Split-Klimagerät vs. Wärmepumpe - eine Alternative?

Inhaltsverzeichnis

I. Einleitung
A. Einführung in das Thema
B. Bedeutung von Split-Klimageräten und Wärmepumpen
C. Ziel des Blog-Beitrags

II. Nutzung und Verbreitung von Klimageräten
A. Der Markt für Klimageräte in Asien/Südostasien
B. Der Markt für Klimageräte in Europa
C. Rolle von China als führender Hersteller

III. Physikalische Wirkungs- und Funktionsweise, sowie Ausführungsvarianten von Split-Klimageräten
A. Physikalischer Aufbau und Betrieb beim Heizen bzw. Kühlen von Split-Klimageräten
B. Ausführungsvarianten von Klima-Geräten
C. Einsatz von Kältemitteln (R32 bzw. R410A und andere)

IV. Komponenten eines Split-Klimagerätes
A. Grundsätzlicher Aufbau eines Mono Split-Klimagerätes
B. Verdichter bzw. Kompressor mit Inverter Technik
C. Verdampfer in der Außeneinheit
D. Verflüssiger in der Inneneinheit
E. Verbindungskanäle und -leitungen

V. Wärmepumpe: Eine Alternative zum Heizen und Kühlen
A. Funktionsweise einer Wärmepumpe
B. Vergleich Split-Klimageräten mit einer Monoblock Luft-Wasser Wärmepumpe: Vor- und         Nachteile
B1. Vergleich Geräuschpegel
B2. Vergleich Installation und Platzbedarf

VI. Wärmekomfort, Wärmearten und Kennzahlen zum Split-Klimagerät
A Wärmekomfort 
A1. Strahlungswärme
A2. Konvektionswärme
A3. Strahlungswärme-Anteil von Flächenheizungen und Heizkörpern
B. Energieeffizienz (Kennzahlen SEER, SCOP, JAZ)
C. Energieklassen und Energielabel
D. Hersteller energieeffizienter Split-Klimageräte
E. Investitionskosten

VI. Fazit und Ausblick
A. Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse
B. Empfehlungen für Verbraucher bei der Wahl zwischen Split-Klimageräten und Wärmepumpen
C. Ausblick auf zukünftige Entwicklungen und Trends in der Branche

I. Einleitung

A. Einführung in das Thema

Die modernen Anforderungen an Raumklimatisierung und Wärmeregulierung stellen uns vor vielfältige Optionen. Eine Lösung, die sich besonders hervorgetan hat, sind Mono-Split-Klimageräte. In Zeiten des steigenden Umweltbewusstseins und der Suche nach effizienten Klimatisierungslösungen gewinnen diese Geräte zunehmend an Bedeutung. Mono-Split-Klimageräte bieten nicht nur die Möglichkeit, Räume effektiv zu kühlen, sondern auch zu heizen, was sie zu einer ganzjährig nutzbaren Option macht.

In diesem Blog-Beitrag werden wir uns eingehend mit Mono-Split-Klimageräten beschäftigen. Wir werden ihre Funktionsweise und die verschiedenen Komponenten, die sie ausmachen, im Detail betrachten. Dabei werden wir auch auf die Unterschiede zu Multi-Split-Systemen und Window-Units eingehen, um ein umfassendes Verständnis für die Vielseitigkeit dieser Technologie zu gewinnen.

Darüber hinaus werden wir uns mit den Kennzahlen SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) und SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) befassen, um die Effizienz von Mono-Split-Klimageräten zu bewerten und sie mit anderen Klimatisierungsoptionen zu vergleichen.

Durch die Erörterung dieser Themen wollen wir nicht nur ein tieferes Verständnis für Mono-Split-Klimageräte schaffen, sondern auch Verbrauchern dabei helfen, informierte Entscheidungen zu treffen, wenn es um die Wahl der richtigen Klimatisierungslösung für ihre Bedürfnisse geht.

B. Bedeutung von Split-Klimageräten und Wärmepumpen

Split-Klimageräte und Wärmepumpen spielen eine entscheidende Rolle in der modernen Gebäudetechnik und -klimatisierung. Sie bieten effiziente Lösungen zur Schaffung eines angenehmen Raumklimas und tragen gleichzeitig zur Energieeffizienz und zum Umweltschutz bei.

  1. Split-Klimageräte: Split-Klimageräte sind äußerst beliebt und weit verbreitet in Wohn- und Gewerbegebäuden. Ihr modulares Design ermöglicht eine effiziente Kühlung und in einigen Fällen auch Heizung von Räumen. Die Trennung der Einheiten in Innen- und Außengeräte bietet Flexibilität bei der Installation und ermöglicht eine geräuscharme Klimatisierung. Multi-Split-Klimageräte erweitern diese Funktionalität, indem sie es ermöglichen, mehrere Innenraumeinheiten an eine einzige Außeneinheit anzuschließen. Dadurch können verschiedene Bereiche oder Zonen innerhalb eines Gebäudes unabhängig voneinander gekühlt oder beheizt werden, was eine maßgeschneiderte Temperaturregelung für unterschiedliche Bedürfnisse ermöglicht.

  2. Wärmepumpen: Wärmepumpen sind vielseitige Geräte, die nicht nur zur Klimatisierung von Räumen, sondern auch zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden können. Ihr Funktionsprinzip beruht auf dem Prinzip der Wärmeübertragung, bei dem Wärme aus der Umgebungsluft, dem Grundwasser oder dem Erdreich entzogen und in das zu beheizende Gebäude transportiert wird. Dieser Prozess ermöglicht es Wärmepumpen, effizient Wärme zu erzeugen, selbst bei niedrigen Außentemperaturen, und trägt somit zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen bei.

In einer Zeit, in der der Klimawandel eine immer größere Herausforderung darstellt und die Energieressourcen knapper werden, sind Split-Klimageräte und Wärmepumpen wichtige Werkzeuge für eine nachhaltigere Gebäudeklimatisierung. Ihre Fähigkeit, den Komfort zu verbessern, Energie zu sparen und die Umweltbelastung zu verringern, macht sie zu unverzichtbaren Elementen in modernen Gebäuden und Haushalten.

C. Ziel des Blog-Beitrags

Das Ziel dieses Blog-Beitrags ist es, einen umfassenden Einblick in das Thema Split-Klimageräte zu geben und deren Bedeutung in der Gebäudetechnik sowie ihre Unterschiede zu Wärmepumpen zu beleuchten. Wir möchten dabei helfen, ein besseres Verständnis für die Funktionsweise und die verschiedenen Komponenten von Mono-Split-Klimageräten zu entwickeln.

Des Weiteren streben wir danach, Euch über die Vorteile und Einschränkungen von Split-Klimageräten im Vergleich zu anderen Klimatisierungsoptionen aufzuklären, insbesondere im Hinblick auf ihre Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit.

Ein weiteres Ziel ist es, die internationalen Perspektiven aufzuzeigen und aufzuzeigen, wie diese Technologien in anderen Ländern eingesetzt werden. Dadurch erhalten die Leser einen umfassenden Überblick über die Anwendungsmöglichkeiten und den Stand der Technik im Bereich der Klimatisierung weltweit.

Zusammenfassend soll dieser Blog-Beitrag dazu beitragen, das Wissen der Leser zu erweitern, sie bei der Entscheidungsfindung bezüglich der Auswahl einer geeigneten Klimatisierungslösung zu unterstützen und ihnen einen Einblick in die aktuellen Entwicklungen und Trends in diesem Bereich zu geben.

