Luft/Wasser-Wärmepumpe im Labortest

Bevor eine Wärmepumpe auf den Markt kommt, muss sie sich im Test bewähren. So auch die Luft/Wasser-Wärmepumpe Buderus-"Logatherm WLW196i.2-6 AR S+".

Den Versuchsaufbau und die Prüfverfahren für die Luft/Wasser-Wärmepumpe Buderus-"Logatherm WLW196i.2-6 AR S+" mit rund 7 kW Leistung (A2/W35) beschreibt der folgende Beitrag. Getestet hat die unabhängige Prüfstelle HLK Stuttgart der Universität Stuttgart, drei Monate dauerte es, bis die Ergebnisse feststanden. Ziel war es, relevante Kennzahlen zu ermitteln, etwa für Heizleistung, elektrische Leistung, Wassertemperaturen, Abtauzyklen, Lautstärke der Außeneinheit und insbesondere den COP (Coefficient of Performance), also das Verhältnis von Wärmeleistung und Antriebsleistung. Geprüft wurde auch, ob sich die Beschaffenheit des Schutzgitters vor dem Ventilator der Außeneinheit auf die technischen Daten auswirkt: Dazu haben die Experten Vergleichsmessungen vorgenommen und die Wärmepumpe einmal mit einem weitmaschigen Gitter und einmal mit einem engmaschigen Gitter geprüft.

Abtauung beeinflusst den COP

Ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Effizienz, und damit auf den COP der Wärmepumpe, ist die Abtauung der Eisschicht auf dem Wärmeübertrager (Verdampfer). Das Abtauen ist nötig, damit der Wärmetransport nicht blockiert wird – Herausforderung ist es, dieses Abtauen mit möglichst wenig Energieeinsatz zu erreichen.

Die Eisbildung im Winter ist ein Effekt, der jede Luft/Wasser-Wärmepumpe betrifft: Die Temperatur des Kältemittels im Wärmeübertrager muss immer niedriger sein als die Temperatur der Außenluft. Wird dem Energieträger Luft Wärme entzogen, wird sie entsprechend abgekühlt und kann dadurch weniger Feuchtigkeit aufnehmen beziehungsweise behalten – wärmere Luft nimmt mehr Feuchtigkeit auf als kältere. Bei Unterschreitung des Taupunktes setzt sich die Feuchtigkeit als Kondenswasser auf dem Wärmeübertrager ab. Ist der Wärmeübertrager kälter als 0° C, gefriert auf seiner Oberfläche dieses Kondenswasser und es entsteht eine Eisschicht. Je nach Außenlufttemperatur ist dieser Effekt stärker oder schwächer – besonders ausgeprägt ist er bei Außenlufttemperaturen zwischen -3 und 5 °C, weil das Kältemittel entsprechende Minustemperaturen aufweisen muss und die Luft zugleich einen hohen Feuchtegehalt hat. Ist die Außenluft kälter und enthält deshalb weniger Feuchtigkeit, etwa im zweistelligen Minusbereich, tritt das Problem weniger auf.

Testobjekt und Prüfaufbau

Bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe im Test handelt es sich um ein Monoblockgerät: Innen- und Außeneinheit sind über eine wasserführende Leitung verbunden. Die Außeneinheit enthält Verdichter mit Verdampfer, Gebläse und Verflüssiger (Plattenwärmeübertrager), die Leistung des Verdichters passt sich variabel an. Die Wärmepumpe hat eine Invertersteuerung, sie variiert die Kompressordrehzahl automatisch, sodass genau die jeweils benötigte Energiemenge bereitgestellt wird. Auch das Gebläse ist drehzahlgesteuert und regelt seine Leistung für einen möglichst niedrigen Energieverbrauch bedarfsabhängig. Die Inneneinheit enthält die Regelung, eine Zirkulationspumpe und einen Warmwasserspeicher.

Die Messungen erfolgten in drei Teilen:

• Leistungstest unter bestimmten Heizbedingungen nach DIN EN 14511 (vom Hersteller definierte Nennleistung),
• Leistungstest unter bestimmten Heizbedingungen nach DIN EN 14825 (von der Norm definierte Messpunkte entlang einer Heizkurve)/DIN EN 16147,
• Test des Schallleistungspegels nach DIN EN 12102.

