Richtige Kombi aus Motorschutz-/ Steuerungstechnik und Kältemittel
Effizienter und sicherer Betrieb von Wärmepumpen
Knapper werdende Ressourcen und der rasant voranschreitende Klimawandel begünstigen technische Lösungen, die Wärme und Kälte wirtschaftlicher und nachhaltiger erzeugen als Systeme, die auf fossilen Brennstoffen basieren. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Wärmepumpentechnologie, die zum Heizen oder Kühlen überwiegend Umweltenergie nutzt. Um Wirkungsgrade von weit über 100 Prozent zu erzielen und gleichzeitig einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, gilt es im Einklang mit den geltenden Normen das richtige Kältemittel mit hocheffizienter Motorschutz- und Steuerungstechnik zu kombinieren.
Bild: ©PETR BABKIN/stock.adobe.comWie effizient Wärmepumpen tatsächlich sind, zeigen dabei die Ergebnisse einer aktuellen Studie europäischer Energieexperten des Regulatory Assistance Project (RAP).
Bild: ABB
Kältemittel mit geringem Siedepunkt sorgen für hohe Energieausbeute
Verantwortlich für diesen hohen Wirkungsgrad ist unter anderem das Kältemittel. Dabei handelt es sich um eine Flüssigkeit, die aufgrund ihres geringen Siedepunkts bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. Die aus der Umwelt mittels Pumpe entzogene Umgebungswärme reicht dazu bereits aus und ein nachgeschalteter Kompressor verdichtet das so entstandene Gas zusätzlich, um noch höhere Temperaturen zu erreichen, die dann in einen Heizkreislauf abgegeben werden. Je geringer das Kältemittel komprimiert werden muss, desto niedriger ist der Stromverbrauch der Wärmepumpe, was sich entsprechend positiv auf die zu investierenden Energiekosten auswirkt.
Bild: ABBHöhere Drücke moderner Kältemittel beanspruchen mechanische Bauteile
Im Zuge des umweltbedingten Banns FCKW-haltiger Kältemittel hat sich in diesem Zusammenhang jedoch eine bedeutende Veränderung ergeben, die mit zusätzlichen technischen Herausforderungen verbunden ist. Reichte bei den FCKW-basierten Kältemitteln ein Druck von 6 bis 12 bar, um die gewünschte Temperatur zu erreichen, liegen die erforderlichen Drücke bei heutigen Kältemitteln wie R123a mit einem Verdampfungsdruck von 3 bis 4 bar beziehungsweise einem Kondensationsdruck von 16 bis 18 bar deutlich über diesen Werten, was zu einer höheren Belastung der Mechanik führt. Um eine beschleunigte Abnutzung zu vermeiden, empfiehlt sich daher der Einsatz von ABB Motorschutz und -steuerungstechnik, wie Sanftanlasser für Kompressoren oder Schütze für Heizungssteuerung, sowie moderne ABB Cylon Steuereinheiten, die mit hohen Abfragequoten präzise Messergebnisse liefern und damit eine hocheffiziente Regelung des Expansionsventils ermöglichen.
Bild: ABB Stotz-Kontakt GmbHElektromechanische Schutz- und Steuerprodukte dürfen nicht zur Zündquelle werden!