II. Nutzung und Verbreitung von Klimageräten

A. Der Markt für Klimageräte in Asien/Südostasien

Das globale Marktvolumen für Klimageräte im privaten und gewerblichen Bereich beläuft sich auf etwa 105 Millionen verkaufte Einheiten pro Jahr, mit einem Gesamtwert von mehr als 95 Milliarden US-Dollar im Jahr 2014. Die bedeutendsten Märkte befinden sich in Asien und Südostasien, wobei China den weltweit größten Absatzmarkt darstellt, gefolgt von den USA.

Split-Systeme, sowohl kanalfreie als auch mit Kanälen, machen den Großteil des globalen Klimagerätemarktes aus, mit über 85 Millionen verkauften Einheiten im Jahr 2014. Insbesondere kanalfreie Single-Split-Geräte dominieren den Weltmarkt, insbesondere in asiatischen und südostasiatischen Ländern. Weltweit haben Single-Split-Geräte einen deutlich höheren Marktanteil als Monoblock-Geräte, obwohl diese Situation in einigen Ländern variieren kann. In Deutschland beispielsweise ist der Anteil der beiden Gerätetypen gleich hoch.

Die asiatischen und südostasiatischen Volkswirtschaften verfügen nicht nur über die meisten Abnehmer, sondern auch über die größten Produktionskapazitäten für Klimageräte, insbesondere in Ländern wie China, Thailand und Indien. China und Thailand sind wichtige Exporteure auf diesem Markt und passen ihre Produktionslinien den Anforderungen verschiedener Zielmärkte an, einschließlich des heimischen Marktes.

In Asien und Südostasien werden jährlich etwa 65 Millionen Klimageräte nachgefragt, wobei die größte Nachfrage in China zu verzeichnen ist. Abgesehen von Indien und den Philippinen sind Single-Split-Klimageräte auf diesem Markt dominant. Viele tropische Länder in dieser Region verwenden Klimageräte, die ausschließlich eine Kühlungsfunktion aufweisen.

B. Der Markt für Klimageräte in Europa

Der europäische Markt für Raumklimageräte verzeichnet jährlich den Verkauf von etwa 6 Millionen Einheiten (Stand: 2014). Dabei dominieren Russland mit einem Anteil von 26%, gefolgt von der Türkei und Italien, die jeweils einen Marktanteil von 14% halten. Im Vergleich dazu sind die anderen Märkte in Europa vergleichsweise kleiner und halten Anteile von weniger als 10%. Die favorisierten Produkte auf diesem Markt sind Split-Klimageräte.

Der deutsche Raumklimagerätemarkt weist mit etwa 190.000 verkauften Einheiten pro Jahr eine relative Kleinheit auf, wobei nahezu alle Geräte importiert werden. Der Großteil der nachgefragten Geräte, etwa 70.000-80.000 Einheiten, sind Single-Split-Klimageräte, meist mit reversibler Funktion. Kompaktklimageräte, auch als bewegliche Geräte bekannt, verzeichnen ähnliche Absatzmengen und sind daher ebenso von Bedeutung.

Zentrale Klimaanlagen, die Flüssigkeitskühler mit angeschlossenem Kaltwassersystem nutzen, sind in Deutschland weit verbreitet. Die Marktdurchdringung von Raumklimageräten in privaten Haushalten liegt vergleichsweise niedrig, bei unter 5%. Dennoch wird ein signifikanter Anstieg der Verkaufszahlen prognostiziert, und bis 2040 wird erwartet, dass etwa 2,8 Millionen Geräte im Bestand vorhanden sind. 

C. Rolle von China als führender Hersteller

China ist zweifellos der führende Akteur auf dem Weltmarkt für Klimageräte, wobei das Land einen beeindruckenden Anteil von 80-90% an der Gesamtproduktion hält. Im Jahr 2014 belief sich der chinesische Markt für Single-Split-Klimageräte auf rund 45 Millionen verkaufte Geräte, während weitere 19 Millionen Einheiten exportiert wurden. Die Bedeutung des chinesischen Einfuhrvolumens ist im Vergleich dazu vernachlässigbar.

In China liegt die größte Nachfrage nach Klimageräten in den dicht besiedelten urbanen Gebieten im Osten des Landes, den sogenannten „Magacities“. Etwa die Hälfte der privaten Haushalte in China verfügt im Durchschnitt über ein Klimagerät, während dieser Wert in ländlichen Gebieten bei etwa 20-25% liegt. Somit weist China eine der höchsten Marktdurchdringungsraten für Klimageräte in ganz Asien auf.

Der bevorzugte Typ von Klimageräten in China ist das Split-System, sowohl Single- als auch Multi-Splits, mit Kühlleistungen von maximal 5 kW. Die Mehrheit der verkauften Klimageräte verfügt auch über eine Heizfunktion, was bedeutet, dass sie auch als Wärmepumpen genutzt werden können. Diese Geräte sind oft nicht wesentlich teurer als solche, die nur über eine Kühlfunktion verfügen.

Raumklimageräte mit energieeffizienter Inverter-Technologie machen derzeit rund 50% der jährlichen Verkaufszahlen in China aus, und dieser Anteil wird voraussichtlich weiter steigen. Die führenden Hersteller auf dem chinesischen Markt, darunter Gree, Midea und Haier, halten einen Gesamtmarktanteil von etwa 60%. Die Effizienz ihrer Geräte im Kühlbetrieb erreicht einen SEER-Wert von 5.

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III. Physikalische Wirkungs- und Funktionsweise, sowie Ausführungs-varianten von Split-Klimageräten

A. Physikalischer Aufbau und Betrieb beim Heizen bzw. Kühlen von Split-Klimageräten

Das Grundprinzip der Kaltdampfkompression beruht darauf, den Zustand eines Arbeitsfluids zwischen flüssig und gasförmig zu ändern, um Wärme bei niedrigem Druck durch Verdampfung aufzunehmen und bei hohem Druck durch Kondensation abzugeben. Dabei wird ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf verwendet, das durch Änderung des Drucks bei den gewünschten Temperaturen verdampft und kondensiert. Wenn die Verdampfleistung 𝑄0 des Kompressionsprozesses genutzt wird, spricht man von einer Kältemaschine (KM); wenn hingegen die Wärmeabgabe am Kondensator 𝑄̇1 verwendet wird, handelt es sich um eine Wärmepumpe (WP). 

Ein mechanischer Kompressor leistet Verdichtungsarbeit an dem gasförmigen Kältemittel, um es auf eine höhere Drucklage zu bringen. Der grundlegende Vorteil einer Wärmepumpe besteht darin, Energie von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres nutzbares Niveau zu bringen. Die Hauptaufnahme der Energie erfolgt dabei während des Verdampfungsprozesses, während die anschließende Verdichtungsarbeit nur einen geringen energetischen Anteil ausmacht. Durch die Verdichtung wird die Energie aufgewertet, was die Qualität der Energie beschreibt, die durch Exergie (Exergie ist unbeschränkt umwandelbare Energie, die sich in jede andere Energieform umwandeln lässt) ausgedrückt werden kann. Auf diese Weise kann scheinbar unbrauchbare Wärme aus der Umgebung durch Hinzufügen von hochwertiger Energie in Form von mechanischer Arbeit für Heizzwecke genutzt werden.

Die internen Temperaturen des Betriebs von Wärmepumpen und Kältemaschinen werden hauptsächlich durch die externen Temperaturbedingungen bestimmt. Sowohl bei der Kältemaschine als auch bei der Wärmepumpe spielen die Umgebungstemperatur und die Raumtemperatur eine wesentliche Rolle, da sie die Kondensations- und Verdampfungstemperaturen festlegen, die die Kältemaschine oder die Wärmepumpe erbringen müssen.

