Komponenten für Wärmepumpen (Einführung)

Montag, 16. Januar 2012

Wärmepumpen liegen im Trend und werden sogar staatlich gefördert. Das macht Sinn, da Wärmepumpen unmittelbar emissionsfrei mit Strom betrieben werden und diesen vergleichsweise sparsam verwenden. 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 beispielsweise 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 unterteilen, der Luft/Luft-, der Luft/Wasser- und der Wasser (Sole)/Wasser-Wärmepumpe. Erfahren Sie in der Folge, welche Komponenten von Herstellern für diese Wärmepumpensysteme verwendet werden.

Funktion

Eine Wärmepumpe transportiert Wärme. Das ist die Grundeigenschaft, die alle Arten von Wärmepumpen auszeichnet. Dabei funktioniert sie wie eine Kompressions-Kälteanlage, nur ist der operative Hauptfokus nicht die Verdampferseite und somit die Kühlfunktion, sondern die Verflüssigerseite und dadurch die Heizfunktion. Das Prinzip bleibt erhalten: Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer, Erhöhung des Drucks und damit der Temperatur im Verdichter, Abgabe der gewonnenen Wärme durch Verflüssigung des Kältemittels im Verflüssiger und anschließende Expansion des Kältemittels durch das Drosselventil. Auch die verwendeten Kältemittel unterscheiden sich kaum von denen üblicher Kälteanlagen. Bevorzugte Kältemittel für Wärmepumpenanwendungen sind R407C, R410A und R134a.

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 Split-Klimaanlagen 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. Bei der Verwendung von reinem Wasser müssen die möglichen Betriebsbedingungen bei Minusgraden und im Winter besonders berücksichtigt werden. Im Zweifel kann ein Zusatz von Frostschutz (z. B. Glykol oder anderer Alkohol) eine Lösung sein. Bei einem Primärkreislauf mit deutlich unter null Grad liegenden Temperaturen ist Sole zu bevorzugen. Wasser (Sole)-Wasser-Wärmepumpen lassen sich noch weiter unterteilen, in Grundwasser- bzw. Brunnenwärmepumpen und Wärmepumpen mit Horizontal- und Vertikalkollektoren. Bei einer Grundwasser- oder Brunnenwärmepumpe wird die Wärme aus dem Grundwasser oder aus einem Brunnen entnommen. Wasser (Sole)-Wasser-Wärmepumpen mit horizontalen Kollektoren sind sehr beliebt bei Häusern mit größerem Grundstück. In diesem Fall werden die Kollektoren (Kunststoff- oder Kupferrohre) in angemessener Tiefe über die Fläche verteilt verlegt. Die dritte Variante bei Wasser (Sole)-Wasser-Wärmepumpen ist die mit vertikalem Kollektor. Bei dieser Lösung wird kein großes Grundstück, aber eine Tiefenbohrung benötigt. Sie stellt einen beträchtlichen Kostenfaktor dar und muss auf die geologischen Gegebenheiten hin abgestimmt werden. Eine allgemeine Faustregel gibt es hier nicht. So kann beispielsweise ein Grund mit Felsgestein in manchen Fällen geeigneter für eine Bohrung sein, 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 der Wärmepumpe.

