Ein Verdichter in einer Wärmepumpenanwendung funktioniert in gleicher Weise wie in einer Kompressions-Kälteanlage. Er bringt dampfförmiges Kältemittel von einem niedrigen Druck und einer niederen Temperatur auf ein hohes Druck- und Temperaturniveau. Als Antrieb dient in aller Regel ein im Verdichter integrierter Elektromotor, der aus dem Stromversorgungsnetz gespeist wird.
Der Elektrobetrieb ist bei der Beheizung von Wohnhäusern noch keineswegs Standard. Vielmehr sind fossile Brennstoffe wie Öl und Gas noch weitverbreitet. Unter diesem Aspekt gewinnen neben der Effizienz weitere Vorteile elektrisch betriebener Wärmepumpen an Bedeutung. Hinzu kommt, dass keine Heizöl-Vorratshaltung betrieben werden muss, und der nicht benötigte Gasanschluss besonders in ländlichen Gebieten ohnehin oft nicht verfügbar ist.
Verdichtertechniken: Hubkolben und Scroll
Als Verdichter-Bauarten haben sich bei Wärmepumpen für Wohnhäuser und für den gewerblichen Einsatz zwei Verdichtertechniken durchgesetzt, nämlich Hubkolben- und Scrollverdichter in vollhermetischer Ausführung. Die vollhermetische Bauform verzichtet komplett auf jegliche Verschraubungen, die den Zugang zum Inneren des Verdichters eröffnen würden. Die Bauform ist zur Vermeidung von Leckagen unabdingbar und somit ein wichtiger Beitrag zum Umweltschutz. Hubkolbenverdichter sind dabei die klassische und besonders robuste Lösung, Scrollverdichter die moderne und immer häufiger verwendete Variante.
Während bei Hubkolbenverdichtern ein oder mehrere Kolben in einer Auf- und Abwärtsbewegung Kältemittel über ein Saugventil ansaugen, dann verdichten und über ein Druckventil wieder in den Wärmepumpenkreislauf abgeben, übernimmt diese Funktion bei den Scrollverdichtern das sogenannte Scrollset. Seine beiden Scrollspiralen laufen in einer orbitierenden Bewegung ineinander und verdichten auf diese Weise das Kältemittel. Standard-Scrollverdichter verfügen im Gegensatz zu Hubkolbenverdichtern über kein Ventilsystem. Lediglich ein Rückschlagventil befindet sich in der Mitte des Scrollsets an der Druckgasaustrittsstelle. Dieses Ventil verhindert ein dauerhaftes Rückwärtsdrehen der orbitierenden Scrollhälfte aufgrund der Druckdifferenz, vermindert somit unangenehme Geräuschentwicklung und verhindert die Kondensation von Kältemittel im Scrollset.
Welcher Verdichter passt?
Bei der Auswahl eines Wärmepumpenverdichters ist zunächst das Kältemittel zu berücksichtigen. Der Verdichter muss für das gewünschte Kältemittel freigegeben sein und dabei einen breiten Anwendungsbereich abdecken, der wiederum den individuellen Anforderungen entspricht. Dabei geben die Temperaturschwankungen der Wärmequelle im Jahresverlauf vor, welche Verdampfungstemperaturen notwendig werden.
Wird die Wärmepumpe beispielsweise nur in der Übergangszeit betrieben und im Winter auf ein Alternativheizsystem zum Beispiel eine Gas- oder Ölheizung umgestellt, muss der Verdichter nicht für tiefere Verdampfungstemperaturen geeignet sein. Auf der Verflüssiger-Seite hingegen stellt sich die Frage nach der benötigten Vorlauftemperatur.
So betrachtet, sind eine Wärmepumpe und eine Fußbodenheizung ein perfektes Team. Fußbodenheizungen benötigen keine hohen Vorlauftemperaturen, weswegen lediglich niedrige Verflüssigungstemperaturen gefahren werden müssen. Das erhöht die Effizienz der Wärmepumpe. Der ungünstigste Fall hingegen sind alte Gussheizkörper, die bei Nachrüstungen in Altbauten im Gebäude verbleiben. Hier werden die höchsten Vorlauftemperaturen benötigt. Im Vergleich dazu kommen moderne Heizkörper meist schon mit 10 K niedrigeren Temperaturen aus.
