Heat Pump Inverter Technology
How Variable-Speed Heat Pumps Work – English Through Technology
Modern heat pumps often use inverter technology to control the speed of the compressor motor. Moderne Wärmepumpen verwenden häufig Inverter-Technologie, um die Drehzahl des Kompressormotors zu steuern.
Instead of operating only at one fixed compressor speed, a variable-speed heat pump can increase or decrease its heating or cooling capacity according to the needs of the building. Anstatt nur mit einer festen Kompressordrehzahl zu arbeiten, kann eine drehzahlvariable Wärmepumpe ihre Heiz- oder Kühlleistung an den Bedarf des Gebäudes anpassen.
1. What Does a Heat Pump Do?
A heat pump transfers thermal energy from one place to another. Eine Wärmepumpe überträgt thermische Energie von einem Ort zu einem anderen.
In heating mode, an air-source heat pump absorbs heat from outdoor air and transfers it into the building. Im Heizbetrieb nimmt eine Luft-Wasser- beziehungsweise Luft-Luft-Wärmepumpe Wärme aus der Außenluft auf und überträgt sie in das Gebäude.
Ground-source and water-source heat pumps use the ground or water as their heat source. Erd- und Wasserwärmepumpen nutzen das Erdreich beziehungsweise Wasser als Wärmequelle.
Important: A heat pump does not create all of its heat directly from electricity. Electricity mainly powers the compressor, fans, pumps and control system.
Wichtig: Eine Wärmepumpe erzeugt ihre gesamte Wärme nicht direkt aus Strom. Elektrizität treibt hauptsächlich Kompressor, Ventilatoren, Pumpen und Steuerungssystem an.2. The Heat Pump Refrigeration Cycle
The heat pump uses a refrigerant that circulates through a closed refrigeration circuit. Die Wärmepumpe verwendet ein Kältemittel, das in einem geschlossenen Kältekreislauf zirkuliert.
The evaporator absorbs heat. The refrigerant absorbs thermal energy from the heat source. Der Verdampfer nimmt Wärme auf. Das Kältemittel nimmt thermische Energie aus der Wärmequelle auf.
The compressor raises the pressure of the refrigerant vapour. Its temperature also rises significantly. Der Verdichter erhöht den Druck des Kältemitteldampfes. Dabei steigt auch dessen Temperatur deutlich.
The condenser releases heat. The refrigerant transfers heat to the building's heating system. Der Verflüssiger gibt Wärme ab. Das Kältemittel überträgt Wärme an das Heizsystem des Gebäudes.
The expansion device reduces the refrigerant pressure. The cycle can then begin again. Das Expansionsventil reduziert den Druck des Kältemittels. Anschließend kann der Kreislauf erneut beginnen.
3. What Is a Heat Pump Inverter?
The compressor is driven by an electric motor. Der Kompressor wird von einem Elektromotor angetrieben.
In many modern heat pumps, power electronics control the electrical supply to this motor. Bei vielen modernen Wärmepumpen steuert Leistungselektronik die elektrische Versorgung dieses Motors.
By varying the electrical frequency and other motor-control parameters, the system can change compressor speed. Durch Veränderung der elektrischen Frequenz und weiterer Motorsteuerungsparameter kann das System die Kompressordrehzahl verändern.
This allows the heat pump to modulate its heating or cooling capacity. Dadurch kann die Wärmepumpe ihre Heiz- oder Kühlleistung modulieren.
Simple idea:
Low heat demand → lower compressor speed
Higher heat demand → higher compressor speed
Geringer Wärmebedarf → niedrigere Kompressordrehzahl
Höherer Wärmebedarf → höhere Kompressordrehzahl
4. Fixed-Speed and Variable-Speed Heat Pumps
Fixed-Speed System
- The compressor operates at one main speed.
- Heating demand is controlled mainly by switching the compressor on and off.
- The system may cycle more frequently at low heating loads.
- Indoor temperature can fluctuate more around the thermostat setpoint.
