat sich die Fahrzeugklimaanlage von einem Nischenprodukt zur Standardkomfortausstattung im modernen Automobilbau entwickelt. Dabei sind der Aufbau und die Funktion über den gesamten Zeitraum gleich geblieben. Mittels zwei Luftwärmetauschern und einem Gasverdichter wird Wärme durch Verdampfung des Kältemittels in der Fahrgastzelle aufgenommen und anschließend durch Verflüssigung am Kondensator wieder abgegeben. Wärme wird somit „abgepumpt“, damit es im Sommer in der Fahrgastzelle kühl bleibt.

Warum also nicht die Klimaanlage im Winter nutzen, um damit die Fahrgastzelle zu beheizen? Jahrelang lagen diese Entwicklungen in der Schublade, wurden aber nicht genutzt, da die Abwärme des Verbrennungsmotors im Überfluss zur Verfügung stand und somit kostengünstig über den Heizungswärmetauscher genutzt werden könnte. Doch gesetzlichen Rahmenbedingungen haben sich weltweit geändert: Die Automobilindustrie ist gefordert, die Kraftstoffverbräuche und die CO2-Emissionen ihrer Fahrzeuge drastisch zu senken.

Nicht genügend Abwärme

Als Folge dieser Entwicklung wurden Verbrennungsmotoren so effizient, dass sie im Winter nicht genügend Abwärme produzieren, um die Fahrgastzelle schnell auf Temperatur zu bringen. Daher werden heute neben dem Heizungswärmetauscher oft elektrische Luftheizer (PTC-Heizelement) oder eine kraftstoffbetriebene Zusatzheizung verbaut, um im Winter für angenehmen Heizkomfort zu sorgen.

Bei Plugin-Hybriden oder Elektrofahrzeugen ist die verfügbare Abwärme von Batterie und E-Maschine in der Regel dermaßen gering, dass fast zu 100 Prozent elektrisch zugeheizt werden muss. Kommen noch die allgemeinen elektrischen Verbraucher wie Licht, Scheibenwischer, Scheiben- und Sitzheizung dazu, so reduziert sich die Reichweite im elektrischen Fahrbetrieb im Winter deutlich: Manche E-Fahrzeugbesitzer hoffen dann zu Recht, ihr gewünschtes Ziel ohne Nachladung erreichen zu können.

Aus diesem Grund verfolgen die meisten Automobilhersteller eine Doppelstrategie. Auf der einen Seite erhöhen sie die Kapazität der Hochvoltbatterie, um die Reichweite zu vergrößern. Auf der anderen Seite müssen sie jegliche Abwärme, die vorhanden ist, effektiv nutzen, um im Winterbetrieb die HV-Batterie zu schonen. Ein schönes Beispiel für diese Entwicklung ist der Renault Zoe, dessen Batteriekapazität seit Markteinführung 2013 von 22 kWh auf heute 41 kWh bzw. 52 kWh angestiegen ist. Gleichzeitig wird das Fahrzeug serienmäßig mit einer Wärmepumpe ausgestattet. Das heißt, die Klimaanlage kühlt nicht nur, sondern heizt auch.

Fahrzeug wird vorklimatisiert

Ein weiteres Einspar-Feature ist die Ansteuerung der Wärmepumpe bzw. der Klimaanlage des Zoe über das Smartphone („R-link“). Dadurch kann der Besitzer sein Fahrzeug, noch während es an der Wallbox hängt, vorklimatisieren. Dies ist dank des Einsatzes eines elektrischen Kompressors möglich und hat den Vorteil, dass für eine vorklimatisierte Fahrgastzelle im Fahrbetrieb lediglich Energie für den Erhalt der Temperatur benötigt wird. So gesehen bekommt der Verbraucher kostenfrei die Standheizung und Standklimatisierung dazu, um anschließend die Reichweite zu vergrößern.

Im Vergleich zu herkömmlichen Klimaanlagen ist der Aufbau der Wärmepumpe im Renault Zoe viel aufwändiger. Das vom Zulieferer Denso entwickelte System verfügt über einen elektrischen Klimakompressor, vier Luftwärmetauscher, drei 2-Wege Magnetventile, ein 3-Wege Magnetventil, drei Festdrosseln (Orifice Tubes) und einen Akkumulator.

Durch Ansteuerung der 2-Wege Magnetventile A bzw. B (Grafik 1, 2 und 3) kann das System z.B. von Fahrgastzellenkühlung auf Batteriekühlung oder beides umgeschaltet werden. Das System arbeitet somit wie eine Klimaanlage mit zwei Verdampfern, die je nach Bedarf geschaltet wird.

