Im 3. Teil betrachten wir die Betriebssicherheit und Energieeffizienz bei Wärmepumpen. Oft ist nicht bekannt, dass diese beiden Punkte sich gegenseitig beeinflussen. Wird eine Wärmepumpe am absoluten Limit betrieben, ist dies weder effizient, noch Betriebssicher und dient auch nicht einer langen Nutzungsdauer.

Um die Auswirkung auf Effizienz und Leistung deutlich darzustellen, zeigt Bild III-1 die Effekte betreffend unterschiedlicher Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen. Hierbei wird deutlich, dass z. B. Grundwasserwärmepumpen im Winter mit einer hohen Verdampfungstemperatur deutlich effizienter arbeiten als Luftwärmepumpen mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur. Hierfür ist die Wärmequellentemperatur Grundwasser bzw. Luft verantwortlich. Gleiches gilt für die Verflüssigungstemperatur. Kann im Neubau mit einer Fußbodenheizung mit 30/25 °C gearbeitet werden, ist die Effizienz des Verdichters respektive der Wärmepumpe deutlich höher als z. B. im Altbau mit Heizkörpern bei 55/45°C.

Aus Bild III-1 kann folgender Sachverhalt abgeleitet werden (Bild III-2). Es ist jedoch zu beachten, dass durch den Betrieb mit Frequenzumrichter bzw. durch die drehzahlgeregelten Verdichter sich gewisse Abweichungen ergeben können. Nehmen wir an, die maximale Frequenz beträgt 75 Hz. So definieren viele Wärmepumpenhersteller bei Luftwärmepumpen bereits bestimmte Betriebskonfigurationen vor. Bei hohen Verdampfungstemperaturen (also bei hohen Wärmequellentemperaturen –> Lufttemperaturen) wird der Verdichter mit maximal 50 Hz angesteuert, sinkt die Wärmequellentemperatur, steigt die mögliche Frequenz des Verdichters. Dies ergibt eine gewisse Verschiebung der in Bild III-2 dargestellten Zustände. Auch sind die regelbaren Frequenzbereich je Hersteller sehr unterschiedlich; diese können von 25 Hz bis 150 Hz betragen.

Jeder Verdichter hat einen bestimmten Arbeitsbereich; es gibt Herstellervorgaben bezüglich minimaler und maximaler Druckdifferenz sowie einer maximalen Heißgastemperatur am Verdichteraustritt. Die notwendige Druckdifferenz wird durchden 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 III-3 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 III-4 dargestellt. Gerade bei niedriger Verdampfungstemperatur ist mit Dampfeinspritzung eine höhere Kondensationstemperatur erreichbar. Somit wird in diesem Betriebspunkt nicht nur die Effizienz erhöht, sondern auch der Betriebsbereich und dadurch die Betriebssicherheit. Im Bild sind bewusst keine Temperaturen angegeben, da dies sehr stark vom Kältemittel und Hersteller abhängig ist.

Der überhitzte Dampf tritt über einen zusätzlichen Anschluss am Verdichtergehäuse in den Verdichter ein und wird von dort intern verteilt, siehe hierzu Bild III-5.

Die Effizienz einer Kälteanlage und Wärmepumpe wird von mehreren Faktoren beeinflusst.

Auf der einen Seite finden wir die Komponenten, hier ist wichtig, dass diese aufeinander abgestimmt sind. Viele qualitativ hochwertige und von namhaften Herstellern verbaute Komponenten ergeben nicht zwangsläufig ein gutes, effizientes und betriebssicheres System. Abhängig von den notwendigen Projektanforderungen und zur Verfügung stehenden Wärmequellen (Wärmepumpe) bzw. Rückkühlmöglichkeiten (Kältemaschine) hat der Hersteller entsprechend bauliche und regelungstechnische Vorkehrungen zu treffen.

Auf der anderen Seite hat der Betreiber einen großen Einfluss, wie wirtschaftlich seine Anlage läuft. Regelmäßige Wartung der Anlage und Reinigung der Wärmetauscher sind notwendig. Auch wird eine kontinuierliche Optimierung der Parameter empfohlen, um eine Langlebigkeit und hohe Betriebssicherheit zu erreichen.