Bei Altbauten mit Gussheizkörpern muss sich der Verdichter für Verflüssigungstemperaturen von bis zu 65 °C eignen. Solche Systeme bieten zusätzlich noch die Sicherheit, dass keine Legionellengefahr von ihnen ausgeht, wenn sie zusätzlich auch zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden. Temperaturen über 60 °C bieten zuverlässig Schutz vor Legionellen und damit einhergehenden Erkrankungen von Personen. Sollten größere Warmwasserreservoirs vorhanden sein und die benötigte Temperatur dauerhaft unter 60 °C liegen, dann sollte deshalb in regelmäßigen Zeitabständen eine Aufheizung des Wassers auf mindestens 60 °C erfolgen.
Optionale Verdichterfunktionen
Im Allgemeinen streben Hersteller an, die Verdichterkonstruktion so einfach wie möglich zu halten. Wird jedoch ein sehr breites Anwendungsgebiet verlangt, können zusätzliche Maßnahmen erforderlich sein, damit die Heißgastemperaturen des Wärmepumpenverdichters nicht zu hoch werden.
Dafür bietet sich eine Flüssigkeitsnacheinspritzung an. Bei der Danfoss-Baureihe PSH für Wärmepumpen ist bereits eine solche elektronische Lösung integriert. Die Regelplatine befindet sich im Verdichter-Klemmbrett, der Heißgas-Temperaturfühler wird direkt am Druckstutzen angebracht und die elektronische Nacheinspritzung ist an den Verdichter angebaut. Da hohe Druckgastemperaturen gerade für eine Wärmepumpe keineswegs nachteilig sind, ist es besonders wichtig, dass sich die Nacheinspritzung erst dann aktiviert, wenn am Druckstutzen sehr hohe Temperaturen über 135 °C auftreten.
Bei niedrigeren Temperaturen leistet die zusätzliche Enthitzungswärme im Verflüssiger einen weiteren Beitrag zur Heizaufgabe. Werden die 135 °C allerdings überschritten, wird flüssiges Kältemittel in den Mitteldruckbereich des Verdichter-Scrollsets eingespritzt. Da Scrollverdichter das Kältemittel im äußeren Bereich des Scrollsets ansaugen und zum Ausschub in die Mitte befördern, wobei sich die Kompressionstaschen immer weiter verkleinern, befindet sich der Mitteldruckbereich mit Nacheinspritzeinlass etwa auf halber Strecke. Im Mitteldruckbereich wird die Temperatur des Kältemittels durch das zusätzlich eingespritzte flüssige Kältemittel abgesenkt. Durch die Druckdifferenz der Flüssigkeitsvorlage am Nachspritzventil (Hochdruck) und am Austritt (Mitteldruck) ergibt sich eine Entspannung des Kältemittels und in der Folge eine Kühlwirkung in der Mitteldrucktasche.
Wie lässt sich die Jahresarbeitszahl verbessern?
Nach der Wahl von Kältemittel, Verdampfungs- und Verflüssigungs-Temperaturbereich sollte der Verdichter bei den zu erwartenden Betriebsbedingungen natürlich auch einen guten COP-Wert haben. Bei einem Wärmepumpenverdichter handelt es sich dabei um den Quotienten aus abgegebener Heizleistung und aufgenommener Antriebsleistung. Es gilt, stets einen hohen COP-Wert anzustreben.
Um noch bessere Vorhersagen machen zu können, wie effektiv der Verdichter einer Wärmepumpe über den Jahresverlauf arbeitet, sollte man zudem die Jahresarbeitszahl betrachten. Sie ist der gemittelte oder gemessene COP-Wert über den Jahresverlauf. Durch eine hohe Jahresarbeitszahl wird sichergestellt, dass ein Verdichter bei verschiedenen Betriebsbedingungen effizient läuft und für einen breiten Betriebsbereich optimiert ist.
Eine Maßnahme dazu ist die Ausrüstung eines Scrollverdichters mit einem Zusatzventilsystem, wie es bei den Danfoss-Wärmepumpen-Scrollverdichtern der Baureihe HHP der Fall ist. Scrollverdichter haben konstruktionsbedingt ein festes Druckverhältnis. Das kann zwar unterschiedlich sein, ist aber bei einem bestimmten Scrollverdichter immer gleich und ändert sich auch nicht. Bei diesem Druckverhältnis arbeitet der Verdichter maximal effizient.
Würde nun das ganze Jahr hindurch und gleichzeitig bei allen Heizfällen, wie Warmwasserlade- und Heizsituation, immer dieses definierte Druckverhältnis am Verdichter anstehen, wäre das optimal. Leider ist das optimale Druckverhältnis durch die Unterschiede in den Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen die meiste Zeit des Jahres nicht gegeben. Schon bei leichten Abweichungen von diesem Optimum, egal ob kleiner oder größer, ergeben sich deutliche Einbußen bei der Effizienz des Verdichters und damit der Wärmepumpe.
