Stellen Sie sich zwei Wärmerückgewinnungsgeräte mit Wärmepumpe vor: gleicher Verdichter, gleicher Rotor, gleiche Ventilatoren, gleiche Leistungsklasse. Der einzige Unterschied: Sitzt der Verdampfer im Abluftweg vor oder nach dem Rotor? Im Datenblatt sind beide Geräte fast gleich, bei niedrigen Außentemperaturen verhalten sie sich jedoch völlig gegensätzlich.
Das eine vereist seinen Verdampfer immer wieder. Der Verdichter schaltet ab und läuft nach dem Abtauen wieder an; das Gerät gerät so in einen ständigen Start-Stopp-Zyklus. Das andere hält seinen Verdampfer selbst bei −20 °C Außenluft im Plusbereich und lässt den Verdichter ohne Unterbrechung laufen.
In diesem Beitrag betrachten wir eine oft übersehene Designentscheidung bei Wärmerückgewinnungsgeräten mit Wärmepumpe (HPHR): die Anordnung im Abluftweg. Die Daten stammen aus einem direkten Vergleich am selben Gerät, berechnet mit HVACinOne [9]. Die beiden Anordnungen bezeichnen wir so:
- Auslegung für gemäßigtes Klima (HP-HR-R) (Abluftweg: Rotor → Verdampfer): die verbreitetste HPHR-Bauweise in gemäßigten, kühllastdominierten Klimazonen, einschließlich der Türkei.
- Auslegung für kaltes Klima (HP-HR-R-C) (Abluftweg: Verdampfer → Rotor): für heizlastdominierte Regionen mit langen, strengen Wintern; besonders in den nordischen Ländern gefragt.
HP-HR-R und HP-HR-R-C sind die Funktionsnamen der beiden Anordnungen in HVACinOne; „HPHR“ bezeichnet die allgemeine Geräteklasse. Beide Bauweisen werden am Markt als Konzept „integrierte reversible Wärmepumpe + Rotationswärmeübertrager“ angeboten. Die Hersteller positionieren diese Produktfamilien nach Klimaeinsatz und Abtaustrategie [1], [2].
Warum das wichtig ist
Im kalten Klima misst sich der Erfolg eines HPHR-Geräts weniger an einem einzelnen Katalogwirkungsgrad als an der Fähigkeit, den Winter ohne Unterbrechung zu überstehen. Bei niedrigen Außentemperaturen ist die Vereisung des Verdampfers nicht nur ein Effizienzverlust. Bedeckt Eis die Lamellenoberfläche, schaltet der Verdichter über Niederdruck/Schutzfunktion ab und startet nach dem Abtauen erneut. Das System gerät in einen dauerhaften Start-Stopp-Betrieb, der stabiles Heizen unmöglich macht und die Lebensdauer des Verdichters verkürzt.
Die Antwort auf die Frage „bis zu welcher Temperatur läuft das Gerät sicher?“, also die minimale Betriebstemperatur, ist ein direktes Auswahlkriterium. Wir zeigen, dass sie keine einzelne Katalogzahl ist, sondern weitgehend eine Folge der Anordnung.
Zwei Anordnungen: Verdampfer vor oder nach dem Rotor?
Die beiden Konfigurationen unterscheiden sich in der Reihenfolge, die die Abluft durchläuft:
- Auslegung für gemäßigtes Klima (HP-HR-R): Reihenfolge im Abluftweg Filter → Rotor → Verdampfer → Ventilator. Der Rotor gewinnt zuerst Wärme aus der Abluft zurück; der Verdampfer erhält danach diese vorgekühlte Luft.
- Auslegung für kaltes Klima (HP-HR-R-C): Reihenfolge im Abluftweg Filter → Verdampfer → Rotor → Ventilator. Der Verdampfer erhält die unveränderte, milde Abluft aus dem Gebäude; der Rotor nutzt danach die verbleibende Energie.
