Luft/Wasser-Wärmepumpen im Hörversuch

Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen ist die Geräuschentwicklung von entscheidender Bedeutung. Ein Überblick über die verschiedenen Messmethoden.

Wärmepumpen liegen im Trend: 86.000 Heizungswärmepumpen wurden in Deutschland im Jahr 2019 verkauft – das sind etwa zwei Prozent mehr als im Vorjahr und rund 51 Prozent mehr als noch vor fünf Jahren. Etwa bei drei von vier der verkauften Geräte handelt es sich um Luft/Wasser-Wärmepumpen. Mit dem Klimapaket übernimmt die Bundesregierung seit Anfang des Jahres 2020 beim Einbau dieser Wärmeerzeuger im Neubau oder in der Modernisierung zudem einen hohen Anteil der Investitionskosten.

Für Kunden ist bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe im Vergleich zu einer Sole/Wasser-Wärmepumpe außer dem finanziellen Aspekt das Thema Schall von zentraler Bedeutung. Denn gerade in Neubaugebieten, wo diese Wärmeerzeuger besonders gefragt sind, werden die Grundstücke immer kleiner und die Abstände zu den Nachbarhäusern damit geringer. Daher gewinnt das Thema Lärmbelästigung an Brisanz. Laut einer Umfrage des Umweltbundesamts fühlen sich 60 Prozent der Befragten durch die Geräusche der Nachbarschaft belästigt. Lediglich der Straßenverkehr wird als noch störender empfunden. Damit die umweltfreundliche Heizlösung keinen Nachbarschaftsstreit und auch sonst keine Beschwerden auslöst, hört Buderus bei der Schallentwicklung seiner Produkte genau hin und lässt auch testen, was nicht zu hören ist.

Schall als Hörereignis

Angegeben wird der messtechnisch erfassbare Schalldruckpegel in Dezibel (dB). Er entsteht, wenn eine Geräuschquelle die Luft in Schwingung bringt und somit den Luftdruck in einem bestimmten Abstand verändert. Je größer die Veränderung des Luftdrucks, umso größer der Schalldruckpegel. Der Wert 0 dB entspricht dabei ungefähr der menschlichen Hörschwelle.

Ausschlaggebend für die Kunden ist aber nicht nur der messbare Schalldruckpegel, sondern viel mehr, wie die Geräusche der Wärmepumpe empfunden werden. Denn davon abhängig ist ihre Akzeptanz. Das entscheidende Stichwort lautet hierbei Psychoakustik. Die wissenschaftliche Disziplin bezeichnet Schall als Hörereignis und untersucht den Zusammenhang zwischen dem physikalischen Schallreiz und der dadurch hervorgerufenen Hörwahrnehmung beim Menschen. Grund für die Untersuchungen ist, dass typische physikalische Messgrößen die Hörwahrnehmung nicht immer treffend abbilden – die Lautstärke entspricht also nicht immer der empfundenen Lautheit. Diese ist abhängig vom Schalldruckpegel, aber auch von Frequenz, Bandbreite und Dauer der Signale und wird in sone angegeben. 1 sone entspricht 40 phon, also 40 dB bei einer Frequenz von 1 kHz. Ab 40 phon verdoppelt sich die Lautheit pro 10 dB Zunahme. Unter 40 phon führen schon kleinere Veränderungen im Lautstärkepegel zu einer Verdopplung der empfundenen Lautstärke.

Die Auswirkungen der Lautheit auf das Wohlbefinden der Menschen sind enorm. Wird ein Geräusch als störend empfunden, schüttet das Gehirn Stresshormone aus und der Körper geht in Alarmbereitschaft – selbst im Schlaf. Dauert diese lärmbedingte Alarmbereitschaft an, schadet das der Gesundheit.

Hörversuch zur Wahrnehmung eines Produktgeräuschs

In Hörversuchen ermitteln Forscher des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP (Fraunhofer IBP) in Stuttgart, wie sich physikalische und psychoakustische Parameter auf die Akzeptanz und das Lästigkeitsempfinden der durch Luft/Wasser-Wärmepumpen hervorgerufenen Geräusche auswirken. Gegenstand einer Untersuchung waren zwei Wärmepumpen, unter anderem die Split-Luft/Wasser-Wärmepumpe "Logatherm WPLS.2" von Buderus. Rund 60 Probanden im Alter von 18 bis 60 Jahren beurteilten dabei verschiedene Geräusche der Wärmepumpen. Ziel des Versuches war es, Vorhersagen darüber treffen zu können, wie störend oder gar lästig Menschen die Schallemissionen der Geräte empfinden, ohne dass weitere Versuchsreihen mit zukünftigen Wärmepumpen erforderlich sind.

Damit alle Probanden die Geräusche unter genau denselben Bedingungen beurteilen konnten, hat das Team die Geräusche der Wärmepumpen im Vorfeld aufgezeichnet. Die "Logatherm WPLS13.2" besitzt eine modulierende Leistungsstärke von 6,41 kW und einen COP von 4,87 (A7/W35). Das Vergleichsgerät hat eine modulierende Heizleistung von 5,63 kW und einen COP von 4,87 (A7/W35). Die Geräte liefen zum einen in unterschiedlichen Modi, etwa "Fan only" (nur der Ventilator der Außeneinheit), "Night Mode" (Nachtmodus) oder „Max Speed“ (maximale Drehzahl). Zum anderen wurden sie im Feld mit realistischen Umgebungsgeräuschen und in einem im Fraunhofer IBP angelegten Halbfreifeldraum (Boden schallhart, Wände und Decke absorbierend ausgekleidet) getestet. Grund für die Messung in verschiedenen Räumen sind zum einen die in der Realität herrschenden Hintergrundgeräusche, wie der Verkehr, und zum anderen, dass sich die Schallleistung mit zunehmendem Abstand auf eine größer werdende Fläche verteilt und in Folge der Schalldruckpegel sinkt. Einfluss auf die Schallausbreitung haben außerdem massive Hindernisse wie Gebäude oder Mauern, Reflexionen an schallharten Oberflächen wie Putz- und Glasfassaden von Gebäuden oder Böden mit Asphalt- und Steinoberfläche oder schallabsorbierende Oberflächen wie frisch gefallener Schnee oder Rindenmulch.

