Wärmepumpen werden leiser

In der Heiztechnik genießen Luft/Wasser-Wärmepumpen heute eine hohe Akzeptanz.

Sie entwickeln sich zu einer wichtigen Säule einer nachhaltigeren Wärmeerzeugung. Gefragt sind effiziente und vor allem auch leise Systeme, die für den Innen-, Außen- oder den Hybrideinsatz geeignet sind, die natürliche Kältemittel nutzen und deren Leistung sich intelligent an die tatsächlichen Gegebenheiten anpasst. Hier kommen Ventilatoren ins Spiel, die nicht nur im Wirkungsgradoptimum sparsam mit geringem Geräusch arbeiten, sondern zusätzlich kommunikativ und intelligent vernetzbar sind. Da Geräuschentwicklung und Leistungsaufnahme des drehzahlgeregelten Verdichterantriebs ebenfalls berücksichtigt werden müssen, sind zudem Inverter-Elektroniken gefragt, die durch eine optimale Kommutierung die Betriebsgeräusche reduzieren und ebenfalls die Energieeffizienz der Wärmepumpe erhöhen.

Der Anspruch an die in Wärmepumpen verbauten Komponenten ist groß: Im Vordergrund stehen Langlebigkeit, Geräuscharmut, Robustheit und Effizienz. Den größten Energiebedarf der Einzelkomponenten fordert zwar der Verdichter, dennoch sollten die Ventilatoren bei der Betrachtung der Effizienz ebenso unter die Lupe genommen werden. Durch verschiedene aerodynamische Anpassungen, wie einen integrierten Diffusor und Winglets, lässt sich die Effizienz weiter steigern und gleichzeitig das Geräusch reduzieren. Der Einsatz modernster EC-Technologie im Motor des Ventilators ist aufgrund der hohen Wirkungsgrade mittlerweile alternativlos und ermöglicht eine große Flexibilität durch individuelle Drehzahlanpassung. Dabei geht die Entwicklung kontinuierlich weiter.

Der Motoren- und Ventilatorenspezialist ebm-papst, der für innen oder außen arbeitende Luft/Wasser-Wärmepumpen sowohl Radial- als auch Axialventilatoren in unterschiedlichen Ausführungen anbietet, hat jetzt für den besonders lärmsensiblen Außenbereich gleich zwei neue Ventilatorbaureihen entwickelt. Beide eignen sich für den Einsatz mit natürlichen und brennbaren Kältemitteln und sind aufgrund ihrer speziellen Auslegung besonders leise. Die Wärmepumpen werden so nicht zum Störfaktor und fügen sich gut in die Umgebung ein. Während sich der „AxiEco Plug-in“ für Wärmepumpen eignet, die eine große Druckreserve am Verdampfer verlangen, ist der „AxiTone“ eher darauf ausgelegt, bei geringerem Gegendruck höhere Volumenströme zu liefern, wenn die Auslegung der Wärmepumpe dies erfordert.

Axialventilator mit großer Druckreserve

Vor allem den Verdampfern setzt die Vereisung zu, wenn sich Luftfeuchtigkeit bei kalten Umgebungstemperaturen am Wärmeübertrager als Eis niederschlägt. Dadurch verengen sich die Luftwege und der Luftwiderstand und damit der Gegendruck nehmen zu. Ventilatoren müssen dann deutlich mehr Druckreserven bieten. Hier kann der neue „AxiEco Plug-in“ punkten (Abb. 2). Untersuchungen haben gezeigt, dass seine Strömungstechnologie zum einen die Vereisung reduziert, zum anderen verringert sich bei steigendem Druck der Volumenstrom nur sehr gering. Das ist auch bei Wärmepumpen, die im Winter heizen und im Sommer kühlen ein Vorteil, da die Arbeitspunkte dann je nach Betrieb variieren.

Der Ventilator, den es in den für Wärmepumpen bei Ein- oder Zwei-Familienhäusern typischen Baugrößen 450, 500 und 630 ab Sommer 2023 geben wird, wurde zudem mit einem Vorleitgitter ausgestattet. Dieses „FlowGrid“, das als Gleichrichter für die Luftströmung wirkt, reduziert geräuscherzeugende Störungen im Luftstrom drastisch. Dadurch nimmt der Schalldruck im gesamten Frequenzbereich ab, insbesondere auch der störende Drehklang, also das unangenehme „Brummen“ im niedrigen Frequenzbereich (Abb. 3). Gleichzeitig dient das Vorleitgitter als Motoraufhängung und bei Bedarf kann der Gerätehersteller ein Heizband einlegen.

