Modulierende Wärmepumpen mit drehzahlgeregelten Inverter-Verdichtern

Wie funktioniert die modulierenden Leistungsanpassung von Wärmepumpen? Modulierende Wärmepumpen, die seit 1981 auf dem Wärmepumpenmarkt eingeführt wurden, passen ihre Heizleistung über den Wärmepumpenverdichter dynamisch an die momentan benötigte Leistung an und sind daher effizienter einzusetzen als taktende Wärmepumpenkompressoren mit konstanter Drehzahl, mit denen lediglich ein Ein-Aus-Betrieb möglich ist. Modulierende Wärmepumpen besitzen üblicherweise eine Mindest- und Maximaldrehzahl des Verdichters. Dazwischen arbeitet ein PID-Regler. Zudem kann auch die Außentemperatur Einfluss auf das Regelverhalten nehmen.

Modulierende Wärmepumpen verfügen über spezielle Verdichter (sogenannte Inverter-Wärmepumpen), die elektronisch leistungsgeregelt werden. Der Inverter passt dann die Leistung entsprechend der Wärmepumpenregelung an, sodass außer im sehr selten vorkommenden Volllastbetrieb der Teillastbetrieb wesentlich energiesparender betrieben werden kann. Die Leistungsmodulation wird dabei über die Drehzahl durch Veränderung der normalen Wechselstromfrequenz von 50 Hz gesteuert. Dazu wird zunächst der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt, um dann mit Hilfe eines Umformers eine neue Wechselstromfrequenz zu erzeugen, die je nach Leistungsbedarf stufenlos zwischen 30 Hz und 90 Hz verändert werden kann.

Bei normalen Verdichtern wird Wechselstrom direkt zum 1-Phasen-Verdichter gespeist. Dabei gibt es keine variable Drehzahl, sondern nur eine Ein-Aus-Funktion. Inverter-Verdichter hingegen wandeln den Wechselstrom in Gleichstrom um. Der Gleichstrom-Inverter wandelt den Gleichstrom in einen künstlichen 3-Phasen-Strom um und führt die richtige Frequenz und Amplitude dem Gleichstrom-Verdichter zu, der dann die Drehzahl der benötigten Leistung anpasst. Der künstliche 3-Phasen Strom ist dabei die Summe der Gleichströme, deren Bandbreite oder Bandhöhe moduliert wird. Grundsätzlich unterscheidet man dabei die Impulsbreitenmodulation, die bei geringem und bei hohem Leistungsbedarf eingesetzt, und die Impulsamplitudenmodulation. Bei der Impulsbreitenmodulation wird die Spannung auf 325 Volt DC konstant gehalten und die Leistung über die Frequenz von 13 bis 107 Hz geregelt. Bei der Impulsamplitudenmodulation wird hingegen die Spannung auf 360 Volt DC erhöht.

Die Luftwärmepumpe war bis zur Einführung der modulierenden Wärmepumpen von den Leistungszahlen mit Erd- und Wasserwärmepumpen nicht zu vergleichen und Luftwärmepumpen mit ungeregelten Kompressoren benötigten daher vielfach eine zweite Wärmequelle bei tiefen Temperaturen. Der Vorteil drehzahlgeregelter Luft-Wärmepumpen ist nun, dass sie auf die Normaußentemperatur ausgelegt werden können und somit monovalent ohne zweiten vollwertigen Wärmeerzeuger oder Elektro-Heizstab betrieben werden können. Durch die Leistungsregelung können Luftwärmepumpen im Winter bei hoher Heizlast im optimalen Leistungsbereich arbeiten und dennoch im Sommer wirtschaftlich Trinkwasser erwärmen.

Einer der Wärmepumpenpioniere, die modulierende Luft-/Wasser-Wärmepumpen entwickelt haben, ist Mitsubishi Electric, die einen sogenannten Power Inverter insbesondere für Neubauten und einen Zubadan Inverter für Altbauten anbieten. Luft-/Wasser-Wärmepumpen mit Power Inverter können dabei Außentemperaturen bis - 20 °C nutzen und bei z. B. -10 °C Außentemperatur immer noch eine Vorlauftemperatur von 55 °C bereitstellen. Dies macht ein spezieller Power Receiver zur Unterkühlung des Kältemittels in Kombination mit zwei individuell gesteuerten Expansionsventilen möglich. Luftwärmepumpen mit Zubadan-Technik besitzen hingegen einen speziellen Kältekreislauf mit HIC-Unterkühler und Flash-In-jection-Verdichter, sodass der Kältemittelmassenstrom auch bei tiefen Außentemperaturen von - 25 °C stabil gehalten werden kann. Dank hoher Vorlauftemperaturen von 60 °C können Luft-/Wasser-Wärmepumpen mit Zubadan Inverter auch mit herkömmlichen Radiatorheizkörpern in Altbauten eingesetzt werden.