Wärmesenke Wrmequelle
WP-Prinzip
Quelle: Bosy-Online

Damit Wärme zwischen den externen und internen Temperaturen fließen kann, muss eine Temperaturdifferenz vorhanden sein. Während des Heizens mit einer Wärmepumpe im Winter muss die Verdampfungstemperatur unterhalb der tiefen Umgebungstemperatur 𝑇𝑇𝑢,𝑊𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 liegen, während die Kondensationstemperatur oberhalb der Raumtemperatur 𝑇𝑅𝑎𝑢𝑚  sein muss. Im Sommer erfordert das Kühlen mit einer Kältemaschine hingegen eine Siedetemperatur unterhalb der Raumtemperatur und eine Kondensationstemperatur über der hohen Umgebungstemperatur 𝑇𝑢,𝑆𝑜𝑚𝑚𝑒𝑟, um Wärme abzuführen.

Nachfolgende Abbildung verdeutlicht die Lage der internen Temperaturen im Wärmepumpenbetrieb im Winter und im Kältemaschinenbetrieb im Sommer. Darüber hinaus zeigt sie den notwendigen internen Temperaturhub ∆𝑇𝐻𝑢𝑏, den der Verdichter erbringen muss, für beide Anlagenbetriebe.

Physik Wärmepumpe

Temperaturniveaus, Wärmepumpenbetrieb (Winter) und Kältemaschinenbetrieb (Sommer)

Sommer und Winterbetrieb
Sommer- (oben, kühlen) Winer-Betrieb (unten, heizen)

Mono-Split-Klimagerät im Kühlbetrieb, oben (schematisch), im Heizbetrieb (unten, schematisch) und Bild einer offenen Außeneinheit mit Ventilator, Wärmeübertrager und Verdichter (rechts).

B. Ausführungsvarianten von Klima-Geräten

Es gibt verschiedene Varianten von dezentralen Klimaanlagen. Eine Aufschlüsselung der gängigsten Anlagen ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Außerdem wird die Wärmeverteilung zwischen den verschiedenen Varianten betrachtet.

Systeme luftbasiertes und wasserführendes System
Ausführungsvarianten von Klimageräten

Ein Variable Refrigerant Flow (VRF) System repräsentiert die fortschrittlichste Weiterentwicklung von Split-Systemen. Es besteht aus einer oder mehreren Außeneinheiten sowie mehreren Inneneinheiten, die in den Räumen angeordnet sind.

VRF

Nachfolgende Abbildung zeigt den Aufbau eines Single-Split-Klimagerätes sowie anderer häufig am Markt für Raumklimageräte anzutreffender Produkttypen. 

Ausführungsvarianten Klimageräte

Links: Ein Single-Split-Klimagerät mit einem Innengerät zur Kühlung (Verdampfer) und einem Außengerät (Verflüssiger), das die Wärme aus dem Gebäude abführt. In der Mitte: Ein Fensterklimagerät (Monoblock-Klimagerät). Rechts: Ein bewegliches Klimagerät (hier: Einkanalsystem), das im Wesentlichen wie ein Fensterklimagerät funktioniert, jedoch mehr Freiheiten bei der Einstellung des Luftstroms im Raum bietet.

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C. Einsatz von Kältemitteln (R32 bzw. R410A und andere)

Alle Wärmepumpen benötigen ein Kältemittel, das im Kreislauf zirkuliert und dabei Wärme von der Quelle zur Senke transportiert, wobei Phasenänderungen eine Temperaturerhöhung ermöglichen. In der Vergangenheit haben austretende Kältemittel maßgeblich zum Abbau der Ozonschicht beigetragen. Solche Mittel sind in den Industriestaaten seit 1996 verboten. Die Ersatz-Kältemittel sind teilweise starke Treibhausgase, weshalb ein Austreten weiterhin zwingend verhindert werden muss.

Bei den meisten Split-Klimageräten wird Difluormethan (R32) als Kältemittel verwendet. Mit einem Treibhauspotenzial (GWP) von 675 gilt es als vergleichsweise umweltschonend. Es ersetzt schrittweise das bis vor kurzem weit verbreitete R410A, das ein GWP von 1923 aufweist und bei Split-Geräten ab 01.01.2025 verboten ist. R32 ist hochentzündlich, weshalb an den Aufstellraum der Inneneinheit kältemittelfüllmengen-abhängige Mindestgrößen vorgeschrieben sind, um sicherzustellen, dass beim Austreten die Verdünnung hoch genug ist, um kein explosionsfähiges Gemisch mit Luft zu bilden.

Monoblock-Geräte sind vom R410A-Verbot ausgenommen und verwenden teilweise noch dieses Kältemittel. Einige Monoblock-Modelle werden jedoch mit Propan (R290) geliefert, das einen geringen GWP-Wert von lediglich 3 aufweist, aber ebenfalls hochentzündlich ist und schwerer als Luft. Die meisten Monoblock-Geräte haben nur geringe Kältemittelfüllmengen, was das Explosionsrisiko vernachlässigbar macht, sofern der Aufstellraum ausreichend groß ist.

In den nachfolgenden Abbildungen werden die Global Warming Potential (GWP) mit den Fristen für die einzelnen Kältemittel dargestellt:

Kältemittelbeschränkung_1
Kältemittelbeschränkung_2
Quelle: Kaupmann

IV. Komponenten eines Split-Klimagerätes

A. Grundsätzlicher Aufbau eines Mono Split-Klimagerätes

Wesentlichen Komponenten
Mono-Spilt-Klimagerät im Heizbetrieb

B. Verdichter bzw. Kompressor mit Inverter-Technik

Der Verdichter, das zentrale Element des Kältekreislaufs, beeinflusst maßgeblich den elektrischen Energieverbrauch und trägt entscheidend zur Energieeffizienz des gesamten Systems bei. Verdichter lassen sich grundsätzlich in Verdrängungs- und Strömungsverdichter unterteilen. Eine detaillierte Klassifizierung der Verdichtertechnologien ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

Verdichtertypen

In Klimageräten werden hauptsächlich Rotationsverdichter wie Scroll- oder Rollkolbenverdichter verwendet. Diese zeichnen sich durch einen kontinuierlichen Verdichtungsprozess mit minimalen Vibrationen sowie durch die variable Drehzahlregelung aus, die eine kontinuierliche Anpassung der Leistung ermöglicht. Die Inverter-Technik ist die am weitesten verbreitete Methode zur Realisierung eines drehzahlvariablen Kompressorantriebs und wird zunehmend in Single-Split-Klimageräten eingesetzt, um die Energieeffizienz zu steigern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kompressoren mit fester Drehzahl und Intervallbetrieb erlaubt diese Technik, das Klimagerät unabhängig vom Kühl- oder Heizbedarf kontinuierlich nah an seinem optimalen Wirkungsgrad zu betreiben. Durch die Inverter-Technik kann das Klimagerät somit im Teillastbetrieb laufen, was zu erheblichen Energieeinsparungen führen kann, insbesondere in Ländern mit gemäßigtem Klima, wo Single-Split-Klimageräte hauptsächlich im Teillastbetrieb betrieben werden.

Bei der Inverter-Technologie in einem Split-Monoblock-Klimagerät wird der Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom umgewandelt. Dies geschieht durch einen Gleichrichter im Inverter, der den Wechselstrom in einen konstanten Gleichstrom umwandelt. Dieser Gleichstrom wird dann durch den Inverter in Wechselstrom umgewandelt, dessen Frequenz und Spannung elektronisch gesteuert werden können.

Der Inverter enthält eine elektronische Schaltung, die die Frequenz und Spannung des erzeugten Wechselstroms anpasst, um die Drehzahl des Kompressors zu regeln. Der Inverter überwacht kontinuierlich die Temperatur im Raum und passt die Leistung des Kompressors entsprechend an. Wenn eine höhere Leistung erforderlich ist, erhöht der Inverter die Frequenz und Spannung des erzeugten Wechselstroms auf beispielsweise 60 Hz, was zu einer höheren Drehzahl des Kompressors führt und somit mehr Kältemittel durch das System gepumpt wird. Bei geringerem Leistungsbedarf verringert der Inverter die Frequenz und Spannung auf beispielsweise 30 Hz, was zu einer langsameren Drehzahl des Kompressors und einer entsprechenden Verringerung des Kältemittelstroms führt.

