WHAT THE TECH?! Wie funk­tio­niert eine Wärme­pumpe?

Wärme­pumpen können Häuser heizen und kühlen. Sie trans­fe­rieren Hitze von einem Ort zu einem anderen. Wie genau das funk­tio­niert, erfahren Sie hier:

Einfach und humor­voll erklärt!

Eine Wärme­pumpe funk­tio­niert im Prinzip ähnlich wie ein Kühl­schrank. Dieser entzieht Lebens­mit­teln in seinem Inneren die Wärme und gibt sie nach außen ab. Luft-Wasser-Wärme­pumpen entziehen der Umge­bungs­luft ihre Wärme und geben diese an das Heizungs­system ab, das die Wohnung erwärmt bzw. zur Warm­was­ser­be­rei­tung genutzt wird. Venti­la­toren sorgen für den notwen­digen Außen-Luft­strom über den Verdampfer des Geräts und erzeugen beim Betrieb zwangs­läufig mehr oder weniger Geräu­sche. Das trifft auch auf die per se beson­ders leisen Venti­la­toren mit den Green­Tech EC-Motoren zu. Auch kann die Einbau­si­tua­tion die Geräusch­ent­wick­lung negativ beein­flussen. Wer Luft-Wasser-Wärme­pumpen herstellt oder einsetzt, muss sich also zwangs­läufig mit dem Thema Geräusch­ent­wick­lung ausein­an­der­setzen. Dabei genügt es meist nicht, nur die Grenz­werte der DIN 18005 und TA-Lärm zu beachten.

Psycho­akustik: Warum klingt ein Geräusch unan­ge­nehm?

Die in den Richt­li­nien und Normen fest­ge­legten und auf dem Prüf­stand mess­baren Werte haben nur wenig mit dem indi­vi­du­ellen mensch­li­chen Geräusch­emp­finden zu tun. Themen wie die Tona­lität beispiels­weise, also Bezie­hungen zwischen Tönen werden bisher von Normen und Richt­li­nien nur unzu­rei­chend behan­delt. Damit beschäf­tigen sich aktuell unter­schied­liche psycho­akus­ti­sche Unter­su­chungen. Die Psycho­akustik will defi­nieren, warum wir ein Geräusch als ange­nehm oder lästig empfinden. Trom­pe­ten­spiel beispiels­weise und der Bagger auf einer Baustelle haben unge­fähr die gleiche mess­bare Schall­leis­tung, werden aber psycho­akus­tisch völlig unter­schied­lich bewertet.

Der Motoren- und Venti­la­to­ren­spe­zia­list ebm-papst hat sich dieser Thematik schon früh ange­nommen und ein spezi­elles Psycho­akustik-Labor für Testhörer:innen einge­richtet, denen die Betriebs­ge­räu­sche von Wärme­pumpen samt den darin verbauten Venti­la­toren in unter­schied­li­chen Konfi­gu­ra­tionen vorge­spielt werden (Bild 1).

Betriebs­ge­räu­sche von Luft-Wasser-Wärme­pumpen mini­mieren

Entwickler:innen befragen die Probanden anschlie­ßend und schaffen so eine Daten­basis unter wissen­schaft­li­chen Gesichts­punkten. Wich­tige Grund­lage dafür sind beispiels­weise die psycho­akus­ti­schen Para­meter Laut­heit [sone], Schärfe [acum], Tonheit [mel], Rauig­keit [asper] und Schwan­kungs­stärke [vacil]. Daneben sind auch Ton- und Impuls­hal­tig­keit bedeut­same Größen. Tonhal­tig­keit liegt vor, wenn Einzel­töne inner­halb eines Geräu­sches wahr­nehmbar sind, was die Stör­wir­kung erhöht. Mit Impuls­hal­tig­keit werden Geräu­sche gekenn­zeichnet, die schnelle Pegel­än­de­rungen enthalten, z. B. Knall- oder Ramm­ge­räu­sche. Sowohl Impuls- als auch Tonhal­tig­keit lassen sich mit Mikro­fonen messen und mit den Aussagen der Test­per­sonen verglei­chen.

Die Ergeb­nisse aus dem Psycho­akustik-Labor fließen in die Venti­la­tor­ent­wick­lung mit ein.

Die Beur­tei­lungen der Test­per­sonen werden mithilfe statis­ti­scher und psycho­lo­gi­scher Verfahren bewertet. Die Ergeb­nisse fließen in die eigene Venti­la­to­ren­ent­wick­lung ein, lassen aber auch Aussagen über die getes­teten Luft-Wasser-Wärme­pumpen zu und darüber, welche Venti­la­toren für die indi­vi­du­elle Einbau­si­tua­tion am besten geeignet sind. Schluss­end­lich ist das Ziel, dass die ohnehin schon sehr geringen Betriebs­ge­räu­sche einer hoch­wer­tigen Wärme­pumpe von einer möglichst breiten Masse an Test­per­sonen als ange­nehm empfunden werden.

