Heizwärme exakt am Bedarf Vollelektronische Kältekreisregelung ermöglicht Leistungsmodulation bei Luft/Wasserwärmepumpen

Bisherige Wärmepumpen mit klassischen Komponenten im Wärmepumpenprozess sind für einen wichtigen Betriebszustand ausgelegt, z.B. für die Heizung im Januar. Sie erreichen für diesen Betriebspunkt bestmögliche Werte. Wegen der  beschränkten Anpassungsfähigkeit der Komponenten an die wechselnden Anforderungen für die Heizung und die Warmwasserproduktion war es das Ziel der Entwickler des Viessmann Kompetenzzentrums für Wärmepumpen eine neue, auf elektronisch geregelten Komponenten basierende Wärmepumpen-Generation zu entwickeln. Das neue Konzept wurde erstmals auf der Fachmesse HILSA in Basel im Januar 2008 und mit Bezug auf das elektronische Expansionsventil (EEV) anlässlich der 9. Internationalen IEA-Wärmepumpen Konferenz im Mai 2008 einem breiten Publikum vorgestellt. Die sogenannten "e"-Wärmepumpen stellen nach den Hochtemperatur-Wärmepumpen vor rund sieben Jahren ein weiteres Innovationskapitel in der Wärmepumpentechnik dar und haben je nach Anwendung vielfältige Vorteile.

Höhere Temperaturen und größere JAZ
So kann die Wärmeabgabe durch Leistungsregelung an den Wärmebedarf des Hauses angepasst werden. Dies ist bei Luft/Wasser Wärmepumpen besonders bedeutsam, wie aus Bild 2 ersichtlich ist. Außerdem erreichen sie durch die laufende Anpassung im Kältekreis höhere COP-Werte, welche eine bessere Jahresarbeitszahl (JAZ) ergeben. Weiterhin kann mit der Leistungsmodulation kurz vor Erreichen der oberen Temperaturbegrenzung mit einer kleineren Temperaturdifferenz am Wärmetauscher im Warmwasserboiler eine bis zu 5°C höhere Endtemperatur erreicht werden. Das eingesetzte Kältekreis Diagnosesystem (RCD) erhöht die Betriebssicherheit, ermöglicht die Bestimmung der JAZ und eine Fernüberwachung über eine standardisierte Kommunikationsschnittstelle.

Elektronisches Expansionsventil hält Überhitzung konstant
Im Prozess der Wärmepumpe, dem Kältekreis, spielt die Einspritzung durch das Expansionsventil eine wichtige Rolle. Für einen stabilen Betrieb ist in allen Prozesszuständen eine optimale Sauggas-Überhitzung von ca. 5 K notwendig. Gegenüber der bisherigen Einspritzung mit einem thermostatischen Expansionsventil weist das elektronische Expansionsventil (EEV) folgende wesentliche Vorteile auf: Das EEV reagiert auf Temperaturveränderungen im Prozess schneller, und es ist in der Lage, die Sauggas-Überhitzung von beispielsweise 5 K konstant zu halten. Ein Drucksensor erfasst den Niederdruck, während ein weiterer Mini-Tauchtemperatursensor die Sauggas-Temperatur misst. Mithilfe eines Schrittmotors wird dann das Expansionsventil so reguliert, bis die Soll-Sauggasüberhitzung erreicht ist.

Leistungsmodulation mit "Digital Scroll"
Die Anpassung der gelieferten Wärme der Wärmepumpen an den momentanen Heizwärmebedarf des Gebäudes war bisher mit Scroll-Kompressoren aus technischen Gründen nicht möglich. Die neue Entwicklung des sogenannten "Digital Scroll"-Verdichters von Copeland überwindet diese Hürde ohne die Betriebssicherheit und die Charakteristik der Scrolltechnik einzuschränken. Anstelle der Drehzahlvariation wird die Leistungsregelung durch Variation von Leerlauf- und Kompressionsbetrieb erreicht: Die Kompression erfolgt also nicht kontinuierlich, sondern nur zeitweise. Der Teillast-Betrieb wird mithilfe von Pulsweitenmodulation über Pulse mit Normalbetrieb und unbelasteten Verdichter-Betrieb (Leerlauf) erzeugt (Bild 3).
Dabei erfolgt die Druckregelung über eine gesteuerte Trennung der beiden Spiralen um etwa 1 mm. Dazu wird eine Verbindung zwischen Druckseite und Ansaugseite über ein Magnetventil programmiert geöffnet und geschlossen. Bei geöffnetem Ventil trennt ein Steuerkolben den Stator von der beweglichen Spirale. Das Ergebnis ist ein voller Druckausgleich zwischen Druckseite und Ansaugseite. Es kann kein Druckgas erzeugt werden. Wird das Ventil geschlossen, werden die Spiralen wieder zusammengeschoben und es erfolgt normaler Kompressorbetrieb. Das Verhältnis von Verschlusszeit des Ventils zu Gesamtzyklus bestimmt die Leistungsmodulation des Verdichters. Wenn in einem Zyklus von 15 s das Magnetventil für 7,5 s geschlossen ist, beträgt die Teillast 50%. Auf diese Weise ist eine Steuerung von 30 bis 100% möglich. Die optimalen Zykluszeiten hängen von der Größe des Verdichters und von der Einsatzart ab und wurden experimentell ermittelt.

