Wie die Wechselrichtertechnologie HVAC-Systeme revolutionierte

Die Wechselrichtertechnologie ist der unbesungene Held der HVAC-Welt. Ursprünglich hauptsächlich in hochwertigen und kanallosen HVAC-Geräten verwendet, wird es nun in eine breitere Palette von Systemen integriert. Insbesondere Luftwärmepumpen (ASHPs) haben vom Einsatz von Wechselrichter-Kompressoren profitiert, die die Heiz- oder Kühlleistung der Geräte genau an den Bedarf des genutzten Raums anpassen. Darüber hinaus ermöglichen Wechselrichter, dass Wärmepumpen mit niedrigeren Drehzahlen laufen und weniger Energie verbrauchen, was zu erheblichen Energieeinsparungen und geringeren CO2-Emissionen führt.

Die Entwicklung von Wärmepumpen für kaltes Klima (KWK) wurde auch durch die Integration der Invertertechnologie ermöglicht, die es dem Kompressor ermöglicht, seine Drehzahl anzupassen und bei Außentemperaturen unter dem Gefrierpunkt effizient zu arbeiten. Man könnte leicht argumentieren, dass die Invertertechnologie es Wärmepumpen ermöglicht hat, zu einer der nachhaltigsten und energieeffizientesten Heiz- und Kühllösungen zu werden, die derzeit verfügbar sind.

Die Invertertechnologie, auch als Antrieb mit variabler Frequenz (VFD) oder Antrieb mit variabler Drehzahl (VSD) bekannt, moduliert den Kompressor und steuert so die Leistung des HVAC-Systems.

„Einfach ausgedrückt passt die Wechselrichtertechnologie die Drehzahl des Kompressormotors an, um die Lastanforderungen über einen weiten Bereich von Betriebsparametern gezielt zu erfüllen, im Gegensatz zu einem herkömmlichen System, das den Motor mit 100 % oder 0 % Drehzahl betreibt, ohne Optionen dazwischen“, sagte er Katie Davis, Vizepräsidentin für Technik und Technologie bei Trane Technologies Residential HVAC and Supply.

OPTIMALER KOMFORT: Systeme mit variabler Geschwindigkeit sind darauf ausgelegt, den Kunden den besten thermischen Komfort zu bieten. (Mit freundlicher Genehmigung von Trane)

Wenn der Thermostat beispielsweise in einem herkömmlichen System mit einer Geschwindigkeit auf 75 °F eingestellt ist und die Temperatur im Raum über diesen Sollwert hinaus ansteigt, läuft der Kompressor mit 100 % Leistung, bis die Temperatur den eingestellten Wert erreicht Thermostat, sagte Davis.

„In einem System mit variabler Drehzahl regelt die Wechselrichtertechnologie die Drehzahl des Kompressormotors auf einen Sollwert, der es ermöglicht, die gewünschte Temperatur zu erreichen“, sagte sie. „Bei dieser Art von Systemen läuft der Kompressor möglicherweise den ganzen Tag über nur mit 25 % Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit, statt den ganzen Tag über mit 100 % Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit, um die gleichen Temperaturanforderungen zu erfüllen.“

Der Wechselrichter ist eine elektronische Komponente, die die Frequenz der Motorstromversorgung variiert und die Drehzahl des Kompressors moduliert, um dessen Kapazität oder Leistung zu steuern. „Der Wechselrichter weist den Kompressor im Wesentlichen an, mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu arbeiten, um innerhalb eines festgelegten Zeitraums die gewünschte Raumtemperatur zu erreichen“, sagte Scott Salvage, Vizepräsident für Produktmarketing für Privathaushalte bei Daikin. Für den Fall, dass das HVAC-System die Temperatur zu schnell oder zu langsam ändert, passt der Wechselrichter die Geschwindigkeit des Kompressors entsprechend an und erhöht oder verringert sie nach Bedarf.

Salvage vergleicht den Wechselrichter mit der Tempomatfunktion in einem Auto und bemerkt: „Ein typisches einstufiges HVAC-System schaltet sich nur bei 100 % Kapazität ein und aus, was so ist, als würde man im Auto Vollgas geben. Vergleichen Sie dies mit.“ Nutzen Sie den Tempomaten des Fahrzeugs, um die gewünschte Geschwindigkeit beizubehalten. Ihr Fahrzeug verschleißt weniger, es ist weniger laut, komfortabler und sorgt mit Sicherheit für eine bessere Kraftstoffeffizienz.“

VOLLSTÄNDIGE ABDECKUNG: In Nordamerika verwenden 100 % der kanallosen und VRV-Lösungen Inverter-betriebene Kompressoren. (Mit freundlicher Genehmigung von Daikin)

Die Invertertechnologie kann bei nahezu jedem Kompressortyp eingesetzt werden, einschließlich Scroll-, Rotations-, Kolben-, Zentrifugal- und Schraubenkompressoren sowie in den meisten Arten von HVAC-Systemen für Privathaushalte und Gewerbe. Salvage stellte fest, dass Wechselrichter außerhalb Nordamerikas in vielen Ländern seit einigen Jahren die erforderliche Technologie seien. In Nordamerika verwenden 100 % der kanallosen und VRV/VRF-Lösungen Invertertechnologie, sagte er, aber der Kanalsektor für Privathaushalte macht weniger als 5 % des Gesamtmarktes aus, und dieser ist sogar noch geringer als bei gewerblichen Dachsystemen.

