Wärmepumpen

Beim Bau und der Applikation von Wärmepumpensystemen sind viele Punkte zu beachten. Nur die richtige Auswahl des Grundsystems (Anlagenbauer/Betreiber) und Dimensionierung der Einzelkomponenten (Wärmepumpenhersteller) führen zu einem optimalen Zusammenspiel und letztlich zu einer energieeffizienten und langlebigen Wärmepumpe. Was in diesem Zusammenhang zu beachten ist, beschreibt Teil 5 unserer Serie „Das 1 x 1 der Kältetechnik“. Diese Serie basiert auf den kostenfreien eLearning-Modulen von Danfoss, die für das interaktive Selbststudium mittels PC konzipiert sind. Die eLearning-Module bieten jeder Zielgruppe, vom Anfänger bis zum Kälteexperten, ein adäquates Angebot (www.learning.danfoss.de).

Eine Wärmepumpe transportiert Wärme. Das ist die Grundeigenschaft, die alle Arten von Wärmepumpen auszeichnet. Dabei funktioniert sie wie eine Kompressionskälte­anlage, nur ist der operative Hauptfokus nicht die Verdampferseite und somit die Kühlfunktion, sondern die Verflüssigerseite und dadurch die Heizfunktion. Das Prinzip der Verdampfung von Kältemittel im Verdampfer, die Erhöhung des Drucks und der Temperatur durch den Verdichter bis hin zur Abgabe der Wärme unter Verflüssigung im Verflüssiger und anschließender Entspannung des Kältemittels über dem Drosselorgan bleibt erhalten. Auch die verwendeten Kältemittel unterscheiden sich kaum von denen üblicher Kälteanlagen. Bevorzugte Kältemittel für Wärmepumpenanwendungen sind R407C, R410A und R134a. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf Kompressionswärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern, da diese Wärmepumpen bei Weitem den Markt dominieren. Außerdem gibt es noch Absorptionswärmepumpen und Kompressionswärmepumpen, bei denen der Verdichter nicht durch einen Elektromotor, sondern anderweitig angetrieben wird.

Wärmepumpen liegen im Trend und werden sogar staatlich gefördert. Wärmepumpen arbeiten unmittelbar emissionsfrei mit Strom und verwenden diesen vergleichsweise sparsam. Zudem kann dadurch auf Kraftwerke, die den Strom zentral erzeugen, und das öffentliche Stromnetz zurückgegriffen werden. In aller Regel ist hinsichtlich Effi­zienz eine zentrale Lösung der Stromerzeugung zum Antrieb von beispielweise Wärmepumpen einer dezentralen Heizlösung durch Verbrennung fossiler Stoffe, wie Öl oder Gas, vorzuziehen. Aber auch dezen­trale Lösungen, wie Solaranlagen, können zum Betrieb von Wärmepumpen genutzt werden. Wärmepumpen lassen sich grob in drei Grundsysteme unterscheiden, der Luft-/Luft-, der Luft-/Wasser- und der Wasser (Sole)-/Wasser-Wärmepumpe.

Wärmequelle

Um eine Wärmepumpe betreiben zu können, braucht man eine Wärmequelle. In diesem Zusammenhang ist der Begriff „Wärmequelle“ immer relativ zu sehen, können doch im Prinzip fast alle Temperaturniveaus zu diesem Zweck verwendet werden. Je höher allerdings die Temperatur der Wärmequelle, umso besser ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Dabei ist die Wärmeenergie im Erdreich und in der Luft völlig kostenlos. Sie ist von Natur aus im Erdreich vorhanden und wird durch Wind, Sonneneinstrahlung und Niederschläge immer wieder erneuert. Bei der Nutzung von Wärmepumpen für Raumheizungen und die Warmwassererzeugung werden drei Viertel des jährlichen Energieverbrauchs von der Sonne geliefert, deren Energie im Erdreich oder in der Luft gespeichert ist. Ca. 44 % der Sonnenenergie, die bis zur Erde gelangt, werden im Erdreich gespeichert. Diese Sonnenenergie entspricht dem 480-fachen des globalen Gesamtenergiebedarfs der ganzen Menschheit. Wärmepumpen nutzen diese Energie und tragen somit zum Umweltschutz bei. Wird eine Wärmepumpe mit einer effizienten und fachmännisch installierten Heizungsanlage kombiniert, lassen sich außerdem die Heizkosten deutlich senken.

