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Safety first, nicht nur bei Luft-Wasser-Wärme­pumpen

Die Wärme­ver­sor­gung verlangt heute nach Konzepten, die auf erneu­er­bare Ener­gien setzen. Wärme­pumpen erfreuen sich deshalb sowohl bei Neubauten als auch bei Sanie­rungen immer größerer Beliebt­heit und werden in vielen Fällen mit Förde­rungen bezu­schusst. Luft-Wasser-Wärme­pumpen sind dabei aufgrund ihrer Effi­zienz und einfa­chen Aufstel­lung bzw. Instal­la­tion weit verbreitet. Sie nutzen die Wärme­en­ergie aus der Umge­bungs­luft und über­tragen diese über einen Zwischen­kreis mit Kälte­mittel auf den Heiz­was­ser­kreis­lauf.


Heizen mit Wärme­pumpen

Die Wärme­ver­sor­gung verlangt nach Konzepten, die auf erneu­er­bare Ener­gien setzen. ebm-papst liefert dafür leise und effi­zi­ente Kompo­nenten.

Mit der am 11. März 2024 in Kraft getre­tenen Neufas­sung der F-Gas-Verord­nung ((EU) 2024/573) werden die Rahmen­be­din­gungen für die Kälte­mittel des Heiz­was­ser­kreis­laufs deut­lich strenger; der Einsatz von teil­ha­lo­ge­nierten Fluor­koh­len­was­ser­stoffen als Kälte­mittel (HFKW) wird weiter regle­men­tiert. An den natür­li­chen Alter­na­tiven führt deshalb kein Weg vorbei. Diese sind aller­dings in den meisten Fällen brennbar. Hersteller müssen deshalb bei der Entwick­lung von Kälte- und Klima­an­lagen, Haus­halts­kühl­ge­räten sowie Wärme­pumpen darauf achten, dass sie darin ausschließ­lich Kompo­nenten verwenden, die die jeweils geltenden Normen für den Umgang mit brenn­baren Kälte­mit­teln erfüllen.

Die F-Gas-Verord­nung und der darin defi­nierte Stufen­plan zur Redu­zie­rung des CO2-Ausstoßes (Bild 1) hat zur Folge, dass Hersteller von Luft-Wasser-Wärme­pumpen, aber auch bei Chil­lern, Verdamp­fern oder Kühl­mö­beln zuneh­mend Kälte­mittel mit einem geringen Global Warming Poten­tial (GWP) einsetzen, wie z. B. das natür­liche Kälte­mittel R290 (Propan, GWP-Wert = 3). Ein nied­riger GWP-Wert bedingt aller­dings eine schnelle Zerset­zung des Kälte­mit­tels beim Eintritt in die Atmo­sphäre. Dies kann nur gewähr­leistet werden, wenn es chemisch reaktiv ist. Eine hohe Reak­ti­vität bedeutet eben meist aber auch eine hohe Brenn­bar­keit. Das erfor­dert beson­dere Sicher­heits­kon­zepte, damit auch bei einer Leckage im Kälte­mit­tel­kreis­lauf niemand zu Schaden kommt.

Bild 1: Der Stufen­plan der F-Gas-Verord­nung regle­men­tiert den Einsatz von teil­ha­lo­ge­nierten Fluor­koh­len­was­ser­stoffen (HFKW) und wurde durch die Neufas­sung (Verord­nung (EU) 2024/573) weiter verschärft. (Grafik | ebm-papst)

ATEX-zuge­las­sene Kompakt­lüfter für das Sicher­heits­kon­zept

Eine – aller­dings recht aufwen­dige – Methode sind schwa­den­si­chere Gehäuse, die verhin­dern, dass Elek­tronik-Kompo­nenten und zünd­fä­hige Atmo­sphäre mitein­ander in Berüh­rung kommen. Praxis­ge­rechter bei Luft-Wasser-Wärme­pumpen ist meist jedoch eine andere Lösung: ATEX-zuge­las­sene Kompakt­lüfter (Bild 2) belüften im Falle eine Leckage im Kälte­mit­tel­kreis­lauf das Gehäuse und verhin­dern so, dass eine entzünd­liche Atmo­sphäre entstehen kann. Dank voll­ver­gos­senem Motor und Elek­tronik erfüllen sie stan­dard­mäßig die Anfor­de­rungen der EN 60079-7, Gruppe IIC, bis T4 und DIN EN 60335-2-40.