Der Inverter ermöglicht somit eine präzise Regelung der Leistung des Klimageräts, was zu einer effizienten und energiesparenden Heiz- oder Kühlleistung führt.

Die höhere Effizienz wird durch eine verbesserte Druckverhältnis und einen reduzierten Temperaturhub erreicht. Die Wärmeübertrager der Single-Split-Klimageräte, die für den Volllastbetrieb ausgelegt sind, sind unter Teillastbedingungen überdimensioniert, was den Energieverbrauch des Kompressors reduziert. Zudem wird eine höhere volumetrische Kälteleistung aufrechterhalten, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Des Weiteren verringert sich der Energieverlust durch den Intervallbetrieb, was insbesondere bei niedrigen Teillastraten relevant ist.

Allerdings kann die reduzierte Kompressordrehzahl zu einer Abnahme des isentropischen Wirkungsgrads und des Kompressorwirkungsgrads führen, was die Effizienzgewinne durch Druckverhältnis und Kältemittel geringfügig mindern kann. Dennoch sind die Gesamteffizienzgewinne bei großen Klimageräten besonders hoch. Laut SEAD (2013) führt die Inverter-Technik im Vergleich zur herkömmlichen Klimagerätetechnologie mit Kompressoren mit fester Drehzahl zu Energieeinsparungen von 20–25 %.

Scrollkompressoren sind Verdrängungsmaschinen, die aus zwei ineinandergreifenden Spiralhüllen bestehen, wobei der bewegliche Spiralhüllenkopf, der Rotor, im festen Spiralhüllenkopf, dem Stator, rotiert. Während sich die Spiralen kontinuierlich bewegen, berühren sie sich und schließen das Arbeitsfluid in immer kleiner werdende Verdichtungskammern ein, bis es am Ende des Verdichtungsvorgangs in der Mitte der Spirale ausgestoßen wird.

Scroll Verdichter

Die drei Phasen des Verdichtungsprozesses bei Scrollkompressoren, bei denen das Kältemittel von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite gefördert wird, sind das Ansaugen, Verdichten und Ausstoßen. Zu Beginn des ersten Umlaufs wird das Sauggas parallel auf beiden Seiten auf niedrigem Druck angesaugt. Das Kältemittel wird dann in die nächste Verdichtungskammer eingeschlossen, wo es durch eine Volumenreduktion auf ein mittleres Druckniveau erhöht wird.

Am Ende des ersten Umlaufs lassen die äußeren Enden der Spiralen wieder den Eintritt von neuem Kältemittel zu. Im zweiten Umlauf schiebt der Rotor das Kältemittel auf mittlerem Druckniveau in Richtung Zentrum der Spirale, während eine weitere Volumenreduktion und Druckerhöhung erfolgt. Schließlich wird im dritten Umlauf das Kältemittel in der Mitte durch die Auslassöffnung als Heißgas ausgestoßen.

Der Scrollkompressor verfügt über ein ideales Verdichtungsverhältnis, das durch die Geometrie der Spiralhüllen, auch Scrollset genannt, definiert ist. Die Konstruktion des Scrollsets ist auf bestimmte Betriebsbedingungen in der Hauptanwendung des Kompressors abgestimmt.

Im Gegensatz zu Hubkolbenverdichtern, die ein Arbeitsventil besitzen und das verdichtete Kältemittel kontrolliert beim Erreichen des Betriebsdrucks auf der Hochdruckseite auslassen, verdichtet der Scrollkompressor das Kältemittel mit einem festen Volumenverhältnis, unabhängig von den äußeren Betriebsbedingungen.

Das optimale Arbeitsverhalten tritt nur dann auf, wenn der Verdichter mit dem konstruktiven Druckverhältnis arbeitet und das Dampfvolumen im Verdichtungsraum nahezu vollständig ausgestoßen werden kann. Bei einem geringeren externen Druckverhältnis als dem idealen Verdichtungsverhältnis kommt es zu einer Überkompression des Kältemittelgases, während bei einem höheren externen Druckverhältnis eine Unterkompression auftritt. Beide Fälle führen zu einer Verringerung des Wirkungsgrads des Verdichters

C. Verdampfer in der Außeneinheit

Der Rohrleitungsquerschnitt des Verdampfers ist größer als der der Kupferleitung vor dem Expansionsventil, was zu einem Druckabfall im System führt. Dadurch erhält das Kältemittel die Möglichkeit, seine Aggregatform von flüssig zu gasförmig zu ändern, indem es Wärmeenergie aufnimmt. Diese Wärme wird aus dem zu kühlenden Raum entnommen, in dem sich das Innengerät mit dem Verdampfer befindet, und erzeugt so den spürbaren „Kälteeffekt“. Nachdem das Kältemittel den Verdampfer durchlaufen hat, befindet es sich wieder im gasförmigen Zustand und wird vom Verdichter angesaugt. Dann beginnt der Kreislauf erneut.

Daikin Verdampfer
Quelle: Daikin (Beispiele eines Verdamfers)

D. Verflüssiger in der Inneneinheit

Der Verflüssiger spielt eine entscheidende Rolle beim Umwandlungsprozess des Kältemittels vom gasförmigen in den flüssigen Zustand. Hierbei wird die durch die Verdichtung erzeugte Wärme an die Umgebung abgegeben. Das noch warme bis heiße Kältemittel strömt dabei durch die gewundene Rohrleitung des Verflüssigers und wird mittels eines Lüftermotors gekühlt. Sobald das Kältemittel eine bestimmte Temperatur erreicht, die vom Druck nach der Verdichtung abhängt, kondensiert es und wechselt seinen Aggregatzustand von gasförmig zu flüssig.

E. Verbindungskanäle und -leitungen

Die Verbindung zwischen den Außen- und Innengeräten einer Klimaanlage erfolgt über eine Kältemittelleitung. Der Durchmesser und die Länge dieser Leitung variieren je nach Klimasystem und dem verwendeten Kältemittel. Neben der eigentlichen Kältemittelleitung werden separate Leitungen für die elektrische Steuerung und die Ableitung von Kondenswasser verwendet.

Es gibt drei Arten von Rohrleitungen in einem Kältemittelsystem:

  1. – Saugleitungen
  2. – Druckleitungen (auch bekannt als Heißgasleitungen)
  3. – Flüssigkeitsleitungen

Bei der Planung und Dimensionierung eines Rohrleitungssystems für Kältemittel müssen insbesondere folgende Aspekte berücksichtigt werden:

  • – Druckabfall
  • – Rückführung des Öls
  • – Schutz des Verdichters 

Die Quick-Connect-Verbindung bei Mono-Split-Klimageräten ist ein effizientes und zeitsparendes Verbindungssystem, das speziell für die einfache Montage der Inneneinheit (Verdampfereinheit) und der Außeneinheit (Verflüssigereinheit) entwickelt wurde. Während der Installation des Klimageräts ermöglicht dieses System eine rasche Verbindung beider Einheiten.

Die Quick-Connect-Verbindung besteht aus passenden Steckverbindern an beiden Einheiten, die mühelos ineinandergreifen und sicher verriegeln. Diese schnelle und sichere Verbindung erfordert weder zusätzliche Werkzeuge noch spezielle Fähigkeiten. Zudem ist die Verbindung hermetisch abgedichtet, um das Austreten von Kältemittel oder Luft während des Betriebs zu verhindern.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Quick-Connect-Verbindung ist, dass die Leitungen bereits gefüllt sind und keine Entlüftung erforderlich ist. Dies trägt zur weiteren Vereinfachung der Installation bei, indem unnötige Schritte und Arbeitsaufwand vermieden werden. Durch die Quick-Connect-Verbindung wird die Installation von Mono-Split-Klimageräten erheblich vereinfacht und beschleunigt, was wiederum Zeit und Arbeitskosten spart.