Verdichter

In den kommenden Folgen dieser Serie werden wir intensiv die Komponenten beleuchten, die von Wärmepumpenherstellern eingesetzt werden. Eine zentrale Rolle kommt hier dem Verdichter zu. Dabei werden zwei Verdichtertechnologien besonders häufig für Wärmepumpen im privaten oder gewerblichen Bereich eingesetzt: Hubkolben- und Scrollverdichter. Hubkolbenverdichter sind die klassische, unverwüstliche Lösung, während Scrollverdichter eine modernere Variante sind, die immer beliebter wird. Bei der Auswahl eines Wärmepumpenverdichters müssen zunächst das Kältemittel und der Einsatzbereich berücksichtigt werden. Der Verdichter muss für das gewünschte Kältemittel zugelassen sein und für ein breites Anwendungsspektrum einsetzbar sein. Der Anwendungsbereich auf der Niederdruckseite sollte höhere und niedrigere Verdampfungstemperaturen beinhalten, damit die Wärmepumpe trotz 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, dann braucht der Verdichter nicht für extrem niedrige Verdampfungstemperaturen geeignet zu sein. Bei der Auswahl eines Verdichters für die Verflüssigerseite muss hingegen die erforderliche Eingangstemperatur für das Warmwasser (Vorlauftemperatur) berücksichtigt werden. Ideal für eine Wärmepumpe und gleichermaßen für die Verdichter sind Fußbodenheizungen. Fußbodenheizungen benötigen keine hohen Vorlauftemperaturen, daher werden nur niedrige Verflüssigertemperaturen benötigt. Dadurch wird die Effizienz der Wärmepumpe erhöht. Der schlimmste Fall ist, wenn in einem Altbau alte gusseiserne Heizkörper weiter verwendet werden. Diese erfordern höchste Vorlauftemperaturen – im Vergleich dazu benötigen moderne Heizkörper meist 10 K weniger. In diesem Fall muss der Verdichter auf Verflüssigertemperaturen bis 65 °C ausgelegt sein, da er seine Wärme noch an den Heizkreis abgeben muss. Nicht zuletzt sollte der Verdichter eine gute Leistungszahl (COP) bei den zu erwartenden Betriebsbedingungen haben. Die Leistungszahl eines Verdichter für Wärmepumpen ist der Quotient aus gelieferter Heizleistung und Leistungsaufnahme. Ein hoher COP-Wert ist also immer besser als ein niedriger. Ein noch aussagekräftigerer Indikator für den Verdichter einer Wärmepumpe ist die Jahresarbeitszahl. Sie ist der gemittelte bzw. gemessene COP-Wert über den Jahresverlauf. Mit der Jahresarbeitszahl wird sichergestellt, dass ein Verdichter nicht nur für einen definierten Auslegungspunkt (Druckverhältnis) optimiert ist und schon bei leicht abweichenden Bedingungen rapide in der Effizienz abfällt.

Drosselorgan

Welches Drosselorgan soll verwendet werden? Grundsätzlich sind hier die drei klassischen Lösungen einsetzbar – Kapillarrohr, thermostatisches oder elektronisches Expansionsventil. Angesichts der besonderen Bedeutung, die der Energieeffizienz heute beigemessen wird, ist die Kapillarrohrlösung nicht mehr zeitgemäß. Thermostatische Expansionsventile sind eine mögliche Option, aber die elektronische Einspritzung ist unschlagbar und die beste Lösung für fortschrittliche, hoch optimierte Systeme. Ein thermostatisches Expansionsventil ist ein automatischer mechanischer Regler ohne externe Energiequelle. Das bedeutet, dass es für das Funktionieren keinen elektrischen Anschluss benötigt. Dieser Punkt ist für Wärmepumpenhersteller ein klarer Pluspunkt. Thermostatische Expansionsventile sind so konzipiert, dass grundsätzlich eine ausreichende Überhitzung am Verdampferaustritt gewährleistet wird. Dadurch werden Schäden am Verdichter verhindert und es wird sichergestellt, dass der Verdampfer immer gut mit Kältemittel versorgt ist. Thermostatische Einspritzlösungen können daher für Wärmepumpenanlagen die richtige Wahl sein, obwohl thermostatische Expansionsventile immer mit dem gleichen (Überhitzungs-)Sollwert arbeiten. Das kann eine elektronische Einspritzregelung besser, da hier die jeweils aktuelle Überhitzung im Verdampfer über einen Druckmessumformer und einen sensiblen Temperaturfühler an den Regler weitergegeben wird. Dies bedeutet, dass der Regler geeignete Maßnahmen ergreifen kann, um eine möglichst geringe Überhitzung zu gewährleisten und den Überhitzungssollwert an die Bedingungen in der Anlage anzupassen. Diese adaptive Reglung der Kältemitteleinspritzung führt zu einer optimalen Nutzung des Verdampfers und damit zu den höchst möglichen Verdampfungsdrücken, die in dieser spezifischen Anlage realisierbar sind. Dies führt wiederum zu höheren COP-Werten.

