Ein österreichischer Wärmepumpen-Hersteller setzt neue Maßstäbe bei Luft/Wasser-Wärmepumpen (R290 Propan) mit einem SCOP-Wert von 5,9 für Neubauten. Im modulierenden Betrieb beträgt die mittlere Differenz zwischen Außenluft- und Verdampfungstemperatur nur 3 K. Diese Werte werden bei marktüblichen Produkten bei Weitem nicht erreicht.
Nach einem Rekordabsatz 2023 ging bei unseren deutschen Nachbarn die Nachfrage von Heizungswärmepumpen im letzten Jahr auf insgesamt 193.000 Geräte zurück und fiel damit um 46 Prozent gegenüber dem Vorjahr. Bei den 178.000 Luft/Wasser-Wärmepumpen im Jahr 2024 ist ein Trend zu Monoblock-Geräten mit dem natürlichen Kältemittel Propan (R290) festzustellen.
Für die Förderung des Einbaus von Wärmepumpen ist in Deutschland die Richtlinie für die Bundesförderung für effiziente Gebäude zu beachten. Bei Luft/ Wasser-Wärmepumpen wird ein SCOP-Wert (Seasonal Coefficient of Performance) von mindestens 3,6 für Neubauten (Niedertemperaturanwendung 35 °C) bei mittlerem europäischem Klima (Referenz-Standort Strassburg) gefordert.
Hervorragende Werte
Die Lambda Wärmepumpen GmbH gibt einen SCOP-Wert von 5,9 für ihre Wärmepumpen in Neubauten bei mittlerem europäischem Klima an. Im modulierenden Betrieb beträgt die mittlere Differenz zwischen der Außenlufttemperatur und der Verdampfungstemperatur nur 3 K.
In Abbildung 2 sind die SCOP-Werte von Luft/ Wasser-Wärmepumpen der drei umsatzstärksten Hersteller von Heiztechnik in Deutschland mit dem Kältemittel Propan dargestellt. Zudem sind die SCOP-Werte der hocheffizienten Luft/Wasser-Wärmepumpen von Lambda angegeben. Der SCOP-Mittelwert liegt bei 5,66 und dabei um 23 Prozent über dem Mittelwert 4,61 der dargestellten marktüblichen Geräte mit dem Kältemittel Propan.
Problem: Kältemittelseitiger Wärmeübergang im Verdampfer im Teillastbetrieb
Luft/Wasser-Wärmepumpen werden bei den Labor-Messungen zur Bestimmung des SCOP in der Regel modulierend betrieben wie auch während der Heizperiode.
Um hohe SCOP-Werte zu erreichen, muss insbesondere der Wärmeübergang im Teillastbetrieb bei geringen Kältemittelmassenströmen optimiert werden.
In Abbildung 3 ist der Siedevorgang in einem horizontalen Rohr qualitativ dargestellt. Beim Blasensieden sammeln sich die Dampfblasen infolge der Auftriebskräfte im oberen Teil des Rohrs. Bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten ergibt sich dann in Strömungsrichtung eine Schichtenströmung, die flüssige Phase benetzt den unteren Teil des Rohrs, die gasförmige Phase strömt durch den oberen Teil des Rohrs. Im ersten Teil des Rohrs liegen hohe Wärmeübergangskoeffizienten vor, mit abnehmender Benetzung der Rohroberfläche sinkt in Strömungsrichtung der Wärmeübergangskoeffizient.
Am niedrigsten ist er bei der Tropfen-Verdampfung. Hier erfolgt der Wärmetransport über die gasförmige Phase an die Nebeltröpfchen. Die geringen Kältemittelmassenströme im Teillastbetrieb und die geringen Wärmeübergangskoeffizienten führen dazu, dass ein größerer Teil der Wärmeübertragerfläche des Verdampfers für die vollständige Verdampfung und Überhitzung des Kältemittels benötigt wird und die Verdampfungstemperatur entsprechend abgesenkt werden muss.
Wenn jedoch die vollständige Verdampfung und Überhitzung des Kältemittels in den internen Wärmeübertrager verlagert werden kann, steigt der mittlere Wärmeübergangskoeffizient im Verdampfer deutlich an und die Verdampfungstemperatur kann erhöht werden. Die Effizienz der Wärmepumpe steigt mit der Verdampfungstemperatur um zwei bis drei Prozent je Kelvin. Bei marktüblichen Wärmepumpen werden interne Wärmeübertrager mit geringer Übertragungsfläche eingesetzt, um die in Abbildung 4 dargestellte Überhitzung des Kältemittels (1” > 1) zu gewährleisten.
Lösung: Vollständige Verdampfung und Überhitzung im internen Wärmeübertrager
Die Effizienz einer Luft/Wasser-Wärmepumpe kann im Teillastbetrieb signifikant erhöht werden, wenn der ungünstige Betriebsbereich mit hohem Dampfanteil vom Verdampfer in den internen Wärmeübertrager verlagert wird.
Verdampfer 4 > 5 (bis etwa 80 % Dampfgehalt)
■ Flüssiges Kältemittel benetzt weitgehend die Oberfläche des Wärmeübertragers.
■ Hoher mittlerer Wärmeübergangskoeffizient auf der Kältemittelseite.
■ Sehr geringe Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle Luft und Kältemittel.
Interner Wärmeübertrager 5 > 1 (Dampfgehalt > 80 %)
■ Flüssiges Kältemittel benetzt einen geringen Anteil der Oberfläche des Wärmeübertragers.
■ Geringe Wärmeübergangskoeffizienten auf der Niederdruckseite.
■ Hohe mittlere Temperaturdifferenz zwischen unterkühltem Kondensat und Verdampfungstemperatur.