Bild 2: Für das Wärme­pumpen-Sicher­heits­kon­zept gibt es passende Kompakt­lüfter, die im Falle einer Leckage im Kälte­mit­tel­kreis­lauf das Gehäuse belüften und so das Entstehen einer poten­ziell entzünd­li­chen Atmo­sphäre verhin­dern. (Bild | ebm-papst)

Die Lüfter benö­tigen durch ihre kompakte Bauform nur wenig Platz beim Einbau und lassen sich bei Bedarf auch für die Elek­tronik­küh­lung nutzen. Bei klei­neren Wärme­pumpen, zum Beispiel für eine Etagen­hei­zung, können sie zudem als Haupt­ven­ti­lator einge­setzt werden. Die ATEX-zuge­las­senen Kompakt­lüfter stehen in vielen Vari­anten und in unter­schied­li­chen Baugrößen mit Kanten­längen von 40 bis 200 mm zur Verfü­gung und bieten hohe Luft­leis­tungen. Dank aero­dy­na­misch opti­miertem Design arbeiten sie leise, sind ener­gie­ef­fi­zient und können sowohl saugend als auch drückend einge­setzt werden.

Antriebs­aus­le­gung gemäß EN 60335-2-40 für den Haupt­ven­ti­lator

Auch bei den größeren Axial- oder Radial-Venti­la­toren, die in Wärme­pumpen für den notwen­digen Luft­strom über den Verdampfer sorgen, darf die Elek­tronik bei einer Leckage im Kälte­mit­tel­kreis­lauf nicht zur Zünd­quelle werden. Bei den Venti­la­tor­an­trieben der Baugröße 60, 74 und 90 hat ebm-papst die Elek­tronik­schal­tungen deshalb so modi­fi­ziert, dass sie der EN 60335-2-40 für Wärme­pumpen mit brenn­baren Kälte­mit­teln entspre­chen, das heißt die maxi­male Ober­flä­chen­tem­pe­ratur muss im Fehler­fall mindes­tens 100 Kelvin unter der Zünd­tem­pe­ratur des einge­setzten Kälte­mit­tels liegen. Bei Propan, das sich wegen seiner guten Wärme­über­tra­gungs­leis­tung und seines nied­rigen GWP-Wertes sehr gut eignet, liegt die Zünd­tem­pe­ratur bei 470 °C. Die entspre­chend getestet und zerti­fi­zierten Elek­tronik­bau­gruppen garan­tieren dann, dass ihre maxi­male Ober­flä­chen­tem­pe­ratur auch im Falle einer Fehl­funk­tion immer unter 370 °C bleibt und sie somit nicht zur Zünd­quelle werden.

Bild 3: Das Geräusch­ver­halten ist vor allem in den Nacht­stunden rele­vant, wenn inner­halb, aber vor allem auch außer­halb der Gebäude die Grenz­werte der jeweils gültigen gesetz­li­chen Bestim­mungen zu beachten sind. (Bild | ebm-papst)

Bild 4: Die leis­tungs­starken und vor allem geräusch­armen Axial­ven­ti­la­toren AxiTone und AxiEco Plug-In wurden für den Einsatz in Luft-Wasser Wärme­pumpen entwi­ckelt und eignen sich für Appli­ka­tionen mit brenn­baren Kälte­mit­teln. (Bild | ebm-papst)

Axial­ven­ti­la­toren für beson­ders lärm­sen­sible Bereiche

Wer Luft-Wasser-Wärme­pumpen einsetzt, muss sich zwangs­läufig auch mit dem Thema Geräusch­ent­wick­lung ausein­an­der­setzen. Das Geräusch­ver­halten ist vor allem in den Nacht­stunden rele­vant, wenn inner­halb, aber vor allem auch außer­halb der Gebäude die Grenz­werte der jeweils gültigen gesetz­li­chen Bestim­mungen zu beachten sind (Bild 3). Für den geräusch­sen­si­blen Außen­be­reich hat ebm-papst zwei Venti­lator-Baureihen entwi­ckelt: AxiEco Plug-In und AxiTone (Bild 4).