Quick-Connect 1
Quick-Connect 2

Hinweis:
Nach der Klimaschutzverordnung 303/2008 müssen Split-Klimaanlagen von einem zertifizierten Fachbetrieb montiert bzw. in Betrieb genommen werden. Das bedeutet, dass zur Inbetriebnahme immer ein zertifizierter Fachbetrieb für Kälte- und Klimatechnik mit fachlichen Qualifikationen vor Ort sein muss. Nur er darf die Inbetriebnahme durchführen. 

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V. Wärmepumpe: Eine Alternative zum Heizen und Kühlen

A. Funktionsweise einer Wärmepumpe

Eine Heizungsanlage mit Wärmepumpe besteht aus drei Hauptkomponenten: erstens der Wärmequellenanlage, welche die benötigte Energie aus der Umgebung gewinnt; zweitens der eigentlichen Wärmepumpe, die die gewonnene Umweltwärme nutzbar macht; und drittens dem Wärmeverteil- und Speichersystem, das die erzeugte Wärme im Haus verteilt oder zwischenspeichert. Der technische Prozess gliedert sich dabei in drei Schritte.

Wärmepumpe

In der Wärmequellenanlage zirkuliert üblicherweise eine Flüssigkeit, oft eine Sole, bestehend aus Wasser und einem Frostschutzmittel. Diese Flüssigkeit nimmt die Umweltwärme, beispielsweise aus dem Erdreich oder dem Grundwasser, auf und transportiert sie zur Wärmepumpe. Eine Ausnahme bilden Luft-Wärmepumpen, die mittels eines Ventilators Außenluft ansaugen und so der Wärmepumpe Umgebungswärme zuführen.

In der Wärmepumpe ist ein separater Kreislauf vorhanden, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Im Verdampfer, einem Wärmetauscher, wird die Umweltenergie vom ersten Kreislauf auf das Kältemittel übertragen, wodurch es verdampft. Bei Luftwärmepumpen wird das Kältemittel durch die Außenluft erhitzt. Der verdampfte Kältemitteldampf gelangt dann zum Verdichter oder Kompressor, wo sein Temperaturniveau durch Komprimierung ansteigt, was es heißer macht. In einem weiteren Wärmetauscher, dem Verflüssiger, kondensiert das Kältemittelgas unter hohem Druck und gibt dabei Wärme ab. Anschließend durchläuft das verflüssigte Kältemittel eine Drossel, wo sein Druck verringert wird. Das entspannte, flüssige Kältemittel wird schließlich zum Verdampfer zurückgeführt.

Im zu beheizenden Gebäude befindet sich das Wärmeverteilungs- und Speichersystem. Hier wird in der Regel Wasser als Heizmedium verwendet. Das Wasser nimmt die Wärme auf, die das Kältemittel im Verflüssiger abgibt, und leitet sie entweder zu einem Verteilersystem wie Flächenheizungen oder Heizkörpern oder zu einem Heizungspufferspeicher bzw. Warmwasserspeicher.

B. Vergleich Split-Klimageräten mit einer Monoblock Luft/Wasser Wärmepumpe: Vor- und Nachteile

Ein Split-Klimagerät und eine Monoblock Luft-Wasser-Wärmepumpe werden oft für die gleiche Funktion eingesetzt: Heizen und Kühlen von Innenräumen mit Hilfe von Luft als Ausgangsmedium. Während beide Systeme auf Luft als Wärmequelle zurückgreifen, unterscheiden sie sich jedoch in ihren Funktionsweisen und Anwendungsbereichen. Im Folgenden werden die Eigenschaften und Vorteile eines Split-Klimageräts und einer Monoblock Luft-Wasser-Wärmepumpe verglichen, wobei besonderes Augenmerk auf den Geräuschpegel, Installationsaufwand, Platzbedarf, Anschaffungskosten, Wärmekomfort und Energieeffizienz gelegt wird. 

Erklärung: Der Begriff „Monoblock“ bezeichnet eine Bauweise der Luft-Wasser-Wärmepumpe, bei der sämtliche Schlüsselkomponenten für die Wärmeerzeugung in einer einzigen kompakten Einheit integriert sind. Ein charakteristisches Merkmal dieser Bauweise ist, dass der gesamte Kältekreislauf hermetisch abgeschlossen ist. Im Gegensatz zu Split-Wärmepumpen, die separate Einheiten mit Kältemittelleitungen erfordern, sind bei Monoblock-Wärmepumpen keine räumlich getrennten Komponenten notwendig. Stattdessen sind der Verdichter, der Verdampfer, das Expansionsventil und der Verflüssiger in einem einzigen Gehäuse untergebracht.

Als Beispiel und Basis habe ich folgendes Daikin Split-Klimagerät und eine Monoblock Luft-Wasser-Wärmepumpe von Stiebel Eltron ausgewählt:

Daikin Split
Quelle: Daikin
Stiebel-Eltron technische Daten_page-0002
Quelle: Stiebel Eltron

B1. Geräuschpegel

Das Split Klimagerät teilt sich in zwei Komponenten auf. Hierbei handelt es sich um ein Innen- und ein Außengerät. Beide Komponenten verursachen Lärm. Beim Split Klimagerät von Daikin für das Außengerät beim Kühlen abhängig vom Gerät und Leistung beim Kühlen beim Schalldruckpegel zwischen 46 dB(A) und 50 dB(A) angeben.

Das Stiebel Eltron Außengerät wird mit 55 dB(A) ausgewiesen. Auch eine Viessmann Monoblock Luft-Wasser Wärmepumpe verursacht das Außengerät je nach Gerät und Betriebsweise zwischen 50 dB(A) und 60 dB(A).

Was natürlich beim Split Klimagerät hinzukommt ist das Innengerät, das bei der Luft-Wasser Wärmepumpe entfällt. Hier treten gemäß den Angaben von Daikin beim Flüsterbetrieb beim Kühlen und Heizen je nach Leistung und Gerät beim Schalldruckpegel zwischen 19 dB(A) und 24 dB(A) auf. 
Beim Volllastbetrieb werden Schalldruckpegel beim Heizen und Kühlen zwischen 39 dB(A) und 47 dB(A) erreicht.

Nachfolgende Abbildung soll das Verhältnis zwischen dB(A) und Lärmursachen darstellen:

Schalldruckpegel_Angaben Verhältnis

B2. Installation und Platzbedarf

In der nachfolgenden Abbildung wird der Aufbau einer Mono-Block Luft-Wasser Wärmepumpe dargestellt. Grundsätzlich kann dieser Anlagentyp im Gebäude oder außen aufgestellt werden. 

Aufbau Split Klimagerät
Monoblock Luft-Wasser Wärmepumpe

Die Installation eines Split-Klimageräts und einer Monoblock Luft/Wasser-Wärmepumpe unterscheiden sich derart, dass in beiden Fällen ein Außengeräte anzubringen ist, jedoch ist das Außengerät bei einer Monoblock Wärmepumpe deutlich größer und schwerer als bei einem Split-Klimagerät, was wahrscheinlich auch dem Umstand geschuldet ist, dass bei einer Monoblock Luft/Wasser Wärmepumpe ein komplettes Haus versorgt wird.  Entsprechend ist auch der Platzbedarf bei einer Außenaufstellung größer als bei einem Split-Klimegerät. Das Stiebel Eltron Außengerät hat die Maße: 1.045 mm x 1.490 mm x 593 mm) und wiegt 175 kg.
Das Daikin Split-Klimagerät hat folgende Maße:  693 mm x 795 mm x 300 mm und wiegt 50 kg.

