SilentAirHP Fortschrittliche Methoden zur Bewertung und Entwicklung von Schallreduktionsmaßnahmen für Luftwärmepumpensysteme

Luft-Wasser-Wärmepumpen (L/W-WP) wurden in den letzten Jahren aufgrund ihrer Vorteile wie z.B. geringer Platzbedarf, vergleichsweise geringe Anschaffungskosten, einfache Installation, etc. immer beliebter und zählen europaweit zu den am meisten verkauften Wärmepumpensystemen zur Heizung bzw. Kühlung von Wohnbauten. Neben den störenden Geräuschen des Verdichters, entstehen, aufgrund des hohen benötigten Luftvolumenstroms der L/W-WP, oftmals störende Geräusche beim Ventilator und Verdampfer. Vor allem während der Übergangsjahreszeit kommt es aufgrund der Vereisung des Verdampfers zu einer zusätzlichen Geräuschbelastung. All diese störenden Geräusche lösen oftmals Nachbarschaftskonflikte mit gesundheitlichen, psychischen und finanziellen Folgen aus, und können damit zukünftig zu einem Wettbewerbsnachteil der Technologie werden, und deren breiten Einsatz insbesondere in Siedlungsgebieten hemmen. Die derzeit in der Literatur, in den Akustikleitfäden von Wärmepumpenverbänden, etc. vorgeschlagenen Maßnahmen zur Minimierung der störenden Schallemissionen umfassen konstruktive, komponenten-spezifische, regelungstechnische sowie aktive Maßnahmen, wobei deren Effekt auf die Schallemission meistens nur qualitativ bewertet wird. Die simultanen Auswirkungen dieser Schallreduktionsmaßnahme(n) auf Leistung, COP, Schallemission und psychoakustische Wahrnehmung, werden derzeit nicht quantitativ bewertet, womit der Wärmepumpen­branche (insbesondere WP-Herstellern, Installateuren, Planern) nicht bekannt ist, welche der gängigen Maßnahmen für das Wärmepumpensystem als Ganzes betrachtet jeweils am Optimalsten ist.

SilentAirHP zielt daher primär darauf ab, fortschrittliche numerische und experimentelle Methoden zur quantitativen Bewertung schallreduzierender Maßnahmen für L/W-WP zu entwickeln, um damit mittelfristig nationale Hersteller bei der Neuentwicklung bzw. der Nachrüstung ihrer L/W-WP zu unterstützen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden im Projekt zum einen akustische Messmethoden entwickelt, welche Schallquellen frequenzaufgelöst unterscheiden und lokalisieren können. Parallel dazu werden Gesamtsystemsimulationen durchgeführt, welche die Schallemission (auch während des Vereisens der Außeneinheit) berücksichtigen. Diese Modelle sind notwendig, um in Folge regelungstechnische Schallreduktionsmaßnahmen zu entwickeln. Zudem wird eine möglichst industrienahe modulare L/W-WP aufgebaut, an der in Folge Schallreduktionsmaßnahmen experimentell untersucht werden. Neben der Quantifizierung ausgewählter „passiver“ Maßnahmen soll insbesondere die Verwendung von Anti-Eis-Beschichtungen des WYSS Institutes (Harvard University) bei Vereisung und Abtauung, sowie Noise Cancelling als „aktive“ Maßnahme im Projekt getestet, adaptiert und bewertet werden. Gemeinsam mit dem Institut für Schallforschung (ÖAW) werden ausgewählte Schallreduktionsmaßnahmen zudem psychoakustisch analysiert und bewertet.

Das Projektergebnis umfasst einerseits einen quantitativ bewerteten Maßnahmenkatalog für bekannte und neuartige Schallreduktionsmaßnahmen, zudem wird andererseits eine ausführliche Systembeschreibung einer L/W-WP vorgestellt, die erstmals sowohl das Vereisungsverhalten als auch die Schallemissionen berücksichtigen kann. Darüber hinaus wird der Methodenpool des AIT erweitert.

Das vorliegende Projekt wird als Einzelprojekt eingereicht, weil damit die Ergebnisse allen nationalen Wärmepumpenherstellern uneingeschränkt zur Verfügung gestellt werden können.