Auch Hersteller greifen auf, dass die Lage des Wärmeübertragers relativ zum Rotor das Vereisungsverhalten verändert. In der Dokumentation eines Herstellers liegt das Wärmepumpenregister in der wärmeren Zone des Rotors. Ziel ist, das Vereisungsrisiko unter 0 °C zu senken und unnötiges Abtauen zu vermeiden [3].
Dieser Unterschied in der Reihenfolge wirkt wie ein Detail. Er legt jedoch die Quellentemperatur fest, die der Wärmepumpenkreislauf sieht, und damit die Verdampfungstemperatur (TEvap).
Wie warm ist die Luft, die den Verdampfer durchströmt?
Mit HVACinOne haben wir dasselbe Gerät in zwei Konfigurationen im Heizbetrieb berechnet, bei Außenluft von +10 °C bis −20 °C [9]. Das Gerät fördert 8000 m³/h und hat eine reversible Einkreis-Wärmepumpe; der Rotor ist der Typ, den der Hersteller „Sorptions-Hybrid“ nennt. Die Abluft hat in beiden Fällen 20 °C / 50 % r. F. Die Feuchte-/Wärmeklassen von Rotationswärmeübertragern (Kondensations-, Enthalpie- und Sorptionsrotor) sind im Eurovent-Certita-Programm AARE definiert [4].
Die Ergebnisse trennen die Luft am Verdampfer und die Verdampfungstemperatur deutlich:
| Außenluft | Verdampfereintritt | TEvap | Verdampferaustritt |
|---|---|---|---|
| +10 °C | 11,7 °C | −1,0 °C | 6,2 °C / 96 % |
| 0 °C | 3,1 °C | −8,0 °C | −0,8 °C / 100 % |
| −10 °C | −5,7 °C | −16,1 °C | −9,3 °C / 100 % |
| −20 °C | −14,8 °C | −24,4 °C | −18,1 °C / 100 % |
Tabelle 1a — Auslegung für gemäßigtes Klima (HP-HR-R): Verdampfereintritt, Verdampfungstemperatur und Austrittszustand abhängig von der Außenluft.
| Außenluft | Verdampfereintritt | TEvap | Verdampferaustritt |
|---|---|---|---|
| +10 °C | 20 °C | +2,7 °C | 10,6 °C / 86 % |
| 0 °C | 20 °C | +2,5 °C | 10,5 °C / 86 % |
| −10 °C | 20 °C | +2,4 °C | 10,4 °C / 86 % |
| −20 °C | 20 °C | +2,2 °C | 10,3 °C / 86 % |
Tabelle 1b — Auslegung für kaltes Klima (HP-HR-R-C): Verdampfereintritt, Verdampfungstemperatur und Austrittszustand abhängig von der Außenluft.
Methode: Was bestimmt die Vereisung?
Reif hängt nicht von der Verdampfungstemperatur TEvap selbst ab, sondern von der Oberflächentemperatur des Registers. Liegt die Oberfläche sowohl unter 0 °C als auch unter dem Taupunkt der eintretenden Luft, kondensiert Feuchte und gefriert zu Reif [5]. Da die Oberflächentemperatur nicht direkt ausgegeben wird, schätzen wir sie aus dem Kreislaufwert mit Tsurf ≈ TEvap + 2 K. Die Gefrierschwelle der Oberfläche entspricht damit TEvap ≈ −2 °C (zur Taupunktberechnung siehe [6]).
Tatsächlich zeigt der Verdampferaustritt in Tabelle 1a mit unter 0 °C und 100 % r. F. direkt, dass beide Bedingungen (nasse + gefrierende Oberfläche) erfüllt sind. Dieselben Daten lassen sich als Verlauf der Verdampfungstemperatur über der Außenluft lesen (Diagramm 1). Die Kurve der Auslegung für gemäßigtes Klima fällt unter die Gefrierschwelle, die Auslegung für kaltes Klima bleibt flach im Band +2,2…+2,7 °C.