Um die Anlagenteilen zu verbinden sind bei der Monoblock Wärmepumpe Kältemittelleitungen von dem Außengerät zum Heizungspufferbehälter zu verlegen. 
Alternativ kann dass Außengerät auch im Innenraum platziert werden. Hier sind die Vor- und Nachteile abzuwägen (Lärm, Platzbedarf, Luftkanal, etc.)

Beim der Split-Klimagerät ist zusätzlich ein Innengerät anzubringen, wobei die Kältemittelleitungen im Normalfall deutlich kürzer sind. 

Bei beiden Systemen besteht grundsätzlich die Möglichkeit für die Kältemittelleitungen Quick Connect Verbindungen einzusetzen, was den Aufwand bei der Montage und Inbetriebnahme vereinfacht. 

Der Installationsaufwand hängt insbesondere bei einer Monoblock Luft/Wasser Wärmepumpe von den örtlichen Gegebenheiten ab. 

VI. Wärmekomfort, Wärmearten und Kennzahlen zum Split-Klimagerät

A. Wärmekomfort

A1. Strahlungswärme

Die Art und Weise, wie die Wärme vom Heizkessel zu den Bewohnern gelangt, variiert je nach Heizsystem. Dabei gelangt die Heizungswärme auf zwei verschiedenen Wegen in den Raum: durch Strahlung und/oder durch Konvektion. Bei Heizsystemen mit Heizkörpern kommen immer beide Formen der Wärmeübertragung zum Einsatz, da ein warmer Heizkörper stets Wärme an die Umgebung abgibt. Allerdings unterscheiden sich die Übertragungsarten erheblich.

Betrachten wir zunächst die Ursache, die funktionsweise und die Wirkung von Strahlungswärme. Dabei ist die Wirkung von Licht von der Wellenlänge abhängig.

Nachfolgende Abbildung zeigt die verschiedenen Strahlungsarten in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

Strahlung
-waermestrahlung-elektromagnetisches-spektrum
elektromagnetisches Spektrum

Der Bereich elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen von 780 nm bis 1 mm
wird als Infrarotstrahlung bezeichnet. Die infrarote Strahlung kann in die Bereich IRA, IRB und IRC unterteilt werden. 

Die Übertragung von Strahlungswärme erfolgt durch elektromagnetische Wellen im nicht sichtbaren Bereich des infraroten Lichtspektrums, das Wellenlängen zwischen 780 und 1.000.000 Nanometern (Nm) umfasst. Diese Wellen bringen feste Moleküle in der Luft zum Schwingen, was zur Entstehung von Wärme führt. Strahlungswärme wird gemäß der DIN 5031 weiter in verschiedene Infrarotwellenbereiche unterteilt:

  • IR-A (kurzwellig),
  • IR-B (mittelwellig) und
  • IR-C (langwellig).

Je nach Wellenlänge dringt Strahlungswärme unterschiedlich tief in die Haut ein und erzeugt daher unterschiedliche Wärmeempfindungen. Wellen im Bereich von 1.000 Nanometern dringen tiefer in die Haut ein als solche im Bereich von 10.000 oder 100.000 Nanometern. Dies liegt an dem relativ schmalen Wellenlängenbereich zwischen 8 und 10 Mikrometern. Strahlungswärme mit einer Wellenlänge von über 1.000.000 Nanometern wird unter anderem in Mikrowellen verwendet, um Essen zu erwärmen, oder als Radiowellen im UKW-Bereich.

 

Wellenlängen und Wärmewirkung von Strahlungswärme
Einteilung nach DIN 5031Wellenlängenbereich in NanometernWärmewirkung auf der Haut in Millimeter
IR-A780 bis 1400 nmbis 5 mm Eindringtiefe
IR-B1400 bis 3000 nmbis 2 mm Eindringtiefe
IR-C3000 bis 1000000 nmbis 0,3 mm Eindringtiefe
Strahlungswärme

Strahlungswärme beeinflusst unmittelbar feste Objekte wie Möbel, Wände oder andere Dekorationsgegenstände im Raum sowie den menschlichen Körper, indem sie von ihnen absorbiert wird. Wenn Wärme von einem strahlenden Heizkörper abgegeben wird, werden Atome und Moleküle in den Luftkomponenten zum Schwingen und Rotieren angeregt. Diese Schwingungen übertragen sich von einem Molekül zum nächsten, ähnlich einer Kettenreaktion, und breiten sich so im Raum aus.

Wenn Strahlungswärme auf einen Gegenstand trifft, hängt die Absorption und Emission davon ab, wie die Temperatur der Strahlungswärme und die Oberflächenbeschaffenheit des Gegenstands beschaffen sind. Bei der Abgabe von Strahlungswärme an den Raum wird die Wellenlänge der abgegebenen Strahlung kürzer, je höher die Temperatur ist.

Gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann Wärme nur von einem wärmeren auf einen kälteren Körper übertragen werden. Daher kann Strahlungswärme erst von einem Gegenstand mit einer höheren Temperatur als der des menschlichen Körpers absorbiert werden. Zusätzlich zum Temperaturunterschied ist auch der Abstand zur Wärmequelle von Bedeutung. Zum Beispiel kann Strahlungswärme von einem nur leicht wärmeren Kachelofen bereits in unmittelbarer Nähe als angenehm empfunden werden.

Vorteile von Strahlungswärme:

  • Die Wärme wird als sehr behaglich empfunden.
  • Die Raumluft wird sanft erwärmt und verteilt, die Luftfeuchtigkeit bleibt annähernd gleich und es entstehen kaum Verwirbelungen in der Luft.
  • Die Raumlufttemperatur wird bei Strahlungswärme höher empfunden als sie tatsächlich ist, da die Wärme direkt auf den Körper übertragen wird. Die Temperatur im Raum kann um bis zu 2 °C reduziert werden. Jeder abgesenkte Grad spart rund 6 % Heizkosten im Jahr.
  • Das System der Strahlung funktioniert im Sommer auch zum Kühlen. Das kühle Wasser zirkuliert in den Rohren und kühlt dadurch die Wand- und Deckenflächen. Durch den Strahlungsaustausch wird dem Körper die Wärme entzogen. So ist es im Sommer angenehm kühl. 

Nachteil von Strahlungswärme:

  • Strahlungswärme wird im Vergleich zu Konvektionswärme angenehmer empfunden. Es dauert jedoch ein wenig länger, bis sie verfügbar ist. 
  • Bei einer Strahlungsheizung sind größere Heizflächen nötig. Die Wärme sollte aus verschiedenen Richtungen strahlen. Wenn Strahlungswärme nur punktuell von einer Seite kommt, stellt sich so eine Art Lagerfeuereffekt ein: Eine Seite zu warm, die andere zu kalt.

A2. Konvektionswärme

Konvektionswärme erwärmt die Luft und sorgt für deren Zirkulation im Raum. Dabei wird die Wärme von einem Ort zum anderen durch die Bewegung der Luft übertragen, wobei die Luft als Träger der Wärme fungiert. Oft entsteht im Raum dabei Zugluft, die als störend empfunden wird. 
Das bedeutet: Warmer Kopf und kalte Füße, auch wenn die Raumtemperatur recht hoch ist. Der Raum wird nicht behaglich.

Der Vorteil von Konvektionswärme ist, dass die Wärme schnell verfügbar ist und sich rasch im Raum verteilt.

Ein Konvektor fördert die Luftzirkulation und kann daher Staub aufwirbeln, was für Allergiker unangenehm sein kann.