Ausgangssituation

Luftwärmepumpen, insbesondere L/W-WP, haben sich in den vergangenen Jahren aufgrund ihrer Vorteile wie z.B. geringer Platzbedarf, vergleichsweise geringe Anschaffungskosten, etc. sehr gut verkauft. Sie zählen europaweit zu dem am meisten verkauften Wärmepumpensystemen zur Heizung/Kühlung von Wohnbauten. Neben den genannten Vorteilen, weisen Luftwärmepumpen insbesondere eine Eigenschaft auf, die zu einem großen Wettbewerbsnachteil der Technologie werden, und ihre breite Verbreitung insbesondere in Siedlungsgebieten hemmen könnte: die im Freien aufgestellten Anlagen erzeugen oftmals störende Geräusche im tiefen Frequenzbereich, die zumeist als „Brummen“ wahrgenommen und als sehr störend empfunden werden, und damit nicht selten Nachbarschaftskonflikte mit gesundheitlichen, psychischen und finanziellen Folgen (teure Nachrüstungen, Kosten für Sachverständige, Anwaltskosten, et.), speziell in dichter bebauten, städtischen Siedlungen auslösen. Wie Ergebnisse eines deutschen Forschungsprojekts erwarten lassen und die Voruntersuchungen am AIT zeigen, verstärken sich diese störenden Geräusche noch wenn die Anlagen vereisen, wie das in unseren Breiten in den kälteren Monaten nicht vermeidbar ist. Insofern sind Schallreduktionsmaßnahmen unvermeidbar. Schallreduktionsmaßnahmen können jedoch vielschichtige Auswirkungen auf die Performance einer L/W-WP haben, da es sich bei der L/W-WP um ein System mit komplexen Abhängigkeiten handelt.

In-Situ Schallmessungen der Napier University aus dem Jahr 2011 an neun, im Einsatz befindlichen Anlagen haben gezeigt, dass die gemittelten Schallpegelmessungen in der Regel mit den Herstellerangaben übereinstimmen, dass aber einzelne schmalbandige störende Töne, die vermehrt bei Vereisung im tiefen Frequenzbereich auftreten, von den Herstellern zumeist nicht erwähnt werden. Gerade diese tiefen Frequenzbereiche sind es aber, die von Nachbarn bzw. Anrainern als besonders störend empfunden werden, und daher oftmals die Quelle für deren Beeinträchtigung darstellen.

Bei klimatischen Bedingungen knapp über dem Gefrierpunkt, und zeitgleich hoher relativen Luftfeuchte, können am Verdampfer der Luftwärmepumpe Temperaturen <0 °C auftreten. Dies kann zur Eisbildung am Verdampfer des Außengeräts führen, und in Folge die Übertragungsfähigkeit des Verdampfers und den Luft-Strömungsquerschnitt verringern. Der erste Effekt bewirkt einerseits eine geringfügige Erhöhung des COPs aufgrund der minimal höheren Luftaustrittstemperatur und außerdem – und das ist der weitaus stärkere Effekt –  auch eine Verringerung der Verdampferleistung. Die Änderung des Luft-Strömungsquerschnitts ändert zudem die Luftströmung am Verdampfer und erhöht damit den Schallpegel und den Druckverlust am Verdampfer. Der erhöhte Druckverlust über den Verdampfer führt indirekt über den Ventilator zu einer deutlichen Erhöhung des gesamten Schallpegels der Anlage. Dies resultiert daraus, dass die Regelung die Ventilatordrehzahl und somit den luftseitigen Volumenstrom erhöht um die Verdampferleistung aufrecht zu erhalten. Zusätzlich erhöht sich der elektrische Energieverbrauch des Ventilators. Eine weitere Möglichkeit auf die Vereisung zu reagieren wäre den Abtauprozess einzuleiten, was früher oder später ohnehin geschieht. Alleine nur die Frage, wann der energieeffizienteste und schalltechnisch beste Zeitpunkt für diesen Prozess ist, ist nach dem derzeitigen Stand des Wissens nicht ohne weiteres zu beantworten.

