In der Anfangsphase wurden elektrisch angetriebene Verdichter rein als Ein-/Aus-Verdichter hergestellt. Damit hatte der Verdichter ein zweistufiges Betriebsverhalten, 100 oder 0 Prozent. Heute dominieren bei allen Anwendungen, die auf wechselnde Lasten und höchste Effizienz ausgelegt sind, Inverterverdichter den Markt. Sie sind in ihrer Leistungsabgabe quasi unbegrenzt regel- und damit auf die jeweiligen Bedingungen hin auslegbar. Dies führt nicht nur zu einer entsprechend angepassten Leistungsaufnahme, sondern damit auch zu geringeren Energiekosten. Aktuelles Beispiel für die Relevanz dieser technologischen Entwicklung sind die Perspektiven, die der Markt für Luft-Wärmepumpen bietet. Waren früher ausschließlich Erdwärmepumpen auf der Basis von Erdbohrungen oder Erdkollektoren als effiziente Produkte anerkannt, wurden 2010 erstmals mehr Luft- als Erdwärmepumpen abgesetzt. Bedingt wurde diese Entwicklung in erster Linie durch hocheffiziente Verdichter, die es ermöglichten, Luft/Wasser-Wärmepumpen auch unter den für sie eigentlich ungünstigen Bedingungen einer stark schwankenden Bandbreite der Medien- und damit der Lufttemperatur, konstant eine hohe Leistung und Wirtschaftlichkeit zu erzeugen.
Vergleicht man gerade diese Anwendung mit einem herkömmlichen, ungeregelten Verdichter, wird deutlich, dass konventionelle Verdichtertechnik kaum noch den aktuellen Anforderungen gerecht werden kann. In Grafik 2 wird die Abhängigkeit des Heizwärmebedarfs in Verbindung mit der Außentemperatur und der Leistung des Verdichters dargestellt. Bei steigender Außentemperatur sinkt der Heizwärmebedarf, die Leistungsabgabe eines herkömmlichen Verdichters steigt aber an. Dann muss die produzierte Wärmeenergie in der Regel in großen Pufferspeichern zwischengelagert werden. Bei geringer Außentemperatur und wachsendem Leistungsbedarf kann der Ein/Aus-Verdichter die benötigte Leistung nicht mehr erbringen und es muss eine zweite Wärmequelle wie z. B. ein elektrischer Heizstab eingesetzt werden.
Leistungsabgabe passend zu Heizwärmebedarf und Außentemperatur
Im Gegensatz dazu fährt ein Inverterverdichter seine Leistung immer passend zum Heizwärmebedarf und der Außentemperatur. Allerdings sind auch hier im unteren Temperaturbereich Leistungseinbußen gegeben, die mit einer weiteren Heizquelle kompensiert werden müssen. Wenige Anbieter am Markt haben auch hierfür bereits Lösungen entwickelt, die den Einsatz eines elektrischen Heizstabes oder anderweitigen Spitzenlast-Wärmeerzeugers überflüssig machen. Es handelt sich hierbei um eine Zwischeneinspritzung von Kältemittel in den Verdichtungsprozess. Hierbei wird das Kältemittel direkt in den Scroll Kompressor eingespritzt, um den temperaturbedingten Druckabfall zu kompensieren und um für eine zusätzliche Kühlung des Verdichters zu sorgen. Dieses Verfahren bietet zwei Vorteile: Zum einen wird der Kompressor gekühlt. Dadurch wird die Gefahr ausgeräumt, dass das Kältemittel seine kritische Heißgastemperatur erreicht und die Verdichterdrehzahl reduziert werden muss. Zum anderen führt die zusätzliche Einspritzung dazu, dass die Drehzahl des Verdichters erhöht werden kann, damit der Kältemittelfluss während des Betriebes konstant bleibt. Das Kältemittel kann also auch bei sehr tiefen Außentemperaturen genügend Wärme aus der Außenluft aufnehmen und im Kondensationsprozess wieder abgeben.