Optimierte Leistungscharakteristik
Die Leistungsanpassung an den momentanen Bedarf verläuft unter Berücksichtigung verschiedener Aspekte des Prozesses. Bei geringer Heizlast wird die voraussichtliche Laufzeit errechnet. Bei zu kurzer Laufzeit wird die Leistungsregelung mit dem "Digital Scroll" eingeleitet und die Wärmeproduktion unter Teillast erbracht. Dadurch kann auch bei geringer Heizlast eine optimale Kompressor-Laufzeit erreicht werden. Bei der Warmwasserbereitung beginnt die Modulation einige Kelvin unter der max. erreichbaren Vorlauftemperatur, d.h. die Leistung wird bis auf 33% zurückgeregelt. Dadurch wird das Delta T zwischen Heizwasser und Trinkwasser am Wärmetauscher kleiner, womit eine bis zu 5°C höhere Warmwasser-Temperatur im Boiler erreicht werden kann. Bei der Nutzung von Erdwärme bringt das elektronische Expansionsventil EEV die Verdampfungstemperatur näher an die Soletemperatur und bewirkt dadurch einen verbesserten COP-Wert und damit eine höhere Energieeffizienz. So liegt der COP nach EN 14511 für Vollastbetrieb mit dem Temperaturpaar A 2°C/W 35°C bei 3,8. Für einen Teillastbetrieb von 60% der Nennleistung erreicht die Wärmepumpe bei A 2°C/W 35°C einen COP von 3,6.

Pufferspeicher nicht immer erforderlich
Aufgrund der Gegenüberstellung des Heizbedarfs und der Leistungscharakteristik (Bild 1) wurde die Leistungsmodulation bei Wärmepumpen <100 kW bisher auf  Luft/Wasser-Wärmepumpen fokussiert. Das elektronische Expansionsventil EEV und die vollelektronische Kältekreisüberwachung mit RCD (Refrigerant Cycle Diagnostic) werden aber auch in den Sole/Wasser-Wärmepumpen angewendet. Für die leistungsgeregelten Luft/Wasser-Wärmepumpen hat sich für den schweizerischen Einsatz das Standardeinbindungsschema gemäß Bild 5 bewährt. Bei mildem Klima und mit speicherfähiger Fußbodenheizung kann ggf. auf den Minipufferspeicher, der zum Anfahren im kalten Zustand des Hauses und zur Vermeidung des Abkühlens von Heizkörpern beim Abtauen dient, verzichtet werden. 
Die neuen Wärmepumpen kommen in der Schweiz seit einem Jahr zum Einsatz und haben den ersten Winter 2008/2009 hinter sich gebracht.

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Fazit und Ausblick
In einer neuen Generation von Wärmepumpen kommen seit 2008 modifizierte elektronisch geregelte Kältekreise zum Einsatz. Digitale Leistungsregelung ("Digital-Scroll") und elektronische Expansionsventile (EEV) ermöglichen darin die Anpassung der momentanen Leistung der Wärmepumpe an den Bedarf der Raumheizung. Die neue Technologie hat einen positiven Effekt ausgelöst, da sie dem Benutzer direkt am Wärmepumpenregler die genutzte Umweltwärmeenergiemenge bzw. die Einsparung an Strom über die JAZ anzeigt und die Installation der Luft/Wasser-Version noch raumsparender als bisher erfolgen kann. Die Elektronik erlaubt weitere Systemoptimierungen, wie beispielsweise die Senkung der Ventilatordrehzahl bei Nacht. Mithilfe der "biflow"-Version des elektronischen Expansionsventils können die Luft/Wasser-Wärmepumpen demnächst mit der zusätzlichen Funktion aktives Kühlen ergänzt werden. Zurzeit wird in den Labors von Viessmann/SATAG eine Sole/Wasser-Version mit Digital Scroll und EVI (Enhanced Vapour Injection) getestet. Das vorgestellte Konzept erlaubt den Einbezug weiterer elektronisch regelbarer Komponenten, sodass noch ein erhebliches Entwicklungspotenzial in den nächsten Jahren zu erwarten ist. 

Autoren: Hansueli Bruderer, Dr. sc. tech. ETHZ, Geschäftsleiter Viessmann (Schweiz) AG und des Wärmepumpen spezialisierten Geschäftsbereichs SATAG Thermotechnik.
Hans Hohl, dipl. Ing. FH, Leiter Entwicklung Wärmepumpen SATAG Thermotechnik.

Bilder: Viessmann (Schweiz) AG, Geschäftsbereich SATAG Thermotechnik, Arbon

www.satagthermotechnik.ch
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