Variable-Speed System
- The compressor can operate over a range of speeds.
- Capacity can be adjusted more closely to the building load.
- Longer operating periods at lower capacity are possible.
- Temperature control can be more stable.
- Part-load efficiency can be improved.
5. What Does Modulation Mean?
Modulation means changing the output of the heat pump instead of operating at only one fixed capacity. Modulation bedeutet, die Leistung der Wärmepumpe zu verändern, anstatt nur mit einer festen Leistung zu arbeiten.
Imagine that a heat pump can provide 10 kW of heating at maximum capacity, but the building currently needs only 4 kW. Stellen Sie sich vor, eine Wärmepumpe kann maximal 10 kW Heizleistung liefern, das Gebäude benötigt momentan aber nur 4 kW.
A variable-speed system may reduce compressor speed and operate closer to the required 4 kW rather than repeatedly producing 10 kW and switching off. Ein drehzahlvariables System kann die Kompressordrehzahl reduzieren und näher an den benötigten 4 kW arbeiten, anstatt immer wieder 10 kW zu erzeugen und sich anschließend abzuschalten.
6. Why Can Variable-Speed Operation Improve Efficiency?
The main advantage is that the heat pump can match its capacity more closely to the actual heating or cooling load. Der wichtigste Vorteil besteht darin, dass die Wärmepumpe ihre Leistung besser an den tatsächlichen Heiz- oder Kühlbedarf anpassen kann.
At moderate loads, a variable-speed heat pump can often operate efficiently at part load instead of repeatedly cycling between fully on and off. Bei mittlerem Bedarf kann eine drehzahlvariable Wärmepumpe häufig effizient im Teillastbereich arbeiten, anstatt ständig zwischen vollständig ein und aus zu wechseln.
Reduced cycling can also improve comfort and reduce unnecessary changes in operating conditions. Weniger Takten kann außerdem den Komfort verbessern und unnötige Änderungen der Betriebsbedingungen reduzieren.
Important correction: The main efficiency advantage is not simply the avoidance of electrical startup current. Capacity matching and efficient part-load operation are much more important.
Wichtige Korrektur: Der wichtigste Effizienzvorteil besteht nicht einfach darin, elektrische Anlaufströme zu vermeiden. Die Anpassung der Leistung an den Bedarf und effizienter Teillastbetrieb sind wesentlich wichtiger.7. What Is COP?
COP means Coefficient of Performance. COP steht für Coefficient of Performance, auf Deutsch Leistungszahl.
In heating mode, COP compares the useful heating output with the electrical power input. Im Heizbetrieb vergleicht der COP die nutzbare Heizleistung mit der aufgenommenen elektrischen Leistung.
Example:
If a heat pump supplies 4 kW of heat while using 1 kW of electrical power,
its COP at that operating point is 4.
Liefert eine Wärmepumpe 4 kW Wärme und benötigt dafür 1 kW elektrische Leistung, beträgt ihr COP an diesem Betriebspunkt 4.
COP is not constant. It changes with operating conditions such as outdoor temperature, heating-water temperature, compressor speed and system design. Der COP ist nicht konstant. Er verändert sich unter anderem mit Außentemperatur, Heizwassertemperatur, Kompressordrehzahl und Systemauslegung.
8. What Happens When It Gets Colder Outside?
For an air-source heat pump, colder outdoor temperatures generally make the heating task more difficult. Für eine Luftwärmepumpe wird die Heizaufgabe bei niedrigeren Außentemperaturen im Allgemeinen schwieriger.
The heat pump may increase compressor speed to provide more heating capacity. Die Wärmepumpe kann die Kompressordrehzahl erhöhen, um mehr Heizleistung bereitzustellen.
At the same time, efficiency normally falls as the temperature difference between the heat source and the required heating temperature increases. Gleichzeitig sinkt die Effizienz normalerweise, wenn der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und benötigter Heiztemperatur größer wird.
