Inverter, On/Off oder Tandem: gleich ausgelegt, anders im Betrieb

Drei Wärmepumpen, für dieselbe Kälteleistung ausgewählt, sind im Auslegungspunkt bei 35 °C nicht zu unterscheiden: Alle drei liefern 20–21 kW. Sinkt die Außenluft jedoch auf 27 °C, erreicht eine davon einen Verdichter-COP von 6,4, während die anderen bei 4,9 bleiben. Gleiches Gerät, gleicher Tag; der einzige Unterschied ist die Art der Leistungsregelung des Verdichters.

Bei einer Wärmepumpe lässt sich die Leistung auf drei Arten regeln: mit einem drehzahlvariablen Einzelverdichter (Inverter), mit einem Einzelverdichter fester Drehzahl (On/Off) oder mit einem asymmetrischen Tandem, das zwei unterschiedlich große Verdichter stuft. In diesem Beitrag haben wir alle drei Varianten mit HVACinOne an einem Wärmerückgewinnungsgerät mit Wärmepumpe (HPHR) berechnet [13]. Außer dem Verdichter blieb alles exakt gleich.

Im Auslegungspunkt (35 °C Außenluft, 18 °C Zuluft) liefern alle drei eine ähnliche Leistung. Ändert sich jedoch die Außenluft, trennt sich ihr Verhalten deutlich: Der Inverter hält die Soll-Zulufttemperatur kontinuierlich, während die Systeme mit fester Leistung das Ziel verfehlen und ins Takten geraten. Der Vergleich muss daher über die gesamte Kühlsaison erfolgen, nicht in einem einzelnen Volllastpunkt.

Für einen fairen Vergleich haben wir alle drei Systeme für denselben Auslegungspunkt gewählt: 35 °C Außenluft, 100 % Außenluftanteil, 8000 m³/h, Zuluftsollwert 18 °C. Jedes wurde so dimensioniert, dass es in diesem Punkt dieselbe Kälteleistung liefert:

• Inverter: ANB66FBZMT (drehzahlvariabel; 45 Hz im Auslegungspunkt)
• Einzel-On/Off: ZH15K1P-TFM (Scroll mit fester Frequenz 50 Hz)
• Asymmetrisches Tandem: ZH06K1P-TFM + ZH09K1P-TFM (zwei unterschiedlich große Scrolls, gemeinsam betrieben)

Die Funktion ist in allen drei Fällen HP-HR-R (Rotationswärmerückgewinnung + Einkreis-Wärmepumpe). Bis auf den Verdichter ist das Gerät identisch: gleicher Rotor, gleiche Verdampfer-/Verflüssigerregister, gleiche Ventilatoren.

Drei Systeme, gleich in einem einzigen Auslegungspunkt

Im Auslegungszustand ist die mechanische Kälteleistung (des Verdichters) der drei Systeme praktisch gleich:

Tabelle 1 — Verdichterleistung, Betriebspunkt und Verdichter-COP der drei Systeme im Auslegungspunkt 35 °C / 18 °C Zuluft.

Alle drei liefern ~20–21 kW Kälteleistung; sie wurden ja für dieselbe Leistung ausgewählt. Alle drei bringen die Zuluft auf 18 °C, arbeiten in einem ähnlichen Betriebspunkt (~49 °C Verflüssigung) und haben ähnliche Verdichter-COP-Werte (~4,0–4,4). Die Verdichterleistung wird im Katalog als Funktion von Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur angegeben [1], [2]. Kurz gesagt: Im Auslegungspunkt sind die drei Systeme verdichterseitig praktisch gleichwertig.

Was das bedeutet: Im Vergleich an nur einem Auslegungspunkt hat die Frage „welches ist besser?“ keine Antwort; die drei sind gleichwertig. Ein Gerät arbeitet aber nicht in einem Punkt, sondern die ganze Kühlsaison über bei wechselnder Außenluft. Dort beginnt der Unterschied.

Prozessansicht: Was passiert außerhalb der Auslegung?

Versuchen alle drei, dieselben 18 °C Zuluft bei 27–50 °C Außenluft zu halten, trennen sie sich. Zwei Fragen sollte man zusammen stellen: Welche Zulufttemperatur liefert jedes System, und mit welcher Effizienz?