Arten von Wärmepumpen

Wärmepumpen werden nach den Medien bezeichnet, welche am Verdampfer und am Verflüssiger anstehen. Somit wird bei einer Luft-/Luft-Wärmepumpe die Wärme aus der Umgebungsluft über den Verdampfer entnommen und mittels Wärmepumpenkreislauf über eine Temperaturerhöhung direkt an die Luft des zu beheizenden Raums abgegeben. Dieses Prinzip ist meist bei einfachen und kostengünstigen Splitklimageräten mit Kreisumkehrfunktion zu finden. Bei einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe wird wie beim Luft-/Luft-System die Wärme aus der Umgebungsluft entnommen, auf der Sekundärseite aber an den Warmwasser- bzw. Heizkreislauf abgegeben. Bei einer Wasser (Sole)-/Wasser-Wärmepumpe kommt die Wärme in aller Regel aus der Erde, um letztlich in das Warmwassernetz eingespeist zu werden. Je nach den zu erwartenden Temperaturen kann mit Wasser oder Sole gearbeitet werden. Beim Einsatz von reinem Wasser sollte besonders der Winterfall zusätzlich zu den möglichen Betriebsbedingungen unter 0 °C betrachtet werden. Im Zweifel kann ein Zusatz von Frostschutz (z.B. Glykol oder anderer Alkohol) eine Lösung darstellen. Befindet sich der Primärkreislauf deutlich unter 0 °C, so sollte die Solelösung favorisiert werden.

Wasser (Sole)-/Wasser-Wärmepumpen lassen sich noch weiter unterteilen, in Grundwasser- bzw. Brunnenwärmepumpen und Wärmepumpen mit Horizontal- und Vertikalkollektoren. Für eine Grundwasser- oder Brunnenwärmepumpe wird die Wärme des Grundwassers oder eines Brunnens angezapft. Wasser (Sole)-/Wasser-Wärmepumpen mit horizontalen Kollektoren sind sehr beliebt bei Häusern mit größerem Grundstück. Dabei werden diese Kollektoren (Kunststoff- oder Kupferleitung) auf die Fläche in einer gewissen Tiefe verteilt. Installation erfolgt durch Abtragen der oberen Schicht des Erdreichs oder durch das Ziehen von Gräben. Je nach Bodenbeschaffenheit und Umgebungstemperatur können dem Erdreich je Meter Leitungslänge 10 bis 30 W entzogen werden. Die dritte Variante bei Wasser (Sole)-/Wasser-Wärmepumpen ist die mit vertikalem Kollektor. Die maximale Wärmeentnahme beträgt 50 W pro Meter vertikale Leitungslänge. Diese Leistung gilt für ein nasses Bohrloch. Die Leistung in einem trockenen Bohrloch ist geringer. Die erforderliche Mindesttiefe für ein einzelnes Bohrloch beträgt 150 m bzw. bei zwei Bohrlöchern 75 m. Der Mindestabstand zwischen den Bohrlöchern beträgt 10 m. Bei dieser Lösung wird kein großes Grundstück, aber eine Tiefenbohrung benötigt. Diese Tiefenbohrung stellt einen beträchtlichen Kostenfaktor dar und muss hinsichtlich der geologischen Gegebenheiten abgewogen werden. Eine allgemeine Faustregel gibt es hier nicht. So ist beispielweise ein Grund mit Felsgestein in den meisten Fällen geeigneter für eine Bohrung als lehmiger Untergrund. Grundsätzlich gilt für alle Arten von Wärmepumpen: Jedes Kelvin, um welches die Temperatur der Wärmequellen höher liegt, führt direkt zu einer höheren Verdampfungstemperatur und somit zu einer höheren Effizienz.