Transiente Schalldruck-Testmessungen an einer L/W-WP am AIT zeigten eine deutliche Zunahme des Schalleistungspegels während der Vereisung der Wärmepumpe: Bemerkenswert ist, dass es nicht nur zu einer generellen Anhebung des Schallleistungspegels kommt, sondern dass auch tonale Komponenten bei Vereisung hinzukommen. In diesem Zusammenhang ist eine psychoakustische Bewertung hochinteressant um die Wirkung auf die Umgebung zu bewerten.

Resultate des Schweizer Wärmepumpentestzentrums Buchsaus 2013, die sich auf Luft-Wasser-Wärmepumpen österreichischer Hersteller beziehen, listen Schalleistungspegel der zur Außenaufstellung bestimmten Geräte zwischen 54 – 67 dB(A). Diese Werte liegen teils deutlich über den leisesten am Markt erhältliche Geräten (rd. 48 dB(A)).

Die Akustik Forschung Dresden (AFD) hat >400 Prüfstandsmessungen von >40 Wärmepumpen­herstellern, darunter vier nationale Anbieter, ausgewertet. Der Schallleistungspegel von außenaufgestellten Kompaktgeräten lag im Schnitt zwischen 55-75 dB(A), jener von im Gebäudeinneren Aufgestellten bei 47-75 dB(A), Geräte in Split-Bauweise wiederum lagen bei 50 – 73 dB(A). Zudem wurden Ventilatoren sowie Verdichter als die dominanten Lärmquellen identifiziert. Weiters wurde herausgefunden, dass niedrigere Außentemperaturen in der Regel mit höheren Schallemissionen einhergehen. Als möglicher Grund, dem nicht näher nachgegangen wurde, der aber im Projekt SilentAirHP untersucht werden soll, wurde die Vereisung angeführt. Zudem wurden im Projekt Maßnahmen in primäre und sekundäre Lärm- bzw. Schallminderungsmaßnahmen unterteilt und ausgewählte Schallminderungsmaßnahmen monetär bewertet.

Arbeiten des SP Technical Research Institute of Sweden, in denen verschiedene Wärmeübertragerkonzepte von L/W-WP untersucht wurden, zeigen, dass der Verdampfer zwar eine nahezu vernachlässigbare Schallquelle im System mit einem Ventilator darstellt, dass er aber über den Druckverlust einen erheblichen indirekten Einfluss auf den dominanten Schallpegel des Ventilators hat. Der alleinige (direkte) Schallpegel des in der Arbeit vermessenen lautesten Wärmeübertragers lag bei 43 dB(A), was deutlich unter typischen Schallpegeln (ca. 54-67 dB(A)) von Luft-Wärmepumpen liegt.

Das schalltechnische Zusammenspiel von Verdampfereinheit und Ventilator in einer kommerziell erhältlichen Split-Einheit wurde von M.J. Crocker et al. untersucht. Dabei hat sich eine Abhängigkeit der Schalleistung (in dB(A)) vom Volumenstrom im Ausmaß der 8ten-Potenz gezeigt. In anderen Worten, eine leichte Reduktion des Luftvolumenstroms führte bereits zu einer deutlichen Schallreduktion in diesem System, wobei der Verdichter in dieser Arbeit nicht näher untersucht wurde.

Der vom Umfeld als störend wahrgenommene Schallpegel von Wärmepumpen im Feld kann durch konstruktive Maßnahmen am Gerät wie z.B. Optimierung der Gehäusegeometrie, Isolation von durchströmten Leitungen, etc. oder durch eine geänderte Geräteaufstellungwie insbesondere die Einhaltung eines geeigneten Abstandes zum Nachbarn, Verhinderung von Reflexion an Wänden, etc. vermindert werden. Aufstellungsrichtlinien sowie einzuhaltende Lärmrichtwerte sind z.B.: über das österreichische Umweltbundesamt zu beziehen. Der österreichische Wärmepumpenverband „Wärmepumpe Austria“ hat 2014 einen Leitfaden zur Akustik von Luft-Wasser-Wärmepumpen herausgegeben, der Planer und Installateure bei der sorgfältigen Planung und fachgerechten Ausführung der Installation unterstützen soll, um die Geräuschbelastung für die Umwelt auf ein Minimum zu reduzieren. Dieser Leitfaden ist eine allgemeine Einführung in das komplexe Thema Schall und enthält u.a. eine Liste technischer Maßnahmen zur Lärmminderung und deren Wirkung sowie qualitative Bewertung des Kosten-Nutzen-Verhältnisses. Die Maßnahmen wurden jedoch hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Leistung der Wärmepumpe nicht quantifiziert. 

