Bei Wärmepumpenanwendungen im Ein- und Mehrfamilienhäusern kommen als Verdichterbauart hauptsächlich Scroll- oder Rollkolbenausführungen zum Einsatz. Diese sind vollhermetisch, kompakt und effizient und relativ günstig in der Produktion. Als Kältemittel setzt sich immer mehr das Kältemittel R290 Propan durch. Bei Temperaturen um die 80°C und mehr und einer niedrigen Rücklauftemperatur ist vereinzelt auch CO₂ vorzufinden.

Verdichter haben die Aufgabe, das Kältemittel bei niedrigem Temperatur- und Druckniveau aus dem Verdampfer abzusaugen und auf ein höheres Temperatur- und Druckniveau zu verdichten, um im Verflüssiger die Wärme an ein geeignetes Medium abzugeben. Als Herzstück des Kältekreislaufs nimmt der Verdichter eine exponierte Stellung ein und ist thermischen wie auch mechanischen Belastungen ausgesetzt. Auf dem Markt sind viele verschiedene Ausführungen erhältlich. Bei Wärmepumpen im Leistungsbereich bis ca. 10 kW werden Rollkolben- und Scrollverdichter, bis ca. 300 kW hauptsächlich Scrollverdichter verbaut. Leistungsaufteilung, bessere Teillastregelung, höhere Jahresarbeitszahlen und größere Leistungen werden oft durch Parallelschaltung mehrerer Verdichter bzw. Wärmepumpen erreicht. In der Industrie und bei Leistungen ab ca. 200 kW bis zu mehreren Megawatt kommen auch Schrauben- und Turboverdichter zum Einsatz. Das Arbeitsprinzip der verschiedenen Verdichterbauarten unterscheidet zwischen Strömung (Turboverdichter) und Verdrängung (Rollkolben-, Scroll-, Hubkolben-, Schraubenverdichter), deren Leistungsangaben erfolgen anhand der europäischen Norm EN 12900.

Hauptkomponenten bei Rollkolbenverdichtern (Bild 1) sind der Zylinder sowie der darin angeordnete Kolben und Trennschieber. Der Kolben dreht sich exzentrisch zur Zylinderachse und rollt dabei entlang der Innenwand des Zylinders ab. Der federbelastete Trennschieber drückt gegen den Kolben und unterteilt den Verdichtungsraum zwischen Zylinderwand und Kolben in Saug- und Druckseite. Durch die Drehung des Kolbens wird der Druckraum verkleinert und das Kältemittelgas darin verdichtet, bis das Ventil zur Heißgasleitung bei Erreichen des Verdichtungsenddrucks geöffnet wird. Gleichzeitig strömt auf der Saugseite Kältemittelgas nach, sodass ein fortlaufender Ansaug- und Ausstoßprozess stattfindet. Dank der einfachen Konstruktion und Symmetrie der Zylinderkomponenten sind diese Verdichter äußerst robust und zuverlässig.

Diese Bauart gibt es auch als sogenannten Swingkompressor. Hier wird der Druckraum durch eine Flosse, die auf dem Kolben sitzt, abgetrennt. Wie beim Rollkolben ist auch der Swingkolben frei beweglich gelagert, jedoch folgt dieser einem nunmehr orbitierenden Bewegungsablauf. Das hieraus resultierende Eintauchverhalten der Trennflosse wird mittels eines drehbar gelagerten Gleitsteins ausgeglichen. Die Funktionsweise eines Rollkolben- und eines Swingverdichters ist in Bild 2 dargestellt.

Bild 3 zeigt das Schnittbild eines Scrollverdichters, das Funktionsprinzip ist zur besseren Verständlichkeit der Verdichtung in Bild 4 dargestellt. Die bewegliche Spirale rollt in der festen Spirale auf einer orbitierenden Bahn ab. Dadurch entstehen mehrere Kammerpaare. Das Kammervolumen verringert sich stetig von außen nach innen, das Kältemittel wird komprimiert, der Druck steigt. Erreicht das Gas das Zentrum der Spiralen, so verlässt dieses auf der Hochdruckseite kontinuierlich den Verdichter, ein integriertes Rückschlagventil verhindert ein Rückströmen und fungiert gleichzeitig als Schalldämpfer. Die Motorkühlung erfolgt über das Sauggas oder Druckgas und ein Ölabscheider ist im Kompressor integriert.