Im Markt sind bisher zwei Einspritzmethoden bekannt. Zum einen besteht die Möglichkeit, das Kältemittel in flüssigem Zustand in den Verdichterprozess einzuspritzen. Hierdurch wird die Heißgastemperatur gesenkt, dabei steigt jedoch auch die Leistungsaufnahme des Verdichters unverhältnismäßig stark an. Im Ergebnis führt dies zwar zu einer konstanten Heizleistung, aber auch zu einem verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad. Das andere Verfahren besteht darin, das Kältemittel im gasförmigen Zustand einzuspritzen. Dadurch kann die Temperatur im Verdichterprozess gesenkt werden. Das hat zur Folge, dass die Enthalpie des Kältemittels abnimmt, wodurch die Heizleistung insgesamt sinkt. Allerdings ist der Nutzungsgrad, also das Verhältnis von zugeführter elektrischer Energie zu erzeugter Wärmeleistung, der COP-Wert, bei diesem Verfahren zufriedenstellend.
Die weiterentwickelte Einspritzmethode, die sogenannte Flashgas-Einspritzung kombiniert die Vorteile der beiden Verfahren, indem der Zustand des eingespritzten Kältemittels an den jeweils optimalen Betriebspunkt angepasst wird. Möglich wird dies durch ein zweiphasiges Einspritzverfahren mit einem variablen Flüssigkeits-/Gas-Gemisch. Während bei den ersten beiden Varianten entweder die Temperatur oder das Volumen nicht beeinflusst werden können, verbindet die Flashgas-Einspritzung die Vorteile der beiden Methoden, da hierbei sowohl die Heißgastemperatur als auch die Einspritzmenge reguliert werden können.
Ein Anwendungsbeispiel, bei dem die Flashgas-Einspritzung bereits erfolgreich in Wärmepumpen einsetzt wird, ist die Zubadan-Technologie des Herstellers Mitsubishi Electric. Bei diesem weltweit patentierten Verfahren erfolgt die Einspritzung des Kältemittels in den Kompressor bedarfsabhängig ab einer Außentemperatur von 3 °C und tiefer. Vom technischen Aufbau her besteht das System aus einem abgezweigten Bypass mit Wärmeübertrager, dem sogenannten HIC Kreislauf, der dem Prozess nach der Kondensation einen Teil des flüssigen Kältemittels entzieht und dieses im HIC Unterkühler teilweise verdampft und dann dem Verdichter zuführt. Dabei passen sich das Volumen sowie das Verhältnis von gasförmigen und flüssigen Anteilen des eingespritzten Kältemittels mit einem Flüssigkeitsanteil zwischen 20 und 100 Prozent dynamisch an den tatsächlichen Bedarf im Verdichter an.
Flash-Einspritzung ermöglicht Verschiebung des Nennbetriebspunktes
Konventionelle Wärmepumpen ohne Einspritztechnologie erbringen bei 15 °C noch ca. 55 bis 60 Prozent ihrer Leistung. Eine ausreichend dimensionierte Wärmepumpe müsste also nahezu doppelt so groß ausgelegt werden, um einen monovalenten Betrieb auch bei niedrigen Temperaturen theoretisch zu ermöglichen. Im Umkehrschluss haben diese Wärmepumpen bei hohen Temperaturen zu viel Leistung, die entsprechend abgeführt werden muss. Üblicherweise werden Wärmepumpen deshalb bei einem höheren Temperaturwert als dem Normwert ausgelegt. Der restliche Wärmebedarf muss dann über andere Wärmeerzeuger (z. B. Gas-Heizgerät oder Elektro-Heizstab) abgedeckt werden. Die Flash-Einspritzung ermöglicht die Verschiebung des Nennbetriebspunktes nach unten. Das heißt, die Wärmepumpe er-bringt auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen, von beispielsweise 15 °C, noch 100 Prozent ihrer Heizleistung. Gleichzeitig erweitert sich der Arbeitsbereich auf bis zu 25 °C, bei dem die Wärmepumpe eine für den Heizbetrieb nutzbare Temperatur zur Verfügung stellen kann.
Das Ergebnis stellt sich von der wirtschaftlichen Seite her deutlich dar: Es überzeugt nicht nur der COP, sondern darüber hinaus wird durch den Verzicht auf eine bivalente Auslegung auch die Startinvestition verringert. Wird dann noch die Tatsache eingebracht, dass ein elektrischer Heizstab oder Spitzenlast-Wärmeerzeuger nicht in die COP-Berechnung einfließt, wird die Überlegenheit dieser Invertertechnologie mit Flashgas-Einspritzung deutlich.