Bei der Auslegung für gemäßigtes Klima erhält der Verdampfer Luft, die der Rotor bereits abgekühlt hat. Deshalb bricht die Verdampfungstemperatur mit sinkender Außenluft ein. Bei +10 °C liegt TEvap (−1,0 °C) noch knapp über der Gefrierschwelle (≈ −2 °C). Bei 0 °C Außenluft ist der Verdampferaustritt dagegen schon unter 0 °C und zu 100 % gesättigt: Die Vereisung hat begonnen.
Bei der Auslegung für kaltes Klima erhält der Verdampfer immer die unveränderte Abluft mit 20 °C. Deshalb bleibt TEvap selbst bei −20 °C Außenluft im Band +2,2…+2,7 °C. Die Oberflächentemperatur liegt bei etwa +4 °C: Sie ist unter dem Taupunkt, das Register arbeitet also nass und entfeuchtet, bleibt aber über 0 °C und vereist nicht.
Was das bedeutet: Gleiches Gerät, gleicher Verdichter, gleicher Verdampfer und Verflüssiger. Doch die Anordnung hält die Verdampferoberfläche im kalten Klima aus der Gefrierzone heraus.
Bei niedriger Außentemperatur: der Start-Stopp-Zyklus des Verdichters
Die eigentliche Folge der Vereisung zeigt sich am Verdichter im Heizbetrieb. Bei der Auslegung für gemäßigtes Klima setzt der Verdampfer mit sinkender Außenluft ständig Eis an. Blockiert das Eis das Register, verschlechtert sich der Wärmeübergang, der Saugdruck fällt und der Verdichter schaltet zum Schutz ab. Das Gerät fährt einen Abtauschritt; ist das Eis weg, startet der Verdichter wieder und der Verdampfer beginnt erneut zu vereisen.
Abtaumethoden für reversible Wärmepumpen, etwa Kreislaufumkehr, elektrische Vorheizung und Umluft, sind in den Funktionsbeschreibungen der Hersteller definiert; alle dienen genau dazu, diese Last zu beherrschen [2]. Das Ergebnis bei niedriger Außentemperatur ist ein dauerhafter Start-Stopp-Betrieb. Der Verdichter kann keine stabile Last tragen, die Zulufttemperatur schwankt und die Heizkontinuität bricht ab.
Bei der Auslegung für kaltes Klima beginnt dieser Zyklus gar nicht erst. Da der Verdampfer Abluft mit 20 °C erhält, bleibt die Verdampfungstemperatur im Plusbereich und der Verdichter läuft auch bei tiefsten Außentemperaturen durch. Die extreme Kälte übernimmt der Rotor am Ende des Abluftwegs. Weil der Rotor kontinuierlich dreht, trägt er diese Last, ohne den Verdichter ins Takten zu bringen.
Das deckt sich mit einem bekannten Unterschied zwischen den Wärmeübertragertypen. Bei hocheffizienten Plattenwärmeübertragern beginnt die Vereisung schon bei höheren Außentemperaturen. Rotationswärmeübertrager arbeiten dagegen bis zu tieferen Temperaturen ohne Vereisung und sind baulich toleranter gegenüber Ablagerungen [7].
Was das bedeutet: Im kalten Klima lautet die eigentliche Frage nicht „um wie viele Punkte sinkt die Effizienz?“, sondern ob der Verdichter betriebsfähig bleibt. Die richtige Anordnung regelt das Abtauen nicht, sie macht es von vornherein unnötig. (Diese Untersuchung misst weder Häufigkeit noch Dauer der Abtauvorgänge; sie zeigt, dass der Vereisungsmechanismus bei der Kaltklima-Auslegung nicht auftritt.)
