Beim konventionellen Kältekreislauf wird der Kältemitteldruck über ein Expansionsventil abgesenkt. Im Ecalia-Konzept übernimmt ein Expander diesen Schritt und führt einen Teil der gewonnenen mechanischen Arbeit dem Verdichter zu. Schematische Darstellung, nicht maßstabsgerecht; Quelle: Ecalia
Wärmepumpen nutzen Umweltwärme, indem ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf verdampft, verdichtet, verflüssigt und wieder entspannt wird. Wie effizient dieser Prozess abläuft, hängt wesentlich vom erforderlichen Temperaturhub ab. Viele Bestandsgebäude benötigen an kalten Tagen höhere Vorlauftemperaturen als Neubauten. Damit steigt das Druckverhältnis am Verdichter und in der Regel auch der Strombedarf. Das schließt den Einsatz einer Wärmepumpe nicht grundsätzlich aus, kann aber ihre Wirtschaftlichkeit beeinträchtigen.
Drosselung ohne Arbeitsgewinn
Nach dem Verflüssiger liegt das Kältemittel unter hohem Druck vor. Ein Expansionsventil senkt diesen Druck und sorgt so für die Kälte. Das vorhandene Druckgefälle wird dabei in Abwärme umgewandelt. Aus thermodynamischer Sicht liegt deshalb nahe, einen Teil dieses Potenzials stattdessen als mechanische Arbeit zurückzugewinnen. Wie groß der nutzbare Anteil ist, hängt unter anderem vom Kältemittel, den Betriebsdrücken, der Temperaturspreizung und den Wirkungsgraden der Komponenten ab.
Expander unterstützt den Verdichter
Ecalia entwickelt hierfür ein integriertes Kompressor-Expander-System auf Basis der Spiraltechnologie. An die Stelle des konventionellen Expansionsventils tritt ein Expander, der das Kältemittel kontrolliert auf das niedrigere Druckniveau entspannt. Die dabei gewonnene mechanische Arbeit wird innerhalb des Systems genutzt, um den Kompressor zu unterstützen. Dadurch sinkt die von außen aufzubringende Antriebsleistung für denselben Kältekreislauf.
Nach Berechnungen des Unternehmens kann der Ansatz die Effizienz einer Wärmepumpe abhängig von Auslegung und Betriebspunkt um bis zu 20 Prozent erhöhen. Entscheidend für die praktische Bewertung sind nicht nur einzelne Auslegungspunkte, sondern vollständige Kennfelder und der saisonale Betrieb. Die Entwicklung zielt deshalb auf eine kompakte, langlebige und wartungsarme Einheit, die sich durch Wärmepumpenhersteller in künftige Gerätegenerationen integrieren lässt.
Ergänzung für anspruchsvolle Bestandsfälle
Besonders relevant ist die Rückgewinnung bei Anwendungen mit größerem Temperaturhub, weil der Druckverlust dort besonders hoch ist. Ein effizienterer Kältekreislauf kann den Strombedarf und die Betriebskosten reduzieren und damit das Einsatzfeld von Wärmepumpen im Gebäudebestand erweitern. Er ersetzt jedoch nicht die Prüfung des Gesamtsystems. Heizlast, Wärmequelle, Heizflächen und Regelung bleiben ebenso maßgeblich. Häufig senken bereits ein hydraulischer Abgleich, größere Heizkörper oder gezielte Maßnahmen an der Gebäudehülle die erforderliche Vorlauftemperatur.
Für die weitere Entwicklung stehen die experimentelle Validierung über verschiedene Betriebspunkte, Dauerlaufversuche sowie die fertigungsgerechte Integration im Vordergrund. Als Finalist der DGNB Sustainability Challenge 2026 wurde Ecalia für den Beitrag des Ansatzes zur Dekarbonisierung des Gebäudebestands nominiert. Ob und in welchem Umfang sich das berechnete Potenzial im Jahresbetrieb realisieren lässt, sollen die nächsten Entwicklungs- und Erprobungsschritte zeigen.
www.ecalia.de
