Mo, 05. Dezember 2016 | 11:29:02 Uhr

Nichts als heiße Luft?
Wachstum garantiert: Luft-Wärmepumpen – Systeme und Technologien – Teil 1

News vom 31.05.2013

Luft-Wärmepumpen bilden eines der am stabilsten wachsenden Segmente am Markt. Dabei halten die Hersteller verschiedene Technologien bereit, die jeweils ein anderes Know-how und Training des ausführenden Fachhandwerks erforderlich machen. In einer dreiteiligen Serie beschreibt der Fachautor Martin Schellhorn ausführlich die Unterschiede der Systeme am Markt, gibt zahlreiche Hinweise zu Planung und Umsetzung sowie Installation und Wartung von Luft-Wärmepumpen.

Der Markt für Luft-Wärmepumpen wächst weiter deutlich, während die Absatzzahlen von Erd-Wärmepumpen bestenfalls stagnieren.
 Der Markt für Luft-Wärmepumpen wächst weiter deutlich, während die Absatzzahlen von Erd-Wärmepumpen bestenfalls stagnieren.
Statt eines On-/Off-Betriebes mit 0 oder 100 % Leistung ermöglichen Inverter-Wärmepumpen eine modulierende Leistungsabgabe.
 Statt eines On-/Off-Betriebes mit 0 oder 100 % Leistung ermöglichen Inverter-Wärmepumpen eine modulierende Leistungsabgabe.
Die kommende ErP-Richtlinie wird unterstreichen, dass sich höchste Wirtschaftlichkeit nur mit zeitgemäßer Invertertechnik erzielen lässt.
 Die kommende ErP-Richtlinie wird unterstreichen, dass sich höchste Wirtschaftlichkeit nur mit zeitgemäßer Invertertechnik erzielen lässt.
100 % Heizleistung auch bei niedrigen Außentemperaturen – ohne elektrischen Heizstab, Spitzenlast-Wärmeerzeuger oder überdimensionierte Kompressoren – diese Ausstattung gehört zur Pflicht bei hoch effizienten Luft-Wärmepumpen.
 100 % Heizleistung auch bei niedrigen Außentemperaturen – ohne elektrischen Heizstab, Spitzenlast-Wärmeerzeuger oder überdimensionierte Kompressoren – diese Ausstattung gehört zur Pflicht bei hoch effizienten Luft-Wärmepumpen.
Mit der weltweit patentierten Zubadan-Technologie können Verdichter bei tiefen Temperatu-ren mit höherer Drehzahl arbeiten. Dadurch bleibt die Kältemittelmenge konstant und die Effizienz wird nachhaltig erhöht. Bilder: Mitsubishi
 Mit der weltweit patentierten Zubadan-Technologie können Verdichter bei tiefen Temperatu-ren mit höherer Drehzahl arbeiten. Dadurch bleibt die Kältemittelmenge konstant und die Effizienz wird nachhaltig erhöht. Bilder: Mitsubishi
Neben den konventionellen Wärmeerzeugern auf der Basis der fossilen Energieträger Erdöl und Erdgas haben sich insbesondere die Wärmepumpen innerhalb weniger Jahre einen festen Platz für die Warmwasser- und Wärmversorgung von Gebäuden erobert. Standen zunächst Erd-Wärmepumpen im Fokus haben sich hier wiederum in den letzten Jahren die Luft-Wärmepumpen auf Platz 1 der eingesetzten Systeme etabliert. Die Gründe hierfür waren vielschichtig:   
  • Zum einen galten Erd-Wärmepumpen früher von der Effizienz als das Maß aller Dinge. Die Jahresarbeitszahlen ließen sich kaum durch Luft-Wärmepumpen übertreffen. Dafür wurden aufwendige Erdbohrungen oder die Verlegung großflächiger Erdkollektoren in Kauf genommen. Mittlerweile konnten die früher naturgemäß von ihrer Effizienz her nachrangig gelagerten Luft-Wärmepumpen jedoch deutlich aufholen. Möglich wurde dies durch zahlreiche neue Technologien wie die Inverter- und auch Zubadan-Technik.