Kovektikonswärme
konvektionswaerme-funktionsweise-luft-transport-grafik-

Durch Temperaturunterschiede von ≥12 K oder Druckunterschiede entstehen luftumwälzende Bewegungen im Raum, unabhängig davon, ob die Heizung über eine herkömmliche Fußbodenheizung oder herkömmliche Wandheizkörper erfolgt. Beide Heizsysteme erzeugen eine Überhitzung, die die Luft im Raum in Bewegung setzt. Dies führt zum Aufwirbeln von Staub und einem Gefühl von Zugluft durch kalte Außenwände. Zusätzlich kann bei hoher Luftfeuchtigkeit Kondensation an den kalten Innenflächen der Außenwände auftreten, was wiederum Schimmelbildung begünstigen kann

Ein weiterer Nachteil der Verwendung von Luft für den Wärmetransport ist die Austrocknung der Raumluft. Dies kann dazu führen, dass die gewünschte Luftfeuchtigkeit von 40–60 % nicht oder nur schwer aufrechterhalten werden kann. Eine zu trockene Raumluft beeinträchtigt die Funktion der Atemwege und trocknet die Schleimhäute aus. 

Nachfolgendes Behaglichkeitsdiagramm zeigt den Zusammenhang zwischen Luftfeuchte und Lufttemperatur. So ist bei einer relative Luftfeuchtigkeit < 40 % kein Behaglichkeits-gefühl mehr zu erreichen. 

Behaglichkeitsgefühl Feuchte

A3.  Strahlungswärme-Anteil von Flächenheizungen und Heizkörpern

Nachfolgende Tabelle zeigt den Anteil der Strahlungswärme bei Flächenheizungen und bei verschiedenen Heizkörpern.

Tabelle: Strahlungswärme-Anteil von Flächenheizungen und Heizkörpern im Vergleich
 HeizflächeAnteil Strahlungswärme (Durchschnitt)
FlächenheizungFußbodenheizung95%
 Wandheizung90%
DIN RadiatorStahl40%
 Guss35%
Röhrenradiator2-Säuler40%
 4-Säuler25%
 6-Säuler20%
PlattenheizkörperTyp 1055%
 Typ 1135%
 Typ 2130%
 Typ 2225%
 Typ 3320%
Konvektormit Stahlblechverkleidung5%
 Unterflurkonvektor< 5%
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B. Energieeffizienz (Kennzahlen SEER, SCOP, JAZ)

Die Energieeffizienz von Wärmepumpen wird anhand verschiedener Kennzahlen bewertet, darunter JAZ, COP, SCOP, EER, SEER und ETAs.
SEER: Seasonal Energy Efficiency Ratio (übersetzt: saisonales Energieeffizenzverhältnis)
SCOP: Seasonal Coefficient of Performance (übersetzt: saisonaler Leistungskoeffizient
JAZ: Jahresarbeitszahl

Der COP (Coefficient of Performance) misst die Leistung einer Wärmepumpe unter Laborbedingungen.Der SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) ist eine saisonabhängige Version des COP und berücksichtigt verschiedene Außentemperaturen. Der SCOP-Wert ist eine Kennzahl die die saisonale Effizienz für das Heizen beschreibt.

Die Messpunkte für den Heizbetrieb wurden bei Temperaturen von 12 °C, 7 °C, 2 °C und -7 °C Außentemperatur festgelegt. Zudem wird Europa für die Bewertung von Wärmepumpen in drei Klimazonen – Nord-, Mittel- und Südeuropa – eingeteilt. Das ErP-Effizienzlabel zeigt immer die „mittlere Klimazone“ an, zu der auch Deutschland gehört. Die verschiedenen Effizienzwerte für die „kältere“ und „wärmere“ Klimaregion in Europa werden dann in prozentualer Angabe auf einem technischen Datenblatt angegeben. Wenn ein Land von mehreren Klimazonen durchschnitten wird, können die gleichen Wärmepumpen sogar regional unterschiedliche Effizienzeinstufungen erhalten. Zusätzlich fließen Faktoren wie der Standby-Verbrauch und bei Klimageräten die verwendeten Innengeräte in die Berechnungen ein

Seit dem 1. Januar 2014 müssen Split-Raumklimageräte einen SCOP-Werte von 4,3 (Energieklasse C) erreichen, um den Anforderungen der EU zu entsprechen.

EER und SEER:
Der EER  (Energy Efficiency Ratio) wird definiert als das Verhältnis der erzeugten Kälteleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung, was den energetischen Nutzen im Verhältnis zum Energieaufwand der Klimatechnik darstellt. Eine hohe EER zeigt eine hohe Energieeffizienz beim Kühlen an.
Zum Beispiel: Wenn eine Kältemaschine eine Kälteleistung von 10 kW bei einer elektrischen Leistungsaufnahme von 2 kW erzeugt, beträgt die EER 10 kW / 2 kW = 5.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Kälteleistung nicht nur die sensible Kühlleistung umfasst, die mit einer Absenkung der Lufttemperatur verbunden ist, sondern auch die latente Kühlleistung, die mit der Entfeuchtung der Luft (Ableitung von Kondenswasser) zusammenhängt. Die Wärme, die beim Kondensieren des Wassers freigesetzt wird, muss zusätzlich vom Kühlgerät abgeführt werden. Wenn der Anteil der latenten Kühlleistung hoch ist, beispielsweise bei der Kühlung von Frischluft an einem schwülen Sommertag, ist die sensible Kühlleistung entsprechend geringer. Das EER berücksichtigt jedoch immer die gesamte Kühlleistung. Die Effizienz der Entfeuchtung und somit auch der Anteil der latenten Kühlleistung hängt nicht nur von den Betriebsbedingungen ab, sondern auch von der Konstruktion des Geräts: Eine größere Oberfläche des Wärmeübertragers am Verdampfer sowie ein leistungsstärkerer Ventilator führen tendenziell zu einer schwächeren Entfeuchtung und einer entsprechend stärkeren sensiblen Kühlung.

Zur realistischen Bewertung der Energieeffizienz im praktischen Einsatz sind reine EER-Werte, die beispielsweise nur bei 27 °C Raumtemperatur und 35 °C Außentemperatur unter Volllast gemessen werden, wenig aussagekräftig. Viel relevanter für die Praxis wäre ein durchschnittlicher EER-Wert unter den tatsächlich herrschenden Betriebsbedingungen. Um dies besser abzubilden, wurden die Normen entsprechend weiterentwickelt. Seit 2013 gelten in der EU die Vorschriften der LOT 10 der Eco-Design-Richtlinie für Klimaanlagen mit einer Kälteleistung von bis zu 12 kW. Seitdem müssen Hersteller von Klimageräten das Seasonal EER (SEER) (Jahresarbeitszahl im Kühlbetrieb) gemäß EN 14825 angeben. Dieser Wert wird saisonal gemittelt und basiert auf den gemessenen EER-Werten bei verschiedenen Außentemperaturen (20, 25, 30 und 35 °C). Die Gewichtung der Werte für diese Messpunkte erfolgt entsprechend den klimatischen Bedingungen in Straßburg, die als einigermaßen repräsentativ für den Einsatz in Mitteleuropa gelten. Es ist wichtig zu beachten, dass bei der Berechnung der SEER-Werte größtenteils der Teillastbetrieb berücksichtigt wird: Bei 35 °C wird die volle Kühlleistung abgefragt, bei niedrigeren Außentemperaturen jedoch reduzierte Leistungen bis hinunter zu 21,1 % bei 20 °C.

