Kältemittelkreislauf: 16 % COP-Zuwachs bei Wärmepumpen

Die hohen Energiepreise beschleunigen den Druck auf die Wärmepumpenhersteller, ihr Portfolio immer stärker in Richtung Energieeffizienz zu trimmen. Das gilt umso mehr, als Wärmepumpen in ganz Europa stark nachgefragt werden, und das zurecht: Als umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen Wärmeerzeugungstechnologien können sie der Industrie erhebliche Kosteneinsparungen ermöglichen. Der litauische Wärmepumpenhersteller Refra hat die Effizienz seiner reversiblen Propan-Wärmepumpen deutlich steigern können – durch die Verwendung des magnetischen Expansionsventil „MVL702“ von Siemens.

Das Ventil regelt schnell und präzise die Menge des flüssigen Kältemittels im Verdampfer. Die Folge: Die Wärmepumpen erreichen eine deutlich höhere Heiz-/Kühlleistung als Wärmepumpen mit Schrittschaltventil. Mit einer Schaltzeit von nur einer Sekunde vom geschlossenen in den vollständig geöffneten Zustand ist das Ventil laut Siemens zehnmal so schnell wie herkömmliche Schrittventile. Die lineare Bewegung durch Magnetkraft ist einfach schneller als eine mechanische Spindelbewegung – und sie ermöglicht auch genauere Ventilöffnungspositionen.

Langfristige Kosteneinsparungen mit präziser ­Überhitzungsregelung

Die höhere Schaltgeschwindigkeit wirkt sich deshalb positiv auf die Effizienz aus, weil sie eine schnelle Reaktion auf Laständerungen bewirkt. So kann das „MVL702“ zum Beispiel die Überhitzung um ca. 30 % von 9 K auf 6 K senken, teilweise sogar noch mehr. Niedrige Überhitzung führt zu einem effizienten Verdampferbetrieb. Sie reduziert die Temperaturdifferenz im Wärmeübertrager, was zu einem geringeren Temperaturanstieg im Kältekreislauf führt.

Ein schnelles und präzises Ansprechen der Ventile steigert besonders dann die Effizienz einer Wärmepumpe, wenn die Anwendung viele oder größere Lastwechsel aufweist – etwa bei großen Schwankungen der Tag-/Nacht-Temperaturen sowie bei Anwendungen mit variablen Lastprofilen. Ein typisches Beispiel sind Konferenz- und andere Veranstaltungsräume, in denen das Eintreten einer größeren Anzahl von Personen eine Kühlung erforderlich macht und eine Umschaltung auf Heizbetrieb, wenn die Personen den Raum verlassen. Wärmepumpen mit magnetischem Expansionsventil können effizienter auf solche Klimatisierungsanforderungen reagieren.

Diese thermodynamischen Verbesserungen sind keine Theorie. Sie haben praktische Auswirkungen auf die Energiekosten. Durch die Umrüstung auf einen derart verbesserten Überhitzungskreislauf kann die ansonsten identische Wärmepumpe bis zu 14 % weniger Energie verbrauchen und gleichzeitig eine um 21 % höhere Heizleistung bieten. Auch aufgrund dieses Konstruktionsmerkmals bieten Refra-Wärmepumpen die beste Effizienz in ihrer Klasse.

Natürlich sind die tatsächlichen Energieeinsparungen sehr stark abhängig vom Nutzerprofil und den Umgebungsbedingungen. Siemens kann aber Schätzwerte für typische Anwendungen nennen. Richard Bork, Produktmanager Kälteventile bei Siemens: „Bei einem 300 kW-System, das mit unserem magnetischen Expansionsventil ausgestattet ist, kann der Anwender typischerweise mit Energieeinsparungen von etwa 300 € pro Monat rechnen.“ Diese Berechnung basiert auf 3.500 Volllastbetriebsstunden pro Jahr, einem Strompreis von 0,20 €/kWh und einer um 3 K geringeren Überhitzung.

Feldtest unter realen Umgebungstemperaturbedingungen

Um solche Aussagen zu untermauern, hat das Unternehmen einen umfassenden Test mit einer reversiblen „Ignis“-Wärmepumpe mit zwei Kreisläufen durchgeführt: ein Kreislauf mit dem Siemens-Ventil und der andere mit einem bipolaren Schrittschaltventil eines anderen Herstellers. Die Kühlleistung des Kreislaufs betrug bei -6/50 °C 21,9 kW, die Heizleistung 31,1 kW. Ansonsten waren beide Kreisläufe identisch. Die Tests fanden unter folgenden Bedingungen statt: 50 °C Heizungs-Sollwert; 30 bis 32 °C Vorlauftemperatur und -6 °C Außentemperatur. Beide Kreisläufe arbeiteten mit 100 % Leistung, weil der Sollwert nicht erreicht werden konnte. So sollte die Leistung der Ventile unter schwierigen Bedingungen bewertet werden.

Bei der Auswertung der Daten wurde der untersuchte Zeitraum in sieben bis acht identische Zeitabschnitte aufgeteilt. So werden zuverlässige Mittelwerte auch bei schwankenden Prozesswerten erreicht. Für die Berechnung mussten einige Annahmen und Vereinfachungen getroffen werden: isentroper Wirkungsgrad von 0,8; Druckverluste von 0 bar in Verdampfer und Verflüssiger sowie in Saug- und Druckleitungen, Sensortoleranzen nicht berücksichtigt, gleichbleibender Volumenstrom des Verdichters von 35,5 m³/h bei konstantem volumetrischem Wirkungsgrad.

