Hochvoltkompetenz
Hintergründe zur Hochvolttechnik
von Elektro- und Hybridfahrzeugen

Innenraumheizung per Wärmepumpe: Funktionsweise und Varianten

Wärmetransport: Grundprinzip eines Wärmepumpensystems.
Klimaanlage mit Zusatzkomponenten für Innenraumheizung: Die Grafik zeigt eine Klimaanlage, die durch zusätzliche Komponenten nach dem Wärmepumpenprinzip die Fahrgastzelle heizt. Im Kühlmodus strömt das Kältemittel in den blau gekennzeichneten Leitungen, im Heizmodus in den rotfarbigen. Zum Aufheizen der Luft, die in den Innenraum strömt, dient der Heizkörper, dessen Kühlmittel (hellblaue Linie) sich zuvor im Kondensator am heißen Kältemittel erwärmt. Bild: Behr
Wärmepumpe als Zusatzheizung: Für die Elektroversion des Golf VII, dem e-Golf, bietet der Wolfsburger Autobauer optional eine zusätzliche Wärmepumpe an, welche die Abwärme aus den Antriebskomponenten nutzt. Durch die Zusatzheizung wird der elektrische Hochvoltheizer entlastet, was die Reichweite bei winterlichen Bedingungen um mehr als 30 Prozent erweitern soll. Bild: Volkswagen

Da in Elektrofahrzeugen keine konventionelle Heizung vorhanden ist beziehungsweise die vergleichsweise geringe Abwärme des Elektromotors nicht ausreicht, um den Fahrgastraum angemessen zu heizen, müssen die Fahrzeughersteller alternative Heizsysteme verbauen.

Eine Benzin- oder dieselbetriebene Heizung (Stichwort: Standheizung) kommt in Elektrofahrzeugen als Heizung kaum in Betracht – auch weil das dem Gedanken eines E-Mobils widersprechen und ein Tank für fossilen Kraftstoff erfordern würde. Deshalb sind insbesondere elektrische PTC-Heizer in ihren verschiedensten Varianten eine Alternative. Weil diese jedoch zulasten der Reichweite viel Energie benötigen, setzen Autobauer zunehmend auch auf Wärmepumpensysteme. Diese können sich, ebenso wie PTC-Heizer, teils auch in Plug-in-Hybriden wiederfinden, um hier als Zusatzheizung während des elektrischen Fahrens die Innenraumheizung sicherzustellen.

Prinzip einer Wärmepumpe

Prinzipiell arbeitet eine Wärmepumpenheizung wie das System eines Kühlschranks oder einer Klimaanlage, nur umgekehrt. Somit handelt es sich ebenso um einen Kreislauf, in dem sich ein spezielles flüssiges beziehungsweise gasförmiges Medium (z.B. Kältemittel) befindet. Zu den Hauptkomponenten des Systems gehören ein Verdichter, ein Verdampfer, ein Verflüssiger (Kondensator) sowie diverse Leitungen, Ventile und Sensoren.
Um einen Heizeffekt mit einem Kompressions-Wärmepumpensystem zu erzielen, wird  – wie auch bei Klimaanlagen – dem im Kreislauf befindlichen Arbeitsmedium und der am Verdampfer und Verflüssiger vorbeiströmenden Luft Wärme entzogen und zugeführt (siehe Grafik).

