Wärmepumpe Auslegung: eine Inverter-Wärmepumpe wird auf halbe Leistung ausgelegt
Erster Tipp: der Abstand zwischen den Lamellen. Zweiter: wann die Maschine abtaut. Die dritte Frage vor dem Kauf lautet, wie groß die Wärmepumpe im Verhältnis zum Gebäude ist. Sie klingt wie die einfachste Frage, und bei ihr passieren die meisten Fehler, weil eine Inverter-Wärmepumpe nicht wie ein Heizkessel ausgewählt wird.
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Die Höchstleistung wird am kältesten Tag der Region festgelegt
Jeder Ort hat eine Normaußentemperatur: die tiefste Temperatur, mit der die Anlage berechnet wird. In Italien legt sie eine Norm Provinz für Provinz fest: in den Alpentälern bis -15 Grad, in der Poebene um -5, im Süden und an den Küsten gegen +2. Jede Region hat ihre Zahl, und der Heizungsplaner kennt sie. Die europäische Wärmepumpennorm rechnet genauso mit drei Klimazonen: kalt, Referenz Helsinki, -22 Grad; mittel, Straßburg, -10; warm, Athen, +2. Bei dieser Temperatur muss die Maschine den gesamten Bedarf des Gebäudes mit voller Leistung decken. Nicht früher: Eine Maschine, die schon bei null Grad auf Volllast läuft, ist für diese Region zu klein.
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Den Rest des Winters läuft sie auf halber Leistung
Der Auslegungstag kommt an wenigen Tagen im Jahr. Die meisten Winterstunden liegen im Flachland zwischen 2 und 10 Grad, oft mit Sonne: Das Gebäude verlangt die Hälfte der Wärme oder weniger. Eine Inverter-Wärmepumpe schaltet nicht ein und aus wie ein Kessel: Sie senkt die Drehzahl des Verdichters und folgt dem Bedarf. Richtig ausgelegt, verbringt sie den größten Teil des Winters um die halbe Leistung, und in der Übergangszeit geht sie auf das Minimum, ohne anzuhalten. So vermeidet man das ständige Ein- und Ausschalten.
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Der Inverter: Warum der aus Siliziumkarbid mehr leistet
Der Inverter ist das Teil, das den Netzstrom in den Strom mit veränderlicher Frequenz verwandelt, der den Verdichter mit der richtigen Drehzahl laufen lässt. Dazu schaltet er Leistungstransistoren tausende Male pro Sekunde ein und aus. Jedes Mal, wenn ein Transistor schaltet, und in jedem Augenblick, in dem er leitet, wird ein Teil des Stroms zu Wärme, statt beim Motor anzukommen. Diese Wärme ist bezahlte und verlorene Energie, und sie muss auch von der Elektronik weggeführt werden, sonst erwärmen sich die Bauteile und verschleißen.
Jahrelang waren die Transistoren der Inverter IGBTs aus Silizium. Sie sind robust und günstig, haben aber zwei Grenzen. Wenn sie leiten, haben sie eine feste Spannungsschwelle, die auch bei kleinem Strom bezahlt wird: Gerade bei halber Leistung, wo die Wärmepumpe fast den ganzen Winter verbringt, wiegt diese Schwelle anteilig mehr. Und sie schalten langsam, erwärmen sich also bei jedem Übergang und lassen sich nicht schnell betreiben.
Transistoren aus Siliziumkarbid (SiC) haben keine feste Schwelle: Sie verhalten sich wie ein sehr kleiner Widerstand, und bei kleinem Strom verlieren sie sehr wenig. Und sie schalten in einem Bruchteil der Zeit, mit einem Bruchteil der Wärme. Weniger Wärmeverlust bedeutet drei praktische Dinge. Mehr Energie für den Verdichter bei gleichen kWh vom Zähler, also höherer COP, vor allem bei Teillast. Eine Elektronik, die kühler arbeitet, und ein elektronisches Bauteil, das kühl arbeitet, hält länger. Und die Möglichkeit, schneller zu schalten, was dem Motor einen saubereren Strom gibt, mit weniger Verlusten und weniger Geräusch im Verdichter.
Die wenige Wärme, die bleibt, braucht in unseren Maschinen keinen eigenen Lüfter: Der Kühlkörper des Inverters sitzt im Raum des Wärmetauschers, im Luftstrom des Ventilators der Maschine, der ihn kühlt, während er seine normale Arbeit macht. Kein geschlossener Schaltschrank, kein kleiner Lüfter, der Strom verbraucht und ausfällt. Bei unseren Wohnhausgeräten ist der Inverter aus Siliziumkarbid.
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Halbe Leistung ist der Punkt des besten Wirkungsgrads
Bei halber Leistung dreht der Verdichter langsam, und die Wärmetauscher sind groß im Verhältnis zur Wärme, die sie bewegen müssen: Der Außentauscher kühlt wenig ab, der Innentauscher erwärmt sich wenig, der Verdichter arbeitet mit dem kleinstmöglichen Temperaturhub. Das ist der Punkt des höchsten Wirkungsgrads. Bei Volllast sinkt er, am Minimum ebenfalls. Hier kommt der erste Tipp zurück: Was bei unseren Maschinen doppelt so groß ist wie bei einer Importmaschine, ist der Wärmetauscher, nicht der Verdichter. Der Verdichter ist der richtige für die Last; der große Wärmetauscher erlaubt ihm kleine Temperaturdifferenzen. Unter diesen Bedingungen arbeiten unsere Maschinen mit COP-Werten, wie sie für Erdwärmepumpen typisch sind, obwohl sie die Wärme aus der Luft holen.