Was geliefert wird: Durch Modulation der Frequenz hält der Inverter die Zuluft über den gesamten Bereich konstant bei 18 °C. Einzel-On/Off und asymmetrisches System sind an eine einzige Leistung gebunden und können sie nicht halten. Bei hoher Außenluft (>34 °C) übersteigt die Last ihre Leistung und die Zuluft steigt über 18 °C (~20 °C bei 50 °C Außenluft); bei niedriger Außenluft kühlen sie zu stark und fallen unter 18 °C.

Für diesen Sollwert liegen Einzel-On/Off und asymmetrisches System fast übereinander. Die 18-°C-Last verlangt nahezu Volllast, daher muss auch das asymmetrische Gerät beide Verdichter betreiben.

Mit welcher Effizienz: Hier liegt der entscheidende Befund. Bei niedriger und mittlerer Last ist der Inverter deutlich effizienter (COP 6,4 bei 27 °C gegenüber 4,9 bei den anderen). Mit sinkender Frequenz sinkt auch die Verflüssigungstemperatur, und der Verdichter arbeitet mit einem moderateren Druckverhältnis. Die Kurven kreuzen sich bei etwa 38 °C; bei sehr hoher Last wird der Inverter über die Nennfrequenz getrieben, und sein COP fällt unter den der anderen. Dennoch ist er in diesem Bereich das einzige System, das 18 °C hält.

Leistungsabdeckung: 18 °C bei 50 °C Außenluft erfordern ~25 kW Kälteleistung, und nur der Inverter liefert sie. Der Einzel-On/Off-Verdichter ist bei ~19 kW am Limit, seine Zuluft bleibt bei 20 °C. Im Bereich, in dem die anderen nicht mithalten, deckt der Inverter also rund ein Drittel (~33 %) mehr Leistung ab.

Was das bedeutet: Drei im Auslegungspunkt gleichwertige Systeme trennen sich mit wechselnder Außenluft. Der Vorteil des Inverters läuft auf zwei konkrete Gewinne hinaus: (1) Er kann den Sollwert halten, und (2) er nimmt in Teillast weniger Leistung auf, weil er seine Frequenz an die Last anpasst und bei niedrigerer Verflüssigung arbeitet. Beides hat dieselbe Ursache: Der Inverter passt seine Leistung kontinuierlich an die Last an, die anderen können das nicht.

Deshalb gewichten auch die Teillastkennzahlen der Branche ein Teillastprofil statt eines einzigen Volllastpunkts. Für diese Geräteklasse ist die Kennzahl der IEER [3]; bei Kaltwassersätzen ist es der IPLV [4].

Der Verdichter leistet nur ein Drittel der Arbeit

Mit Blick auf die gesamte Kälteleistung wird die Rolle des Verdichters noch kleiner. Im Auslegungspunkt bei 35 °C stammt der größte Teil der Kühlung nicht vom Verdichter, sondern von der Rotationswärmerückgewinnung [5], [6]:

• Gesamte Kälteleistung: 65,7 kW
• Davon 44,9 kW (68 %) vom Rotor (Vorkühlung der Außenluft mit der Abluft)
• Der Anteil des Verdichters (DX) beträgt nur 20,8 kW (32 %)

Hier ist eine begriffliche Verwechslung zu vermeiden: Wärmerückgewinnung und Wärmepumpeneffizienz werden in den Normen getrennt gemessen und nicht zu einer Zahl addiert. Der Beitrag des Rotors ist kein COP, sondern eine Rückwärmzahl (Wärmerückgewinnungsgrad), also das Verhältnis der zurückgewonnenen zur maximal rückgewinnbaren Energie [6], [7], [8]. Die Effizienz des Verdichters ist der klassische COP [9]; hier ~4,36.

Die gesamte Kälteleistung (65,7 kW) durch die gesamte elektrische Leistung (7,8 kW) zu teilen und so einen „System-COP von ~8,4“ zu bilden, ist verbreitet, aber irreführend und keine genormte Definition. Es stellt die Wärme, die der Rotor kostenlos zurückgewinnt, so dar, als wäre sie mechanische Arbeit des Verdichters. Richtig gelesen heißt es: Der Rotor deckt den größten Teil der Last über seine Rückwärmzahl, und der Verdichter schließt die verbleibende kleine Restlast (Trim) mit einem COP von ~4,36.

Was das bedeutet: Mit Wärmerückgewinnung sieht der Verdichter ohnehin eine kleine und wechselnde Last. Das macht die Leistungsregelung, also den Verdichter im richtigen Punkt zu halten, noch entscheidender.

