Komponenten für Wärmepumpen: Verdichter

Mittwoch, 1. Februar 2012

Der Verdichter ist die zentrale Komponente einer Wärmepumpe. Er ist wesentlich dafür verantwortlich, ob es sich um eine gute oder schlechte Wärmepumpe handelt. Dabei zählt nicht alleine die Energieeffizienz des Verdichters, sondern auch die Anwendungsgrenzen hinsichtlich Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur, eine langlebige Mechanik und ein geräuscharmer Betrieb. 

Ein Verdichter in einer Wärmepumpenanwendung funktioniert in gleicher Weise, wie in einer Kompressions-Kälteanlage. Er bringt dampfförmiges Kältemittel von einem niedrigen Druck und einer niedrigen Temperatur auf ein hohes Druck- und Temperaturniveau. Als Antrieb hierzu wird in aller Regel ein im Verdichter integrierter Elektromotor genutzt, der aus dem Stromversorgungsnetz gespeist wird. „Elektrisch betrieben“ ist im täglichen Leben keineswegs eine Seltenheit, aber noch nicht die Norm für Heizungsanlagen in Haushalten. In diesem Bereich finden sich diverse Lösungen, bei denen fossile Brennstoffe wie Öl und Gas noch weit verbreitet sind. Aus diesem Grund sind neben der Effizienz weitere Vorteile, wie die entfallende Vorratshaltung im Vergleich zu Heizöl und der nicht benötigte Gasanschluss (der besonders in ländlichen Gebieten oft nicht verfügbar ist), wichtige Punkte.

Verdichtertechnologien

Als Bauart haben sich besonders zwei Verdichtertechnologien bei Wärmepumpen für Wohnhäuser und für den gewerblichen Einsatz durchgesetzt: das sind Hubkolben- und Scrollverdichter in vollhermetischer Ausführung. Die vollhermetische Bauform, die komplett ohne Verschraubungen auskommt, durch die sonst das Innere des Verdichters zugänglich wäre, 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 Abbewegung Kältemittel über ein Saugventil ansaugen, verdichten und über ein Druckventil wieder in den Wärmepumpenkreislauf abgeben, übernimmt diese Funktion bei Scrollverdichtern das Scrollset. Die beiden Scrollspiralen umkreisen sich eine in der anderen und verdichten auf diese Weise das Kältemittel. Im Gegensatz zu Hubkolbenverdichtern haben Standard-Scrollverdichter kein Ventilsystem, sondern es gibt nur ein Rückschlagventil in der Mitte des Scrollsets an der Druckgasaustrittsstelle. Dieses Rückschlagventil verhindert, dass sich die umlaufende Scrollhälfte durch die Druckdifferenz dauerhaft nach hinten dreht, wodurch unangenehme Geräusche minimiert werden und das Kältemittel innerhalb des Scrollsets nicht kondensieren kann.

Scrollverdichter für Wärmepumpen mit zusätzlichem Ventilsystem, Baureihe HPP

Auswahl

Bei der Auswahl eines Verdichter für Wärmepumpen muss zuallererst das Kältemittel berücksichtigt werden. Der Verdichter muss für das gewünschte Kältemittel zugelassen sein und für ein breites Anwendungsspektrum entsprechend den aktuellen Anforderungen einsetzbar sein. Die Schwankungen der Temperatur der Wärmequelle im Laufe eines Jahres bestimmen dann, welche Verdampfungstemperaturen erforderlich sind. Wenn die Wärmepumpe beispielsweise nur in der Zwischensaison genutzt werden soll, in Kombination mit einer anderen Heizart, wie z. B. Gas oder Öl, im Winter, dann braucht der Verdichter nicht für extrem niedrige Verdampfungstemperaturen geeignet zu sein. Umgekehrt müssen wir dann auf der Verflüssigerseite die erforderliche Wasservorlauftemperatur berücksichtigen. Eine Wärmepumpe und eine Fußbodenheizung bilden somit ein perfektes Team. Fußbodenheizungen benötigen keine hohen Vorlauftemperaturen, daher werden nur niedrige Verflüssigertemperaturen benötigt, was wiederum die Effizienz der Wärmepumpe erhöht. Der schlimmste Fall ist, wenn die Heizungsanlage eines Altbaus auf den neuesten Stand gebracht wird, aber die alten gusseisernen Heizkörper weiter verwendet werden. Diese erfordern höchste Vorlauftemperaturen – im Vergleich dazu benötigen moderne Heizkörper meist 10 K weniger. Bei gusseisernen Heizkörpern in einem Altbau muss der Verdichter für Verflüssigertemperaturen bis 65 °C ausgelegt sein. Solche Systeme bieten die zusätzliche Sicherheit, dass sie, wenn sie (auch) für die Warmwasserbereitung verwendet werden, keine Legionellengefahr darstellen. Temperaturen über 60 °C bieten einen zuverlässigen Schutz vor Legionellen und den damit verbundenen Krankheiten. In der Tat sollte das Wasser in regelmäßigen Abständen auf 60 °C erhitzt werden, wenn große Mengen an Warmwasser bei Temperaturen unter 60 °C gelagert werden. Die Hersteller versuchen in der Regel, die Verdichterkonstruktion so einfach wie möglich zu halten, aber wenn ein sehr breites Anwendungsfeld erforderlich ist, kann es notwendig sein, durch zusätzliche Maßnahmen sicherzustellen, dass die Heißgastemperaturen in der Wärmepumpe nicht zu hoch werden.

