Sicherheit bei Wärmepumpen (Teil 2)

Die weitere Effizienzsteigerung der Geräte ist das erklärte Ziel jedes Wärmepumpenherstellers. Emerson Climate Technologies hat eine neue und lückenlose Lösung mit Drehzahlregelung und unterschiedlichen Integrationsgraden der Lösung für die verschiedenen Marktbedürfnisse eingeführt.

Hersteller mit optimierter Produktpalette

Die europäischen Hersteller von Wärmepumpen müssen anhand dieser Normierungsaktivitäten mehrere anspruchsvolle Ziele erreichen: Sie müssen die Funktionen und die Leistung ihrer Produkte in einer sehr rauen Wettbewerbslandschaft ausbauen. Gleichzeitig müssen sie Produkt- und Betriebskosten gering halten, damit die Technologie in größerem Maße von den Verbrauchern eingesetzt wird. Auch Zuverlässigkeit wird eine wichtige Rolle in dieser Marktsituation spielen. Aufgrund des Fokus der Europäischen Union auf hocheffiziente Produkte und erneuerbare Energiequellen in Verbindung mit dem steigenden Bewusstsein unter den Verbrauchern ist auf dem Markt für Wärmepumpen mit einem kontinuierlichen Wachstum zu rechnen. Die weitere Effizienzsteigerung der Geräte ist das erklärte Ziel jedes Wärmepumpenherstellers. Deshalb hat Emerson Climate Technologies in Ergänzung zu der auf Wärmetechnik spezialisierten Copeland Scroll-Technologie eine neue und umfassende Lösung mit Drehzahlregelung und unterschiedlichen Integrationsgraden der Lösung eingeführt. Mit diesem neuen Angebot erreicht die Verdichtertechnologie für Wärmepumpen mit ihrer Qualität, Robustheit und Zuverlässigkeit ein völlig neues Niveau an Leistung und Effizienz. Die Lösungspalette reicht von einem auf Wärmetechnik spezialisierten Scrollverdichter mit Drehzahlregelung, bürstenlosem Dauermagnetmotor und darauf abgestimmtem, hocheffizientem Frequenzumrichterantrieb bis hin zu einem kompletten Heizmodul, das direkt in ein bestehendes Wärmepumpensystem (Bild 1) beim Kunden integriert werden kann.Von der linken zur rechten Seite steigen Integrationsniveau, Effizienz und Zuverlässigkeit der Lösung von Emerson Climate. Gleichzeitig sinken Markteinführungszeiten, feste und variable Investitionen sowie die Komplexität für den Erstausrüster.

Wegbereiter auf dem Markt für Wärmepumpen

Emerson Climate Technologies war 2002 der erste Hersteller von Verdichtern, der ein speziell auf den europäischen Markt für Wärmepumpen abgestimmtes Produkt herausgebracht hat. Seit diesem Zeitpunkt ist der Scrollverdichter der Baureihe ZH mit dem Kältemittel R 407 C auf dem Markt das Referenzprodukt in puncto Leistung und Qualität. Um die Kundenbemühungen kontinuierlich zu unterstützen, wurde in den vergangenen beiden Jahren eine neue Baureihe leistungsgeregelter Verdichter mit R 410 A und darauf abgestimmten effizienten Frequenzumrichterantrieben (Bild 2) entwickelt:

XHV-Scroll mit Drehzahlregelung zum Heizen mit umkehrbaren Systemen

ZHW-Scroll mit Drehzahlregelung für Heizanwendungen bei hohen Temperaturen mit Dampfeinspritzung

Die Copeland Scroll-Verdichter mit Drehzahlregelung verfügen über einen hochmodernen bürstenlosen Permanentmagnetmotor mit darauf abgestimmtem, hocheffizientem Frequenzumrichterantrieb. Damit können die Scrollverdichter mit Drehzahlregelung im Vergleich zu einem entsprechenden Modell ohne Drehzahlregelung fast über den gesamten Drehzahlbereich hinweg dasselbe oder ein besseres Effizienzniveau erreichen (Bild 3 und 4). Alle Modelle bieten ein variables Volumenverhältnis und ein Ventil mit hoher volumetrischer Effizienz. Damit wird die Kühl- und Heizeffizienz wie in Bild 5 dargestellt entschieden verbessert.

