Wahrheit oder Wunschdenken?

Feldversuch in der Praxis über zwei Heizperioden

Um nun die Leistungs- bzw. COP-Werte in der Praxis überprüfen zu können, wurde eines dieser Geräte bei der einschlägig bekannten Internetplattform erworben und in einem Einfamilienhaus am Niederrhein installiert. Die Versorgung des Gebäudes wird über eine Fußbodenheizung gewährleistet. Vorsichtshalber wurde für die 8 kW Heizleistung, die das Gebäude rechnerisch bei -15 °C benötigt, die Wärmepumpe „etwas“ überdimensioniert, und es wurden die besagten 18 kW installiert. Bestellung, Bezahlung und Lieferung gingen problemlos über die Bühne. Leider waren die mitgelieferten Unterlagen etwas dürftig, aber auf der Homepage des Anbieters wurde Abhilfe versprochen. Hier fand man auch nach kurzer Zeit die versprochenen Energiediagramme, leider in recht bescheidener Qualität. Ein Blick darauf, durch eine Lupe entsprechend vergrößert, sorgte dann auch für die erste Ernüchterung: Dem Leistungsdiagramm konnte man entnehmen, dass die Wärmepumpe bei +20 °C Außenlufttemperatur und +40 °C Vorlauftemperatur 18 kW Leistung haben soll. Beim Zustand A2/W45, d.h. 2 °C Außenlufttemperatur und 45 °C Wasser-Vorlauftemperatur, den die meisten Wärmepumpenhersteller angeben, sollen immerhin noch 12 kW anfallen, wobei der COP(H) sich bei diesem Betriebspunkt bei 3,6 einpendeln soll. Bei A10/W35, dem zu erwartenden unteren Betriebspunkt des Objektes am Standort Niederrhein, ergeben sich aus dem Energiediagramm noch rund 9 kW Heizleistung mit einem COP(H) von 2,5 – theoretisch immer noch genug, um eine sichere Versorgung des Hauses zu gewährleisten.

Geliefert wurde die Außeneinheit mit innen liegendem Verflüssiger als Kompaktwärmepumpe incl. der Steuerung, wobei es dabei um eine reine Zweipunktregelung handelt. Heizkurven waren nicht enthalten und konnten auch nicht hinterlegt werden. Ferner war die schon erwähnte, leider etwas dürftige Installationsanleitung mit im Lieferumfang enthalten. Eine Rohrbegleitheizung oder andere Frostschutzmaßnahmen wurden nicht mitgeliefert und sind über die Regelung nicht vorgesehen. Um die Wärmepumpe in Betrieb zu setzen, fehlt konstruktiv noch die Umwälzpumpe zur Heizkreisanbindung. Diese muss der Anwender selber beisteuern, was aber sicher kein Problem darstellt. Beim Öffnen des Gehäuses erkennt man deutlich einen Scroll-Verdichter am großen Aufkleber, mit Angabe des Ansaugvolumenstromes von stolzen 14,4 m³/h. Auch das elektronische Expansionsventil, in der Anleitung Drossel genannt, ist ordnungsgemäß vorhanden. Als Verflüssiger kommt nach Herstellerangaben ein „Doppelrohr­wärmetauscher“, demnach ein Koaxial-Wärmetauscher, zum Einsatz. Auffallend ist, dass dieser relativ klein ist, insbesondere im Vergleich zu den normalerweise bei Wärmepumpen verwendeten Platten­wär­metauschern.

Der Messaufbau und die gleich­zeitige Auswertung wurde mit „CoolTool DiaGnostics“ realisiert. Dazu wurde der thermodynamische Vergleichsprozess mit allen notwendigen Drücken und Temperaturen messtechnisch erfasst und direkt ausgewertet. Ferner wurden die Ein- und Austrittstemperaturen am Verdampfer und im Heizkreis mit gemessen. Abgerundet wurden die Messungen durch die elektrischen Daten, die Spannungen und die Ströme der drei Phasen. Durch ein Volumenstrommessgerät wurde der Volumenstrom wasserseitig bestimmt. Das Gleiche wurde verdampferseitig mithilfe eines Anemometers vorgenommen, um den Luftdurchsatz abschätzen zu können. Durch diese umfassende Aufnahme aller relevanten Daten konnten folgende Werte direkt bestimmt werden:

Die COP-Werte konnten dabei als thermodynamische Größen aus Verdampfungs- und Verflüssigungsdruck und den vier relevanten Temperaturen bestimmt werden. Zusätzlich wurde das Verhältnis Leistungsaufnahme zu Heizleistung aus den gemessenen Volumenströmen und den jeweiligen Temperaturspreizungen bestimmt, um aus diesen kalorischen Größen ebenfalls einen COP-Wert zu erhalten.