Die Wechselrichtertechnologie dürfte noch beliebter werden, da sie durch die Reduzierung des Energiebedarfs des HVAC-Systems zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks beiträgt.

„Wechselrichter sorgen für eine kontrollierte Variation der Leistung je nach Bedarf und Last“, sagte Dennis Stinson, Vice President Sales bei Fujitsu. „Da bei Lastberechnungen von einem Systementwickler die Berücksichtigung maximaler Extremwerte verlangt wird, sind die Geräte häufig für den Großteil des Betriebsbedarfs überdimensioniert. Durch die Anpassung der Leistung an den Bedarf kann der Energieverbrauch reduziert werden.“

Da Wechselrichtersysteme nur mit den zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur erforderlichen Geschwindigkeiten arbeiten, arbeiten sie oft mit einer langsameren Geschwindigkeit, was weniger Energie verbraucht und die Effizienz erhöht, insbesondere bei Teillastbedingungen. Dies habe letztendlich einen erheblichen Einfluss auf die Reduzierung der CO2-Emissionen während des Betriebs, sagte Salvage.

VORTEILE DER LEITUNG: Fujitsu bietet ein komplettes Sortiment an Einzelwärmepumpen – einschließlich solcher mit Invertertechnologie – mit Modellen mit einer Kapazität von 1,5 bis 5 Tonnen und einem Wirkungsgrad von bis zu 18 SEER. (Mit freundlicher Genehmigung von Fujitsu)

LANGSAME GESCHWINDIGKEITEN: Wechselrichtersysteme arbeiten nur mit den Geschwindigkeiten, die zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur erforderlich sind. Die langsamere Geschwindigkeit verbraucht weniger Energie und erhöht die Effizienz. (Mit freundlicher Genehmigung von Daikin)

„Außerdem sind die meisten Länder der USA und Kanadas weiterhin auf fossile Brennstoffe zur Beheizung von Häusern und Gebäuden angewiesen“, sagte er. „Inverter-Wärmepumpensysteme bieten eine Alternative zur Heizung mit fossilen Brennstoffen, indem sie in Anwendungen weit unter 0 °F eine vollelektrische, energieeffiziente Heizung ermöglichen. Es ist erwähnenswert, dass 100 % der Produkte, die die NEEP Cold Climate ASHP-Spezifikation erfüllen, auf Invertern basieren Lösungen, die die hervorragende Fähigkeit der Technologie widerspiegeln, in kalten Klimazonen als effektive Wärmequelle zu funktionieren.“

Die Invertertechnologie führt auch zu einem besseren Komfort, da sie dazu beiträgt, die unangenehmen Temperaturschwankungen zu verhindern, die bei ein- oder zweistufigen HVAC-Systemen ohne Inverter häufig auftreten, sagte Salvage.

„Ein Wechselrichtersystem kann die gewünschte Komforteinstellung schneller erreichen und dazu beitragen, Temperaturschwankungen zu minimieren und so für mehr Komfort im Raum zu sorgen. Und da Wechselrichtersysteme normalerweise für längere Betriebszyklen arbeiten, wird die Luft im Haus über längere Zeiträume gefiltert, was zur Verbesserung beiträgt.“ IAQ.

Laut Davis können Systeme mit Wechselrichtertechnologie auch die Luftfeuchtigkeit besser kontrollieren. Das liegt daran, dass Hausbesitzer oder Geschäftsinhaber bei herkömmlichen Systemen in den Sommermonaten möglicherweise eine übermäßige Kühlung eines Raums erfordern, um die Feuchtigkeit zu entfernen, was oft zu einer unangenehmen Umgebung führt.

„Systeme mit variabler Geschwindigkeit (Invertertechnologie) regeln die Temperaturen rund um die Uhr, ohne dass die Thermostatsollwerte geändert werden müssen, um Feuchtigkeit zu entfernen“, sagte sie. „Die große Variabilität der Kompressorleistung in einem System mit variabler Geschwindigkeit ermöglicht eine hervorragende Kontrolle der Luftfeuchtigkeit über den ganzen Tag.“

Wechselrichterbetriebene Systeme gehören außerdem zu den leisesten Geräten überhaupt, wenn sie gemäß den Anweisungen des Herstellers und den örtlichen Vorschriften installiert werden, sagte Stinson. „Dies ist häufig die Ausrüstung der Wahl in Nullgrundstücksunterteilungen und anderen engen Viertelanordnungen, die empfindlich auf Lärm reagieren.“

Die Installation von Systemen mit Wechselrichtertechnologie ähnelt der Installation herkömmlicher Geräte, obwohl Davis feststellte, dass es aufgrund des breiten Spektrums an Betriebsparametern, die diese Systeme ermöglichen, einen geringfügigen Unterschied bei der Inbetriebnahme von Geräten mit variabler Geschwindigkeit gibt.