Die Modelle der ZHW-Baureihe sind mit Dampfeinspritzungstechnologie ausgestattet. Diese trägt durch eine erhöhte Heizleistung des Verdichters und eine höhere Leistungszahl unter den für Wärmepumpen typischen hohen Verdichtungsbedingungen zu einer zusätzlichen Leistungssteigerung des Systems bei. Ein zusätzlicher Vorteil der Dampfeinspritzung besteht in der Verringerung der Druckgastemperatur des Verdichters. Dadurch wird ein größerer Einsatzbereich ermöglicht (Bild 6 und 7). Ein großer Einsatzbereich ist besonders wichtig für die Erzielung hoher Wassertemperaturen (z. B. zur Bereitstellung einer Wassertemperatur von 65 °C bei einer Außenlufttemperatur von –20 °C) bei maximaler Zuverlässigkeit des Verdichters.

Copeland Compliant Scroll-Technologie

Die Copeland Scroll-Verdichter mit Drehzahlregelung verfügen sowohl über axialeals auch radiale Scroll-Compliance (Bild 8 und 9). Dadurch werden eine hohe Robustheit und Leistung des Verdichters erzielt, die über die gesamte Lebensdauer erhalten bleiben. Aufgrund der axialen Compliance kann die obere stationäre Spirale unter allen normalen Betriebsbedingungen ständig mit der unteren umkreisenden Spirale in Kontakt bleiben, was minimale Undichtigkeit ohne Verwendung von Spitzendichtungen sicherstellt. Dadurch wird der Abnutzungseffekt eliminiert, der sich andernfalls langfristig negativ auf die Effizienz auswirken würde. Zudem bietet radiale Compliance herausragende Möglichkeiten zur Handhabung von Kühlflüssigkeiten. Dies ist von großer Wichtigkeit für Wärmepumpen und umkehrbare Systeme. Wenn bei anormalen Betriebsabläufen oder einer Umkehrung des Systemzyklus (Abtauung) flüssiges Kältemittel in den Scrollverdichter gelangt, trennt sich die umkreisende Spirale in radialer Richtung, sodass die Flüssigkeit bzw. der Schmutz aus dem Verdichter befördert wird, ohne die Ausrichtung der Spiralen oder die internen Komponenten zu beschädigen. Zusätzlich überwacht der Frequenzumrichterantrieb kontinuierlich verschiedene Parameter wie Druckgastemperatur des Kältemittels, Motortemperatur, anliegendes Drehmoment, Spannungsniveaus, Platinentemperatur und weitere mehr. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessert. Hauptmerkmale und Vorteile des Verdichters mit Drehzahlregelung und des Frequenzumrichterantriebs sind:

Lösung mit Drehzahlregelung für erstklassige Effizienz im Jahresverlauf (Jahresarbeitszahl und ESEER)

Erweiterter Einsatzbereich von Modellen ohne Dampfeinspritzung

Variables Volumenverhältnis und Ventil mit hoher volumetrischer Effizienz zur Verbesserung der Kühl- und Heizeffizienz

Großer Regelbereich mit Anpassung von 15 bis 120 Hz

Einsatzbereich des Verdichters, Drehzahl und Sicherheitsdaten über serielle Schnittstelle auslesbar (RS485 – Modbus)

Regler mit integrierten Sicherheitsalgorithmen zum Schutz des Verdichters für ausgezeichnete Zuverlässigkeit

Dampfeinspritzung (nur ZHW)

Luft- und flüssigkeitsgekühlte Antriebsoption verfügbar

Alle Parameter unter Kontrolle

Zur Unterstützung und Vereinfachung der Entwicklungsbemühungen von Kunden und der Einführung der Technologie mit Drehzahlregelung hat Emerson Climate Technologies einen Überhitzungsbereichsregler SEC entwickelt, der die Hauptkühlkomponenten des Wärmepumpensystems steuert.