Es gibt verschiedene Arten von Kältemitteln, und jede Art hat ihre eigenen Eigenschaften, die nicht nur ihre Effizienz beeinflussen können, sondern auch auf unterschiedliche Weise mit Umwelt und Technik interagieren. Gemäß den ASHRAE-Sicherheitsstufen (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) sowie im Einklang mit den Normen ISO 817 und DIN EN 378 werden Kühlmittel daher hinsichtlich ihrer Entflammbarkeit und Toxizität eingeteilt. Moderne Kältemittel der Sicherheitsstufe A2L weisen eine schwache Entflammbarkeit, geringe Toxizität und ein niedriges Treibhauspotenzial auf. Aufgrund dieser Eigenschaften bieten sie einen Ersatz für ältere Kältemittel auf Basis teilhalogenierter Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW / H-FCKW) und sind dabei sogar energieeffizienter. Laut der internationalen Norm IEC 60335-2-40 muss allerdings auch bei Verwendung von A2L-Kühlmitteln mit niedriger Entflammbarkeit sichergestellt sein, dass die Motorschutz und -steuergeräte in Klimageräten, Luftentfeuchtern und Wärmepumpen nicht zur Zündquelle werden. Als zukunftssicheres Kältemittel wird beispielsweise R290 gehandelt, dass in Wärmepumpen Vorlauftemperaturen bis 75 Grad Celsius ermöglicht und im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) förderfähig ist, da es natürlichen Ursprungs ist und ein besonders niedriges Global Warming Potenzial (GWP) aufweist. Hinter R290 steckt Propan, das aufgrund seiner leichten Entzündlichkeit zur Sicherheitsgruppe A3 zählt und bei der Installation die Einhaltung besonderer Schutzbereiche und einen hohen Überwachungsgrad erfordert. Ob sich ein Kältemittel tatsächlich für den sicheren Betrieb im Consumer-Bereich eignet, muss somit stets sorgfältig abgewogen werden. In die A2L-Kategorie fallen die Kühlmittel R32, R454A, R454C, R455A, R1234yf, R1234ze. Die in der Grafik gelisteten Motorschutz- und -steuergeräte von ABB erfüllen diese strengen Vorgaben vollumfänglich.
Softstarter-Technologie erhöht Lebensdauer von Kompressoren und reduziert Einschaltstromspitzen
Da der Stromverbrauch einer Wärmepumpe hauptsächlich im Verdichter erfolgt, kommt es darauf an, möglichst effiziente Lösungen einzusetzen. Durchgesetzt haben sich hier sogenannte Scrollverdichter, bei denen zwei ineinander verkämmten Spiralen das gasförmige Kältemittel durch gegenläufige Bewegung komprimieren. Neben einer kontinuierlichen Abgabe des Gases bei gleichbleibend hohem Druck erweist sich diese Bauweise auch als effizienter und leiser als andere Lösungen. Wie bei allen Kompressoren, die durch Drehstrommotoren angetrieben werden, kann es jedoch infolge von Drehmoment- und Stromspitzen zu Beschädigungen kommen. So können etwa bei direktem Einschalten infolge des Anlaufs Einschwingvorgänge von Spannung oder Strom auftreten, die das lokale Versorgungsnetz überlasten oder angeschlossene elektrische Geräte stören. Ebenso wächst durch die häufige Abfolge abrupter Start- oder Stopp-Vorgänge die Gefahr eines Auftretens mechanischer Beschädigungen, die sich über die gesamte Antriebskette erstrecken können. Hinzu kommen Vorgaben von Energieversorgungsunternehmen, dass Stromspitzen im Netz möglichst vermieden werden sollten. Um diese Probleme zu vermeiden, empfiehlt sich in Kombination mit einem Motorschutzschalter MS132 für thermischen und elektromagnetischen Schutz der Einsatz eines PSR oder PSRC Softstarters. Der PSRC wurde speziell für die Anforderungen von Scrollkompressoren entwickelt und sorgt bei kurzen Anlaufzeiten für einen sanften Anlauf, Strombegrenzung und eine lange Lebensdauer des Kompressors. Produkteinstellungen sind nicht notwendig, da ab Werk die Parametrierung vorgenommen wurde. Die Start- und Stoppzeit sowie Initialspannung lässt sich mit dem PSR einstellen.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Die Funktionsweise einer Wärmepumpe basiert darauf, dass sie die vorhandene Wärme aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser nutzt. Dabei besteht sie aus einem geschlossenen Kreislaufsystem, das ein Kältemittel enthält und ähnlich wie ein Kühlschrank agiert.