Wärmetauscher

Entsprechend der Forderung nach immer kleineren Überhitzungen und höheren Verdampfungstemperaturen, geht es bei den in der Wärmepumpe verwendeten Wärmetauschern immer um geringstmögliche Temperaturdifferenzen. Bei Verdampfern in Luft-Wasser- und Luft-Luftsystemen kann dies durch eine ausreichende Größe des Wärmetauschers erreicht werden, ebenso wie bei luftgekühlten Verflüssigern in Luft-Luftsystemen. Bei Wasser (Sole)-Kältemittel-Wärmeübertragern ist es gleichzeitig möglich, Gewicht und Kältemittelfüllmenge zu sparen, ohne dies mit höheren Temperaturdifferenzen im Wärmetauscher bezahlen zu müssen. Durch den Einsatz von gelöteten Kompakt-Plattenwärmetauschern verbessert sich der Durchfluss durch die Platten. Damit werden die Wärmetauscher-Oberflächen der beiden Flüssigkeiten optimal ausgenutzt. Das günstigere Verhältnis zwischen den maximalen und den minimalen Durchflussgeschwindigkeiten sorgt ebenfalls für eine bessere Wärmeübertragung. Das Ergebnis ist ein höherer Wirkungsgrad bei niedriger Wärmestromdichte innerhalb der sehr schmalen Temperaturbereiche, die charakteristisch für Wärmepumpensysteme sind. Die optimierten Kompakt-Plattenwärmeübertrager der H-Reihe („H“ für „heat pump“ = Wärmepumpe) sind für den Einsatz als Verdampfer wie auch als Verflüssiger gleichermaßen gut geeignet. Mikro-Plattenwärmetauscher (MPHE) erreichen mit ihrem speziellen Punktkanalmuster eine deutlich bessere Wärmeübertragung als das früher in herkömmlichen Plattenwärmetauschern verwendete Fischgrätmuster.

4-Wege-Umkehrventile

4-Wege-Ventile werden eingesetzt, um den Kreislauf von „Eins-zu-Eins“-Wärmepumpensystemen umzukehren. Mit dieser Umkehrung wird der Verdampfer zum Verflüssiger und der Verflüssiger zum Verdampfer. Ein solcher Kreislauf wird beispielsweise in Split-System-Klimaanlagen eingesetzt, die im Sommer kühlen und in der Übergangszeit heizen sollen. Im Heizfall werden diese Einheiten 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 sich die beiden anderen je nach Umschaltung des Gerätes auf der Saug- oder Druckseite befinden können, sind sie wie der permanente Sauganschluss dimensioniert, um den Druckverlust so gering wie möglich zu halten. Ein 4-Wege-Ventil besitzt zusätzlich ein Pilotmagnetventil mit einer Spule, die bei Aktivierung, die Durchflussrichtung des Kältemittels ändert. Zwischen dem Ventilanschluss mit kleinem Durchmesser und dem Pilotmagnetventil und von dort zum zentralen Großanschluss gibt es Pilotverbindungen mit kleinem Durchmesser.