Kompression

Eine zentrale Rolle in der Wärmepumpe kommt dem Verdichter zu. Zwei Verdichtertechnologien sind besonders häufig bei Wärmepumpen für Wohnhäuser und den gewerblichen Einsatz zu finden: Hubkolben- und Scrollverdichter. Hubkolbenverdichter sind die klassische und unverwüstliche Lösung, Scrollverdichter die moderne und immer beliebtere Variante. Bei der Auswahl eines Wärmepumpenverdichters sind zunächst das Kältemittel und der Einsatzbereich zu berücksichtigen. Der Verdichter muss für das gewünschte Kältemittel freigegeben sein und über einen breiten Anwendungsbereich verfügen. Der Anwendungsbereich auf der Niederdruckseite sollte höhere und niedrigere Verdampfungstemperaturen beinhalten, damit die Wärmepumpe trotz der Temperaturschwankungen der Wärmequelle im Jahresverlauf stets einsatzbereit ist. Wird die Wärmepumpe nur in der Übergangszeit betrieben und im Winter auf ein Alternativheizsystem – z.B. Gas- oder Ölheizung – umgestellt, muss der Verdichter nicht für tiefe Verdampfungstemperaturen geeignet sein. Hinsichtlich der Auswahl des Verdichters für die Verflüssigerseite stellt sich die Frage nach der benötigten Vorlauftemperatur. Ideal für eine Wärmepumpe und gleichermaßen für die Verdichter sind Fußbodenheizungen. Fußbodenheizungen benötigen nur niedrige Vorlauftemperaturen, wofür nur niedrige Verflüssigungstemperaturen gefahren werden müssen. Das erhöht die Effizienz der Wärmepumpe. Im schlimmsten Fall sind alte Guss-Heizkörper im Gebäude verbaut. Dabei werden die höchsten Vorlauftemperaturen gebraucht – moderne Heizkörper sind meist schon mit 10 K niedrigeren Temperaturen zufrieden. In diesem Fall muss der Verdichter für Verflüssigungstemperaturen von bis zu 65 °C geeignet sein, muss er doch die Wärme noch an den Heizkreislauf abgeben. Nicht zuletzt sollte der Verdichter einen guten COP bei den zu erwartenden Betriebsbedingungen haben. Der COP bei einem Wärmepumpenverdichter ist der Quotient aus abgegebener Heizleistung zu aufgenommener Antriebsleistung. Ein höherer COP-Wert ist also immer besser als ein niedrigerer. Ein noch aussagekräftigerer Indikator für einen Verdichter einer Wärmepumpe ist die Jahresarbeitszahl. Dies ist der gemittelte bzw. gemessene COP-Wert über den Jahresverlauf. Die Jahresarbeitszahl stellt sicher, dass ein Verdichter nicht nur für einen definierten Auslegungspunkt optimiert ist und schon bei leicht abweichenden Bedingungen rapide in der Effizienz abfällt.