Pulsweitenmodulation mit 0 oder 100 Prozent Leistungsabgabe
Doch wie stellt sich dagegen ein Scroll-Verdichter mit Pulsweitenmodulation dar? Kann er ähnlich wie ein Inverter-Verdichter wirtschaftlich betrieben werden? Bei der Technologie der Pulsweitenmodulation wird die Leistungsänderung nicht über eine Drehzahländerung wie beim Inverter realisiert, sondern über die Steuerung der Verdichtungszeit. Der Verdichter selber kann genau wie einfache Ein-/Aus-Verdichter lediglich 100 oder 0 Prozent Leistung abgeben. Wird keine Leistung angefordert, geht der Scroll-Verdichter mit Pulsweitenmodulation quasi in den Leerlauf der Motor an sich bleibt aber in Betrieb. Das kann verglichen werden mit einem Kfz-Motor, bei dem das Gaspedal auf Vollgas steht, gleichzeitig aber die Kupplung getreten wird, beschreibt Michael Lechte, Product Marketing Manager bei Mitsubishi Electric, Living Environment Systems die Technik. Natürlich sinkt der Energieverbrauch dadurch. Letztendlich verbraucht der Motor aber bei Vollgas dennoch Energie.
Die entsprechenden Pulsweiten werden dabei nach dem jeweiligen Leistungsbedarf gesteuert. Ist das Pulsweitenmodul-Ventil geschlossen, ist der Scroll abgesenkt und es findet eine Verdichtung statt. Leistungsabgabe und Leistungsaufnahme liegen bei jeweils 100 Prozent. Ist das Pulsweitenmodul dagegen geöffnet, wird der Scroll angehoben und es findet keine Verdichtung statt. Das Teillastverhalten ist bei der Pulsweitenmodulation dadurch energetisch nicht optimal, da bei 0 Prozent Leistungsabgabe im Teillastbetrieb dennoch Antriebsenergie für den Kompressor zur Verfügung gestellt werden muss. Je höher der Anteil des Leerlaufbetriebs ist, desto mehr reduziert sich automatisch auch der COP.
Wie stellt sich die Leistungsregelung dagegen beim Inverterverdichter dar? Als Beispiel dient ein typischer City Multi Inverterverdichter. Bei 100 Prozent Leistungsabgabe beträgt die Leistungsaufnahme 100 Prozent, bei 80 nur 71 Prozent, bei 60 Prozent Abgabe liegt die Aufnahme nur noch bei 47 Prozent und bei 40 Prozent beträgt sie lediglich noch 28 Prozent. Die Leistungsanpassung erfolgt dabei über eine Drehzahlanpassung des Verdichters von 15 bis 102 Hz. Die Leistung kann in 1-Hz-Schritten angepasst werden. Dementsprechend stehen 88 Leistungsstufen zur Verfügung. Eine optimale Anpassung an die momentanen Kühl- Heizlasten sind die Folge. Daraus resultierend werden hohe Wirkungsgrade erzielt. Weil beispielsweise VRF-Klimasysteme oder Wärmepumpen größtenteils im Teillastbetrieb arbeiten, sind die Betriebskosten von Inverterverdichtern automatisch geringer als bei konkurrierenden Technologien. Der effizienteste Betriebspunkt eines Inverters liegt bauartbedingt individuell zwischen 50 und 60 Hz. Daher sollten Inverter grundsätzlich so ausgelegt werden, dass sich die hauptsächlich abgerufene Leistung in erster Linie in dieser Bandbreite bewegt.
Inverterverdichter immer als System beurteilen
Um den hohen Anforderungen der EMV-Richtlinien genüge zu tun, sind sogenannte Noise Filter im Außengerät integriert, um keine Störungen im Stromnetz zu erzeugen. Diese Umsetzung erfordert genauso wie die Integration eines Inverterverdichters in eine Wärmepumpe oder eine VRF-Anlage sicher ein entsprechendes Know-how und Erfahrung in den verschiedensten Einsatzbereichen von Inverterverdichtern, formuliert Lechte weiter.