Zusatzventile bei HHP

Erweiterung des Anwendungsbereichs

Zu diesem Zweck ist eine Flüssigkeitseinspritzung eine gute Lösung. In den Danfoss-Modellen der PSH-Serie für Wärmepumpenhersteller ist bereits eine solche elektronische Lösung integriert. Die Regelplatine befindet sich im Verdichterklemmbrett. Der Heißgastemperaturfühler wird direkt am Druckstutzen angebracht und die elektronische Nacheinspritzung ist an den Verdichter angebaut. Da hohe Heißgastemperaturen – insbesondere für eine Wärmepumpe – eher ein Vorteil sind, ist es besonders wichtig, dass die Nacheinspritzung nur dann aktiviert wird, wenn die Temperatur am Druckstutzen wirklich zu hoch, also über 135 °C ist. Bei niedrigeren Temperaturen leistet die zusätzliche Enthitzungswärme im Verflüssiger einen weiteren Beitrag zur Heizaufgabe. Überschreitet die Temperatur jedoch 135 °C, wird flüssiges Kältemittel in den Mitteldruckbereich des Scrollsets eingespritzt. Da Scrollverdichter das Kältemittel im äußeren Bereich des Scrollsets ansaugen und zum Ausstoß in die Mitte fördern, wobei sich die Kompressionstaschen immer weiter verkleinern, befindet sich der Mitteldruckbereich mit Nacheinspritzeinlass etwa auf halber Strecke. Im Mitteldruckbereich wird dabei die Kältemitteltemperatur durch das eingespritzte flüssige Kältemittel verringert. Durch die Druckdifferenz zwischen der am Einspritzventil (hoher Druck) und dem Ausgang (mittlerer Druck) befindlichen Flüssigkeit wird der Druck des Kältemittels und damit die Temperatur in der Mitteldrucktasche reduziert. 

Nacheinspritzfunktion am PSH

Verbesserung der Jahresarbeitszahl

Für welches Kältemittel und für welchen Temperaturbereich für Verdampfung und Verflüssigung Sie sich auch immer entscheiden werden, wir wollen natürlich, dass der eingesetzte Verdichter unter den erwarteten Betriebsbedingungen eine gute Leistungszahl (COP) verspricht. Da die Leistungszahl eines Verdichters für Wärmepumpen sich aus dem Quotienten aus der gelieferten Heizleistung und der verbrauchten Antriebsleistung ergibt, sollte immer ein hoher Quotient anstrebt werden. Um noch bessere Vorhersagen machen zu können, wie gut sich der Verdichter einer Wärmepumpe über den Jahresverlauf schlägt, sollte man die Jahresarbeitszahl (SCOP) betrachten. Sie ist der gemittelte bzw. gemessene COP-Wert über den Jahresverlauf. Durch die Jahresarbeitszahl wird sichergestellt, dass ein Verdichter bei verschiedenen Betriebsbedingungen effizient läuft und für einen breiten Betriebsbereich optimiert ist. 