Der SEER-Wert eines Klimageräts muss auch auf dem entsprechenden EU-Energielabel angegeben werden. Dort sind auch die Nenn-Kälteleistung, der jährliche Stromverbrauch (für eine Betriebsdauer von 350 Stunden pro Jahr) und die Geräuschentwicklung aufgeführt. Zudem erfolgt eine Einstufung in eine Energieeffizienzklasse basierend auf dem SEER-Wert. Die Grenzwerte für die Klassen hängen von der Kälteleistung und der Art des Geräts ab (z. B. Split-Gerät, mobiles Einschlauch- oder Zweischlauchgerät). Es ist wichtig zu beachten, dass die Energieeffizienzklasse A schon seit einiger Zeit nicht mehr die beste ist, sondern eher einem durchschnittlichen Gerät entspricht; die besseren Klassen sind A+, A++ und A+++.

Moderne Split-Klimageräte erreichen heute SEER-Werte deutlich über 8. Das bedeutet, dass unter Prüfbedingungen, die denen in etwa entsprechen, mit 1 kWh elektrischer Energie mehr als 8 kWh Wärme aus dem gekühlten Raum entfernt werden können. In der EU ist seit 2014 gesetzlich ein SEER von mindestens 4,6 für Split-Geräte vorgeschrieben; für Geräte, die Kältemittel mit geringer Klimaschädlichkeit verwenden, gilt der deutlich großzügigere Grenzwert von 4,14. Im Gegensatz dazu erzielen mobile Kompakt-Raumklimageräte typischerweise sehr niedrige Werte um die 3; für die gleiche Kühlleistung benötigen sie also wesentlich mehr Energie. Dabei ist noch nicht einmal berücksichtigt, dass bei den üblicherweise verwendeten Einschlauch-Geräten warme Luft in den Raum zurückströmt und einen erheblichen Teil der Kühlleistung zunichte macht. Dieses Problem kann mit Zweischlauch-Geräten vermieden werden, von denen jedoch nur sehr wenige auf dem Markt verfügbar sind. In der Praxis verbrauchen die meisten Kompakt-Raumklimageräte daher viel mehr Strom als moderne Split-Klimageräte.

Jahresarbeitszahl (JAZ)
Das Mittel über ein Jahr bei einer Wärmepumpenheizung wird Jahresarbeitszahl (JAZ) genannt. Sie entspricht der englischen Bezeichnung SCOP (Seasonal COP) bei Wärmepumpen beziehungsweise SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) in Bezug auf Kältemaschinen.

C. Energieklassen und Energielabel

Nachfolgend werden die Energieklassen und deren Bedeutung hinsichtlich SEER und SCOP dargestellt:

seer_scop_klimaanlagen

Die nachfolgende Abbildung beschreibt das Energielabel, das an den jeweiligen Geräten angebracht sein muss. Dort werden sämtliche relevante Daten für das Klimagerät dargestellt.

Energie Label Klimageräte
Quelle: Klimaworld

D. Hersteller energieeffizienter Split-Klimageräte

Wie zuvor beschrieben, sollten Mono Split-Klimageräte mit A+++ eingesetzt werden. Diese haben einen SEER von > 8,5 und einen SCOP > 5,1. 

Nun gibt es eine Reihe von Klimageräte, die diese Anforderungen erfüllen. Anbei ein Ausschnitt von diesen Geräten:

Split-Geräte Ranking

Diese Ranking kann auf der Internet-Seite: topten.eu angesehen werden.

Bei den Mulit-Split Geräten sieht das Ranking Stand heute wie folgt aus. Bei einem Multi-Split Klimageräten sind die SCOP-Werte grundsätzlich geringer.

Multi Split Ranking

E. Investitionskosten

Entsprechend der oben aufgeführten Daikin Mono-Split Klimageräte ergeben sich nach momentanem Stand folgende Preise:

Daikin Preise

Die vorbereitenden Arbeiten, wie die Kernlochbohrung und die Montage des Innen- und des Außengerätes kann in Eigenleistung vorgenommen werden. Die Anschlüsse für die Kältemittelleitung und elektrische Anschlüsse müssen dann noch von der jeweiligen Fachfirma vorgenommen werden. Auch sollte unter Begleitung des Kälteanlagenbauers in Betrieb genommen werden.

Auch wenn die kompletten Arbeiten vergeben werden, dann sollte der Montageaufwand incl. Inbetriebnahme innerhalb von 1,5 Tagen erfolgt sein. Hierbei können Kosten in Höhe von ca. € 1.500,– entstehen.
Je nach Anlagengröße belaufen sich dann die Gesamtkosten auf ca.€ 3.500,– bis ca. € 4.500,–.

Die oben beschriebene Stiebel Eltron WPL20A kostet € 10.906,–. Der Arbeitsumfang für den Einbau und Inbetriebnahme hängt sehr stark von den individuellen Gegebenheiten des Objektes ab. Ein Einschätzung zum Montageaufwand ist deshalb aus meiner Sicht nicht möglich.

VI. Fazit und Ausblick

A. Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse

  • Mono-Split-Klimageräte bieten eine kostengünstige Möglichkeit, das Wärmepumpenprinzip sowohl für Heiz- als auch Kühlzwecke effizient zu nutzen.
  • Es sind Mono-Split Klimageräte auf dem Markt, die Energieeffizienzklassen A+++ beim Kühlen und Heizen aufweisen. Um diese Wirkungsgrade zu erreichen, sind Inverter Verdichter im Einsatz
  • Bei Split-Klimageräten erfolgt die Wärmeübertragung durch Konvektion, was sowohl Vor- als auch Nachteile mit sich bringt.
  • Strahlungswärme, wie sie bei Flächenheizungen in Form von Wand-, Decke- oder Fußbodenheizungen zum Einsatz kommen, bieten ein angenehmes Wohngefühl, hat jedoch auch Nachteile wie eine längere Aufheizzeit und den Bedarf an größeren Heizflächen. Sie bietet eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Raum.
  • Es ist wichtig, die verschiedenen Heizmethoden und ihre Vor- und Nachteile sorgfältig abzuwägen, um die für die individuellen Bedürfnisse am besten geeignete Lösung zu finden.

B. Empfehlungen für Verbraucher bei der Wahl zwischen Split-Klimageräten und Wärmepumpen

Wird eine Nachrüstung für einen Raum oder einen einzelnen Wohnbereich innerhalb der Wohnung oder des Hauses geplant, dann sind aus meiner Sicht Mono-Split Klimageräte eine gute und kostengünstige Alternative zu „konventionellen“ Wärmepumpen. Split Klimageräte sorgen für einen konvektiven Wärmestrom, der durch die Luftströmung und Lautstärke z.T. als unangenehm empfunden wird. 

Ist  jedoch geplant, mehrere Räume mit einer Wärmepumpe zu heizen bzw. zu kühlen, dann würde ich, trotz der Mehrkosten beim Gerät, zumindest eine Luft/Wasser Wärmepumpe empfehlen. Multi-Split Klimageräte sind auf Grund ihrer schlechteren SEER- und SCOP-Werte und Installationsaufwand für mehrere Räume weniger geeignet. 

Wie bei allen Wärmepumpen sollte die Vorlauftemperatur möglichst niedrig sein. Deshalb sollten, falls möglich, Flächenheizungen in Form von Fußboden-, Decken- oder Wandheizungen eingeplant werden. 

C. Ausblick auf zukünftige Entwicklungen und Trends in der Branche

Klimageräte
Quelle: Interconnection Consulting
Marktdaten Klima
Quelle: Interconnection Consulting

Die beiden Abbildungen zeigen einen kontinuierlich wachsenden europäischen Markt, der auch durch die steigenden Energiepreise wächst. Es wird dabei ein jährliches Wachstum von 2,5 % erwartet. 

Auch die zunehmend wärmeren Sommer in Europa werden diesen Trend nach mehr Klimageräten zusätzlich unterstützen. 

Schließlich führen die technischen Entwicklungen, wie den Inverter Verdichter, zu einem höheren Wirkungsgrad (SEER und SCOP) und machen Wärmepumpen, auch als Split Klimagerät, immer attraktiver.

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