9. Why Is Flow Temperature Important?
The flow temperature is the temperature of the heating water leaving the heat pump and entering the building's heating system. Die Vorlauftemperatur ist die Temperatur des Heizwassers, das die Wärmepumpe verlässt und in das Heizsystem des Gebäudes gelangt.
A heat pump generally operates more efficiently when it can supply heat at a relatively low flow temperature. Eine Wärmepumpe arbeitet im Allgemeinen effizienter, wenn sie Wärme mit einer relativ niedrigen Vorlauftemperatur bereitstellen kann.
This is one reason why heat pumps often work particularly well with underfloor heating or correctly sized low-temperature radiators. Dies ist ein Grund, warum Wärmepumpen häufig besonders gut mit Fußbodenheizung oder passend dimensionierten Niedertemperatur-Heizkörpern funktionieren.
10. What Is Heat Pump Cycling?
Cycling means that the compressor repeatedly starts and stops. Takten bedeutet, dass der Kompressor wiederholt startet und stoppt.
Some cycling is normal. However, very frequent short cycles can indicate that the heat pump cannot reduce its capacity sufficiently for the current load or that another system or control issue is present. Ein gewisses Takten ist normal. Sehr häufige kurze Zyklen können jedoch darauf hindeuten, dass die Wärmepumpe ihre Leistung für den aktuellen Bedarf nicht weit genug reduzieren kann oder ein anderes System- beziehungsweise Regelungsproblem vorliegt.
Variable-speed operation can reduce cycling because the compressor can continue operating at a lower capacity. Drehzahlvariabler Betrieb kann das Takten reduzieren, weil der Kompressor mit geringerer Leistung weiterlaufen kann.
11. Minimum and Maximum Compressor Speed
An inverter compressor cannot normally operate at every speed from zero to maximum. Ein Inverter-Kompressor kann normalerweise nicht mit jeder beliebigen Geschwindigkeit zwischen null und Maximum arbeiten.
Manufacturers define an operating range with minimum and maximum compressor speeds. Hersteller definieren einen Betriebsbereich mit minimalen und maximalen Kompressordrehzahlen.
If the heating demand falls below the heat pump's minimum stable output, the compressor may still have to switch off temporarily. Fällt der Wärmebedarf unter die minimale stabile Leistung der Wärmepumpe, muss sich der Kompressor möglicherweise trotzdem vorübergehend abschalten.
This means: “Inverter” does not mean that the compressor literally runs continuously all year without ever stopping.
Das bedeutet: „Inverter“ bedeutet nicht, dass der Kompressor das ganze Jahr ohne Unterbrechung läuft.12. Inverter Technology and Noise
Variable-speed heat pumps can often operate more quietly when the heating load is low or moderate. Drehzahlvariable Wärmepumpen können bei niedrigem oder mittlerem Heizbedarf häufig leiser arbeiten.
This is because the compressor and fans may operate at lower speeds. Das liegt daran, dass Kompressor und Ventilatoren mit niedrigeren Drehzahlen arbeiten können.
However, a heat pump may still become louder when it needs to operate at high capacity, for example during very cold weather. Eine Wärmepumpe kann jedoch weiterhin lauter werden, wenn sie mit hoher Leistung arbeiten muss, beispielsweise bei sehr kaltem Wetter.
13. What Is Defrosting?
In cold and humid weather, frost can form on the outdoor heat exchanger of an air-source heat pump. Bei kaltem und feuchtem Wetter kann sich Eis am Außenwärmetauscher einer Luftwärmepumpe bilden.
The heat pump therefore occasionally needs a defrost cycle to remove this ice. Die Wärmepumpe benötigt deshalb gelegentlich einen Abtauzyklus, um dieses Eis zu entfernen.
Defrosting temporarily changes the normal operation of the system and uses energy, so it affects real-world seasonal efficiency. Das Abtauen verändert vorübergehend den normalen Anlagenbetrieb und benötigt Energie. Es beeinflusst deshalb die reale saisonale Effizienz.