Leistungstest nach DIN EN 14511

Der Leistungstest wurde gemäß DIN EN 14511 "Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen für die Raumbeheizung und -kühlung und Prozess-Kühler mit elektrisch angetriebenen Verdichtern" absolviert. Die Experten haben die Wärmepumpe unter anderem bei A7/W35 und A7/W55 sowie bei A2/W35, A-7/W35 getestet, jeweils mit unterschiedlicher Frequenz. Den mit 5,01 höchsten COP im Test erzielte das Gerät bei A7/W35 und 90 Hz. Beim für Luft/Wasser-Wärmepumpen aussagekräftigsten Wert A2/W35 erreichte das Gerät einen COP von 4,25 bei 90 Hz. Hier zeigte sich, je geringer die Leistung, desto höher die Effizienz – bei kleiner Drehzahl verlängert sich die Zykluszeit (4:15 h bei 90 Hz).

Eine zusätzliche Anforderung war es, testweise Kennzahlen für zwei unterschiedliche Gitter (weitmaschig/feinmaschig) zu ermitteln. Diese sind vor dem Wärmepumpenventilator der Außeneinheit installiert. Es zeigte sich, dass die Beschaffenheit des Gitters annähernd keinen Einfluss hat: Die Heizleistung bei A2/W35 liegt beim weitmaschigen Gitter bei 7.481 W, beim feinmaschigen bei 7.339 W, was einem Leistungsverlust von rund 1,9 Prozent entspricht. Auch die Abtauzeit variiert nur leicht, so lag die Wärmepumpe mit dem weitmaschigeren Gitter bei A2/W35 minimal vorne: Die Zykluszeit, das heißt die Zeitspanne des Heizvorgangs inklusive Abtauens, war mit 1:07 h drei Minuten länger als bei der Variante mit dem engmaschigeren Gitter (1:03 h). Die erfassten Unterschiede sind minimal und könnten teilweise auch auf Messtoleranzen zurückzuführen sein.

Leistungstest nach DIN EN 14825

Weitere Leistungsbemessungen unter Teillastbedingungen und Berechnungen des COP erfolgten nach DIN EN 14825 "Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern zur Raumbeheizung und -kühlung – Prüfung und Leistungsbemessung unter Teillastbedingungen und Berechnung der jahreszeitbedingten Leistungszahl". Hierfür wurde unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen und Heizwassertemperaturniveaus gemessen, die in der Norm festgelegt sind:

• Durchschnittliches Klima, niedrige Temperatur,
• durchschnittliches Klima, mittlere Temperatur,
• kaltes Klima, niedrige Temperatur,
• kaltes Klima, mittlere Temperatur,
• warmes Klima, niedrige Temperatur,
• warmes Klima, mittlere Temperatur.

Für den Heizbetrieb wurden in einer Klimakammer Außentemperaturen von -18 °C bis 12 °C erzeugt und für die Messung verwendet. Diese sind relevant, um die Jahresarbeitszahl (mittels SCOP = Seasonal Coefficient of Performance) zu ermitteln. Grundsätzlich gilt bei Wärmepumpen: Je geringer die Differenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle (hier: Luft) und der Nutztemperatur (Vorlauftemperatur des Heizungswassers), desto höher der COP und damit die Energieeffizienz. Im Test lag der COP zwischen 1,76 (A-18/W52,2 – kaltes Klima, mittlere Temperatur) und 8,01 (A12/W26 – warmes Klima, niedrige Temperatur). Abtauverluste werden im COP ebenfalls berücksichtigt.

Bestimmung des Schallleistungspegels nach DIN EN 12102

Neben den Leistungswerten spielen für die Kundenakzeptanz von Luft/Wasser-Wärmepumpen auch die Schallemissionen eine wichtige Rolle. Bei den Schallmessungen, die Teil der Versuchsreihe sind, geht es darum, wie laut die Wärmepumpe abhängig von der Außentemperatur und Leistung arbeitet. Der Schallleistungspegel wurde ebenfalls normgerecht bestimmt – relevant hierfür ist die DIN EN 12102 "Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze, Wärmepumpen, Prozesskühler und Entfeuchter mit elektrisch angetriebenen Verdichtern – Bestimmung des Schallleistungspegels […]". Gemessen haben die Experten vom HLK in einem Hallraum. Dieser ist so aufgebaut, dass sich der Schall an allen Wänden reflektiert und gleichmäßig im Raum verteilt (gemäß DIN EN ISO 3741). Bei diesem Test kam das weitmaschige Standard-Schutzgitter zum Einsatz. Im Zuge der Messungen wurden Teile der Wärmepumpe vom Hersteller mit Butyl-Dichtband und Modelliermasse versehen, um die Lautstärke noch weiter zu reduzieren – eine Modifikation, die im Prüfbericht dokumentiert wird und später auch in der Serienfertigung umzusetzen ist. Die gemessenen Schalleistungspegel reichen je nach Leistungsstufe von 48 dB(A) – das entspricht in etwa dem Geräusch eines Kühlschranks – bis 56,7 dB(A).