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Zu klein, zu groß
Eine zu kleine Maschine läuft immer auf Volllast: Sie verbraucht mehr, weil sie ständig im ungünstigsten Punkt arbeitet, sie kühlt den Außentauscher stärker ab, bildet also mehr Reif und taut öfter ab, und an kalten Tagen erreicht sie die Temperatur nicht. Eine zu große Maschine macht das Gegenteil: Sie läuft immer am Minimum und schaltet, wenn selbst das Minimum zu viel ist, ständig aus und wieder ein. Jeder Start kostet den Verdichter mehr als Stunden gleichmäßigen Betriebs: Die Lebensdauer eines Verdichters wird in Start-Stopp-Zyklen gezählt, so wie bei einem Auto die Kilometer zählen, aber auch die Kaltstarts. Die richtige Größe gibt es nur einmal: die, die am Auslegungstag der Region auf Volllast läuft und den Rest des Winters auf halber Leistung.
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Das ist Arbeit für den Heizungsplaner
Die Auslegung beginnt mit der Heizlast des Gebäudes: Verluste über Wände, Dach und Fenster, Luftwechsel, Normaußentemperatur des Orts. Bei einer Halle rechnet man die Größenordnung der Spitzenlast in Watt pro Kubikmeter, nicht pro Quadratmeter, weil eine sieben Meter hohe Halle bei gleicher Grundfläche das Dreifache an Luft enthält: von 10-15 W/m³ für ein neues oder saniertes Gebäude mit dicken Paneelen über 18-25 für eines aus den Jahren 2000 bis 2015 bis zu 30-45 für einen Fertigbau der 80er und 90er ohne Dämmung; etwas mehr, wenn die Tore oft offen stehen oder kein Destratifikator die warme Luft nach unten drückt. Das ist nur die erste Schätzung: Die Maschine wird dann nach ihren Leistungstabellen bei der Normaußentemperatur ausgewählt. Das macht man nicht nach Augenmaß, nicht „eine Nummer größer zur Sicherheit“, und die Leistung des alten Kessels ist kein Maßstab. Ein Heizungsplaner braucht dafür ein paar Stunden und übernimmt die Verantwortung für die Berechnung: Es ist der Teil der Anlage, der am wenigsten kostet und den Verbrauch der nächsten zwanzig Jahre entscheidet.
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Wie man es vor dem Kauf prüft
- die Heizlastberechnung verlangen, mit der Normaußentemperatur des Orts darauf;
- fragen, mit welchem Anteil der Höchstleistung die Maschine bei 7 Grad Außentemperatur läuft, dem häufigsten Winterzustand: Die richtige Antwort liegt um die Hälfte;
- nach der kleinsten Leistung fragen, auf die die Maschine herunterregeln kann, ohne anzuhalten.
Die technischen Datenblätter unserer Luft-Wasser-Wärmepumpen und der Kita Air für Hallen enthalten die Leistung bei den verschiedenen Außentemperaturen.
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Häufige Fragen
Wie wird eine Inverter-Wärmepumpe ausgelegt?
Auf die Norm-Außentemperatur der Region: Bei dieser Temperatur muss sie den ganzen Bedarf mit voller Leistung decken und den Rest des Winters mit etwa halber Leistung laufen.
Warum verbraucht eine zu große Wärmepumpe mehr?
Sie läuft immer im Minimum und taktet, wenn selbst das Minimum zu viel ist, ständig ein und aus. Jeder Start kostet den Verdichter mehr als Stunden gleichmäßigen Betriebs.
Mit welcher Leistung läuft eine Wärmepumpe den größten Teil des Winters?
Richtig ausgelegt mit etwa halber Leistung: Im Flachland liegen die meisten Winterstunden zwischen 2 und 10 °C. Bei halber Leistung sind die Wärmetauscher groß im Verhältnis zur Wärme, und dort arbeitet die Maschine am effizientesten.
Was ändert ein Siliziumkarbid-Inverter?
Er verliert weniger Energie als Wärme, vor allem im Teillastbetrieb: Mehr Energie kommt beim Verdichter an, der COP steigt, und die Elektronik bleibt kühler und hält länger. Unsere Wärmepumpen für Wohngebäude haben einen Siliziumkarbid-Inverter.
Siehe auch: Fußbodenheizung kühlen mit Wärmepumpe: Taupunkt, Thermostate und Steuerung der ganzen Anlage · Heizleistung der Wärmepumpe: Nennleistung und Nutzleistung, wie viel sie bei Kälte heizt · Wie viel Strom verbraucht eine Wärmepumpe: pro Tag, pro Jahr und je Größe, mit den Zahlen der Datenblätter · COP der Wärmepumpe: Was er ist, wie er gemessen wird und warum er im Nebel nicht mehr derselbe ist · Wärmepumpe Wartung und Lebensdauer: was zu tun ist, wie oft und was Pflicht ist · Wärmepumpe im Winter: Wie gut arbeitet sie bei Minusgraden, bis -20 und -25 °C? · Wärmepumpe Installation: Aufstellort, was man braucht und wie sie eingebaut wird, Schritt für Schritt · Wärmepumpe Lebensdauer: wie lange sie hält, was verschleißt und was sie länger leben lässt
Nächster Tipp: Warum eine Wärmepumpe kein Heizkessel ist und ohne Unterbrechung laufen muss, und was HCC ist: hier lesen.