Diese Einbußen resultieren daraus, dass der Scrollverdichter, auch im Falle eines niedrigen Verflüssigungsdrucks, intern immer erst auf sein eingebautes Druckverhältnis verdichtet. Das tut er auch dann, wenn dieses höher ist als der Verflüssigungsdruck, der an der Ausschubstelle des Scrollsets ansteht. Damit leistet der Verdichter einen unnötigen Aufwand.
Das Zusatzventilsystem der HHP-Scrollverdichter lässt dem Kältemittel in solchen Fällen die Möglichkeit, das Scrollset bereits zu einem früheren Zeitpunkt als dem Endverdichtungspunkt zu verlassen. Sobald die Kompressionstasche im Verdichtungsprozess die Zusatzventile passiert und sich das Ventil wegen des niedrigeren Gegendrucks auf der anderen Seite (Verflüssigungsdruck) öffnen lässt, kann das Kältemittel schon zu diesem Zeitpunkt die Abkürzung zum Verdichteraustritt benutzen. Dies erspart eine unnötig starke Verdichtung und schlägt sich in der Stromrechnung des Betreibers positiv nieder. Ein ähnlicher Effekt wird durch das mittig im Scrollset positionierte Zusatzventil erreicht, wenn der aktuelle Verflüssigungsdruck höher ist als der Enddruck des eingebauten Druckverhältnisses.
Betrieb so leise wie möglich
Die Betriebsgeräusche eines Wärmepumpen-Verdichters sollten so leise wie möglich sein, um den Komfort für den Endanwender zu erhöhen. Besonders moderne vollhermetische Scrollverdichter haben heute bereits ein Geräuschniveau erreicht, das kaum noch Wünsche offen lässt. Falls der Verdichter in einem separaten, oft noch isolierten Verdichterfach in der Wärmepumpe untergebracht ist, kann sein Laufgeräusch von außen kaum noch wahrgenommen werden.
Sollte dennoch eine zusätzliche Schalldämmmaßnahme nötig sein, so können vollständig sauggasgekühlte Verdichter mit einer Schalldämmhaube ausgerüstet werden. In diesem Fall muss allerdings auf eine ausreichende Temperaturfestigkeit der Haube geachtet werden. Denn im oberen Bereich des Scrollverdichters (Druckseite) können, im Gegensatz zu vollhermetischen Hubkolbenverdichtern, Temperaturen bis weit über 100 °C auftreten.
Oft ist der zukünftige Betreiber einer Wärmepumpe aber, insbesondere durch die Komplexität der Schallangaben, irritiert. Sollte also eine Schalldiskussion geführt werden, ist es wichtig, vorher die Begrifflichkeiten zu klären. Die Schallleistung wird in der Regel in dB(A) angegeben es gibt auch anders bewertete Angaben dB(B) oder dB(C) und ist immer der höchste Wert. Sie ist bereits bewertet und benötigt somit keine Distanzangabe. Der Schalldruck wird zwar ebenfalls in dB(A) genannt, aber immer auf einen definierten Abstand bezogen. Die Schalldruckangaben sind immer niedriger als die Schallleistungswerte. Je weiter die Schallquelle entfernt ist, umso niedriger ist der Schalldruck.
Der Schalldruck ist im Gegensatz zur Schallleistung der Wert, der auch durch Messgeräte überprüft werden kann. Bei solchen Messungen sind allerdings zusätzliche Reflektionen von Wänden oder Gehäusebauteilen zu berücksichtigen, die den gemessenen Wert erhöhen. Dies ist besonders bei Schallangaben mit dem Zusatz im freien Feld (gemessen) zu berücksichtigen. All diese Schallangaben errechnen sich aus den einzelnen für den Menschen relevanten Frequenzbereichen.
Durch moderne Verdichtertechniken, die bereits bei der Konzeption eine geringe Schallemission im Pflichtenheft festschreiben, sind Diskussionen mit Anlagenbetreibern zum Thema Geräuschentwicklung eindeutig rückläufig.
Fazit
Ein guter Wärmepumpenverdichter hat eine hervorragende Jahresarbeitszahl, schont damit Ressourcen und den Geldbeutel des Betreibers. Außerdem ist ein solcher Verdichter besonders flexibel, was Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturenbetrifft, und unauffällig bezüglich seiner Geräuschemissionen. Mit dem Einsatz gu-ter Verdichter setzt sich der Siegeszug der Wärmepumpe fort. -
Stephan Bachmann
Regional Support Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach
