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Inverter-Wärmepumpen: Prinzip, Technik und Typen im Überblick

Was sind Inverter-Wärmepumpen? Wie funktioniert die Leistungsregelung mit einem Inverter? Wann lohnt sich der Einsatz der Inverter-Technik?

Inverter dienen in Wärmepumpen zur stufenlosen Leistungsregelung je nach Heizwärmebedarf. Über die Variation der Wechselstromfrequenz dreht sich der Kompressor-Motor schneller oder langsamer. Dadurch arbeiten leistungsgeregelte Wärmepumpen immer am optimalen Betriebspunkt und produzieren zu jedem Zeitpunkt genau so viel Wärme wie benötigt wird.

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Inverter-Technik in Wärmepumpenheizungen

Inverter-Wärmepumpen basieren auf einer Technologie, die vornehmlich bei Klimaanlagen eingesetzt wurde und seit ein paar Jahren - Toshiba war das erste Unternehmen, welches 1981 bereits Verdichter serienmäßig mit Invertern eingesetzt hat - vermehrt auch für das effiziente Heizen mit Wärmepumpen genutzt wird. Das Inverter-Prinzip beruht darauf, dass die Arbeitsleistung des Wärmepumpen-Kompressors durch einen Frequenzumrichter ("Inverter") gesteuert wird. Diese Betriebsweise wird auch Modulation bzw. die entsprechenden Wärmepumpen modulierende Wärmepumpen genannt.

Herkömmliche Wärmepumpen ohne Frequenzregelung beziehungsweise Inverter schalten sich bei Wärmebedarf ein und laufen unter Volllast. Ist die Anforderung erreicht bzw. die gewünschte Wärmemenge produziert, schalten sie sich wieder aus. Eine Wärmepumpe mit Inverter hingegen passt ihre Leistung stufenlos dem Bedarf an, sodass sie nicht mit der vollen Wärmepumpenleistung arbeitet, sondern immer nur mit der Leistung, die für das Anforderungsniveau ausreicht.

Dadurch arbeiten leistungsgeregelte Wärmepumpen immer am optimalen Betriebspunkt und produzieren zu jedem Zeitpunkt genau so viel Wärme wie benötigt wird. Das gilt übrigens auch für die Warmwasserbereitung, die sich automatisch am tatsächlichen Bedarf ausrichtet. Dadurch dass Inverter-Wärmepumpen gerade im Teillastbereich erheblich effizienter arbeiten, können insbesondere bei der Warmwasserversorgung gegenüber normalen Wärmepumpen der Stromverbrauch der Wärmepumpe reduziert werden.

Im Wärmepumpen-Testzentrum Buchs erreichte die Inverter-Wärmepumpe Ochsner Air Eagle 2016 mit 4,5 den besten SCOP, der bis dahin bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Drehzahlregelung gemessen wurde. (Foto: Ochsner Wärmepumpen GmbH)
Im Wärmepumpen-Testzentrum Buchs erreichte die Inverter-Wärmepumpe Ochsner Air Eagle 2016 mit 4,5 den besten SCOP, der bis dahin bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Drehzahlregelung gemessen wurde. (Foto: Ochsner Wärmepumpen GmbH)

So funktioniert die Leistungsanpassung des Wärmepumpenkompressors

Als Wärmepumpen mit Inverter oder mit Inverter-Technologie werden solche Wärmepumpen bezeichnet, bei denen sich die Leistung des Wärmepumpen-Kompressors variabel dem Heiz- und Kühlbedarf anpassen kann. Die zentrale Rolle bei der Regulierung des Kompressors hat hierbei ein Frequenzumrichter, der auch als Inverter bezeichnet wird.

Ein Frequenzumrichter ist ein Stromrichter, der aus Wechselspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderbare Wechselspannung generiert. Sollwerte für Frequenz und Amplitude der Ausgangswechselspannung richten sich nach den Erfordernissen der Wärmepumpe und eben nach deren aktueller Heiz- bzw. Kühllast.

Je nach Art der Wärmepumpe bzw. deren Einsatz können Inverter sowohl mit Einphasenwechselspannung als auch Dreiphasenwechselspannung arbeiten und auch aus Einphasenwechselspannung eine Dreiphasenwechselspannung generieren.

Die Anpassung der Heiz- bzw. Kühlleistung der Wärmepumpe erfolgt durch den Wechsel verschiedenlanger Perioden von Betrieb und Stillstand des Kompressors. In Inverter-Wärmepumpen wird die Leistung des Kompressors dem Leistungsbedarf stetig angepasst.

Zur Leistungsregelung wird im Inverter dazu der Wechselstrom aus dem Stromnetz zunächst mit Hilfe eines Gleichrichters in Gleichstrom gewandelt, während der nachgeschaltete Wechselrichter den Strom wieder in Wechselstrom unterschiedlicher Frequenzen umwandelt. Je nach Wechselstromfrequenz dreht sich der Asynchronmotor des Kompressors dann schneller oder langsamer und verändert so die Leistung des Kompressors.

Die Frequenz zur Ansteuerung des Verdichters wird bei einigen Wärmepumpen auf bis zu minimalen 10 Hz reduziert. So kann z.B. mit Luftwärmepumpen bei höheren Außenlufttemperaturen die Wärmeenergie aus der Außenluft mit geringsten Energieaufwand nutzbar machen.

Die Wärmepumpen der V-Line von alpha innotec (hier: Split-Luftwärmepumpe) sind alle frequenzgeregelt und invertergesteuert. (Fotos: alpha innotec)
Die Wärmepumpen der V-Line von alpha innotec (hier: Split-Luftwärmepumpe) sind alle frequenzgeregelt und invertergesteuert. (Fotos: alpha innotec)

Anwendungsbereiche von Inverter-Wärmepumpen

Da bei einem häufigen Start-Stopp-Betrieb ("Takten") die mechanischen Bauteile der Wärmepumpe stärker beansprucht und auch das Stromnetz durch abrupte Änderungen der Leistungsaufnahme gestört wird, sind leistungsgeregelte Wärmepumpen mit Inverter-Technologie in Situationen mit sich häufig und kontinuierlich änderndem Heizbedarf effizienter als Wärmepumpen ohne Inverter und halten auch länger.

Dies ist insbesondere in Altbauten der Fall, in denen Wärmepumpen aufgrund ihres Wärmeabgabesystems über das gesamte Jahr gesehen eine deutlich größere Leistungsspanne abdecken müssen. Während im Sommer eine herkömmliche Wärmepumpe nur für sehr kurze Zeit die Gesamtleistung zur Warmwassererwärmung bereitstellen müsste, so ist im Winter bei Minusgraden die volle Wärmepumpen-Leistung vonnöten und der nahezu permanente Heizbetrieb der Wärmepumpe.

Das Hybridsystem TzerraHP 390-5 besteht aus einem Gasbrennwertkessel und invertergeregelter Monobloc-Wärmepumpe mit 5 kW Heizleistung bei einem COP > 3,5. (Foto: Remeha GmbH, Emsdetten)
Das Hybridsystem TzerraHP 390-5 besteht aus einem Gasbrennwertkessel und invertergeregelter Monobloc-Wärmepumpe mit 5 kW Heizleistung bei einem COP > 3,5. (Foto: Remeha GmbH, Emsdetten)

In Anwendungssituationen in denen ein durchgehender Betrieb auf Maximalleistung benötigt wird (z. B. Grundlastbetrieb), sind "normale" Wärmepumpen hingegen im Vorteil, da bei der Inverter-Technik Energieverluste durch die Konvertierung des Betriebsstroms entstehen. Daher kann es auch sinnvoll sein, in Wärmepumpen-Kaskaden oder in bivalenten Hybridheizungen, Wärmepumpen teilweise mit und teilweise ohne Inverter einzusetzen, je nachdem, wie sie zur Deckung des Heizwärmebedarfs beitragen sollen.

Speziell für die Kombination mit einer Photovoltaikanlage bietet die variable Drehzahl einen weiteren, entscheidenden Vorteil, denn mit reduzierter Drehzahl sinkt auch die elektrische Leistungsaufnahme. Die Wärmepumpe mit starrer Drehzahl bezieht schubweise ihre Anschlussleistung. Pausiert die Wärmepumpe, wird ein Großteil des Photovoltaik-Stroms ins Netz eingespeist. Läuft die Wärmepumpe, muss der Großteil des Stroms vom Energieversorger zurückgekauft werden.

Stiebel Eltron bietet invertergeregelte Heizungswärmepumpen (hier: Integralsystem LWZ 504 zum Heizen, Warmwasserbereiten, Lüftung mit Wärmerückgewinnung und Kühlen) für einen optimalen Betrieb mit PV-Anlagen. (Foto: STIEBEL ELTRON GmbH & Co. KG)
Stiebel Eltron bietet invertergeregelte Heizungswärmepumpen (hier: Integralsystem LWZ 504 zum Heizen, Warmwasserbereiten, Lüftung mit Wärmerückgewinnung und Kühlen) für einen optimalen Betrieb mit PV-Anlagen. (Foto: STIEBEL ELTRON GmbH & Co. KG)

Eine Inverter-Wärmepumpe mit gleicher maximaler Leistung läuft dauerhaft und bezieht durchschnittlich etwa die Hälfte an Watt. Diese Leistung kann dann schon eher durch die PV-Anlage gedeckt werden, sodass nur wenig Strom aus dem Netz bezogen werden muss. Inverter-Technik erlaubt dadurch einen höheren Eigenverbrauch und einen besseren Autarkiegrad.

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"Inverter-Wärmepumpen: Prinzip, Technik & Typen" wurde am 19.02.2017 das letzte Mal aktualisiert.