Dazu komprimiert der Verdichter zunächst das darin befindliche gasförmige Arbeitsmedium, das sich infolgedessen stark erwärmt und so in den Verflüssiger gelangt, der als Wärmetauscher und damit als Heizer dient. Denn die am Verflüssiger vorbei strömende (Kühl-)Luft entzieht dem Arbeitsmedium Wärme und heizt sich auf. Mit der warmen Luft lässt sich dann ein Raum (bei Elektrofahrzeugen der Fahrgastraum) auf Temperatur bringen.
Weil die Temperatur des Arbeitsmediums durch den Wärmeentzug logischerweise sinkt, ändert es im Verflüssiger seinen Aggregatszustand von gasförmig in flüssig. Danach gelangt das Arbeitsgas zu einer Drossel, nach deren passieren es sich entspannt. Dieser Druckabbau führt zu folgenden Effekten: Einerseits kühlt sich das Medium noch weiter ab und anderseits wird es nahezu gasförmig. Dazu muss man wissen: Flüssigkeiten und Gase wechseln nicht nur aufgrund von sinkenden und steigenden Temperaturen ihren Aggregatszustand, sondern auch durch entsprechende Druckänderung. 
Nachdem also das Arbeitsmedium nach passieren der Drossel nahezu gasförmig ist, gelangt es in den mit warmer Luft angeströmten Verdampfer. Hier kommt es zu einem Wärmeaustausch: Die Luft kühlt ab und die Temperatur des Arbeitsmediums steigt an. Folglich tritt das Arbeitsmedium vollständig gasförmig aus dem Verdampfer aus und strömt zum Verdichter. Die einwandfreie Umwandlung in den gasförmigen Zustand ist deshalb so wichtig, damit ein Flüssigkeitsschlag im Verdichter vermieden wird. Schließlich lassen sich Flüssigkeiten nicht komprimieren.
 
Klimaanlage als Basis

Da sich wie schon erwähnt, die thermodynamischen Vorgänge in einem Wärmepumpensystem grundsätzlich denen der Klimaanlage gleichen, ist es denkbar, dass diese auch als Heizung für den Fahrgastraum fungiert. Dazu sind einige zusätzliche Leitungen, Ventile et cetera notwendig (siehe Grafik). Damit dient der Klimakreislauf im Sommer zum Kühlen und im Winter als Heizung. Für letzteres strömt das Kältemittel nicht wie üblich zunächst zum Kondensator in der Fahrzeugfront, sondern zu einem zusätzlichen Kondensator (siehe indirekter Kondensator in der Grafik). Dieser kann je nach Systemauslegung auf zwei Arten die Innenraumheizung sicherstellen: Entweder er wird mit Luft angeströmt (die sich erwärmt und somit als Heizluft für den Fahrgastraum zur Verfügung steht) oder der Kondensator fungiert als Wärmetauscher (wie in der Grafik zu sehen), mit dem ein Flüssigkeitskreislauf inklusive Heizkörper gekoppelt ist. 

Wärmepumpe als Zusatzheizer

Eine weitere Variante: eine zusätzliche Heizung, die auf dem Prinzip der Wärmepumpe basiert. Zum Beispiel bietet Volkswagen für seinen e-Golf (Golf VII) optional eine solche Zusatzheizung an. Ansatz für diese Lösung ist die Tatsache, dass elektrische Hochvolt-PTC-Heizer zwar effizient heizen, aber durch ihren hohen Energiebedarf die Reichweite deutlich schmälern. Sind ein PTC-Heizer und eine Wärmepumpe vorhanden, kann die Temperierung des Fahrgastraums zunächst durch das weniger stromverbrauchende Wärmepumpensystem erfolgen. Reicht dessen Heizleistung nicht mehr aus, kommt der mit mehr Leistung aufwartende elektrische Heizer ins Spiel.
Damit die als Zusatzheizung fungierende Wärmepumpe arbeiten kann, nutzt sie beispielsweise die Abwärme von flüssigkeitsgekühlten Hochvoltkomponenten und/oder die erwärmte Kühlluft aus der Hochvoltbatterie.

In diesem Kontext wichtig zu wissen: Bei solchen Wärmepumpen muss es sich nicht zwangsläufig um Kompressions-Systeme mit einem speziellem Arbeitsgas handeln. Vielmehr kann – wie in Gebäuden – auch Wasser im Kreislauf zirkulieren, um die an einer Stelle zugeführte Wärme an anderer Stelle für Heizzwecke abzugeben.

von Torsten Schmidt