Mit Ansteuerung eines 3-Wege Magnetventils D und des 2-Wege Magnetventils C (Grafik 4), das parallel zur Kondensatordrossel verbaut wurde, ist eine Umschaltung des Systems vom Kühl- in den Heizmodus möglich. Im Heizmodus strömt durch Öffnen der Luftklappe unterhalb des Heizkondensators die Außenluft durch den Wärmetauscher und kühlt das verdichtete heiße Kältemittelgas ab. Das Kältemittel verflüssigt sich, die angesaugte Luft erwärmt sich und anschließend die Fahrgastzelle.

Da das Magnetventil C durch die Ansteuerung im Heizmodus geschlossen wird, kann das nun flüssige Kältemittel nur durch die parallel verlaufende Festdrossel strömen. Hinter der Drossel kommt es zum Druckabfall im Kondensator. Das Kältemittel verdampft bei sehr niedrigen Temperaturen im Wärmetauscher und entzieht dabei der Außenluft die Wärme. Der kalte Dampf, der dabei entsteht, wird im Heizmodus vom elektrischen Klimakompressor direkt über das angesteuerte 3-Wege Magnetventil und dem Akkumulator angesaugt, verdichtet und erwärmt. Anschließend wiederholt sich dieser Heizkreislauf erneut.

Der Vorteil einer Wärmepumpe liegt prinzipiell darin, dass durch die Verdampfung des Kältemittels im Kondensator etwa doppelt so viel Wärme aus der Außenluft aufgenommen wird, wie der Kompressor an elektrischer Leistung aufnimmt. Ein Teil elektrischer Energie muss also für den Antrieb des Kompressors eingesetzt werden, um zwei Wärmeanteile aus der Außenluft durch die Verdampfung aufzunehmen. Dabei werden bis zu drei Wärmeanteile durch die Verflüssigung für die Beheizung der Fahrgastzelle abgegeben. Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe ist somit dreimal höher, als es reine elektrische Zuheizer sind. Dadurch erhöht sich die Reichweite im Winter je nach Außentemperatur um ca. 10 bis 15 Prozent.

Welche Nachteile besitzen Wärmepumpen?

Nachteilig sind z.B. Außentemperaturen knapp unterhalb beziehungsweise um den Gefrierpunkt herum in Kombination mit Schneetreiben. Da die Luft bei diesen Bedingungen viel Feuchtigkeit enthält, kommt es während des Betriebes der Wärmepumpe zum Vereisen des im Frontbereich sitzenden Wärmetauschers (Kondensator). Der Kondensatortemperaturfühler erkennt die Vereisung und das System schaltet zurück auf Klimaanlagenbetrieb. Im Kühlmodus strömt wieder heißer Kältemitteldampf in den Kondensator und taut den Wärmetauscher in kürzester Zeit auf. Nach dem Abtauen wird wieder in den Heizmodus zurückgeschaltet. Damit führen diese Umschaltphasen zwangsläufig zu kurzfristigen Heizverlusten während des Betriebes.

Ein weiterer Nachteil ist, dass der Heizmodus der Wärmepumpe aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Kältemittels R1234yf, nur bis max. -15 °C arbeiten kann. Sind die Außentemperaturen tiefer, muss elektrisch zugeheizt werden. Die skandinavischen Länder erhalten daher im Zoe standardmäßig leistungsstärkere elektrische Zuheizer mit 400 Volt während die restlichen Länder Zusatzheizer mit 14 Volt bekommen.

Fazit: Alles in allem haben Wärmepumpen wegen ihrer besseren Energiebilanz mehr Vorteile als Nachteile. Und das Beste kommt bekanntlich zum Schluss: Durch die vielen Komponenten und Verbindungselemente verlieren Wärmepumpen mehr Kältemittel als gewöhnliche Klimaanlagen. Im Unterschied zu einer konventionellen Klimaanlage führt das nicht nur im Sommer zu einer geringeren Kühlleistung, sondern auch im Winter zu einer geringen Heizleistung. Als Folge werden Besitzer von Elektrofahrzeugen mit Wärmepumpen vermehrt im Winter statt im Sommer in die Werkstätten kommen, um die Klimaanlage bzw. Wärmepumpe warten oder reparieren zu lassen. Für die Klimaprofi-Werkstatt entwickelt sich das Klimageschäft auf diese Weise zum Ganzjahresgeschäft.

Andreas Lamm (Experte für Sachkunde- und Klimaschulungen)

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