Direkter Vergleich der Ventile zeigt klare Leistungs- und Effizienzvorteile

Die Testergebnisse zeigen deutlich den Einfluss der verbesserten Überhitzungsregelung auf die Effizienz der Wärmepumpe. Die niedrigeren Überhitzungswerte führen zu einer höheren Verdampfungstemperatur, und das wiederum hat verbesserte COP-Werte und reduzierte Abtauzyklen zur Folge. In Zahlen ausgedrückt: Der Refra-Wärmepumpenkreislauf mit neuem Siemens-Ventil erreicht im Vergleich zum Kreislauf mit Schrittventil einen um bis zu 8,3 % höheren COP im Heizbetrieb. Über den gesamten Heizzyklus (einschließlich Abtauung), betrachtet, verbessert das Ventil den COP sogar noch stärker. Aufgrund des längeren Heizmodus der Magnetventilschaltung steigt er um bis zu 16,4 % im Vergleich zur Schrittventilschaltung.

Nach dem Übergang zum Abtauen startet bei der Schrittventilschaltung (s. Bild 3) der Überhitzungssollwert (2) bei 7 K, bevor er (aufgrund starker Schwankungen) auf 10 K ansteigt. Die beste erreichte Regelabweichung des Überhitzungswertes beträgt +0,3/-0,6 K, während die Verdampfungstemperatur (1) von -16 °C auf -20 °C sinkt und den Abtauvorgang auslöst. Die durchschnittliche Schwankung der Sauggastemperatur beträgt ±0,5 K (3). Die gesamte Heizzeit für den Schrittventilkreis beträgt 1:01:12 Std.

Auf den ersten Blick ist beim Kreislauf mit dem magnetischen Expansionsventil (s. Bild 4) zu erkennen, dass dieser nach dem Abtauen viel schneller in einen stabilen Zustand gelangt. Der Überhitzungssollwert (2) beginnt bei 6 K und steigt innerhalb weniger Minuten auf 6,2 K mit einer maximalen Überschreitung von 0,4 K. Die durchschnittliche Regelabweichung des Überhitzungswertes bleibt konstant bei +0,0/-0,2 K, während die Verdampfungstemperatur (1) von -13,8 °C auf -20 °C sinkt und den Abtauvorgang auslöst. Die mittlere Schwankung der Sauggastemperatur beträgt wiederum ±0.5 K (3). Infolge dieser Leistung ist die gesamte Heizdauer (ohne Abtauung) bei der Refra-Wärmepumpe mit Siemens-Ventil mehr als doppelt so lang: Sie beträgt 2:11:00 Std.

Minimierung der Abtauzeit führt zu deutlichen ­Energieeinsparungen

Ein weiterer großer Vorteil der Magnetexpansionsventil-Technologie in den „A2W“-Wärmepumpen ist die Abtaufunktion. Eine geringere Überhitzung erlaubt es, das System insbesondere im Teillastbereich mit höheren Verdampfungstemperaturen zu betreiben und die Wärmeübertragung vom Verdampfer zu nutzen. Das Ergebnis: weniger Vereisung am Verdampfer bei Lufttemperaturen von ≤ 0 °C. Weniger Vereisung bedeutet weniger Abtauung. Und weil jede Wärmepumpe beim Abtauen Energie verbraucht, ist eine Verringerung der Abtauzeit und der Anzahl der Abtauzyklen quasi ein geldwerter Vorteil für Wärmepumpen-Anwender in Gewerbe und Industrie.

Bei dem Test konnte der Wärmepumpenkreislauf mit dem Schrittschaltventil rund 63 Min. lang ohne Abtauung einen Heizzyklus absolvieren. Im Gegensatz dazu konnte der Kreislauf mit dem magnetischen Expansionsventil „MVL702“ ca. 133 Min. ohne Abtauung betrieben werden. Dies zeigt das Potenzial für Energieeinsparungen von etwas mehr als 50 % beim Energieverbrauch. Außerdem kann das System die eingesparte Abtauzeit zum Heizen nutzen, anstatt abzutauen. Diese Fähigkeit kann die Energieeffizienz der Wärmepumpe verdoppeln.

Auszeichnung für hoch effiziente Wärmepumpe

Die Kombination von effizienten Refra-Wärmepumpen mit dem patentierten magnetischen Siemens-Expansionsventil hat zu einem prestigeträchtigen Industriepreis geführt. Absolutely Chilled Ltd, der exklusive britische Vertriebspartner in Großbritannien, wurde als Gewinner in der Kategorie „Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe“ bei den National ACR & Heat Pump Awards ausgezeichnet. Davon können die Anwender europaweit profitieren: Die gesamte Standardreihe der reversiblen „A2W“ Propan-Wärmepumpen von Refra ist jetzt mit dem „MVL702“-Ventil ausgestattet.

„Die Entscheidung für Refra-Wärmepumpen in Neubauten oder als Ersatz alter Kessel ist für mich ein klarer Fall“, sagt Shane McKenzie, Business Development Manager bei Absolutely Chilled. „Die Daten von Refra/Siemens und der Einsatz natürlicher Kältemittel sprechen für sich.“ Tatsächlich wurden bereits zehn DSEAR-konforme (entsprechend der europäischen Norm EN378) Propan-Wärmepumpen von Refra mit dem Siemens-Ventil und frequenzgeregelten Hubkolbenverdichtern in vier Schulen im ganzen Land installiert.