Bild 5: Kenn­li­ni­en­feld des AxiEco Plug-In in Baugröße 450 in Bezug auf Luft­leis­tung und Schall­leis­tung (grün: Luft- und Schall­leis­tungs­kenn­linie der 85 W-Version, blau: Luft- und Schall­leis­tungs­kenn­linie der 170 W-Version). (Grafik | ebm-papst)
Bild 6: Kenn­li­ni­en­feld des AxiTone in der Baugröße 630 in Bezug auf Luft­leis­tung und Schall­leis­tung (grün: Schall­leis­tungs­kenn­linie der 500 W Aktiv-PFC-Version, blau: Luft­leis­tungs­kenn­linie der 500 W Aktiv-PFC-Version). (Grafik | ebm-papst)

Beide sind eben­falls für Anwen­dungen mit natür­li­chen und brenn­baren Kälte­mit­teln (EN 60335-2-40) konzi­piert und sind dank ihrer spezi­ellen Ausle­gung beson­ders leise (Bild 5 und Bild 6). Während sich der AxiEco Plug-In in den Baugrößen 450 und 500 mm für Wärme­pumpen eignet, die eine große Förder­druck­re­serve am Verdampfer verlangen, ist der AxiTone in den Baugrößen 450, 500 und 630 mm eher darauf ausge­legt, bei gerin­gerem Gegen­druck höhere Volu­men­ströme zu liefern, wenn die Ausle­gung der Wärme­pumpe dies erfor­dert. Da alle Kompakt­lüfter, die auf den voll­um­gos­senen Motoren aufbauen, stan­dard­mäßig für den Einsatz bei brenn­baren Kälte­mit­teln geeignet sind, gibt es zahl­reiche weitere Axial- und Radi­al­ven­ti­la­toren, die sich eben­falls für den Einsatz bei Wärme­pumpen, aber auch für Chiller, Verdampfer oder Verflüs­siger eignen.

Aufgrund der lang­jäh­rigen Erfah­rung mit Wärme­pum­pen­an­wen­dungen, EC-Motoren und deren Kommu­tie­rungs­elek­tronik hat ebm-papst zudem eine Inverter-Elek­tronik entwi­ckelt (Bild 7), die sich unter anderem für dreh­zahl­ge­re­gelte perma­nent­ma­gne­t­erregte Synchron­ma­schinen (PSM) eignet, wie sie typi­scher­weise in Verdich­tern einge­setzt sind. Sie redu­ziert zusätz­lich die Geräusch­ent­wick­lung und erhöht gleich­zeitig die Effi­zienz der Wärme­pumpe.

Bild 7: Inverter-Elek­tronik mit 7,5 kW für effi­zi­ente und geräusch­arme Verdich­ter­an­triebe. (Bild | ebm-papst)
Bild 8: Der ESM-Motor arbeitet mit einem Wirkungs­grad von über 90 % bei nur 10 % der Leis­tungs­auf­nahme eines Spalt­pol­mo­tors und bietet optional die Möglich­keit einer bedarfs­ge­rechten Dreh­zahl­re­ge­lung. (Bild | ebm-papst)

Sicher­heit bei Kühl­mö­beln

Auch in anderen Kälte­an­wen­dungen, wie beispiels­weise Kühl­mö­beln werden natür­liche Kälte­mittel einge­setzt. Der ESM-Motor (energy saving motor, Bild 8) setzte hier bereits vor einigen Jahren Maßstäbe für die Venti­la­to­ren­technik. Die kompakten EC-Motoren gibt es sowohl als OEM-Kompo­nente zur Kombi­na­tion mit dem eigenen Lüfterrad sowie als Plug & Play-fähiges Komplett­system, bei dem die Einzel­kom­po­nenten perfekt aufein­ander abge­stimmt sind. Um eine sichere Kühl­lö­sung bieten zu können, entspre­chen die Motoren und Komplett­sys­teme stan­dard­mäßig der Haus­halts­ge­rä­te­norm EN 60335-2-89, was für die meisten Kühl­theken völlig ausreicht, da ihre Kühl­kreis­läufe mit den der Norm entspre­chenden Kälte­mit­tel­füll­mengen auskommen, z. B. 500 g bei Propan. Bei Kälte­kreis­läufen mit größerer Füll­menge kann es daher durchaus sinn­voll sein, die Kreis­läufe zu splitten.

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