Zuerst wird das Kältemittel in einem Verdampfer bei niedriger Temperatur verdampft, wodurch es die Wärme aus der Umgebung (Luft, Erdreich oder Wasser) aufnimmt. Anschließend wird das dampfförmige Kältemittel durch einen Kompressor auf höhere Temperatur und Druck gebracht, woraufhin es wieder verflüssigt wird. Dabei wird die aufgenommene Wärme an das Heizsystem abgegeben.
Strom wird für den Betrieb benötigt, jedoch wird dieser nicht direkt zum Aufheizen genutzt. Dadurch wird mehr Wärmeenergie erzeugt, als elektrische Energie aufgewendet wurde. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch den sogenannten Coefficient of Performance (COP) gemessen, der das Verhältnis von abgegebener Wärme zur eingesetzten elektrischen Energie angibt. Eine Wärmepumpe mit einem COP von 4 gibt also für jede eingesetzte Einheit elektrischer Energie vier Einheiten Wärme ab.
Die Funktionsweise einer Wärmepumpe basiert darauf, dass sie die vorhandene Wärme aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser nutzt. Dabei besteht sie aus einem geschlossenen Kreislaufsystem, das ein Kältemittel enthält und ähnlich wie ein Kühlschrank agiert.
Zuerst wird das Kältemittel in einem Verdampfer bei niedriger Temperatur verdampft, wodurch es die Wärme aus der Umgebung (Luft, Erdreich oder Wasser) aufnimmt. Anschließend wird das dampfförmige Kältemittel durch einen Kompressor auf höhere Temperatur und Druck gebracht, woraufhin es wieder verflüssigt wird. Dabei wird die aufgenommene Wärme an das Heizsystem abgegeben.
Strom wird für den Betrieb benötigt, jedoch wird dieser nicht direkt zum Aufheizen genutzt. Dadurch wird mehr Wärmeenergie erzeugt, als elektrische Energie aufgewendet wurde. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch den sogenannten Coefficient of Performance (COP) gemessen, der das Verhältnis von abgegebener Wärme zur eingesetzten elektrischen Energie angibt. Eine Wärmepumpe mit einem COP von 4 gibt also für jede eingesetzte Einheit elektrischer Energie vier Einheiten Wärme ab.
Knapper werdende Ressourcen und der rasant voranschreitende Klimawandel begünstigen technische Lösungen, die Wärme und Kälte wirtschaftlicher und nachhaltiger erzeugen als Systeme, die auf fossilen Brennstoffen basieren. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Wärmepumpentechnologie, die zum Heizen oder Kühlen überwiegend Umweltenergie nutzt. Um Wirkungsgrade von weit über 100 Prozent zu erzielen und gleichzeitig einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, gilt es im Einklang mit den geltenden Normen das richtige Kältemittel mit hocheffizienter Motorschutz- und Steuerungstechnik zu kombinieren.
Bild: ©PETR BABKIN/stock.adobe.comWie effizient Wärmepumpen tatsächlich sind, zeigen dabei die Ergebnisse einer aktuellen Studie europäischer Energieexperten des Regulatory Assistance Project (RAP).Bild: ABB
Kältemittel mit geringem Siedepunkt sorgen für hohe Energieausbeute
Verantwortlich für diesen hohen Wirkungsgrad ist unter anderem das Kältemittel. Dabei handelt es sich um eine Flüssigkeit, die aufgrund ihres geringen Siedepunkts bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. Die aus der Umwelt mittels Pumpe entzogene Umgebungswärme reicht dazu bereits aus und ein nachgeschalteter Kompressor verdichtet das so entstandene Gas zusätzlich, um noch höhere Temperaturen zu erreichen, die dann in einen Heizkreislauf abgegeben werden. Je geringer das Kältemittel komprimiert werden muss, desto niedriger ist der Stromverbrauch der Wärmepumpe, was sich entsprechend positiv auf die zu investierenden Energiekosten auswirkt.
ABB Stotz-Kontakt GmbH
Dieser Artikel erschien in SCHALTSCHRANKBAU 3 (Mai) 2025 - 15.05.25.Für weitere Artikel besuchen Sie www.schaltschrankbau-magazin.de