  • Zum anderen haben spektakuläre Schadensfälle bei Erdbohrungen für die Versorgung von Erd-Wärmepumpen zu einem Umdenken geführt. Oft wird das Risiko einer Erdbohrung mittlerweile anders bewertet und kritisch hinterfragt.

  • Darüber hinaus spielen natürlich insbesondere die Investitionskosten im direkten Vergleich eine wichtige Rolle für die Kaufentscheidung. Und da haben Luft-Wärmepumpen bedingt durch ihre einfache Erschließung der Wärmequelle alle Trümpfe auf der Hand.

Heute reden die großen Hersteller von Wärmepumpen in Europa daher von einem stagnierenden Umsatzvolumen bei Erd- und einem deutlichen wachsendem Markt bei Luft-Wärmepumpen. Der Anteil dieser Wärmepumpentypen liegt mittlerweile bei Neuinstallationen bei über 50%. Doch auch die Luft-Wärmepumpen unterscheiden sich je nach Bauart gravierend voneinander. Grundsätzlich hält der Markt vier Varianten von Luft-Wärmepumpen bereit:

 Klassische Innenaufstellung
 Klassische Außenaufstellung
 Split-Technologie mit geteiltem Kältekreislauf
 Split-Technologie ohne geteilten Kältekreislauf

* Klassische Innenaufstellung
Dies war die erste Möglichkeit die Außenluft als Energiequelle für eine Wärmepumpe zu nutzen. Die Innenaufstellung aller Komponenten hat dabei sowohl Vor- als auch Nachteile. Probleme, wie Frost oder andere Witterungseinflüsse, können aufgrund der Aufstellung der gesamten Wärmepumpenanlage im Inneren eines Gebäudes ausgeschlossen werden. Darüber hinaus müssen nicht – wie bei Split-Wärmepumpen – zwei Komponenten miteinander verbunden werden. Einen Nachteil bildet aber die notwendige Erstellung der Luft führenden Kanäle, die großflächige Durchbrüche der Außenmauer eines Gebäudes erforderlich machen. Auf der Hand liegt auch, dass die in diesen Kanälen bewegte Luft zusammen mit dem Ventilator Geräusche im Haus verursacht. Durch geeignete Maßnahmen muss hier eine bestmögliche Entkopplung des Systems von dem Gebäude erreicht werden.

* Klassische Außenaufstellung
Bei dieser Technologie verhält es sich genau umgekehrt: Die komplette Wärmepumpe wird außen aufgestellt. Auch hier sind die Vor- und Nachteile klar strukturiert: Zwar sind keine großformatigen Wanddurchbrüche in das Gebäude erforderlich und es entstehen innerhalb der Wohnräume auch keine Geräuschemissionen. Dafür ist die Wärmepumpe vollständig der Witterung ausgesetzt. Dabei sind es insbesondere Stromausfälle, die erhebliche Probleme bis hin zum Komplettausfall und der Zerstörung der Wärmepumpe zur Folge haben können. Bei Temperaturen unter 0 °C und einem entsprechend längeren Stromausfall könnte es zum Bersten der wasserführenden Leitungen kommen. Daher muss die Anlage in solchen Fällen entleert oder es muss ein Frostschutzmittel eingesetzt werden. Das mindert allerdings die Effizienz des Systems.

Ein weiterer gravierender Nachteil besteht in der Tatsache, dass das Heizungswasser außerhalb des Gebäudes bei geringen Außentemperaturen erwärmt wird und dann mit möglichst geringen Verlusten in das Heizsystem des Wohnhauses transportiert werden muss. Dafür ist dann nicht nur eine erhebliche Dämmung der Rohrleitungen, sondern auch ein Graben für die Verlegung der Heizungsrohre notwendig, der unterhalb der frostgefährdeten Bereiche liegt.