Elektronische Expansionsventile und Sensoren

Unkomplizierte Einführung

Integrierte Lösung für höchste Zuverlässigkeit

Schnellste Markteinführung

Geringster Entwicklungsaufwand für Erstausrüster

Der SEC-Überhitzungsbereichsregler wurde für Produktreihen von Scrollverdichtern mit Drehzahlregelung und unterschiedliche Systemkonfigurationen entwickelt wie Luft-Wasser-Monoblock/getrennte oder Sole-Wasser-Wärmepumpen (Bild 10). Nach einer Kapazitätsanfrage von der Hauptsystemsteuerung der Wärmepumpe übernimmt diese die vollständige Steuerung der Verdichterdrehzahl innerhalb der Grenzen des Einsatzbereichs für die Anwendung. Auf diese Weise wird der Verdichter vor unsicherem Betrieb geschützt. Der SEC-Überhitzungsbereichsregler steuert auch die Expansionsventile gemäß der gewünschten Überhitzung des Hauptverdampfers und Wärmeübertragers (soweit vorhanden). Wenn ein Abtauungszyklus von der Hauptsystemsteuerung angefordert wird, betätigt der SEC-Überhitzungsbereichsregler das Vier-Wege-Ventil, um den Zyklus zum richtigen Zeitpunkt umzukehren. So wird eine unnötige Belastung des Verdichters und des Systems verhindert. Sämtliche Systemalarme werden darüber hinaus rückgemeldet, um die Systemkomponenten zu schützen. Die Hauptfunktionen des SEC-Überhitzungsbereichsreglers sind:

Steuerung der Verdichterdrehzahl

Die Systemsteuerung der Wärmepumpe übermittelt die Heizanfrage bzw. die Kälteleistungsanfrage als kW-Wert oder als Prozentsatz (%): Der SEC-Überhitzungsbereichsregler greift auf integrierte mathematische Modelle von Verdichtern und Kältemitteleigenschaften zu und kann somit die erforderliche Verdichterdrehzahl unter den aktuellen Systembedingungen berechnen, um die angeforderte Kapazität zu liefern. Diese angeforderte Kapazität wird in einem Regelkreis durch die Anpassung der Verdichterdrehzahl innerhalb der vorgesehenen Grenzwerte konstant gehalten. Der SEC-Überhitzungsbereichsregler verfügt über eine zusätzliche Funktion, mit der vorbestimmte Systemresonanzfrequenzen vermieden werden.

Steuerung des Einsatzbereichs des Verdichters

Die Einsatzbereiche und Begrenzungen des Verdichters mit Drehzahlregelung sind im SEC-Überhitzungsbereichsregler gespeichert. Damit ist abhängig von einem momentanen Betriebspunkt ein spezifischer Drehzahlbereich möglich, der über den Saug- und Verdichtungsdruck berechnet wird. Dieser Punkt wird durch das Anpassen der Verdichterdrehzahl und das Öffnen des Expansions-ventils im sicheren Betriebsbereich gehalten. Der SEC-Überhitzungsbereichsregler vermeidet auch Fehlfunktionen des Verdichters und erkennt Schäden am Verdichter, beispielsweise aufgrund von überhöhtem Drehmoment oder bei Überschreiten der Betriebsstunden im erweiterten Anwendungsbereich (niedrigere Verdampfungstemperatur).

Überhitzungsregelung

Bis zu drei elektronische Expansionsventile sind für die folgenden Funktionen in Wärmepumpensystemen verantwortlich: Wärmemodus (Außeneinheit), Kühl- oder Abtauungsmodus (Inneneinheit) und Dampfeinspritzung (ZHW). Der SEC-Überhitzungsbereichsregler steuert alle Ventile mithilfe des Systemdrucks und Temperaturinformationen über einen selbstanpassenden PID-Algorithmus. PID-Koeffizienten werden automatisch und dynamisch an das Verhalten des thermodynamischen Systems angepasst. Eine Verbindung von PID- und Fuzzy-Steuerung ermöglicht den Umgang mit Startphasen und außergewöhnlichen Betriebszuständen, beispielsweise maximaler Arbeitsdruck oder Unterkühlungs- bzw. Überhitzungsschutz.