Metrik für die psycho­akus­ti­sche Bewer­tung

Forschungen rund um das Thema Psycho­akustik sind im vollen Gange und auf die weiteren Ergeb­nisse darf man gespannt sein. Im Rahmen einer bei ebm-papst durch­ge­führten Doktor­ar­beit ist es beispiels­weise bereits gelungen, eine Metrik zu entwi­ckeln, die jetzt für die psycho­akus­ti­sche Bewer­tung im Endgerät verwendet wird.

Akus­ti­sches Quali­täts­mo­dell von ebm-papst

ebm-papst unter­sucht Venti­la­toren in Einbau­si­tua­tionen eben­falls unter psycho­akus­ti­schen Gesichts­punkten und hat dafür eine eigene Metrik für die akus­ti­sche Qualität entwi­ckelt. Dafür werden subjek­tive Wahr­neh­mungs­di­men­sionen mit mess­baren psycho­akus­ti­schen Größen (objek­tive Wahr­neh­mungs­di­men­sionen) ins Verhältnis gebracht. Je näher der Korre­la­ti­ons­ko­ef­fi­zient r an 1 liegt, desto besser ist das Modell geeignet, die subjek­tiven Wahr­neh­mungs­di­men­sionen durch objek­tive (mess­bare) abzu­bilden. Die akus­ti­sche Qualität Q, die dann das empfun­dene Geräusch des Venti­la­tors darstellt, sollte möglichst hoch sein. (Grafik | ebm-papst)

Ziel dieser Metrik ist es, eine Korre­la­tion zwischen der subjektiv wahr­ge­nom­menen Geräusch­qua­lität – die sich in unter­schied­li­chen „Dimen­sionen“ darstellt – und objektiv mess­baren Größen zu schaffen. Bei den umfang­rei­chen durch­ge­führten Hörver­su­chen wurden dann unter­schied­liche Wahr­neh­mungs­di­men­sionen zuein­ander und mit physi­ka­li­schen Mess­werten ins Verhältnis gesetzt. Insge­samt wurden 123 Probanden im Alter zwischen 19 und 60 Jahren in drei Versuchs­reihen 89 Geräu­sche unter reali­täts­nahen Bedin­gungen vorge­spielt.

Pro Versuchs­reihe bewer­teten jeweils 30 bis 40 dieser Probanden die aufge­nom­menen Geräu­sche (Bild 2) in Bezug auf Leis­tungs­stärke (schwach/stark, hochwertig/billig), Klang­höhe (zischend oder rauschend), Zeit­struktur (fluk­tu­ie­rend), Qualität (angenehm/störend) und Tonhöhe (brum­mend, dunkel/hell). Außerdem wurden unter­schied­liche Geräu­sche im direkten Vergleich bewertet und für eine Rating-Skalie­rung bestimmte Geräu­sche nur im Hinblick auf jeweils eine Eigen­schaft über­prüft.

Leisere Wärme­pumpen dank Psycho­akustik

Zusätz­liche Inter­views der Test­per­sonen ergaben, dass die Geräusch­ei­gen­schaften dumpf, dunkel, tief, langsam, monoton, gleich­blei­bend, weich und leicht als ange­nehm empfunden wurden. Unan­ge­nehm dagegen waren die Eigen­schaften ratternd, flat­ternd, rasselnd, tröp­felnd, summend, wech­selnd, hoch, hell, zischend. Es war insge­samt für die Test­per­sonen durchaus akzep­tabel, dass Betriebs­ge­räu­sche entstehen, sie müssen jedoch als ange­nehm empfunden werden. Schluss­end­lich zeigte die Auswer­tung der Hörver­suche aber vor allem, dass sich der „Störungs­level“ maßgeb­lich mit objek­tiven, psycho­akus­ti­schen Para­me­tern verbinden lässt.

Darauf aufbauend lassen sich jetzt zwei Folge­ziele defi­nieren: Zukünftig sollen zusätz­lich zu den physi­ka­li­schen Para­me­tern zur Geräusch­be­ur­tei­lung bei Venti­la­toren (Bild 3) auch die psycho­akus­ti­schen verwendet werden. Weiterhin soll auf die Einfüh­rung einer inter­na­tio­nalen Norm hinge­ar­beitet werden, die auf genormten psycho­akus­ti­schen Größen basiert. Damit wäre dann eine wich­tige Voraus­set­zung dafür geschaffen, dass Luft-Wasser-Wärme­pumpen mit möglichst ange­nehmen Betriebs­ge­räusch dazu beitragen, Ärger in der Nach­bar­schaft wegen Lärm­be­läs­ti­gung zu vermeiden.