Dabei wiegt der neue Axialventilator 30 Prozent weniger als die vergleichbare „HyBlade“-Ausführung mit Stahlwandring. Bei der Installation muss also mit deutlich weniger Gewicht hantiert werden und durch die kompakten Abmessungen lässt sich oft das Design des Endgeräts optimieren. Die „AxiEco Plug-in“-Ventilatoren werden als einbaufertige „Plug & Play“-Lösung inklusive Düsenplatte und „FlowGrid“ geliefert.

Leiser Ventilator mit drei Flügeln

Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen, bei denen aufgrund ihrer Auslegung hoher Gegendruck eher die Ausnahme ist, bietet sich der dreiflügelige „AxiTone“ an, der zunächst in der Baugröße 450 mm und dann später in den Baugrößen 500 und 630 mm zur Verfügung stehen wird (Abb. 4). Seine Kennlinie verläuft flacher, er liefert große Luftmengen und wie der Name schon vermuten lässt: er arbeitet besonders leise (Abb. 5). Zu beidem trägt die nach strömungstechnischen Kriterien optimierte Schaufelgeometrie bei. Die große Fläche und die steile Stellung sorgen für hohen Volumenstrom, die Sichelung reduziert Verwirbelungen und damit die Geräuschentwicklung.

Neu sind auch „Serrations“ an der Schaufelvorderkante, die sich ebenfalls positiv auf das Geräuschverhalten auswirken, indem sie tonale Anteile im Geräusch minimieren. Verflüssiger in Wohngebieten, bei denen besonders auf minimale Geräuschemissionen zu achten ist, profitieren deshalb auch von diesem leisen Axialventilator. Der „AxiTone“ wird als einbaufertige Motor-Laufrad-Kombination in beiden Förderrichtungen, also saugend oder drückend, und optional mit Schutzgitter und Tragring angeboten. Er eignet sich ebenso für Applikationen mit brennbaren Kältemitteln.

Inverter-Elektronik für effiziente und geräuscharme Verdichterantriebe

Mittlerweile konzentriert sich ebm-papst nicht nur darauf, effiziente und leise Ventilatoren anzubieten. Aufgrund der langjährigen Erfahrung mit EC-Motoren, deren Kommutierungselektronik und Wärmepumpenanwendungen wurde jetzt eine Inverter-Elektronik entwickelt, die sich unter anderem für drehzahlgeregelte permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PSM) eignet, wie sie typischerweise in Verdichtern eingesetzt sind (Abb. 6).

Die neue Elektronik, deren Muster ab Q3/2023 erhältlich sein werden und die es mit Ausgangsleistungen bis 3,5 kW, 7,5 kW und 12 kW geben wird, bietet hier gleich mehrere Vorteile. So reduziert das über Jahrzehnte hinweg optimierte ebm-papst-Kommutierungsverfahren die Geräuschentwicklung beachtlich; gleichzeitig erhöht sich die Effizienz. Dadurch ließ sich beispielsweise bei einer Wärmepumpe mit einem 7,5-kW-Verdichterantrieb der COP um 3,5 Prozent steigern.

Für den Anwender bedeutet dies bei einem angenommenen Strompreis von 35 Cent pro Kilowattstunde eine jährliche Einsparung von um die 70 Euro. Außerdem „erkennen“ die Ansteuerungen je nach Variante, ob sie ein- oder dreiphasig betrieben werden und schalten automatisch um, je nachdem welche Spannungsform in der Wärmepumpe zur Verfügung steht. Ebenfalls flexibel zeigt sich die Elektronik im Hinblick auf ihre Kühlung. Wasser- und Luftkühlung sind durch den modularen Aufbau genauso möglich wie eine Cold-Plate-Anbindung.

Die in die Inverter-Elektronik integrierte aktive dreiphasige PFC-Stufe (Leistungsfaktor-Korrektur-Filter) sorgt für gute EMV-Eigenschaften. Zusätzliche Maßnahmen zum Einhalten der Normen bezüglich Stromoberwellen sind nicht erforderlich. Bedenkt man, dass entsprechende konventionelle Drosselpakete, je nach Größe der Wärmepumpe, durchaus um die 20 kg wiegen können, ist die Gewichtseinsparung und der reduzierte Verdrahtungsaufwand durch die Aktiv-PFC beachtlich.

Das geringere Gewicht der Wärmepumpe vereinfacht ihr komplettes Handling, angefangen von der Fertigung über den Transport bis hin zur Aufstellung. Als kompetenter Partner für Wärmepumpenhersteller plant ebm-papst schon die nächsten Schritte zum Systemanbieter. So sollen zukünftig weitere Komponenten in die Inverter-Elektronik integriert werden, zum Beispiel die Kommutierung für den Ventilatorantrieb und die Ansteuerung eines Heizstabs.

[Marcel Rössler, Patrick Stern]