Steuerung über Dampf- und Nassdampfeinspritzung bei ZHW-Modellen

Das ZHW-Modell ist mit Dampfeinspritzungstechnologie ausgestattet, die die Gesamtleistung des Verdichters verbessert und den Einsatzbereich für die Anwendung vergrößert. Der SEC-Überhitzungsbereichsregler stellt sicher, dass sämtliche Einspritzungsparameter (Überhitzungsregelung innerhalb des Standardeinsatzbereichs und Druckgastemperaturregelung im erweiterten Einsatzbereich für Nassdampfeinspritzung) über den gesamten Einsatzbereich unter Kontrolle sind.

Steuerung der Verdichterdrehzahl bei Abtauung

Obwohl die Logik und die Zeitsteuerung der Abtauungszyklen von der Hauptsystemsteuerung übernommen werden, steuert der SEC-Überhitzungsbereichsregler die Verdichterdrehzahl und das Vier-Wege-Umsteuerventil während der Abtauung, um die Umkehrung des Systemzyklus möglichst schnell und zuverlässig vorzunehmen. Mithilfe eines Fuzzy-Logic-Steueralgorithmus erhöht der SEC-Überhitzungsbereichsregler das Druckverhältnis schnellstmöglich, um die Geräuschemissionen des Verdichters zu minimieren und niedrige Verdampfungstemperaturen zu vermeiden. Das Ergebnis ist der bestmögliche Kompromiss zwischen Einfrierschutz für den Plattenwärmeübertrager und Abtauungsdauer.

Statorheizung

Statorheizung ist eine integrierte Funktion des Frequenzumrichterantriebs und des Verdichtermotors, die die Nutzung der Motorwicklung als Heizung ermöglicht. Dadurch werden Stand-by-Verluste und Kosten für eine separate Kurbelgehäuseheizung des Verdichters vermieden.

Ölrückgewinnung

Auch eine vollständig konfigurierbare Ölrückflussfunktion ist verfügbar. Sie verhindert, dass Öl im System eingeschlossen wird und erhöht so die Zuverlässigkeit und Effizienz des Systems.

Energiezähler

Der SEC-Überhitzungsbereichsregler kann auch die momentane und integrierte (im Jahresverlauf) Leistungszahl berechnen dank des in seinem Speicher vorhandenen mathematischen Verdichter- und Kältemittelmodells. Zusätzlich können benutzerdefinierte Energieverbrauchswerte, beispielsweise in der Berechnung für Pumpen oder Lüfter, berücksichtigt werden.

Das Herzstück einer neuen Wärmepumpengeneration

Hersteller von Wärmepumpen sehen sich zusehends einem verschärften Wettbewerb ausgesetzt. Es reicht daher nicht mehr aus, Produkte auf dem neuesten Stand der Technik zu liefern, auch Innovation mit schneller Markteinführung ist elementar. Geräuschemission und Vibration stellen bei der Konstruktion eines kapazitätsgesteuerten Wärmepumpensystems eine Herausforderung dar, die mit einem erheblichen Aufwand an Zeit, Ressourcen und somit auch Geld verbunden ist.

Um diese Herausforderungen zu lösen, wurde ein neues Konzept entwickelt: ein Kältemodul für sämtliche Heizanwendungen. Die integrierte Lösung Refrigerant Module Heating (RMH) kann in unterschiedlichen Systemkonfigurationen eingesetzt werden, etwa in getrennten Systemen oder in Luft-Wasser- und Sole-Wasser-Monoblocksystemen (Bild 11 und 12). Das Produkt wurde über einen langen Qualifizierungsprozess mit umfangreichen Feldversuchen zur Reife gebracht, um das Höchstmaß an Leistung und Zuverlässigkeit zu erreichen.

Noch vor dem Bau eines funktionsfähigen Prototyps des Moduls wurde bereits im Jahr 2010 in Zusammenarbeit mit einer renommierten Technischen Universität in Europa eine Modelleinheit auf einem Rütteltisch getestet. Anregung und Amplitude des Verdichters wurden für alle Arbeitsfrequenzen berechnet und im Test repliziert, um mögliche Konstruktionsschwächen zu Beginn aufzuspüren. Die Modelleinheit wurde mit Dehnungsmessstreifen und Beschleunigungssensoren versehen, um die Amplitude und die Resonanzfrequenzen sowie die Belastung der Rohrleitungen und sämtlicher Hauptkomponenten zu messen. Außerdem wurde eine erste Modalanalyse durchgeführt.

