Hydraulische Weiche

Ein wichtiges Merkmal ist die Art des Wärmepumpen-Prozesses. Der Wärmepumpen-Prozess kann thermisch oder mechanisch angetrieben werden. Demnach lassen sich klassifizieren:

Kompressions-Wärmepumpen
(mechanisch mit Elektromotor, selten auch mit Gasmotor)
Absorbtions-Wärmepumpen
(thermisch durch Gasverbrennung ohne Mechanik)
Vuilleumier-Wärmepumpen
(thermisch durch Gasverbrennung mit mechanischem Ablauf)

Der mit Abstand am häufigsten eingesetzte Prozess ist die Kompression mit elektrischem Antrieb. Nahezu jeder Kühl- und Gerfrierschrank arbeitet mit dieser Technik.

Die Art des vom Elektromotor angetriebenen Kompressors wird unterschieden zwischen Hubkolben- (meist Kühlmöbel), Rollkolben- (meist Klimageräte) und Scroll- (Klimageräte/Wärmepumpen) Verdichter. Andere Verdichterarten (z. B. Schrauben- oder Turbinenverdichter) finden meist nur in großen, industriellen Anlagen Anwendung.

Die Technik der elektrisch angetriebenen Kompressionswärmepumpe lässt sich in folgende Anwendungsgruppen einteilen:

Heizungs-Wärmepumpen
- Wasser/Wasser
- Sole/Wasser
- Luft/Wasser
- direktverdampfend
- direktverdampfend/direktkondensierend
Integral-Systeme
Abluft-Wärmepumpen
Brauchwasser-Wärmepumpen

LEISTUNGSZAHL / LEISTUNGSAUFNAHME

Diagramm 1:
Das Diagramm zeigt den Verlauf der Leistungszahl und der Leistungsaufnahme einer Wärmepumpe in Abhängigkeit zur Quellentemperatur.
Die Leistungszahl (grün) steigt mit wärmer werdender Quelle deutlich an, während die Leistungsaufnahme im kleinen Bereich variiert.
Die Nutzungstemperatur liegt hier bei konstant 35 °C.

VERLAUF DER HEIZLEISTUNG

Die meisten Wärmepumpen haben ein gemeinsames Handicap: Sie können ihre Leistung nicht modulieren.
Eine Wärmepumpe kann nur ein- bzw. ausgeschaltet werden. Zwar unterliegt der Wärmepumpenprozess physikalisch bedingt Leistungsschwankungen (sich ändernde Temperaturdifferenzen zwischen Quellen- und Nutzungsseite, wie sie aus Diagramm 1 und 2 hervorgehen), - mit einer Leistungsregelung hat das aber nichts zu tun.

Die EnEV (Energie-Einspar-Verordnung) schreibt vor, dass die raumseitigen Wärmequellen (Flächenheizungen/Radiatoren) einzeln thermostatisch geregelt werden müssen.
Der Massenstrom des Heizwassers ist damit aber starken Schwankungen unterworfen: Sind alle Ventile offen, strömt viel Heizwasser; bei schließenden oder geschlossenen Ventilen sinkt der Massenstrom sehr stark und kommt fast vollständig zum Erliegen.

Moderne Umwälzpumpen im Heizkreis reagieren darauf und passen ihre Pumpenleistung an.
Ebenso "modulieren" Gas- oder Ölheizungen; sie reduzieren die Brennerleistung, wenn der Massenstrom im Heizkreis und damit der Leistungsbedarf geringer wird.

Die Wärmepumpe kann das (leider noch) nicht.
Jetzt wäre es sehr ungünstig für die Leistungszahl, teilweise sogar schädlich für die Wärmepumpe, wenn man die Nutzungsseite der Wärmepumpe unterschiedlichen Massenströmen aussetzt. Die Wärmepumpe "muss" immer die gleiche Leistung abgeben. Sinkt die Strömungsmenge des abnehmenden Mediums (Heizwasser), wird zwangsläufig die Temperatur erhöht, um die Leistung äquivalent zu halten (hohe Durchflussmenge = niedere Temperaturdifferenz / niedere Durchflussmenge = hohe Temperaturdifferenz).
Hohe Temperaturen sind beim Betrieb einer Wärmepumpe nicht erwünscht. Daher wird eine hohe Durchflussmenge bei geringer Temperaturdifferenz angestrebt.

Damit nun beiden Anforderungen Rechnung getragen wird, kommt eine sogenannte hydraulische Weiche zum Einsatz. Damit wird der Volumenstrom der Wärmepumpe konstant gehalten, während heizkreisseitig sich ändernde Massenströme unberührt bleiben.

Diagramm 2:
Die gleiche Wärmepumpe aus Diagramm 1 ändert ihr Leistungsverhalten nicht nur in Abhängigkeit zur Quellentemperatur, sondern auch durch geänderte Nutzungstemperaturen.
Je höher die Temperatur der Nutzungsseite liegt, desto mehr Leistung nimmt das Aggregat auf und desto weniger Heizleistung wird bereitgestellt.
Die Leistungszahl sinkt erheblich.
(Quelle: Stiebel-Eltron)

AUFBAU UND FUNKTION DER HYDRAULISCHEN WEICHE

Die hydraulische Weiche kann und sollte im Volumen zu einem angemessenen Puffer ausgedehnt werden. Damit wird häufiges Takten der Wärmepumpe verhindert und eventuelle Sperrzeiten der EVUs können damit überbrückt werden (Puffervorhaltung).

Die hydraulische Weiche ist ein Puffertank mit 4 Anschlüssen:
Links oben und links unten sind Vor- und Rücklauf der Wärmepumpe angeschlossen. Die Ladepumpe fördert immer die gleiche Menge Wasser.
Rechts oben und rechts unten sind Vor- und Rücklauf des Heizkreises angeschlossen. Die Heizkreispumpe ändert die Fördermenge je nach Öffnungswinkel der Thermostatventile; es ändert sich also der Massenstrom.
Da der Puffer "innen offen" ist, durchmischen sich die Wasser beider Kreisläufe, ohne sich gegenseitigen zu beeinträchtigen.