Tatsächliche Daten der Komponenten

Zunächst konnte man einige Eckdaten der Wärmekraftmaschine überprüfen. Der Volumenstrom, der durch eine für die Leistung von 8 kW installierte Standardpumpe (Fabrikat Wilo) gemessen wurde, betrug 1,08 m³/h mit einem internen Druckverlust von 28 kPa, etwa 2,8 m Druckhöhe. Fraglich ist, ob die 5000 l/h, die als maximaler Wert vom Hersteller angegeben werden, realisiert werden können? Dann dürfte der Druckverlust auf etwa 600 kPa steigen – das entspricht ca. 60 m Druckhöhe. Eine derartige Pumpe gehört schon in den Bereich Sonderanfertigungen. Nur am Rande fiel ein kleiner Widerspruch auf: Auf dem Typenschild der Wärmepumpe war als wasserseitiger Volumenstrom statt 5000 l/h nur ein Wert von 400 l/h angegeben. Die beiden Lüfter verdampferseitig saugen effektiv ca. 5180 m³/h Luft durch die Lamellen. Der Wert ist akzeptabel. Wärmepumpen namhafter Hersteller mit vergleichbarer Bauform kommen auf 6000 – 7200 m³/h Luftvolumenstrom. Auffallend ist aber die recht ungleichmäßige Verteilung der Luftgeschwindigkeiten, vom Rand her nach Innen stark abnehmend. Der Geräuschpegel der Lüfter ist rein subjektiv erstaunlich niedrig und durchaus akzeptabel.

Bei der Auswertung der kalorischen COP-Wert-Messungen ergibt sich eine systematische Abweichung von 5 bis 18 % von dem Herstellerdiagramm – leider nach unten. Je tiefer die Verdampfungstemperatur, umso größer die Abweichung zur Herstellerangabe. Bei einem Vergleich mit einem Wärmepumpenfabrikat vergleichbarer Größe aber anderer Konstruktion ist die Abweichung der gemessenen COP-Werte bei tiefen Temperaturen etwa 5 % und kann als unerheblich angesehen werden. Dafür beträgt sie bei hohen Außenlufttemperaturen bis zu 22 %.

Die versprochene Vorlauftemperatur wasserseitig von 60 °C muss auch stark relativiert werden. Höhere Werte als 38 °C für die Vorlauftemperatur konnten bei verschiedenen Versuchen nicht erreicht werden. Die mittlere Temperaturdifferenz zwischen der Verflüssigungstemperatur und den Wassertemperaturen im Verflüssiger dürfte eine der Ursachen dafür sein. Sie betrug gut 12 K. Normalerweise liegt bei gut ausgeführten Wärmepumpen mit dimensionierten Plattenwärmetauschern die Verflüssigungstemperatur ein bis zwei Kelvin [K] oberhalb der Vorlauftemperatur. Bei einigen System sogar darunter. Ein ganz klares Zeichen für einen Verflüssiger mit viel zu wenig Fläche bzw. Leistung. Auch der Verdampfer weist schon ohne jede Vereisung eine relativ große Temperaturdifferenz von im Mittel 10,5 K auf.

