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Verdichter und Kompressoren in Wärmepumpen

Welche Kompressorentechnik kommt in Wärmepumpen zum Einsatz?

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Technik des Wärmepumpenverdichters

Kältemittel-Verdichter auf Butanbasis in einem Kühlschrank (Foto: energie-experten.org)
Kältemittel-Verdichter auf Butanbasis in einem Kühlschrank (Foto: energie-experten.org)

Wurde das Kältemittel im Verdampfer vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übertragen, so wird dieses vom Verdichter (Kompressor) angesaugt und auf den Druck komprimiert, der zur Verflüssigung des Kältemittels notwendig ist. Während der elektrisch angetriebene Verdichter das dampfförmige Kältemittel von einem niedrigen Anfangsdruck zu einem hohen Enddruck verdichtet, erhöht sich dessen Temperatur. Der Kompressor verdichtet das Kältemittel so lange, bis das gewünschte Temperaturniveau zur Erhitzung des Brauch- und Heizwassers erreicht ist. Dabei nimmt jedoch auch der Stromverbrauch des Verdichters ab einer Heiztemperatur von etwa 50°C deutlich zu.

Verdichtertypen und -bauarten in Wärmepumpen

Scroll-Verdichter von Copeland - einer der weltweit größten Hersteller von Kompressoren für Wärmepumpen (Foto: energie-experten.org)
Scroll-Verdichter von Copeland - einer der weltweit größten Hersteller von Kompressoren für Wärmepumpen (Foto: energie-experten.org)

Zur Verdichtung des Kältemittels werden die unterschiedlichsten Verdichterkonstruktionen bzw. Kompressortechniken eingesetzt, wobei je nach Anwendungsbereich und Nutzungsart jede Verdichter-Bauart gewisse Vor- und Nachteile aufweist. Folgende Kompressortypen und -bauarten werden in der Wärmepumpen- und Kälteanlagentechnik eingesetzt:

  • Hubkolbenverdichter
  • Spiralverdichter / Scroll-Verdichter
  • Schraubenverdichter
  • Turbo-Verdichter
  • Flügelzellenverdichter
  • Rollkolbenverdichter
  • Drehkolbenverdichter

Vor- und Nachteile von Verdichtern in Wärmepumpen

In der Praxis werden in Wärmepumpenanlagen drei unterschiedliche Verdichterbauarten eingesetzt:

  • In Hubkolbenverdichtern saugt ein sich hin- und herbewegender Kolben das Kältemittelgas durch ein Ansaugventil an, wenn dieser sich in einem Zylinder nach unten bewegt, und verdichtet das angesaugte Gas, wenn er sich wieder nach oben bewegt. Das Ansaugventil im Hubkolbenverdichter ist während des Verdichtungsvorgangs geschlossen, und das Druckventil öffnet, wenn der Druck im Zylinder den Druck auf der Hochdruckseite des Verdichters überschreitet.
  • Rollkolbenverdichter werden vielfach in Luft/Luft-Wärmepumpen eingesetzt. Dabei komprimieren eine Exzenterwelle und ein radial umlaufender Rollkolben das Gas im Gehäuse. Rollkolbenverdichter haben im Allgemeinen eine höhere Leistungszahl als Hubkolbenverdichter mit gleicher Leistung.
  • Scrollverdichter (Spiralverdichter) sind die am häufigsten in Wärmepumpen eingesetzten Verdichtertypen. Dabei verdichten zwei sich ineinander bewegende Spiralen das Kältemittel und fördern es fort. Scrollverdichter haben weniger bewegliche Teile und damit eine längere Nutzungsdauer als andere Verdichterarten. Dazu sind Scrollverdichter im Vergleich zu anderen Verdichtertypen relativ leise und anders als Hubkolbenverdichter relativ unempfindlich gegenüber Flüssigkeitströpfchen (Flüssigkeitsschläge), die in den Verdichter gelangen.

Bauformen von Wärmepumpen-Kompressoren

Je nach Anwendungsfall und Einsatzbedingungen kommen drei unterschiedliche Bauformen an Verdichtern zum Einsatz:

  • In offenen Verdichtern sind Motor und Kompressor voneinander getrennt. Die Antriebswelle des Verdichters wird dabei gasdicht aus dem Gehäuse geführt und mit dem Antriebsmotor direkt gekuppelt oder über einen Keilriemen verbunden. Bei offenen Verdichtern kommen sowohl Elektro- als auch Verbrennungsmotoren wie z. B. in Gaswärmepumpen zum Einsatz.
  • In halbhermetischen Verdichtern bilden der Antriebsmotor und Kompressor eine Einheit. Die Antriebswelle ist dabei innerhalb des Gehäuses mit dem Motor verbunden. Zur Kühlung des Elektromotors wird dann das angesaugte Kältemittelgas (Sauggaskühlung), Luft oder Wasser eingesetzt.
  • Motor und Verdichter bilden in hermetischen Verdichtern ebenfalls eine Einheit, jedoch sind hermetische Verdichter im Gegensatz zu halbhermetischen Kompressoren in einem vollverschweißten Gehäuse installiert. Dies hat bei einem Defekt jedoch den Nachteil, dass dann der komplette Verdichter ersetzt werden muss.

Die in Wärmepumpen eingesetzten Hubkolben-, Rohrkolben- und Scroll-Verdichter sind häufig "hermetisch geschlossen" ausgeführt. Dadurch wird verhindert, dass Kältemittel durch eine Verbindung oder Dichtung austreten und in die Außenluft gelangen kann.

Strom- und gasmotorisch betriebene Verdichter

Verdichter in Wärmepumpen werden in den meisten Fällen durch einen elektrischen Motor betrieben. Die Stromproduktion und der Transport über Höchst-, Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetze sind jedoch mit Wirkungsgradverlusten der eingesetzten Primärenergie verbunden. Wird der strombetriebene Verdichterantrieb durch einen gasmotorischen Antrieb (Gaswärmepumpe) ersetzt, kann der überwiegende Teil dieser sonst verlorenen Umwandlungsverluste im Wärmepumpenbetrieb zur Wärmeversorgung genutzt werden. Dies trifft allerdings nicht zu, wenn die Wärmepumpe bzw. der Verdichter in einer Kälteanlage zur Kühlung eingesetzt wird.

Defekte und Reparaturkosten von Wärmepumpen-Verdichtern

Weltweit gibt es nur wenige große Kompressorenhersteller, die Verdichter für alle Arten von Kältemaschinen, Klimaanlagen, Kühlschränken und Wärmepumpen herstellen. Daher verwenden auch die allermeisten Wärmepumpenhersteller diese Verdichtermodelle aus Massenproduktion und die Kosten eines neuen Wärmepumpenverdichters sind im Falle einer Reparatur relativ günstig. Allerdings kann die Montage eines neuen Verdichters nur von einem zugelassenen Kältetechniker vorgenommen werden, was eine Reparatur wiederum verteuert. Daher bieten auch einzelne Hersteller eine verlängerte Garantie nur auf den Verdichter selbst und nicht auf den Austausch des Verdichters an. In aller Regel treten Defekte an Verdichtern jedoch relativ selten auf. Sollte ein Verdichter doch kaputt gehen, so tritt dies meistens in den ersten Monaten der Heizbetriebs auf. Der Verdichter selbst ist dann vielfach bereits beim werksseitigen Einbau nicht voll funktionstüchtig gewesen und eine Reparatur fällt dann noch in die Gewährleistungsphase des Wärmepumpenherstellers.

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"Verdichter der Wärmepumpe" wurde am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.