Die Wärmepumpe mit dem Bypass

Effiziente Nutzung der Wärmequelle Luft

(PresseBox) (Herne, ) Im Vergleich zu Erdwärme stellt Luft als Wärmequelle wesentlich höhere Anforderungen an das Konzept der Wärmepumpe. Die innovative Verfahrenstechnik der Waterkotte-Wärmepumpen erfüllt die Ansprüche in Richtung Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit.

Zwei Zielen muss eine sparsame Heizungsanlage mit Wärmepumpe gerecht werden, verlangt eine aktuelle Studie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft DPG. Titel: "Elektrizität - Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen Energiesystem". Nämlich erstens unter anderem: "Die Wärmepumpe selbst muss hocheffizient sein. Dies bedeutet, der Kompressor sollte einen hohen elektrischen Wirkungsgrad besitzen...Der Aufwand an Hilfsenergie, etwa für die Pumpen oder Gebläse zum Betrieb der Wärmetauscher, muss gering bleiben."

Das sagen die Physiker

Zweitens: "Die Heizkörper müssen so konzipiert und ausgelegt sein, dass die Wärmeübertragung mit möglichst geringem Exergieverlust, sprich mit kleiner Temperaturdifferenz, erfolgen kann." Mit diesen beiden Forderungen tut sich im Prinzip die Luft-Wärmepumpe schwer. Die Ursache ist, dass die Außenluft als Wärmequelle im Gegensatz zur Erdwärme erheblichen Temperaturschwankungen unterliegt. Die Umwelttemperaturen können bis -15 °C und tiefer abfallen mit einem Temperaturhub in der Wärmepumpe bis 40 °C als Folge. Leider beeinflusst die Leistung einer Wärmepumpe nichts mehr als die Temperatur der Wärmequelle.

Erschwerend kommt hinzu, dass der Wärmebedarf des beheizten Objektes bei niedrigster Wärmequellentemperatur am höchsten ist und umgekehrt.

So ergibt sich fortwährend in thermodynamischer Hinsicht ein erhebliches Missverhältnis zwischen

- der aktuellen Leistung der Wärmepumpe und
- dem aktuellen Leistungsbedarf des Gebäudes.

Des Weiteren muss auch der Abtaubetrieb funktionsmäßig und in energetischer Hinsicht unter den entsprechenden Temperaturbedingungen optimal beherrscht werden. Eine weitere Forderung ist noch die Möglichkeit der "Klima-Kühlung im Umkehrbetrieb", also ein reversibler Betrieb.

Die Probleme der Frosttemperatur

All diese Ansprüche an Betrieb und Hocheffizienz setzen unabdingbar einen Kompressor voraus, der in der Drehzahl steuerbar ist. Solch ein Aggregat ist heute verfügbar. Lösungen mit Konstant-Drehzahl ähneln dagegen einer Automobiltechnik, die sich mit einem einzigen Gang zufrieden geben wollte. Denn: Bei Minustemperaturen schwindet die Nennleistung nicht drehzahlregelbarer Kompressoren erheblich. Das hat damit etwas zu tun, dass bei tiefen Frosttemperaturen der Kältemitteldampf im Druck abfällt und folglich nicht mehr genug Massenstrom zirkuliert. Das alleine geht schon zu Lasten der Leistung. Zweite Folge: Es mangelt an Kühlenergie für den Kompressor. Die Heißgastemperatur steigt. Damit die Motorwicklungen im Verdichter nicht überhitzen, schaltet der frühzeitig ab, was weiteren Leistungsverlust bedeutet.

Planer und Anlagenbauer behelfen sich, indem sie monovalente Anlagen vielfach nur wegen der eventuell einwöchigen Frostperiode im Jahr überdimensionieren, um mit dieser Überdimensionierung die Einbußen bei -10 oder -15 °C abzufangen. Das heißt, statt 11 oder 12 kW installieren sie zur Verlustkompensation 20 kW und mehr, ergo viel zu große Kompressoren, Wärmetauscher, Pumpen und anderes. Das verteuert die Investitions- und die Betriebskosten.

Invertertechnik die Lösung

Das innovative Verfahren, das solch unbefriedigenden Ausweg nicht nötig hat, trägt die Bezeichnung "Inverter-Technik". Dabei handelt es sich um einen in der Drehzahl veränderbaren Antrieb, bestehend aus einem äußert sparsamen elektronisch kommutierten EC-Motor. Die Antriebstechnik mit Drehzahlregelung bietet der Wärmepumpenspezialist Waterkotte mit zwei unterschiedlichen Kälteprozessen an.

- Power Inverter-Technik (Typ Ai1 QLi)
- Zubadan-Technik (Typ Ai1 QL)

Beide Varianten lassen sich mit Drehzahlen im Bandbereich 1:6 beziehungsweise zwischen 16,6 und 100 % fahren und damit optimal energiesparend anpassen.

Die Zubadan-Technik ist dabei eine Weiterentwicklung der Inverter-Technik. Sie garantiert die Nennheizleistung (100 %) bei Temperaturwerten bis -15 °C und generell das das Heizen mit der Wärmepumpe mit geringen Kilowatt-Abstrichen bis zum Grenzwert -25 °C. Der entscheidende Prozessschritt ist hier die zusätzliche Kältemittel-Einspritzung in den Kompressor über einen Bypass zur Stabilisierung des Massenstroms und der Kühlenergie. Die höhere Investition für diese Geräte zahlt sich durch höchste Effizienz aus. Die dabei erreichten Ergebnisse mit gemessenen Jahresarbeitszahlen von über 3,5 können mit den durchschnittlichen Jahresarbeitszahlen der Wärmequelle Erdreich konkurrieren.

Vorlauftemperatur mitentscheidend

Eine weitere entscheidende Einflussgröße bei der Wärmepumpentechnik ist - wie auch die DPG-Studie festhält, die "großzügig bemessene Flächenheizungen" empfiehlt - die Vorlauftemperatur der Wärmeübertragung. Leider lässt sich die korrekt dimensionierte Fußbodenheizung bei der Umrüstung vorhandener Gebäuden nur selten realisieren. Mit den Niedertemperatur-Gebläsekonvektoren des Typs WFC Whispering Fan Coils bietet Waterkotte jetzt eine fast gleichwertige Alternative.

Diese preiswerten Geräte, die es mit und ohne Gehäuse für Wand- oder Deckenmontage gibt, arbeiten mit energiesparenden Ventilatoren und extrem geringen Geräuschpegel. Und, das Wichtigste, sie begnügen sich schon mit 35 °C Vorlauf. Sie erreichen damit das Temperaturniveau der Fußbodenheizung. Gegenüber Radiatoren lässt sich dadurch bei Wärmepumpenbetrieb zusätzlich noch einmal eine Einsparung an Heizkosten erzielen, die typisch bei 30 bis 40 % liegt.

Ein weiteres wesentliches Merkmal dieser Geräte ist der permanente Umluftfilter (leicht zu reinigen mit dem Staubsauger), der die Lufthygiene verbessert, vor allem aber verhindert, dass die Lamellen des Austauschers (Heiz- bzw. Kühlregister) schon nach kurzer Zeit durch abgelagerte Flusen und dergleichen an Leistung verlieren. Die WFC Whispering Fan Coils lassen sich selbstverständlich auch für die Klima-Kühlung nutzen, was bei weniger gut gedämmten Altbauten immer mehr begrüßt wird. Klemens Waterkotte www.waterkotte.de

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