Filtertrockner und Biflow-Trockner

Filtertrockner werden in der Regel in den Flüssigkeitsleitungen von Wärmepumpensystemen eingesetzt und erfüllen dort eine Doppelfunktion. Sie sollen zum einen grobe Schmutzpartikel und Kupferspäne auffangen und zum anderen Feuchtigkeit im System binden. Zu diesem Zweck sind moderne Filtertrockner für Wärmepumpen mit einem Trockenblock aus 100 % Molekularsieb für eine optimale Trocken- und Filterleistung ausgestattet. Der Filtertrockner sollte bei jedem Eingriff in das Wärmepumpensystem ausgetauscht werden. Filtertrockner gibt es in den verschiedensten Ausführungen. In Standardwärmepumpensystemen werden am häufigsten Standardtrockner vom Typ DML eingesetzt. Diese haben einen Feststoffkern und bilden mit dem kompakten Gehäuse eine untrennbare Einheit. Diese Standardtrockner sind für nur eine Durchflussrichtung ausgelegt, was in der Regel völlig ausreichend ist. Wenn Sie allerdings einen Biflow-Betrieb wünschen – wie etwa in einer Wärmepumpe mit einem 4-Wege-Umkehrventil – dann können Sie einen Biflow-Trockner vom Typ DMB einsetzen. Biflow-Trockner sind wahlweise in beiden Richtungen durchströmbar, ohne die Gefahr, dass zuvor gefiltertes Material direkt in das System zurückgeführt wird.

Druckschalter

Druckschalter werden in Wärmepumpen eingesetzt und lassen sich in Hoch- und Niederdruckschalter unterteilen. Hochdruckschalter werden für die Schutzabschaltung des Verdichters verwendet, dem maßgeblichen Druckerzeuger in einer Wärmepumpe. Niederdruckschalter hingegen schützen den Verdichter vor zu niedrigem Druck, z. B. bei unzureichendem Kältemittel oder in Wasser-Wasser-Wärmepumpen beim Ausfall der Pumpe im Primärkreislauf (und defektem Strömungswächter). Es gibt zwei Grundtypen von Druckschaltern: einstellbare Standarddruckschalter für die Wandmontage und Patronendruckschalter. Der Druckschalter zur Wandmontage vom Typ KP ist bei Monteuren besonders beliebt. Er ermöglicht eine Nachjustierung der Schaltschwellenwerte und sitzt nicht mit seiner kompletten Masse auf der Rohrleitung. Es ist auch möglich, den Druckschalter in einem Fach an der Vorderseite des Geräts unterzubringen, wodurch Zugänglichkeit und Wartungsfreundlichkeit deutlich erhöht werden. Patronendruckschalter vom Typ ACB hingegen sind die bevorzugte Lösung der Serienhersteller, da ihre festen Einstellungen nicht einfach im Feld von Unbefugten verstellt werden können. Zudem sind Patronendruckschalter in der Regel äußerst preiswert.

Regler

Bei der Regelung greifen Wärmepumpenhersteller gerne zu frei programmierbaren Lösungen. So können Sie alle üblichen Funktionen, aber auch eigene Sonderfunktionen problemlos umsetzen. Die MCX-Regler von Danfoss sind eine solche Lösung. Sie sind kompatibel mit offenen Standards und für die Regelung klassischer Wärmepumpenanlagen ideal. Sie bieten den Herstellern eine einzigartige Vielseitigkeit auf Grundlage einer Standard-Hardwareplattform, durch die die Verfügbarkeit von Ersatzteilen gewährleistet wird. Die Unterstützung offener Programmierstandards ermöglicht vielfältige Regelungsoptionen und Gestaltungsfreiheit bei Wärmepumpenanwendungen. Sie ermöglichen trotz Verwendung eines Standardproduktes eine Individualisierung des Endprodukts, sodass der Wärmepumpenhersteller das After-Sales-Servicegeschäft weiterhin unter Kontrolle hat. Im Gegensatz zu vielen herstellerspezifischen Lösungen nutzt der MCX-Regler die bekannte Standardprogrammiersprache C++. Damit ist der Wärmepumpenhersteller vom Hersteller der Regelung maximal unabhängig.

Fazit

Beim Bau von Wärmepumpensystemen sind viele Punkte zu beachten. In den folgenden Ausgaben können Sie mehr über die einzelnen Komponenten einer Wärmepumpe erfahren. Nur die richtige Auswahl und Dimensionierung dieser Komponenten führt zu einem optimalen Zusammenspiel und letztlich zu einer energieeffizienten und kostengünstigen Wärmepumpe.