Das heißt: Ein Inverterverdichter kann nicht alleine, sondern nur in Verbindung mit weiteren Komponenten betrachtet und beurteilt werden. In erster Linie ist hierzu ein Inverterboard erforderlich, das als Steuerplatine die Frequenz des Verdichters regelt. Fordert beispielsweise der Systemcontroller einer Wärmepumpe eine bestimmte Leistung ab, kommuniziert sie über ein Bus System oder über analoge Signale wie z. B. 0- bis 10-V-Signal mit dem Inverterboard, das diese Befehle an den Inverter weitergibt. Die Aufgabe des Inverterboards ist darüber hinaus die Umwandlung von Wechselspannung und Dreh- in Gleichspannung, der sich als Spannung hinsichtlich der Länge und Höhe deutlich besser regeln lässt als eine Wechselspannung. Das Zusammenspiel dieser Komponenten entscheidet zusätzlich darüber, wie effizient ein Inverterverdichter sein kann, weil auch jede Frequenzumrichtung grundsätzlich Energieverluste bedeuten könnte.
Für hohe Effizienz und einen wartungsarmen Betrieb spielt darüber hinaus der Aufbau des Motors innerhalb des Inverters eine entscheidende Rolle. Als Standard haben sich aktuell bürstenlose Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten etabliert. Ein bürstenloser Motor arbeitet ohne Schleifkontakte, die naturgemäß einer hohen Abnutzung unterliegen. Ein bürstenloser Gleichstrommotor erzeugt das Magnetfeld im Anker nicht elektrisch, sondern durch Permanentmagnete. Bei einem konventionellen Motor werden keine Permanentmagnete, sondern einfache Eisenkerne eingesetzt, die erst durch das Drehfeld des Stroms magnetisiert werden. Dies hat Energieverluste bei der Erzeugung des Magnetfeldes und damit dem Wirkungsgrad des Motors zur Folge.
State of the Art: Bürstenlose Gleichstrommotoren mit innenliegenden Permanentmagneten
Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor können die Permanentmagnete sowohl außer- als auch innerhalb des Rotors im Motor angeordnet sein. Sind die Magnete an der Außenseite befestigt, können keine hohen Drehzahlen gefahren werden. Sind die Magnete technisch aufwendig innerhalb des Motors eingesetzt worden, ist höchste Effizienz gewährleistet und es können auch hohe Drehzahlen gefahren werden.
Nach wie vor bilden die Verdichter innerhalb von Wärmepumpen und Klimageräten die Komponente mit dem höchsten Stromverbrauch. Auch nur geringfügige Verbesserungen im Wirkungsgrad haben dadurch nachhaltige Auswirkungen im Jahresenergieverbrauch und damit den Betriebskosten.
Letzter Aspekt in der Bewertung von Verdichtern ist der Anlaufstrom. Herkömmliche Verdichter haben einen Anlaufstrom, der ca. das Siebenfache des Nennstroms beträgt. Deswegen müssen hier aufwendig Einschaltstrombegrenzer eingesetzt werden. Von besonderer Relevanz ist dies z. B. auch in der Industrie, in der Stromtarife sich nach den maximalen Lastspitzen innerhalb eines Monats richten. Das gleichzeitige Anlaufen mehrerer konventioneller Verdichter kann zur Folge haben, dass sich der Stromtarif für den gesamten Monat ändert. Inverterverdichter fahren dagegen beim Einschalten langsam an ihre Nenndrehzahl heran. Selbst unsere größeren VRF-Anlagen mit 150 kW Leistung haben so nur einen Anlaufstrom von weniger als acht Ampere, berichtet Lechte dazu.
Fazit
Gegenüber innovativen Inverterverdichtern, insbesondere mit Flashgas-Einspritzung und bürstenlosen Gleichstrommotoren sowie Permanentmagneten, können weder konventionelle Ein-/Aus-Verdichter noch Scroll-Verdichter mit Pulsweitenmodulationen eine adäquate wirtschaftliche Lösung bieten. Bestes Beispiel dafür ist die Entwicklung am Wärmepumpenmarkt, in dem Luft/Wasser-Wärmepumpen dank neuer, hocheffizienter Technologie 2010 erstmals in größeren Stückzahlen als Erdwärmepumpen verkauft wurden. In den kommenden Jahren werden Modifikationen aus den Forschungs- und Entwicklungslabors der Her-steller den Wirkungsgrad der Invertertechnologie weiter verbessern und so den Maßstab für Effizienz sowohl bei Klimageräten als auch Wärmepumpen bilden.
Martin Schellhorn
freier Fachjournalist, Haltern am See