■ Hohe Wärmeübergangskoeffizienten auf der Hochdruckseite.
Bei einer marktüblichen Regelung der Überhitzung mit einem elektronischen Expansionsventil ist keine stabile Betriebsweise möglich. Mit einer an der Hochschule München entwickelten Kaskadenregelung ist ein stabiler Betrieb mit hoher Regelgüte erreichbar.
Durch die Unterkühlung des Kondensats (3‘ > 3) kann zudem die Dampfblasenbildung im Expansionsventil verringert werden. Dampfblasen (Flashgas) können zu Kavitation im Expansionsventil und zu einer dauerhaften Beschädigung führen sowie die Regelgüte beeinträchtigen.
Stabile Kaskadenregelung für das Expansionsventil
Die innovative Kaskadenregelung für das Expansionsventil einer Wärmepumpe (Abb. 6) besteht aus einem inneren Regelkreis (Folgeregler) und einer äußeren Regelschleife (Führungsregler).
Der innere Regelkreis muss eine deutlich geringere Zeitkonstante als der äußere Regelkreis haben. Der innere Regelkreis regelt die Differenz zwischen der Lufteintrittstemperatur TL und der Verdampfungstemperatur T0. Die Verdampfungstemperatur kann über eine Druckmessung vor oder nach dem Verdampfer ohne zeitliche Verzögerung sehr genau bestimmt werden. Die Lufteintrittstemperatur ändert sich nur langsam im Tagesverlauf. Somit kann diese Temperaturdifferenz mit geringer Zeitkonstante erfasst werden und Störungen können im inneren Regelkreis schnell ausgeregelt werden.
Der Führungsregler regelt im äußeren Regelkreis die Überhitzung des Sauggases und gibt die Sollgröße für den inneren Regelkreis vor. Bei dieser Kaskadenregelung kann die Überhitzung auch etwas höher als bei konventionellen Überhitzungsregelungen sein, da hier die Überhitzung über den internen Wärmeübertrager erfolgt und der Einfluss auf die Effizienz gering ist. Bei ausreichender Überhitzung ist das Sauggas vollständig dampfförmig und Flüssigkeitsschläge im Verdichter werden vermieden.
Effizienzsteigerung um bis zu 20 Prozent
Mit dieser an der Hochschule München entwickelten Kaskadenregelung ist ein stabiler Betrieb der Wärmepumpe mit hoher Regelgüte erreichbar, wobei etwa 20 Prozent der Verdampfung mit geringen Wärmeübergangskoeffizienten in den internen Wärmeübertrager ausgelagert werden.
Somit steigt der mittlere Wärmeübergangskoeffizient im Verdampfer deutlich und die Verdampfungstemperatur erhöht sich.
Die Lambda Wärmepumpen GmbH hat diese Betriebsweise zur Marktreife gebracht und erreicht bei Luft/Wasser-Wärmepumpen im modulierenden Betrieb eine Verdampfungstemperatur, die im Mittel nur drei Kelvin unter der Außenlufttemperatur liegt. Bei anderen marktüblichen Produkten ist die Verdampfungstemperatur um ca. drei bis sieben Kelvin niedriger. Da die Effizienz der Wärmepumpe um zwei bis drei Prozent je Kelvin ansteigt, kann die Effizienz bei dieser Betriebsweise um 10 bis 20 Prozent ansteigen.
Durch die höhere Verdampfungstemperatur wird zudem bei Luft/Wasser-Wärmepumpen die Vereisung des Verdampfers tagsüber vermieden und in der Nacht stark verzögert. Die Anzahl der Abtauzyklen sinkt und führt zu einer weiteren Absenkung des Stromverbrauchs.
Schutzrechte
Die stabile Kaskadenregelung für das Expansionsventil wurde an der Hochschule München entwickelt und 2014 zum Europäischen Patent angemeldet.
im Labor, der letztendlich zur
Patentanmeldung geführt hat.
Nachdem die Schutzrechte 2020 abgelaufen sind, hat die Lambda Wärmepumpen GmbH die Kaskadenregelung nach Ziegler nochmals zum Europäischen Patent angemeldet und 2022 die Schutzrechte erhalten. Nach Ansicht des Verfassers wurde der aktuelle Stand der Technik bei der Patentanmeldung nicht vollständig angegeben und auch bei der Patentrecherche des Prüfers nicht ausreichend erfasst. Das Patent der Hochschule München wurde bei der Prüfung der Patentanmeldung nicht als Stand der Technik berücksichtigt. Die Schutzrechte hätten nach Ansicht des Verfassers in dieser Form nicht erteilt werden können, da die Neuigkeit nicht gegeben war.
Die Lambda Wärmepumpen GmbH wurde für diese Innovation mit dem Verbund-E-Novation Award (Verena) ausgezeichnet, der im Rahmen des Staatspreises Innovation als Sonderpreis an Unternehmen im Energiesektor vergeben wird. Diese und weitere Auszeichnungen wurden für eine innovative Lösung verliehen, die bereits seit 2014 als Kaskadenregelung nach Ziegler bekannt war.
Fazit
Da die Schutzrechte bereits abgelaufen sind, können alle Wärmepumpen-Hersteller diese Kaskadenregelung nach Ziegler nutzen und sehr hohe SCOP-Werte bei Luft/Wasser-Wärmepumpen erreichen. Sogar die SCOP-Werte von marktüblichen Sole/Wasser-Wärmepumpen werden übertroffen.
Der Autor Prof. Franz Josef Ziegler ist an der Hochschule München, Forschungsinstitut für energieeffiziente Gebäude und Quartiere CENERGIE aktiv.