Ein kurzes metallisches Geräusch beim Anlaufen ist normal und ist auf das anfängliche Berühren der Trennschieber bzw. Spiralen zurückzuführen. Diese vollhermetischen Verdichter sind wartungsarm (da sie nur wenige rotierende Teile enthalten), robust und zeichnen sich durch eine kompakte Bauweise aus. Die Einsatzgrenzen sind sehr weit definiert und können von ca. −20 °C Verdampfungstemperatur bis zu 80 °C Verflüssigungstemperatur betragen, abhängig vom Kältemittel. Da sie vollhermetisch verschweißt sind, ist eine Reparatur nicht möglich.

Aufgrund der geringen Abmessung und des geringen Gewichts kann ein Austausch im Schadensfall problemlos erfolgen, normalerweise sind die Verdichter als Lagerware erhältlich. Ein Rechtsdrehfeld ist zu beachten, bei falschem Drehfeld ist ein höherer Geräuschpegel und nur eine geringe thermische Leistung zu beobachten. Kurzzeitiger Betrieb bei falscher Drehrichtung schadet dem Verdichter nicht, bei längerfristigem Betrieb kommt es aufgrund unzureichender Ölförderung und somit unzureichender Ölschmierung zum Verdichterschaden.

Die nachfolgende weitere Beschreibung ist gültig für Rollkolben- und Scrollverdichter. Eine Ölsumpfheizung mit 35–70 Watt wird bei längeren Stillstandzeiten oder bei Temperaturen am Aufstellungsort von unter 10 °C installiert, in der Regel in Form eines externen elektrischen Heizbands (Bild 5). Durch den Betrieb einer Ölsumpfheizung lässt sich die Kältemittelkonzentration normalerweise auf einem unbedenklichen Zustand halten. So wird vermieden, dass sich Kältemittel im Öl anreichert. Dies könnte erhöhten Ölauswurf, Flüssigkeitsschläge und verminderte Schmierfähigkeit zur Folge haben. Die Ölschmierung erfolgt durch Schleuderschmierung, eine Ölpumpe ist nicht erforderlich.

Bezüglich der Leistungsregelung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bei einer stufigen Zu- und Abschaltung (An/Aus) bei einem einzelnen Verdichter oder mehreren auf einem Aggregat arbeitenden Verdichtern kann zwar eine Leistungsanpassung erfolgen, jedoch ist der Zu- und Abschaltprozess ineffektiv und belastet auf lange Sicht den Motor. Gängige Ausführungen mit dieser Art der Leistungsregelung sind mit einem einzelnen Verdichter oder einem oder zwei Tandemverdichtern ausgestattet.

Eine genauere und effektivere Art der Leistungsregulierung ist durch einen Betrieb mit Frequenzumrichter, auch Inverter genannt, möglich (Bild 6). Je nach Frequenz des Drehfeldes ergeben sich dann unterschiedliche Drehzahlen des Verdichters und somit unterschiedliche Leistungen, die Schalthäufigkeit wird deutlich reduziert. Aufgrund der hohen Effizienz kommen größtenteils bürstenlose Permanentmagnetmotoren zum Einsatz.

Inverterverdichter arbeiten insbesondere im Teillastbetrieb sehr effizient. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Anlaufstrom im Vergleich zum Direktstart oder Softstart. In Kombination mit einem weiteren Verdichter kann bei Erreichen der Höchstfrequenz der Folgeverdichter gestartet werden und der drehzahlgeregelte Führungsverdichter fährt bis zur Minimalfrequenz zurück. Somit ist ein fast stufenloser Betrieb möglich. Eine stufenlose Verdichterregelung verringert die Start-/Stopp-Vorgänge und erhöht die Verdichterlaufzeit. Eine Überdimensionierung der Wärmepumpe kann hiermit bis zu einem bestimmten Maß kompensiert werden.