Während passive Schallreduktionsmaßnahmen in jeder am Markt erhältlichen Wärmepumpe implementiert werden, werden aktive Schallreduktionsmaßnahmen derzeit noch nicht von Wärmepumpenherstellern direkt verbaut. Dennoch gibt es Firmen die Lösungen für HVAC-Systeme, basierend auf Active Noise Cancelling (ANC)-Technologien, anbieten. Active Noise Cancelling (ANC) wird im aktuellen Forschungsvorhaben als aktive Methode zur Reduktion der Geräuschemission von Luftwärmepumpen eingesetzt. Die Methode wird derzeit in erster Linie in ANC-Kopfhörern eingesetzt. Es gibt aber auch Anwendungen in der Fahrzeug- und Flugzeugindustrie die zu einer Schallreduktion im Innenraum von bis zu 10 dB(A) führen. Das ANC Konzept ist bereits seit den 1930er Jahren bekannt, wird aber erst jetzt durch die schnellen und leichten Signalprozessoren praktikabel.

In instationären Strömungen werden Druckschwankungen generiert um die Schwankungen im Impuls auszugleichen – sie können an das umgebende Medium weitergegeben werden und propagieren von der Quelle nach außen. Sie werden am Ort des Beobachters als aerodynamischer Schall wahrgenommen. Man unterscheidet drei Arten von Quellen: Monopole (z.B. Kolben in Rohren, Verbrennung), Dipole (Oberflächendruckschwankungen) und Quadrupole (freie Schwankungen im Raum, z.B. Nachlauf des Ventilators). Schall kann durch Wechselwirkung der Ventilatorschaufeln oder der Wärmetauscherlamellen mit Wirbelströmungen (Schall niedriger Frequenz) oder der Wechselwirkung mit Turbulenz (Breitband-Rauschen) entstehen. Außerdem können beim Ventilator Wechselwirkungen mit der eigenen Strömungsrandschicht und dem eigenen Strömungsnachlauf auftreten (Breitband-Rauschen mit tonalen Komponenten). Im Bereich der Flugzeugaerodynamik kann z.B. eine deutliche Schallreduktion durch Verwendung von Bürsten an den Flügelhinterkanten erreicht werden. Sie verringern die Oberflächendruckdifferenz und schwächen Beugungseffekte. Geometrische Modifikationen (wie Sägezahn, Sinusform) ermöglichen deutliche Reduktionen (aufgrund von Streuungseffekten). Ähnliche Strukturen finden sich in hochentwickelten Ventilatorgeometrien. Eine weitere Möglichkeit zur Schallreduktion ist der Einsatz von akustischen Resonatoren in Wandnähe (die akustische Energie wird in Wärme durch viskose und thermische Diffusionsprozesse konvertiert).

Der Schallleistungspegel ist eine integrale Größe, d.h. es gibt einen einzigen Wert für eine schallemittierende Maschine. Aus diesem Wert kann dann am Ort des Beobachters (Immissionsort) ein Schalldruckpegel berechnet werden. Meist sind diese Werte A-bewertet, d.h. es wird das frequenzabhängige Empfinden des Menschen mitberücksichtigt. Im Gegensatz zur Betrachtung eines integralen Wertes berücksichtigt eine psychoakustische Analyse den Frequenzgang und erzielt eine Bewertung (meist) über Probanden, denen Audiosamples präsentiert werden. Es kann sich herausstellen, dass eine Wärmepumpe mit niedrigerem Schallleistungspegel dennoch deutlich unangenehmer empfunden wird, wenn spezielle Frequenzanteile von den Probanden negativ bewertet werden.