Widersprüche bei den Leistungsdaten und Betriebskenngrößen

Auch die absoluten Leistungsdaten weichen von den Herstellangaben aus dem Diagramm ab, allerdings erheblich stärker. Sehr auffallend ist, das alle drei Messmethoden mit „CoolTool DiaGnostics“ unterschiedliche Leistungen ergaben. Eine klare Indikation, um sich den kältetechnischen Prozess einmal genau anzusehen. Vor allem die Umrechnung der Messpunkte in die Leistung aus der Baugröße des Verdichters – den auf den Typenschild angegebenen 14,4 m³/h – war bis zu 56 % höher als die anderen. Außerdem wurden stellenweise, rein thermodynamisch aufgezeichnete COP(H)-Werte von über 6 gemessen. In Frage gestellt wurden diese durch allerdings sofort durch parallel dazu erfasste effektive Verdichterwirkungsgrade von stellenweise über 120 % – also grundsätzlich nicht machbar. Tatsächlich müssten diese je nach Betriebspunkt und verwendetem Kältemittel bei hermetischen Scrollverdichtern dieser Baugröße zwischen 60 und 75 % liegen. Auch die geringe Gesamtüberhitzung von durchschnittlich 3,8 K kann dies nicht eindeutig erklären. Die gleichzeitige Messung der tatsächlichen Heizleistung über den Wasservolumenstrom und die Temperaturspreizung brachte Klarheit: Verglichen mit der Leistungsaufnahme des Verdichters über alle drei Phasen und die effektive Nutzung zur Verdichtung ergibt sich ein COP(H) von lediglich 3,4. Irgendetwas scheint die Verdichtungsendtemperatur stark zu reduzieren. Hier ist aus den gemessenen Vergleichprozessen heraus die Vermutung zu äußern, dass eine erhebliche Nachverdampfung von Kältemittel im Verdichter stattfindet. Ursache dafür ist die Verwendung eines R22-Verdichters mit Mineralöl, aber mit dem Drop-In-Kältemittel R417A. Das verwendete R417A ist ein Gemisch aus R134a und R125 mit einer Beimischung von 4 % R600a, also Isobutan. Dies soll die Ölverträglichkeit und den Öltransport verbessern. Tatsächlich verdünnt der R600a-Anteil aber hauptsächlich das Öl, um die Ölrückführung zu erleichtern. Das im Öl gelöste R600a muss durch eine entsprechend große Überhitzung, z. B. durch einen internen Wärmeaustauscher zwischen Saug- und Flüssigkeitsleitung, vor dem Verdichter wieder aus dem Öl herausgetrieben werden. Die durchschnittliche Temperatur am Verdichtereintritt liegt aber in diesem Fall sogar etwas unter der Temperatur am Fühler des Expansionsventils, ein weiteres Indiz für nachverdampfendes Kältemittel. Es gibt also effektiv keine Überhitzung, die das R600a aus dem Öl heraustreiben kann. Demnach wird der R600a-Anteil der Füllmenge, immerhin mehr als 100 g, erst während des Verdichtungsprozesses in der Schnecke des Scroll-Verdichters ausgetrieben, was das Fördervolumen und den Liefergrad erheblich reduziert. Dadurch entsteht auch eine deutliche Kühlung des Heißgases am Verdichteraustritt, was den scheinbar so guten COP(H)-Wert aus der thermodynamischen Betrachtung erklärt. Effektiv liegt das bereinigte Fördervolumen des Verdichters bei lediglich 9,2 m³/h.

Insgesamt lagen die gemessenen tatsächlichen Heizleistungen 35 bis 40 % unter den Herstellerangaben aus dem Energiediagramm. Bei -10 °C liegt die Abweichung sogar bei 45 %. Die eigentlichen Verdichter sind aber nach Verdichterherstellerangabe primär für die Brauchwasserbereitung bestimmt. Nimmt man die Dokumentation des Verdichterherstellers zur Hand, so weist diese eine untere Einsatzgrenze von -10 °C für die Verdampfungstemperatur auf. Der Wärmepumpenhersteller gibt für die unteren Einsatzgrenzen hingegen eine Außentemperatur von -15 °C an, was einer Verdampfungstemperatur von fast -25 °C entsprechen würde. Auffallend ist, dass die versprochenen Leistungen aus dem Leistungsdiagramm des Wärmepumpenherstellers den original Leistungsdaten des Verdichterherstellers entsprechen, allerdings für den Betrieb mit dem in Europa seit 2000 verbotenen H-FCKW R22.

Konstruktive Eigenheiten

Überraschend ist die gute Blechqualität des Gehäuses. Nach zwei Heizperioden ohne zusätzlichen Wetterschutz hat sich kein nennenswerter Rost gebildet. Scharfe Kanten oder gefährliche Grate fehlen ebenso. Auch die Verlegung der Elektrik weist keine Mängel hinsichtlich der VDE-Richtlinien erkennen. Negativ fällt aber der mangelnde Ablauf für das Kondenswasser nach dem Abtauphasen auf. Nach ca. fünf Tagen Dauerfrost bildet sich im Inneren des Wärmepumpegehäuses am Boden ein zentimeter-dicker Eispanzer, der sogar die Lüfter blockieren kann. Ärgerlich auch die Tatsache, dass fast alle Befestigungsschrauben, auch die vier an den Verdichterfüßen, nachgezogen werden mussten. Die Notwendigkeit wurde durch starke Klappergeräusche und Vibrationen kundgetan. Bei der Regelung sind keinerlei Schnittstellen vorhanden, um die Wärmepumpe in irgendeine Form in eine GLT einbinden oder einen Heizstab oder dergleichen anzusteuern zu können. Auch hier ist jede detaillierte Dokumentation Fehlanzeige.