Im Feld: On/Off kann den idealen Punkt nicht halten

Alles bisher Gesagte setzt stationären Betrieb voraus. Im Feld verschiebt sich das Bild weiter zulasten von On/Off, denn ein Verdichter mit fester Drehzahl kann in seinem idealen Betriebspunkt nicht bleiben.

Takten und Anti-Kurztakt-Verzögerung → Schwingung der Zuluft

Ein On/Off-Verdichter schaltet ab, wenn der Zuluft- (oder Abluft-)Sollwert erreicht ist, und startet wieder, wenn die Temperatur etwas gestiegen ist. Um kurzes Takten zu verhindern, ergänzt die Regelung jedoch eine Betriebsverzögerung (Anti-Kurztakt-Timer). Der Verdichterhersteller betont, dass kurzes Takten besonders bei Kompaktgeräten mit großen, über die Zuluft geregelten Verdichtern starke Schwankungen der Zulufttemperatur verursacht und diese Verzögerung im Leistungsverzeichnis gefordert werden sollte [10]. Selbst wenn also „Wiederanlauf bei 19 °C“ gewollt ist, startet der Verdichter erst bei 20 °C, weil die Sperrzeit noch nicht abgelaufen ist.

Das Ergebnis ist kein schmales Band um den Sollwert, sondern eine durch den Timer verbreiterte Schwingung. Der Inverter hält den Sollwert konstant; da er nie abschaltet, gibt es weder Schwingung noch Verzögerung.

Anlaufstrom und Taktverluste

Bei jedem Start nimmt der Verdichter einen Anlaufstrom (Blockierstrom, LRA) auf, der ein Mehrfaches seines Betriebsstroms beträgt; der Hersteller verlangt, das Schütz dafür auszulegen und parallel geschaltete Verdichter einzeln zu starten [14]. Die Energiekosten (kWh) dieses Stromstoßes sind gering, da er nur Sekundenbruchteile dauert. Sein eigentlicher Preis sind die elektrische Lastspitze (kVA/Leistungspreis) und der mechanische Verschleiß von Schütz und Verdichter.

Der eigentliche Energieverlust in Teillast entsteht durch das Takten selbst, und er lässt sich beziffern. Das Standard-Teillastmodell ordnet jedem Zyklus einen Effizienzverlust zu: PLF = 1 − Cd·(1 − PLR). Dabei ist PLR das Teillastverhältnis und Cd der Taktverlustkoeffizient; er liegt typisch bei 0,15–0,25, ohne Messung gilt 0,25 als Standardwert [11].

Dieses Modell und der Standardwert 0,25 sind für kleine Kompaktgeräte definiert und werden hier sinngemäß auf das größere Gerät übertragen. Die AHRI 340/360, die die Teillasteffizienz dieser Klasse bewertet, behandelt Teillast stattdessen mit vier gewichteten Lastpunkten (100/75/50/25) [3]. Die Ansätze unterscheiden sich, stimmen aber darin überein, dass Takten einen Effizienznachteil bringt.

Auf dieser Grundlage liefert ein On/Off-Verdichter bei 50 % Teillast (PLR = 0,5) dieselbe Kühlung mit etwa 8–14 % mehr Energie, und der Nachteil wächst mit sinkender Last. Der Inverter moduliert und taktet nie, daher trägt er diesen Nachteil nicht.

Das asymmetrische Tandem stuft feiner, aber nicht bei diesem Sollwert

Zwei unterschiedlich große Verdichter bieten drei Leistungsstufen: nur der kleine (ZH06 ~11 kW), nur der große (ZH09 ~14 kW) oder beide zusammen (~21 kW). Damit wird die Last feiner abgedeckt als mit der einzigen Stufe des Einzel-On/Off. Für 18 °C wird jedoch nahezu Volllast benötigt, sodass eine einzelne Stufe nicht reicht und beide Verdichter zusammen laufen müssen.

Bei diesem Sollwert hat das asymmetrische Gerät daher keinen praktischen Vorteil gegenüber dem Einzel-On/Off. Der Nutzen der drei Stufen zeigt sich bei leichteren Lasten, bei denen eine kleine Stufe allein genügt. Das ist zu betonen: Auf der Hauptbetriebslinie dieses Beitrags (8000 m³/h, Sollwert 18 °C) betreibt das asymmetrische System bei jeder Außenluft beide Verdichter. Der unten beschriebene Rotationsnachteil gehört zu einem leichteren Lastbereich, in dem eine einzelne Stufe genügen würde, nicht zu dieser Linie.