„Sie werden speziell für jedes Haus und/oder Unternehmen konfiguriert und berücksichtigen alle zusätzlichen Zubehörteile wie Zonensysteme, die möglicherweise an die Bedürfnisse des Raums angepasst werden müssen“, sagte sie. „Systeme mit variabler Drehzahl sind für den Betrieb konzipiert und bieten den Kunden den besten thermischen Komfort. Die Lüfter, Motoren und anderen Komponenten sind für die Systeme und die damit verbundenen Anwendungen ausgelegt.“

Da die Wechselrichtertechnologie Teil eines Gesamtsystems ist, kann sie nicht einfach in bestehende Anlagen nachgerüstet werden.

„In einem umrichterbasierten System gibt es zusätzliche Sensoren und Komponenten, die den Kühlkreislauf bilden und so die Kapazitätssteuerung und Energieoptimierung ermöglichen“, sagte Salvage. „Es gibt auch ein Leiterplattenmodul für den Wechselrichterantrieb, das sich stark von der herkömmlichen Leiterplatte in Geräten ohne Wechselrichter unterscheidet. Unter diesen Bedingungen ist es nicht wirklich möglich, herkömmliche Systeme vor Ort mit Wechselrichtertechnologie nachzurüsten.“

Auch wenn sie nicht in bestehende Anlagen nachgerüstet werden kann, dürfte die Wechselrichtertechnologie in neuen Systemen immer häufiger zum Einsatz kommen, da die USA die strategische Elektrifizierung vorantreiben und sich mit der Reduzierung der CO2-Emissionen befassen, sagte Stinson.

„Anreize auf Bundes-, Landes- und Versorgungsebene sowie steigende Kosten für herkömmliche Geräte zur Einhaltung von Effizienzvorschriften haben die Wechselrichtertechnologie zu einer soliden Lösung für alle HVAC-Anwendungen gemacht“, sagte er.

Davis stimmt zu und stellt fest, dass die Zukunft variabler Geschwindigkeitssysteme vielversprechend ist.

„Die verbesserte Energieeffizienz dieser Systeme ermöglicht es der Industrie, die Reduzierung der CO2-Emissionen weiter voranzutreiben. Darüber hinaus sind sie aufgrund der Fähigkeit, dem Verbraucher ein verbessertes thermisches Komfortprofil zu bieten, die erste Wahl für die Beheizung und/oder Kühlung von Haushalten und Unternehmen.“ "

Anfang 2023 ordnete das Energieministerium (DOE) Änderungen bei der Messung der Energieeffizienz in HVAC-Systemen an und erhöhte die zulässigen Mindestwirkungsgrade. Gemäß den neuen Standards erhöhte sich die Mindesteffizienz von Wohngeräten um etwa 7 %, was einem SEER-Punkt entspricht. Darüber hinaus führte das überarbeitete Testverfahren dazu, dass neue Metriken von SEER2, HSPF2 und EER2 anstelle von SEER, HSPF, EER verwendet wurden. Einige glauben jedoch nicht, dass diese Kennzahlen die tatsächlichen Energieeinsparungen widerspiegeln, die die Wechselrichtertechnologie ermöglichen kann.

„Leider werden die Effizienzvorteile von Systemen mit Wechselrichtertechnologie weiterhin nicht ausreichend durch die veralteten Testmetriken der neu eingeführten SEER2- und HSPF2-Effizienzmetriken gemessen“, sagte Scott Salvage, Vizepräsident für Marketing für Wohnprodukte bei Daikin. „Sowohl die Kühleffizienz (SEER2) als auch die Heizeffizienz (HSPF2) basieren auf Nicht-Inverter-Technologien, gemessen bei 100 % Kapazität. Inverterbasierte Systeme arbeiten und verbrauchen typischerweise Strom bei deutlich geringerer Kapazität; daher werden die Effizienzvorteile nicht erkannt.“ durch diese neuen SEER2- und HSPF2-Effizienzmetriken.“

Salvage fügte hinzu, dass die vom Energieministerium festgelegten neuen Energiestandards zwar wahrscheinlich die Effizienz, Dekarbonisierung und Netzoptimierung verbessern werden, dass aber noch bedeutendere Fortschritte erzielt werden könnten, wenn die breitere Einführung der Wechselrichtertechnologie in HVAC-Systemen durch Steuernachlässe und andere Anreize gefördert würde.

Joanna Turpin ist leitende Redakteurin. Sie kann unter 248-786-1707 oder [email protected] kontaktiert werden. Joanna ist seit 1991 bei BNP Media und leitete zunächst die technische Buchabteilung des Unternehmens. Sie erwarb ihren Bachelor-Abschluss in Englisch an der University of Washington und arbeitete an ihrem Master-Abschluss in technischer Kommunikation an der Eastern Michigan University.