In diesem Versuch wurden mehr als sieben unterschiedliche Konfigurationen analysiert, um die bestmögliche Lösung für die Integration des Verdichters in das Modul hinsichtlich Geräuschemissionen (keine Körperschallverstärkung) und Zuverlässigkeit bzw. Robustheit zu finden. Es wurde eine Finite-Elemente-Analyse vorgenommen, um größere Konstruktionsänderungen vor der Durchführung realer Versuche zu validieren. In jedem iterativen Designschritt wurden Messungen im Beharrungszustand und im transienten Modus durchgeführt. Jede Auswertung wurde unter tatsächlichen Betriebsbedingungen vorgenommen und jede Konstruktionsänderung vollständig neu qualifiziert. Die Überwachungsdaten aus den Feldversuchen werden letztlich dazu verwendet, die erwartete Lebensdauer kontinuierlich auszuwerten.

Plug and play für Wärmepumpen

Der Lieferumfang von RMH umfasst: Copeland Scroll-Verdichter mit Drehzahlregelung und Dampfeinspritzung (ZHW), Emerson Frequenzumrichterantrieb und elektronische Expansionsventile, ein Vier-Wege-Umsteuerventil, optimierte Plattenwärmeübertrager (Verflüssiger und Wärmeübertrager), Rohrleitungen, Flüssigkeitssammler, Filtertrockner, Rückschlagventil und Steuerung des elektronischen Untersystems. RMH ist ausgestattet mit EMI/EMC-Filtern, erfüllt sämtliche europäischen Vorgaben und verfügt über eine VDE-Zulassung.

Das Modul kommuniziert über eine RS485-Modbus-Schnittstelle mit der Hauptsystemsteuerung. Über den bereits beschriebenen Funktionsumfang des SEC-Überhitzungsbereichsreglers hinaus bietet es einige weitere Funktionen:

Drehzahlregelung für Verdampferlüftermotoren

In einem Luft-zu-Wasser-System kann die RMH-Steuerung unterschiedliche Strategien zur Anpassung der Lüfterdrehzahl anwenden. Sie kann beispielsweise auf Kosten der Effizienz geringe Geräuschemissionen gewährleisten oder aber durch die Kombination von optimierter Verdichterdrehzahl und Öffnung der Expansionsventile die Leistungszahl des Systems maximieren.

Angeforderte Abtauung

Die Abtauung führt zu einer Verringerung von Kapazität und Leistungszahl der Pumpe. Die Konstruktion der Luftkühlschlangen ist nicht Bestandteil des RMH-Moduls, doch die Elektronik kann bei Bedarf den Abtauungszyklus steuern, um unnötige Abtauungszyklen zu vermieden und die Dauer der Abtauung zu verringern.

Überwachung / Wartung

Alle momentanen und historischen Datenpunkte sowie die Alarme des Kältesystems und des Verdichters mit Drehzahlregelung sind über das RMH-Modul in der Hauptsystemsteuerung verfügbar. Diese Informationen können für die vorausschauende Wartung oder die Überwachung des Systemverhaltens im Verlauf der Zeit genutzt werden. Dadurch werden die Zuverlässigkeit und die Servicequalität für den Verbraucher verbessert. Es sind verschiedene Überwachungsniveaus verfügbar: Einfach, Erweitert und Experte.

Mit den folgenden Eigenschaften bietet die integrierte RMH-Lösung eine einzigartige Möglichkeit, auf dem umkämpften Markt für Wärmepumpen zu bestehen:

Modulares Konzept – geringere Komplexität

Schnelle Markteinführung

Hohe Jahresarbeitszahlen

Höchste Zuverlässigkeit

Teil 3 des Beitrags lesen Sie in KK 10/2015. Er beschäftigt sich mit Leistungssimulation und zeigt einen Vergleich verschiedener Heizungstechnologien aus Sicht der saisonalen Arbeitszahl, nach EN 14825.