Minimale Betriebstemperatur: was die Einsatzgrenzen des Verdichters zeigen
Wir haben die Betriebspunkte beider Anordnungen in die Einsatzgrenzen gelegt, die der Hersteller für den Scrollverdichter PSH023-4 veröffentlicht [8]. Das Diagramm macht sichtbar, warum die minimale Betriebstemperatur eine Folge der Anordnung ist.
Auslegung für gemäßigtes Klima (Winter)
Mit sinkender Außenluft wandern die Betriebspunkte zum kalten (linken unteren) Rand der Einsatzgrenzen. Bei −20 °C Außenluft fällt der Punkt (TEvap −24,4 °C / TCond 19,4 °C) unter die untere Verflüssigungsgrenze von 20 °C und liegt damit außerhalb der Einsatzgrenzen. TEvap allein liegt noch innerhalb der Untergrenze von −30 °C, die Verflüssigungstemperatur jedoch unter dem niedrigsten zulässigen Wert. Zusammen mit der frühen Verdampfervereisung ist dies der Bereich, der den oben beschriebenen Start-Stopp-Betrieb speist.
Auslegung für kaltes Klima (Winter)
Die Betriebspunkte sammeln sich um TEvap +2,5 °C, in der Mitte der Einsatzgrenzen und mit viel Abstand zum kalten Rand. Bei dieser Anordnung begrenzt nicht mehr das Abtauen oder der Verdichter die minimale Betriebstemperatur, sondern die Zulufttemperatur. Die Zuluft der Kaltklima-Auslegung liegt bei 0 °C Außenluft bei 20,5 °C und sinkt bei −20 °C auf 14,2 °C.
Bei sehr tiefen Auslegungs-Außentemperaturen kommt nicht das Abtauen ins Spiel, sondern ein kleines Nachheizregister. Dieses elektrische oder wassergeführte Register deckt die letzten Kelvin ab, die der Wärmepumpe fehlen.
Was das bedeutet: Die Antwort auf „bis zu welcher Temperatur läuft dieses Gerät?“ steht nicht im Katalog, sondern in der Spur der Anordnung in den Einsatzgrenzen des Verdichters.
Leistung: COP auf dem Papier und im realen Betrieb
Lesen wir die Heizleistung beider Anordnungen zusammen mit Verdampfungs-/Verflüssigungstemperatur und Zulufttemperatur:
| Außenluft | TEvap / TCond | Zuluft | COP |
|---|---|---|---|
| 0 °C | −8,0 / 31,1 °C | 24,5 °C | 4,51 |
| −10 °C | −16,1 / 25,1 °C | 19,6 °C | 4,08 |
| −20 °C | −24,4 / 19,4 °C | 14,8 °C | 3,66 |
Tabelle 2a — Auslegung für gemäßigtes Klima (HP-HR-R): Betriebspunkt im Heizbetrieb, Zulufttemperatur und System-COP.
| Außenluft | TEvap / TCond | Zuluft | COP |
|---|---|---|---|
| 0 °C | +2,5 / 29,4 °C | 20,5 °C | 6,23 |
| −10 °C | +2,4 / 26,5 °C | 17,5 °C | 6,66 |
| −20 °C | +2,2 / 23,3 °C | 14,2 °C | 7,20 |
Tabelle 2b — Auslegung für kaltes Klima (HP-HR-R-C): Betriebspunkt im Heizbetrieb, Zulufttemperatur und System-COP.
Auf dem Papier liefert auch die Auslegung für gemäßigtes Klima einen vernünftigen COP. Diese Werte stammen jedoch aus einer stationären Berechnung. In der Praxis kann die gemäßigte Auslegung diese COP-Werte bei niedriger Außentemperatur nicht halten, weil sie ihren Verdampfer ständig vereist und den Verdichter takten lässt.
Die Werte der Kaltklima-Auslegung sind dagegen tatsächlich erreichbar. Da TEvap fest bei +2,5 °C bleibt, bleibt der Temperaturhub des Verdichters klein, und der Rotor übernimmt einen wachsenden Anteil der Heizlast. Die Werte sind System-COP einschließlich der passiven Wärmerückgewinnung des Rotors, nicht der COP des Verdichters allein.