Eine Maßnahme, die diesen Punkt gezielt anspricht, ist die Ausstattung des Scrollverdichters mit einem zusätzlichen Ventilsystem. Dies wurde bei den Wärmepumpen-Scrollverdichter der Baureihe HHP von Danfoss umgesetzt. Scrollverdichter haben konstruktionsbedingt ein fest eingebautes 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 in der Effizienz des Verdichters und somit gleichermaßen für die Wärmepumpe. Diese Einbußen ergeben sich daraus, dass der Scrollverdichter, auch im Falle eines niedrigen Verflüssigungsdrucks, intern immer erst auf sein eingebautes Druckverhältnis verdichtet. Das tut er auch, wenn dies höher ist als der Verflüssigungsdruck, der am Austrittspunkt des Scrollsets ansteht. In diesem Fall leistet der Verdichter unnötige Arbeit. Durch das Zusatzventilsystem der Scrollverdichter der HPP-Baureihe hat das Kältemittel in solchen Fällen die Möglichkeit, das Scrollset bereits zu einem früheren Zeitpunkt als dem Endverdichtungspunkt zu verlassen. Sobald die Kompressionstasche im Verdichtungsprozess an einer Außenseite des Zusatzventils vorbeikommt und sich das Ventil aufgrund des niedrigeren Gegendrucks der anderen Seite (des Verflüssigungsdrucks) öffnen lässt, kann das Kältemittel schon zu diesem Zeitpunkt die „Abkürzung“ zum Verdichteraustritt nehmen. Dies erspart eine unnötig starke Verdichtung und schlägt sich in der Stromrechnung des Betreibers nieder. Ein ähnlicher Effekt wird durch das mittig im Scrollset positionierte Zusatzventil erreicht, wenn der aktuelle Verflüssigungsdruck höher als der Enddruck des eingebauten Druckverhältnisses liegt. 

Log-p-h-Diagramm: Temperaturwert 4 niedriger durch Nacheinspritzung

Geräuscharmer Betrieb

Die Betriebsgeräusche eines Verdichters sind dem Bereich „Kundenkomfort“ zuzuordnen. „Je leiser umso besser“ ist hierbei die Regel. Dabei muss gesagt werden, dass besonders moderne vollhermetische Scrollverdichter heute bereits ein Geräuschniveau erreichen, das kaum mehr Wünsche offen lässt. Falls der Verdichter in einem separaten, oft noch isolierten Verdichterfach in der Wärmepumpe untergebracht ist, ist sein Laufgeräusch für die Außenwelt kaum noch wahrnehmbar. Sollte eine zusätzliche Schalldämmmaßnahme nötig sein, so können 100 % sauggasgekühlte Verdichter mit einer Schalldämmhaube ausgerüstet werden. Bei dieser Maßnahme muss auf die Temperatureignung der Schalldämmhaube geachtet werden: So können im oberen Bereich des Scrollverdichters (Druckseite), im Gegensatz zu vollhermetischen Hubkolbenverdichtern, Temperaturen bis weit über 100 °C auftreten. Oft ist der zukünftige Betreiber einer Wärmepumpe aber besonders durch die Komplexität der Schallangaben irritiert. Sollten Sie also vom Kunden auf den Geräuschpegel angesprochen werden, ist es wichtig, die Fachbegriffe zu klären. Die Schallleistung wird in „dB(A)“ angegeben und ist immer der höchste Wert. Dieser Wert ist bereits gewichtet und benötigt somit keine Distanzangabe. Der Schalldruck wird zwar auch in „dB(A)“, aber immer mit einem definierten Abstand angegeben. Diese Werte sind immer niedriger als die Schallleistungswerte. Je weiter die Schallquelle entfernt ist, umso niedriger ist der Geräuschpegel. Im Gegensatz zur Schallleistung ist der Schalldruck ein Wert, der auch durch Messgeräte überprüft werden kann. Bei solchen Messungen sind allerdings zusätzliche Reflexionen von Wänden oder Gehäusebauteilen zu berücksichtigen, durch die der gemessene Wert zusätzlich erhöht wird. Dies ist besonders bei Schallangaben mit dem Zusatz „im freien Feld gemessen“ zu berücksichtigen. Alle diese Schallangaben errechnen sich aus den einzelnen für den Menschen relevanten Frequenzbereichen („dB(A)“ ist üblich, es gibt aber auch „dB(B)“- oder „dB(C)“-Angaben, die anders bewertet sind). 
Dank moderner Verdichtertechnologie, bei der bereits auf Konstruktionsebene niedrige Geräuschemissionen in die Spezifikation aufgenommen werden, sind solche Gespräche mit den Anlagenbetreibern jedoch zunehmend rückläufig. 

PSH 38 - 77 Anwendungsgrenzen R410A – mit Nacheinspritzung

Fazit

Ein guter Verdichter für Wärmepumpen bietet eine hervorragende Jahresarbeitszahl zur Schonung von Ressourcen und des Betreibergeldbeutels. Zudem ist er maximal flexibel, was Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen betrifft und unauffällig in Bezug auf Geräuschemissionen. Mit dem Einsatz guter Verdichter lässt sich der Siegeszug der Wärmepumpe kaum mehr aufhalten.