* Split-Technologie mit geschlossenem Kältekreislauf
Am Markt durchgesetzt hat sich mittlerweile die Split-Technologie von Luft-Wärmepumpen. Hierbei werden die Komponenten der Wärmepumpe in zwei Einheiten getrennt und durch Rohrleitungen miteinander verbunden. Dabei steht ein Teil inner- und ein Teil außerhalb des Gebäudes. Das Außengerät enthält in der Variante mit geschlossenem Kältekreislauf in der Regel Wärmetauscher und Lüfter, das Innenteil das Wärmepumpenaggregat. Je nach Hersteller können Innen- und Außenaggregat mit deutlicher Entfernung voneinander entfernt aufgestellt werden.

Die Vorteile des Konzeptes der Split-Technologie liegen generell in der Unanfälligkeit für Witterungseinflüsse und der Tatsache, dass Geräuschemissionen im Gebäude weitgehend vermieden werden können. Darüber hinaus ist der Platzbedarf im Haus deutlich geringer, großformatige Wanddurchbrüche sind ebenfalls nicht erforderlich.

In der Variante mit geschlossenem Kältekreislauf sind die verbindenden Rohrleitungen zwischen Innen- und Außengerät oftmals mit Sole gefüllt. Der Vorteil für das Fachhandwerk besteht darin, dass ein Umgang mit Kältemittel und der entsprechende Sachkundenachweis nicht erforderlich sind. Darüber hinaus können Probleme durch Frost nicht entstehen. Der Nachteil des grundlegenden Gerätekonzeptes besteht im zusätzlichen Gerätekreislauf, in dem wiederum Verluste auftreten können.

* Split-Technologie mit geteiltem Kältekreislauf
Bei der Split-Technologie mit geteiltem Kältekreislauf gelten grundsätzlich die gleichen Vor- und Nachteile wie bei Split-Wärmepumpen mit geschlossenem Kältekreislauf. Der markante Unterschied besteht jedoch darin, dass in den Verbindungsleitungen zwischen Innen- und Außengerät Kältemittel statt Sole fließt. Insofern benötigen ausführende Fachhandwerker einen Sachkundenachweis für den Umgang mit Kältemitteln sowie entsprechendes Werkzeug. Darüber hinaus können ausführende Fachhandwerker ohne Sachkundenachweis bei namhaften Markenherstellern auf einen Inbetriebnahmeservice durch den Werks-Kundendienst zurückgreifen.

Welche Technologie – der geschlossene oder geteilte Kältekreislauf – die größeren Vorteile für Fachhandwerker und Endkunden bietet, soll hier bewusst nicht beantwortet werden, denn die Meinungen dazu differieren am Markt verständlicherweise. Wichtig erscheinen alleine die Effizienz und bei Luft-Wärmepumpen insbesondere auch die Geräuschemissionen. Hier sind es insbesondere die Kompressoren die als Herzstück einer Wärmepumpe besondere Auf-merksamkeit verdienen. Mit dem Kompressor steht und fällt die Wirtschaftlichkeit einer Luft-Wärmepumpe. Als Standard hat sich hier die Invertertechnologie etabliert.

Sie alleine gewährleistet statt eines reinen On-/Off-Betriebes mit entweder 0 oder 100 % Leistung eine modulierende Leistungsabgabe, wie sie auch bei modernen Wärmeerzeugern zum Standard avanciert ist. „Auch die kommende ErP-Richtlinie wird noch einmal unterstreichen, dass sich die höchste Wirtschaftlichkeit nur mit zeitgemäßer Invertertechnik erreichen lässt. Hier sind wir unbestrittener Technologie- und Innovationsführer im Markt“, formuliert dazu Holger Thiesen, General Manager Mitsubishi Electric, Living Environment Systems. Generell unterscheiden sich moderne Raumklimageräte von ihren technologischen Grundprinzipien her nicht von Wärmepumpen.

Von welcher Relevanz diese Tatsache ist, zeigt beispielsweise, dass Klimageräte ohne Leistungsmodulation durch Inverter nicht dazu berechtigt sind, Leistungsnachweise wie das Qualitätssiegel Raumklimageräte des Fachverband Gebäude-Klima e.V. (FGK) zu tragen. Dieses Qualitätssiegel, das durch die Arbeitsgruppe „Energieeffiziente Raumklimageräte und Wärmepumpen“ des Fachverbandes initiiert wurde, dient insbesondere dazu, Produkte von Markenherstellern von Niedrigpreisanbietern abzugrenzen.