Zusammenfassung

Vorweg: Die untersuchte Wärmpumpe funktioniert grundsätzlich, es kommt warmes Wasser raus. Erstaunlich, was man mit wenig Geld in Ostasien bauen kann. Leider scheint aber nach der Montage im Werk keine Endkontrolle stattzufinden, da sich fast alle Schrauben gelöst haben. Ein funktionierender Kondenswasserablauf wäre auch schön. Aber es kommt noch dicker: Die tatsächliche Funktion ist bei fast allen relevanten Betriebsgrößen weit außerhalb des versprochenen Bereiches. Ursache dafür ist die Verwendung eines R22-Verdichters mit R417A ohne die notwendige Anpassung der Anlagentechnik. Mit R22 hat dieser auch eine Heizleistung von 18 kW bei 20 °C Außentemperatur. Das Kältemittel und das Öl sind aber nicht aufeinander abgestimmt. Die Nachverdampfung im Verdichter verschlechtert den Liefergrad immens. Eine notwendige Überhitzung, um den R600a-Anteil aus dem Sauggas auszutreiben, wird nicht bereitgestellt. Der Verdichter ist eigentlich für die Brauchwasserbereitung bei hohen Außentemperaturen konstruiert. Beim propagierten Einsatzgebiet der Wärmepumpe in Mitteleuropa läuft dieser in weiten Teilen außerhalb seiner Einsatzgrenzen. Um die notwendigen hohen Druckdifferenzen bei -15 °C und 55 °C Vorlauftemperatur aufzubauen, ist der verwendete Verdichter ungeeignet. Es liegt die Vermutung nahe, dass in ein R22-Produkt ein chlorfreies, in der EU zugelassenes Kältemittel eingefüllt wurde, ohne die geänderte Funktionsweise zu berücksichtigen – und dies ohne jede Sachkenntnis über technische Details. Insgesamt können die kältetechnischen Voraussetzungen für einen ordnungsgemäßen Betrieb als nicht erfüllt angesehen werden.

Die gemessenen praktischen COP(H)-Werte erreichen die Werte aus den vom Hersteller herausgegebenen Energiediagrammen nicht. Hier ist eine Abweichung von 5 bis 18 % nach unten vorhanden. Auch hier ist die Hauptursache die Nachverdampfung der R600a-Anteils im Verdichter. Die Leistungswerte weisen deutlich größere Abweichungen auf. Hier werden stellenweise nur 56 % der Leistungen aus den Hersteller-Diagrammen erreicht. Die 18 kW aus der Modellreihenbezeichnung sind ein theoretischer Wert, der überhaupt nicht reproduziert werden kann. So kommen bei -10 °C Außenlufttemperatur nur noch knapp 5 kW raus.

Wer sich auf die Leistungsdaten verlässt oder sogar glaubt, eine 18 kW-Wärmepumpe erworben zu haben, erlebt eine böse Überraschung. Die untersuchte Wärmepumpe kann höhere Vorlauftemperaturen als 38 °C nicht erzeugen. Auch das ist im Wesentlichen eine Folge der Nachverdampfung im Verdichter. Damit ist die Wärmepumpe für alle Anwendungen außerhalb gut ausgeführter Fußbodenheizungen wie z. B. Warmwasserbereitung oder Gebäude mit Heizkörpern, komplett ungeeignet. Damit stellt sich die Preiskalkulation schon anders da: Möchte man z. B. ein Gebäude mit einer Heizlast von 12 kW bei -12 °C versorgen, sind zwei Einheiten plus Heizstab nötig. Verbunden mit dem erhöhten Platzbedarf, weiteren Komponenten wie Pumpen, größerem Aufwand bei der Verrohrung und zusätzlich notwendigen Reglern, Programmierung etc. kommt man dann doch wieder auf den Preis klassischer Markensysteme á la „Altherma“ oder „Zubadan“. Diese bieten aber höhere Vorlauftemperaturen sowie Planungssicherheit, da hier Konstruktion und Leistungsdaten stimmen. Und der technische Support verdient auch seinen Namen.