Expansionsorgan

Welches Drosselorgan soll verwendet werden? Grundsätzlich sind hier die drei klassischen Lösungen einsetzbar – Kapillarrohr, thermostatisches Expansionsventil oder elektronische Einspritzung. Aufgrund des besonderen Fokus auf energetische Effizienz ist die Kapillarrohrlösung nicht mehr zeitgemäß. Thermostatische Expansionsventile sind eine mögliche Option. Elektronische Einspritzung ist allerdings unschlagbar und für progressive, hochoptimierte Systeme die beste Lösung. Ein thermostatisches Expan­sionsventil ist ein selbsttätiger mechanischer Regler ohne Fremdenergie. Das heißt, es braucht keinen elektrischen Anschluss zur Funktion. Dieser Punkt stellt für den Wärmepumpenhersteller einen klaren Pluspunkt dar. Thermostatische Expansionsventile sind so konzipiert, dass grundsätzlich eine ausreichende Überhitzung am Verdampferaustritt gewährleistet wird. Somit nimmt der Verdichter keinen Schaden und der Verdampfer wird stets gut mit Kältemittel beaufschlagt. Somit können thermostatische Einspritz­lösungen die richtige Wahl für Wärmepumpensysteme sein. Allerdings arbeitet ein thermostatisches Expansionsventil immer mit dem gleichen (Überhitzungs-)Sollwert. Das kann eine elektronische Einspritzrege­lung besser, indem die jeweils aktuelle Überhitzung im Verdampfer über einen Druckmessumformer und einen sensiblen Temperaturfühler an den Regler weitergegeben wird. Der Regler kann nun Maßnahmen ergreifen, um optimal kleine Überhitzungen zu erreichen und den Überhitzungssollwert je nach Anlagensituation anpassen. Diese adaptive Regelung der Kältemitteleinspritzung führt zu einer optimalen Nutzung des Verdampfers und damit zu den höchstmöglichen Verdampfungsdrücken, die in dieser spezifischen Anlage realisierbar sind. Dies führt wiederum zu höheren COP-Werten.

Wärmeübertrager

Entsprechend der Hatz nach immer kleineren Überhitzungen und höheren Verdampfungstemperaturen geht es bei den in der Wärmepumpe verwendeten Wärmeübertragern immer um geringstmögliche Temperaturdifferenzen. Bei den Verdampfern der Luft-/Wasser- und Luft-/Luft-Wärmeübertragern kann das durch ausreichend Wärmeübertragergröße erreicht werden. Dies gilt auch für den luftgekühlten Verflüssiger bei Luft-/Luft-Systemen. Bei Wasser (Sole)-/Kältemittel-Wärmeübertragern können aber gleichzeitig Gewicht und Kältemittelfüllmenge eingespart werden, ohne dies mit größeren Temperaturdifferenzen bei der Wärmeübertragung erkaufen zu müssen. Durch den Einsatz von gelöteten Kompakt-Plattenwärmeübertragern verbessert sich die Strömung durch die Platten. Damit werden die Wärmeübertrageroberflächen der beiden Fluide optimal ausgenutzt. Das günstigere Verhältnis zwischen den maximalen und den minimalen Durchflussgeschwindigkeiten verbessert ebenfalls die Wärmeübertragung. Das Ergebnis ist ein höherer Wirkungsgrad bei niedriger Wärmestromdichte innerhalb der sehr schmalen Temperaturbereiche, die charakteristisch für Wärmepumpensysteme sind. Für die Anwendung als Verdampfer wie auch als Verflüssiger sind die optimierten Kompakt-Plattenwärmeübertrager der H-Reihe („H“ für „heat pump“ = Wärmepumpe) gleichermaßen gut geeignet. Kompakt-Plattenwärmeübertrager (MPHE) erreichen mit ihrer speziellen Punktkanalgeometrie im Vergleich zur früheren Fischgrätkanalstruktur bei traditionellen Plattenwärmeübertragern hinsichtlich Wärmeübertragung deutlich bessere Ergebnisse.

Kreisumkehr

4-Wege-Ventile werden zur Kreisumkehr von „Eins-zu-Eins“-Wärmepumpenanlagen verwendet. Mit dieser Umkehrung wird der Verdampfer zum Verflüssiger und der Verflüssiger zum Verdampfer. Diese Schaltung wird beispielsweise bei Klimasplitgeräten verwendet, die im Sommer kühlen und in der Übergangszeit heizen sollen. Im Heizfall werden diese Geräte dann zu Luft-/Luft-Wärmepumpen. Ein 4-Wege-Umkehrventil hat vier Rohranschlüsse. Dabei sind drei dieser Anschlüsse auf der einen und einer auf der gegenüberliegenden Seite platziert. Die drei Kupferrohranschlüsse haben einen größeren Durchmesser als der einzelne auf der Gegenseite.

