LowNoise - Integrale Betrachtung, Optimierung und methodische Bewertung von Luft-Wasser-Wärmepumpen zur Reduktion akustischer Emissionen

Abstract

Im Transformationsprozess des deutschen Energiesystems nimmt die Wärmepumpe in der Wärmeversorgung von Gebäuden die Schlüsselrolle ein. Neben technischen Hürden, muss vor Allem die Nutzerakzeptanz gestärkt werden. Unter den Wärmepumpentechnologien weisen Luft-Wasser Wärmepumpen (nachfolgend Wärmepumpe) durch ihre vergleichsweisen niedrigen Anschaffungskosten und ihrem geringen Installationsaufwand den größten Marktanteil in Deutschland auf. Die Wärmepumpe wird als Monoblock oder als Split-Gerät gebaut. Bei einer Monoblock-Wärmepumpen sind alle Komponenten in einem Gerät im Freien aufgestellt. Bei einer Split-Wärmepumpe wird ein Teil der Anlage im Gebäudeinneren (z.B. Heizungskeller) installiert. Die Außeneinheit beider Bauarten enthält die rotierenden Komponenten: Den Verdichter und der Verdampfer-Ventilator. Das Anlagengeräusch, welches vornehmlich durch die rotierenden Bauteile entsteht, kann durch den Nutzer oder Nachbar als störend empfunden werden. Besonders in Ballungsräumen ist es zunehmend schwieriger, die bestehenden Vorschriften und Verordnungen zum Schallschutz einzuhalten. Zu laute Wärmepumpen verringern die Nutzerakzeptanz und sind damit ein Hindernis für die Ausbauziele des BMWK. Die Entwicklung von Schallminderungsmaßnahmen erfordert eine integrale Betrachtung des Wärmepumpensystems, um die Wirkzusammenhänge zu erfassen und gezielte Verbesserungsmaßnahmen abzuleiten. Aus diesem Grund wird im Projekt LowNoise an integrale Methoden und Maßnahmen zur Verringerung der Geräuschemissionen von Wärmepumpen geforscht. Im Rahmen des Projektes wird die akustische Optimierung in einem ganzheitlichen Konzept umgesetzt, welches die Ebenen der Komponente, der Geräteeinheit, des Gesamtsystems und der Anwendung umfasst. Für eine nutzerzentrierte Optimierung des Systems wird zudem in Probandenstudien die Wirkung von Wärmepumpen-Schall auf den Hörer bestimmt. Zur Bündelung der Kompetenzen Effizienz, Akustik und Betrieb von Wärmepumpen ist das Projekt ein Verbundvorhaben mit Forschungseinrichtungen der RWTH Aachen (Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik und Institut für Hörtechnik und Akustik) sowie dem Industriepartner Viessmann Holding International GmbH. Auf Basis einer initialen Marktanalyse wird eine Wärmepumpe mit durchschnittlichen Schallemissionen beschafft (nachfolgend Referenz-Wärmepumpe), sodass die erarbeiteten Maßnahmen eine allgemeine Aussage hinsichtlich des Geräuschreduktionspotentials zulassen (AP1). Die Referenz-Wärmepumpe wird auf den Prüfständen der beteiligten Institute aufgebaut und hinsichtlich energetischer Effizienz und akustischen Emissionen vermessen, um Verbesserungspotentiale in beiden Dimensionen abzuleiten (AP2). Die identifizierten Maßnahmen zur Geräuschreduktion werden bei dem Bau eines akustisch optimierten Demonstrators (siehe AP3, Teilvorhaben: 03EN4020B) berücksichtigt.

Um den Weg des Schalls von der Quelle (z.B. Verdichter) bis zum Empfänger (menschliches Ohr) zu analysieren, wird eine Transferpfadanalyse durchgeführt. Mit den Ergebnissen der Transferpfadanalyse können konkrete Maßnahmen (z.B. Verbesserung der Gehäusekonstruktion) abgeleitet werden, um die Abstrahlung von Luftschall zu verringern. Darüber hinaus werden im Projekt psychoakustische Analysen durchgeführt. Dabei wird die Nutzerakzeptanz des Wärmepumpen-Geräusches untersucht, indem Probanden in Hörversuchen die Lästigkeit der Geräusche der Wärmepumpe beurteilen. Die Bewertung von zusätzlichen, synthetisch erzeugten Geräuschen dienen dazu, eine Entwicklungsrichtung für die akustischen Optimierungen vorzugeben. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse wird ein thermo-physikalische Simulationsmodell erstellt und mit den Messdaten der Referenz-Wärmepumpe validiert (AP4). Das Simulationsmodell wird um ein akustisches Modell erweitert, sodass neben der energetischen Effizienz auch die akustischen Emissionen während des Betriebs simuliert werden können. Das Simulationsmodell bildet die Grundlage, um ein Betriebsmanagement zu entwickeln, das neben energetischen Aspekten und dem Komfort auch die Akustik bewertet. Als Ergebnis liefert das Projekt LowNoise einen energetisch-akustisch optimierten Wärmepumpen Demonstrator und eine Potentialeinschätzung zur Wirkung einzelner Verbesserungsmaßnahmen. Damit trägt das Projekt dazu bei, dass zukünftige Luft-Wasser-Wärmepumpen über den Betriebsbereich effizienter und leiser betrieben werden können.