Durch die verlängerte Laufzeit im Vergleich zu der An-Aus-Variante ergeben sich aber auch höhere Kosten durch die Nebenaggregate wie Grundwasserpumpe, Ventilatoren und Heizungspumpe.

Jeder Verdichter hat einen bestimmten Arbeitsbereich; es gibt Herstellervorgaben bezüglich minimaler und maximaler Druckdifferenz sowie einer maximalen Heißgastemperatur am Verdichteraustritt. Die notwendige Druckdifferenz wird durch den Verdampfungsdruck und Verflüssigungsdruck vorgegeben, also indirekt über Temperaturniveau, Wärmequelle und Wärmeabnehmer. Gerade bei Luftwärmepumpen ist im Winter die Wärmequelle Luft sehr kalt, was eine sehr geringe Verdampfungstemperatur bedeutet. Gleichzeitig steigt aber der Heizbedarf, und dies hat eine höhere Temperatur auf der Heizungsseite, also höhere Verflüssigungsdrücke und Heißgastemperaturen, zur Folge. Diese Situation stellt für eine Wärmepumpe bezüglich Effizienz und Betriebssicherheit den „Worst Case“ dar. Zum Glück haben findige Wärmepumpenhersteller hier eine Lösung gefunden, um die Heißgastemperatur und die Druckgastemperatur bei gleich hoher Verflüssigungstemperatur zu reduzieren.

Wie in Bild 7 dargestellt, wird das flüssige Kältemittel aus dem Verflüssiger in zwei Ströme aufgeteilt. Ein kleinerer Teil der Flüssigkeit (i) wird durch ein zusätzliches Expansionsventil entspannt und fließt dann in einen Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager (HX), auch Economizer genannt. Der Hauptmassenstrom der Flüssigkeit aus dem Verflüssiger (m) wird dann durch den Economizer abgekühlt, während der Einspritzmassenstrom verdampft und überhitzt wird. Der Economizer wirkt also als Unterkühler für den Hauptmassenstrom (m) und als Verdampfer für den Einspritzmassenstrom. Der überhitzte Dampf wird dann in den Zwischendampfanschluss im Scrollverdichter eingespritzt. Die zusätzliche Unterkühlung erhöht die Verdampferleistung, indem die Temperatur der Flüssigkeit von TLI auf TLO reduziert und damit ihre Enthalpie verringert wird. Der zusätzliche Massenstrom des Verflüssigers (i) erhöht die Heizleistung um den gleichen Betrag. Der Wirkungsgrad des Scrollverdichterzyklus mit Dampfeinspritzung ist höher als der eines herkömmlichen einstufigen Scrollverdichters. Mit Economizer wird bei hoher Kondensationstemperatur die gleiche Kälte-/Heiz-Leistung erbracht, aber mit proportional weniger elektrischer Leistung. Der eingespritzte Massenstrom, der bei der Unterkühlung entsteht, wird nun vom Zwischendruckniveau auf den höheren Druck verdichtet und nicht vom niedrigeren Saugdruck.Der Betriebsbereich ist bei der Dampfeinspritzung größer, da die Begrenzung durch eine zu hohe Druckgastemperatur verschoben wird. Dies wird beispielhaft in Bild 8 dargestellt.

Gerade bei niedriger Verdampfungstemperatur ist mit Dampfeinspritzung eine höhere Kondensationstemperatur erreichbar. Der überhitzte Dampf tritt über einen zusätzlichen Anschluss am Verdichtergehäuse in den Verdichter ein und wird von dort intern verteilt (Bild 9).

Für Wärmepumpenanwendungen im kleineren Leistungsbereich und bei Vorlauftemperaturen bis zu 75°C ist diese Verdichterbauform die erste Wahl. Wartungsarm, effizient und leise sind die positiven Eigenschaften. Seit kurzem wurde für diese Leistungsklasse auch ein Turboverdichter entwickelt, die Zukunft wird zeigen, ob diese sich technisch wie preisliche durchsetzen bzw. einen gewissen Marktanteil übernehmen werden.

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Turboverdichter bei HFO Anwendungen

Hubkolbenverdichter bei Industriewärmepumpen

Schraubenverdichter für Kalt- und Warm

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