Neben der Invertertechnik sollten die Kompressoren von Wärmepumpen darüber hinaus über eine Ausstattung verfügen, die ihnen 100 % Heizleistung auch bei niedrigen Außentemperaturen garantiert. Der Hintergrund hierzu: Konventionelle Luft-Wärmepumpen benötigen bei fallenden Temperaturen ansonsten eine zweite Heizquelle oder einen elektrischen Heizstab, um die gewünschte Heizleistung zu erreichen.

"Der Grund dafür liegt in der Physik des Verdichterprozesses", so Andre Hillmer, Product Support Engineer bei Mitsubishi Electric, der den Prozess genauer beschreibt: "Prinzipiell unterliegen alle Wärmeübertragungsprozesse der gleichen Voraussetzung: Das Medium, das die Wärme aufnimmt, muss eine niedrigere Temperatur aufweisen als das Medium, welches die Wärme abgibt. Dies gilt auch für Wärmepumpenprozesse, die die Wärme der Außenluft nutzen. Grundsätzlich muss dabei die Verdampfungstemperatur des Kältemittels einige Grad unter der Außenlufttemperatur liegen. Das heißt, je tiefer die Außentemperatur ist, desto tiefer muss dementsprechend auch die Kältemittelverdampfungstemperatur sein, um überhaupt Wärme aufnehmen zu können.“

Dies führt dazu, dass sich die Leistung herkömmlicher Luft/Wasser-Wärmepumpen bei sinkenden Temperaturen immer weiter reduziert. „Mit dem Zubadan-Verdichter schaffen wir es aber, die zirkulierende Kältemittelmenge auch bei tiefen Temperaturen konstant zu halten. Wir verwenden als Basis dazu das technisch bekannte Prinzip der Zwischeneinspritzung von Kältemittel in den Kompressor. Jedoch wurde dieses Prinzip in unseren Entwicklungsabtei-lungen noch weiter perfektioniert." Mit der Zubadan-Technik wird im Wärmepumpenprozess eine 100%ige Leistung mit Vorlauftemperaturen von 60°C bis zu - 15 °C Außentemperatur erreicht. Dadurch ist nach Angaben des Herstellers ein elektrischer Heizstab bzw. ein biva-lenter Betrieb nicht mehr erforderlich. Die Heizleistung werde nachweislich um rund 40 % gesteigert.

Diese Zubadan-Technologie ist durch ein weltweit patentiertes Verfahren geschützt und ermöglicht es, dass der Verdichter bei tiefen Temperaturen mit einer höheren Drehzahl arbeitet, die zirkulierende Kältemittelmenge im Prozess konstant bleibt und dies in einen nachhaltigen Effizienzvorteil des Wärmepumpenprozesses mündet.

Ein weiterer Vorteil dieser Technologie sind einerseits ein verkürzter Abtaubetrieb und ande-rerseits verlängerte Abtauintervalle. Dies führt zu einer konstanteren Wärmeabgabe der Wärmepumpe und damit zu einem höheren Wärmekomfort. "Im Vergleich zu konventionellen Anwendungen erreichen wir mit der Zubadan-Technologie eine Halbierung der Abtauzeiten", so Hillmer weiter. Darüber hinaus könnten die Außengeräte durch die neue Technologie kleiner dimensioniert werden. Dies liege darin begründet, dass bislang aufgrund der Leistungsreduzierung bei tiefen Außentemperaturen eine entsprechende Überdimensionierung der Anlage geplant worden wäre, um die benötigte Gesamtleistung erzielen zu können. Diese, jetzt mögliche kleinere Auslegung der Wärmepumpe zeige weitreichende Auswirkungen. Die Folge sei jedoch in allen Fällen eine geringere Investitionssumme durch eine genau passende Dimensionierung der Wärmepumpe.

Im nächsten Teil unserer dreiteiligen Serie zu Luft-Wärmepumpen stehen die Themen Auslegung und Planung dieser Wärmeerzeuger im Mittelpunkt.