Was das bedeutet: Beim COP muss man „auf dem Papier“ und „im Betrieb“ trennen. Die Kaltklima-Auslegung liefert bereits den höheren COP und kann ihn halten. Der vernünftige Papier-COP der gemäßigten Auslegung ist bei niedriger Außentemperatur wegen des Start-Stopp-Betriebs nicht erreichbar; der reale Unterschied ist daher noch größer, als die Tabelle zeigt.
Die Sommerseite: zwei Betriebsarten der Kaltklima-Auslegung
Um das Sommerverhalten der Kaltklima-Auslegung zu verstehen, muss man zwei Betriebsarten trennen. Bei dieser Anordnung können Rotor und Verdichter im Sommer nicht effizient zusammenarbeiten. Läuft der Verdichter, erhält der Rotor im Abluftweg die heiße Luft aus dem Verflüssiger (≈ 43,5 °C). Da gegenüber der Außenluft kein Temperaturunterschied mehr besteht, wird der Rotor wirkungslos.
Für Außenluft von 30–45 °C ergeben sich drei Betriebsfälle:
| Außenluft | Gemäßigt (Rotor + Verd.) | Kalt: nur Rotor | Kalt: Verdichter an |
|---|---|---|---|
| 45 °C | 19,95 °C / 13,78 kW | 27,1 °C / 2,71 kW | 31,26 °C / 12,61 kW |
| 40 °C | 18,26 °C / 13,04 kW | 26,5 °C / 2,72 kW | 26,91 °C / 12,21 kW |
| 35 °C | 16,79 °C / 12,34 kW | 25,8 °C / 2,72 kW | 22,67 °C / 11,81 kW |
| 30 °C | 15,66 °C / 11,74 kW | 25,0 °C / 2,73 kW | 18,54 °C / 11,43 kW |
Tabelle 3 — Zulufttemperatur / elektrische Gesamtleistung in den drei Sommerbetriebsarten (Außenluft 30–45 °C).
Die Rotorrückgewinnung ist in der gemäßigten Betriebsart und im Nur-Rotor-Betrieb gleich: 45 °C → 108,7 kW · 40 °C → 74,8 kW · 35 °C → 44,9 kW · 30 °C → 19,0 kW. Bei laufendem Verdichter ist der Rotorbeitrag null.
Tabelle und Diagramm zeigen, dass im Sommer Betriebsart und Außenluft das Ergebnis gemeinsam bestimmen:
- Bei hoher Außentemperatur (≈ 45 °C): Bei der Kaltklima-Auslegung liefert der Nur-Rotor-Betrieb sowohl eine niedrigere Zuluft (27,1 °C) als auch eine viel geringere Leistung (2,71 kW). Läuft der Verdichter, wird der Rotor wirkungslos: Die Leistung steigt und die Zuluft wird wärmer (31,26 °C). An den heißesten Tagen ist der Nur-Rotor-Betrieb die kluge Wahl, also freie Kühlung.
- Bei mittlerer Außentemperatur (≈ 30–35 °C): Der Verdichterbetrieb kühlt tiefer (Zuluft 22,67 °C bei 35 °C, 18,54 °C bei 30 °C). Der Nur-Rotor-Betrieb erreicht in diesem Bereich nur ~25 °C.
- Der Kreuzungspunkt liegt bei ≈ 40 °C: Beide Betriebsarten liefern eine ähnliche Zuluft, daher verschiebt sich die Wahl zugunsten des Nur-Rotor-Betriebs, um Energie zu sparen.