Der mittlere der drei großen Anschlüsse ist permanent auf der Saugseite und der einzelne, kleine Anschluss immer auf der Druckseite. Da die beiden übrigen sowohl auf der Saug- als auch auf der Druckseite sein können – je nachdem wie gerade umgeschaltet wird –, sind sie aus Gründen der Berücksichtigung von Druckabfällen in der Dimension des permanenten Saugleitungsanschlusses ausgeführt. Ein 4-Wege-Ventil besitzt zusätzlich ein Pilotmagnetventil mit Spule, mit dem durch Bestromen die Kältemittelfließrichtung geändert werden kann. Dabei sind kleine Pilotleitungen ausgehend vom kleinen Ventilanschluss zum Pilotmagnetventil und wieder abgehend zum mittigen großen Anschluss geführt.

Biflow- und Standardfiltertrockner

Filtertrockner werden meist in Flüssigkeitsleitungen von Wärmepumpenanlagen verbaut und haben dort eine Doppelfunktion. Zum einen sollen sie Grobschmutzpartikel und Kupferspäne aufgefangen, zum anderen auch Feuchtigkeit im System binden. Zu diesem Zweck sind moderne Filtertrockner für Wärmepumpen mit einem Trockenblock aus 100 % Molekularsieb für optimale Trockenleistung und Filtrierung ausgestattet. Der Filtertrockner sollte bei jedem Eingriff in das Wärmepumpensystem ausgetauscht werden. Filtertrockner gibt es in den verschiedensten Ausführungen. Der Standardtrockner Typ „DML“ ist im Standard-Wärmepumpenbau am häufigsten anzutreffen. Er hat einen Feststoffkern und bildet mit dem kompakten Gehäuse eine untrennbare Einheit. Diese Standardtrockner sind nur für eine Durchströmungsrichtung konzipiert. Das ist meist auch völlig ausreichend. Sollte man allerdings Biflowbetrieb wünschen – wie etwa in einer Wärmepumpe mit einem 4-Wege-Umkehrventil –, so kann man einen Biflowtrockner Typ „DMB“ einsetzen. Biflowtrockner sind wahlweise in beiden Richtungen durchströmbar, ohne die Gefahr, dass erst kürzlich ausgefilterte Fremdstoffe postwendend wieder an die Anlage abgegeben werden.

Druckschalter

Druckschalter in einer Wärmepumpe gliedern sich in Hochdruck- und Niederdruckschalter. Hochdruckschalter dienen zur Schutzabschaltung des Verdichters als maßgeblichem Druckerzeuger in einer Wärmepumpe. Niederdruckschalter hingegen schützen den Verdichter vor zu niedrigem Druck, z.B. Kältemittelmangel oder Ausfall der Pumpe im Primärkreislauf bei Wasser-/Wasser-Wärmepumpen (und defektem Strömungswächter). Grundsätzlich gibt es zwei generelle Bauformen von Druckschaltern. Dabei handelt es sich zum einen um den einstellbaren Standarddruckschalter für die Wandmontage und zum anderen um den Patronendruckschalter. Der Druckschalter zur Wandmontage Typ „KP“ ist bei Anlagenbauern besonders populär. Er ermöglicht eine Nachjustierung hinsichtlich der Schaltschwellenwerte und sitzt nicht mit seiner kompletten Masse auf der Rohrleitung. Außerdem besteht die Möglichkeit, den Druckschalter in einem Maschinenfach nach vorne herauszusetzen, was die Zugänglichkeit und Servicefreundlichkeit deutlich erhöhen kann. Der Patronendruckschalter Typ „ACB“ hingegen ist die bevorzugte Lösung der Serienhersteller, da seine festen Einstellwerte nicht einfach im Feld von Unbefugten verstellt werden können. Daneben sind Patronendruckschalter in der Regel äußerst preiswert.