Um den Ton unter Realbedingungen aufzeichnen zu können, nutzte das Team Kunstköpfe mit Ohrmuscheln und Torso. Diese reflektieren den Schall der Wärmepumpen wie beim Menschen und erlauben später im Hörversuch eine gehörrichtige Darstellung der Geräuschaufzeichnungen. Der Abstand von Kunstkopf und Wärmepumpe betrug einen Meter. Auf diese Weise konnte das Team viele verschiedene Geräusche aufnehmen.

Die Probanden beurteilten die aufgenommenen Geräusche dann im "High Performance Indoor Environment Lab" (HiPIE-Labor) des Fraunhofer IBP. Dort herrschen zu jeder Zeit genau dieselben Bedingungen in Akustik, Beleuchtung, Raumklima und Luftqualität. Nacheinander hörten die Probanden 44 Geräusche und ordneten sie im ersten Schritt entsprechend den Fragen "Wie lästig ist das Geräusch?", "Wie laut ist das Geräusch?" und "Wie ausblendbar ist das Geräusch?" auf einer Skala von eins bis zehn ein. In einem zweiten Schritt hörten die Probanden zwei verschiedene Geräusche und setzten diese ins Verhältnis. Ton A > B (A ist lästiger als B), A = B oder A < B.

Unterschiedliche Beurteilung

Die subjektiven Bewertungen aus dem Hörversuch wurden mit den physikalischen und psychoakustischen Parametern der Wärmepumpengeräusche in Zusammenhang gesetzt. So konnten Prognoseformeln entwickelt werden, um künftig aus diesen Parametern die subjektiven Beurteilungen anderer Wärmepumpen vorhersagen zu können, ohne erneut Probanden befragen zu müssen. Mit den entwickelten Formeln konnten 89 Prozent der Varianz der subjektiv empfundenen Lästigkeit und 94 Prozent der Varianz der subjektiv empfundenen Lautstärke erklärt werden.

Konkret wurden Geräusche, hervorgerufen durch den Betriebszustand "Nachtmodus", als weniger lästig beurteilt als die vom Betriebszustand mit maximaler Drehzahl ("Max Speed"). Bei Geräuschen aus dem Betriebszustand "Fan only" hatte die Umdrehungszahl des Ventilators Einfluss auf die Lästigkeitsbewertung, wobei eine höhere Umdrehungszahl als lästiger empfunden wurde.

Buderus entwickelt seine Produkte hinsichtlich der Geräuschentwicklung kontinuierlich weiter und hat im April 2020 eine neue Generation der Luft/Wasser-Wärmepumpe "Logatherm WLW196i..AR S+" auf den Markt gebracht. Diese erreicht eine geringe Schallemission durch ihre "Silent plus"-Technologie ("S+"). Eine schwingungsgedämpfte Montageplatte sowie ein optimierter Kältekreis reduzieren die Geräuschemissionen des Kompressors. Auch die Vibrationen im Kältekreis hat Buderus bei den überarbeiteten Modellen reduziert. Ebenfalls berücksichtigt wurde der optische Schall: Ein erster Versuch zur Psychoakustik hat gezeigt, dass auch die Optik der Wärmepumpe die empfundene Lautheit beeinflusst. Zum Beispiel beurteilt der Mensch den Ton einer Wärmepumpe lauter, wenn er den Ventilator sieht, und leiser, wenn er hinter einer Abdeckung liegt. Aus diesem Grund hat Buderus die Außeneinheit der "WLW196i..AR S+" überarbeitet und mit einem Diffusor versehen. Die neue Geometrie des Ventilators trägt außerdem dazu bei, dass sich der Schall nicht direkt nach vorne, sondern gedämpft entlang des Diffusor-Auslasses ausbreitet.

Fazit

Außer der Optimierung der technischen Parameter für mehr Effizienz ist die Geräuschentwicklung bei Luft/Wasser-Wärmepumpen als umweltschonende Alternative zu konventionellen Methoden der Wärmeerzeugung ein zentrales Thema. Durch den steigenden Einsatz von Luftwärmepumpen, vor allem auf engem Raum, und durch die wachsende Geräusch- und Lärmbelästigung durch mehrere Lärmquellen, werden psychoakustische Untersuchungen zunehmend relevant. Es besteht sonst die Gefahr, für positive Umwelteffekte mit Lärmbelastung zu bezahlen. Buderus entwickelt seine Produkte nicht nur hinsichtlich der tatsächlichen Lautstärke kontinuierlich weiter, sondern berücksichtigt dabei auch die Ergebnisse aus den psychoakustischen Untersuchungen. Aus diesem Grund hat Buderus im Hörversuch mit dem Fraunhofer IBP eine Vorhersageformel für die empfundene Lästigkeit der Wärmepumpengeräusche ermittelt. Auf diese Weise reduziert Buderus die zu erwartende Lästigkeit, um die Akzeptanz und den Einsatz von Luft/Wasser-Wärmepumpen weiter zu stärken.