In allen Fällen liefert die Auslegung für gemäßigtes Klima die niedrigste Zulufttemperatur, weil sie Rotor-Vorkühlung und Verdichter gleichzeitig nutzt. Kurz gesagt arbeitet die Kaltklima-Auslegung an heißen Tagen wie ein Gerät mit freier Kühlung. In heißen Klimazonen, die eine tiefe mechanische Kühlung bis zum Sollwert brauchen, ist die gemäßigte Auslegung besser geeignet.
Was das bedeutet: Für den Sommer gibt es keine „einzig richtige Betriebsart“. Das Gerät sollte je nach Außenluft und Komfortziel zwischen Nur-Rotor-Betrieb (wirtschaftlich/freie Kühlung) und Verdichterbetrieb (tiefe Kühlung) geführt werden.
Praktische Folgerungen
- Heizlastdominiert / kaltes Klima (nordische Länder usw.): Die Kaltklima-Auslegung bevorzugen. Der Verdichter läuft auch bei tiefsten Außentemperaturen ohne Start-Stopp, und im Sommer liefert der Rotor freie Kühlung. Je nach Komponentenauswahl sinkt die Zuluft etwa ab −10 … −15 °C Außenluft unter das Komfortband; für Bedingungen darunter ist ein Nachheizregister einzuplanen.
- Kühllastdominiert / gemäßigtes Klima (große Teile der Türkei): Die Auslegung für gemäßigtes Klima bevorzugen. Rotor und Verdichter arbeiten im Sommer zusammen und kühlen tief; die Abtaulast im Winter bleibt in diesen Regionen begrenzt.
- Die minimale Betriebstemperatur sollte nicht als Katalogzahl, sondern als Ergebnis der Anordnung bewertet werden. Fragen Sie bei der Geräteauswahl nach dem TEvap-Verlauf.
Die Lehre in einem Satz: Im kalten Klima setzt nicht die Leistung des Verdichters die Grenze der Wärmerückgewinnung, sondern die Oberflächentemperatur des Verdampfers; wird der Verdampfer durch die Anordnung mit unveränderter Abluft versorgt, läuft der Verdichter auch bei tiefsten Außentemperaturen ohne Start-Stopp.
Quellen
- Systemair, Geniox HP – Integrated reversible heat pump and rotary heat exchanger (Produktbroschüre), 2024, https://a.storyblok.com/f/108972/x/aa7e39befa/systemair-geniox-hp-brochure_20240508_.pdf
- Swegon, GOLD RX/HC – Function Guide, o. J., https://www.swegon.com/globalassets/digizuite/9295-en-funkrxhc_functionguide_en.pdf
- IV Produkt, ThermoCooler HP – Integrated reversible heat pump, 2024, https://www.enawent.pl/files/39/2024_1_ThermoCooler_HP_en.pdf
- Eurovent Certita Certification, AARE – Air-to-Air Regenerative (Rotary) Heat Exchangers (Zertifizierungsprogramm), o. J., https://www.eurovent-certification.com/en/third-party-certification/certification-programmes/aare
- ASHRAE, ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment, Kapitel „Air-to-Air Energy Recovery Equipment“, o. J., https://www.ashrae.org/technical-resources/ashrae-handbook
- Wood, L.A., The use of dew-point temperature in humidity calculations, Journal of Research of the National Bureau of Standards – C, 74C(3–4), 117, 1970, https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/74C/jresv74Cn3-4p117_A1b.pdf
- Eurovent AISBL/IVZW, Eurovent 6/18 – Quality criteria for Air Handling Units (First edition), 2022, https://www.eurovent.eu/wp-content/uploads/eurovent-rec-6-18-quality-criteria-for-air-handling-units-2022-en-2.pdf
- Danfoss, PSH heating-optimized scroll compressors – Application Guide (PSH019–PSH039), o. J., https://assets.danfoss.com/documents/latest/525181/AB492637854347en-000301.pdf
- HVACinOne, HVAC-Auslegungs- und Berechnungssoftware – technische Geräteausgaben (reversibles HPHR-Gerät, 8000 m³/h), 2026