Die Falle des Laufzeitausgleichs

Die meisten Mehrverdichtersysteme besitzen eine Funktion zur „Lebensdauerverlängerung“: den Laufzeitausgleich, der die Verdichter abwechselnd betreibt, um ihre Betriebsstunden anzugleichen. Das ist eine verbreitete Regelpraxis in Mehrverdichteranlagen [12]. Diese Logik optimiert jedoch den gleichmäßigen Verschleiß, nicht die Leistung, und kann in Teillast den falschen Verdichter wählen.

Unsere Daten zeigen das deutlich. Soll eine leichte Last vom richtig dimensionierten kleinen Verdichter (ZH06) gedeckt werden, der Laufzeitausgleich schaltet aber den großen (ZH09) zu, wird dieselbe Kühlung mit 12–15 % mehr Leistung erbracht.

Tabelle 2 — COP und Mehrleistung für dieselbe Kühlung, wenn der Laufzeitausgleich in Teillast den großen ZH09 statt des richtig dimensionierten ZH06 zuschaltet.

Der Grund ist wieder der Betriebspunkt. Der größere Verdichter belastet dasselbe Register stärker, senkt die Verdampfung und hebt die Verflüssigung: Bei 27 °C arbeitet der ZH06 bei TEvap 13,8 / TCond 35,6 °C, der ZH09 bei TEvap 12,5 / TCond 37,8 °C. Das treibt den Verdichter zu einem schlechteren Druckverhältnis und einem Punkt mit niedrigerem COP. Die Ironie ist offensichtlich: Ein Laufzeitausgleich, der die Verdichterlebensdauer verlängern soll, verbraucht in Teillast mehr Energie und lässt den großen Verdichter unnötig takten.

Was das bedeutet: Die Feldverluste von On/Off- und Mehrverdichtersystemen entstehen, auch wenn sie im Auslegungspunkt gleichwertig sind, aus ihrer Unfähigkeit, im vorgesehenen Betriebspunkt zu bleiben. Takten, Timer-Schwingung, Anlaufstrom, grobe Leistungsstufen und Laufzeitausgleich entfernen den Verdichter alle von seinem effizienten Punkt.

Warum der Inverter davon ausgenommen ist

Einzeln betrachtet führt der Vorteil des Inverters immer auf dieselbe Ursache zurück: Er kann seinen Betriebspunkt halten.

• Er moduliert kontinuierlich und hält den Sollwert konstant; es gibt keine Schwingung.
• Er startet einmal sanft und läuft durch; es gibt keinen Anlaufstromstoß.
• Er stellt seine Frequenz proportional zur Last ein und kühlt in Teillast genau so viel wie nötig; keine groben Stufen, keine Unterkühlung der Zuluft.
• Als Einzelverdichter hat er keinen Nachteil durch Laufzeitausgleich.
• In Teillast senkt er die Frequenz und damit die Verflüssigung und arbeitet mit moderatem Druckverhältnis und hohem COP.

Nichts davon bedeutet „der Inverter-Verdichter ist effizienter“. Alles folgt aus der Fähigkeit des Inverters, den Verdichter im richtigen Betriebspunkt zu halten.

Fazit: Man wählt keinen Verdichter, sondern eine Regelstrategie

Gleicht man die drei Systeme auf dieselbe Auslegungsleistung bei 35 °C ab und verfolgt sie über die Kühlsaison, ergibt sich ein klares Bild:

• Im Auslegungspunkt sind alle drei gleichwertig: ähnliche Leistung, ähnlicher Betriebspunkt, ähnlicher COP.
• Den Unterschied macht nicht der gewählte Verdichter, sondern die Art, wie die Last gedeckt wird: die Leistungsregelung.
• Die Wärmerückgewinnung reduziert den Verdichter auf eine kleine Restlast; der eigentliche Hebel ist, diese Last im vorgesehenen Punkt zu halten.
• Der Inverter gewinnt, nicht weil er ein „effizienter Verdichter“ ist, sondern weil er seinen Betriebspunkt über einen weiten Lastbereich hält und die Betriebsnachteile im Feld vermeidet.

Praktische Folgerung: Ein Inverter sollte nicht als „automatische Effizienz“ bewertet werden, sondern als Regelstrategie, die ein Betriebspunkt-Management bietet (Modulationsbereich + Dauerbetrieb). Bei einem System mit fester Drehzahl oder mehreren Verdichtern entscheidet nicht der Verdichter selbst über das Ergebnis. Es entscheidet, wie stark Dimensionierung, Takt-/Timereinstellungen und Laufzeitausgleich die Leistungsregelung verschlechtern.

Hinweis (Methode): Die stationären Werte (Leistung, COP, Betriebspunkt, Mehrleistung beim Laufzeitausgleich) wurden mit HVACinOne am selben Gerät mit der Funktion HP-HR-R und drei auf den Sommer-Auslegungspunkt 35 °C abgestimmten Verdichterkonfigurationen berechnet [13]. Transiente und regelungstechnische Effekte wie Taktschwingung, Anti-Kurztakt-Verzögerung und Anlaufstrom liegen außerhalb dieses stationären Rechenkerns; sie werden mit ingenieurmäßiger Beurteilung und Anwendungsdaten der Hersteller behandelt.

Quellen

1. CEN, EN 12900 – Refrigerant compressors: rating conditions, tolerances and presentation of manufacturer's performance data, 2013, https://www.en-standard.eu/bs-en-12900-2013-refrigerant-compressors-rating-conditions-tolerances-and-presentation-of-manufacturer-s-performance-data/
2. AHRI, AHRI Standard 540 – Performance Rating of Positive Displacement Refrigerant Compressors and Compressor Units, 2020, https://www.ahrinet.org/system/files/2023-06/AHRI_Standard_540_(I-P_and_SI)_2020_Standard_for_Performance_Rating_of_Positive_Displacement_Refrigerant_Compressors_and_Compressor_Units.pdf
3. AHRI, AHRI Standard 340/360 – Performance Rating of Commercial and Industrial Unitary Air-conditioning and Heat Pump Equipment, 2022, https://www.ahrinet.org/system/files/2023-06/AHRI%20Standard%20340-360-2022%20(I-P).pdf
4. AHRI, AHRI Standard 550/590 – Performance Rating of Water-chilling and Heat Pump Water-heating Packages, 2023, https://www.ahrinet.org/system/files/2023-06/ANSI%20AHRI%20Standard%20550%20590-2023%20(I-P).pdf
5. ASHRAE, ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment, Kapitel „Air-to-Air Energy Recovery Equipment“, o. J., https://www.ashrae.org/technical-resources/ashrae-handbook
6. Eurovent, Eurovent 17/11 – Guidelines for Heat Recovery, 2015, https://www.eurovent.eu/wp-content/uploads/publications-files/eurovent-rec-17-11-eurovent-guidelines-for-heat-recovery-2015-en.pdf
7. CEN, EN 308 – Heat exchangers: test procedures for establishing performance of air-to-air heat recovery components, 2022, https://www.en-standard.eu/bs-en-308-2022-heat-exchangers-test-procedures-for-establishing-performance-of-air-to-air-heat-recovery-components/
8. Europäische Kommission, Commission Regulation (EU) No 1253/2014 – Ecodesign requirements for ventilation units, 2014, https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2014/1253/oj/eng
9. CEN, EN 14511-1 – Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps: terms and definitions, 2022, https://standards.iteh.ai/catalog/standards/cen/93a37503-c91b-49dc-ad23-82ec9715acf1/en-14511-1-2022
10. Copeland, AE17-1262 R2 – Compressor Short Cycling: An Unrecognized Problem, 2024, https://webapps.copeland.com/online-product-information/Publication/LaunchPDF?Index=aeb&PDF=AE17-1262_R2.pdf
11. AHRI, AHRI Standard 210/240 – Performance Rating of Unitary Air-conditioning and Air-source Heat Pump Equipment, 2024, https://www.ahrinet.org/system/files/2024-05/AHRI%20Standard%20210%20240-2024%20(I-P)_0.pdf
12. ASHRAE, ASHRAE Handbook – HVAC Applications, o. J., https://www.ashrae.org/technical-resources/ashrae-handbook
13. HVACinOne, HVAC-Auslegungs- und Berechnungssoftware – technische Geräteausgaben (HP-HR-R, 8000 m³/h; Sommerprozess und Berechnungen zum Laufzeitausgleich für Inverter / On-Off / asymmetrisches Tandem), 2026
14. Copeland, AE4-1303 R18 – 7 to 15 Ton ZR-KC, ZH-KC and ZP-KC Copeland Compressors (Application Engineering Bulletin), 2025, https://webapps.copeland.com/online-product-information/Publication/LaunchPDF?Index=AEB&PDF=1303

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