14. Heat Pump Inverter Vocabulary
| English | German | Meaning |
|---|---|---|
| heat pump | Wärmepumpe | A machine that transfers heat from one place to another. |
| compressor | Verdichter / Kompressor | A component that raises the pressure of refrigerant vapour. |
| inverter | Inverter / Frequenzumrichter | Power electronics used to control the electrical supply to a motor. |
| variable speed | variable Drehzahl | The ability to operate at different rotational speeds. |
| modulation | Modulation / Leistungsanpassung | Changing output according to demand. |
| refrigerant | Kältemittel | The working fluid in a refrigeration or heat-pump cycle. |
| evaporator | Verdampfer | The heat exchanger where the refrigerant absorbs heat. |
| condenser | Verflüssiger / Kondensator | The heat exchanger where the refrigerant releases heat. |
| expansion valve | Expansionsventil | A device that reduces refrigerant pressure. |
| COP | Leistungszahl | The ratio of useful heating output to electrical input at a particular operating point. |
| part-load operation | Teillastbetrieb | Operation below maximum capacity. |
| cycling | Takten | Repeated starting and stopping of the compressor. |
| heating load | Heizlast / Wärmebedarf | The amount of heating required by a building. |
| flow temperature | Vorlauftemperatur | The temperature of heating water supplied to the heating system. |
| defrost cycle | Abtauzyklus | An operating cycle used to remove frost from the outdoor heat exchanger. |
15. Useful English for Talking About Heat Pumps
The compressor speed changes according to the heating load. Die Kompressordrehzahl verändert sich entsprechend dem Wärmebedarf.
The heat pump is operating at partial load. Die Wärmepumpe arbeitet im Teillastbetrieb.
The inverter controls the compressor motor. Der Inverter steuert den Kompressormotor.
Variable-speed operation reduces unnecessary cycling. Drehzahlvariabler Betrieb reduziert unnötiges Takten.
A lower flow temperature can improve heat-pump efficiency. Eine niedrigere Vorlauftemperatur kann die Effizienz der Wärmepumpe verbessern.
The COP changes with operating conditions. Der COP verändert sich mit den Betriebsbedingungen.
The outdoor unit is currently running a defrost cycle. Das Außengerät führt momentan einen Abtauzyklus durch.
16. Heat Pump Inverter Technology Exercises
Choose the correct answer. The correct word or phrase will appear in the blank. Wählen Sie die richtige Antwort. Das richtige Wort oder die richtige Formulierung erscheint in der Lücke.
1. The component that increases the pressure of the refrigerant vapour is the ______.
2. An inverter heat pump can operate at ______ compressor speeds.
3. Adjusting heating output to match demand is called ______.
4. The working fluid circulating inside the heat-pump cycle is called the ______.
5. The ratio of useful heating output to electrical input at a particular operating point is called ______.
6. Operating below maximum capacity is known as ______ operation.
7. The amount of heat required by a building is its ______.
8. Repeatedly starting and stopping the compressor is called ______.
9. Inverter electronics can change electrical ______ to help control motor speed.
10. At a low heating demand, the compressor can often run at a ______ speed.
11. The temperature of water supplied to the heating system is called the ______.
12. A relatively low flow temperature can help improve heat-pump ______.
13. The heat exchanger that absorbs heat from the source is the ______.
14. The heat exchanger that releases useful heat to the heating system is the ______.
15. The expansion device reduces refrigerant ______.
16. Air-source heat pumps generally have to work harder when the outdoor air becomes very ______.
17. Removing ice from the outdoor heat exchanger requires a ______ cycle.
18. Variable-speed compressors normally have a ______ stable operating speed.
19. At lower compressor and fan speeds, a heat pump can often operate more ______.
20. The main advantage of modulation is that system output can more closely match actual ______.
17. Heat Pump Inverter Technology – FAQ
What does the inverter do in a heat pump?
It uses power electronics to control the compressor motor, allowing compressor speed and therefore heating or cooling capacity to be adjusted. Der Inverter nutzt Leistungselektronik zur Steuerung des Kompressormotors. Dadurch lassen sich Kompressordrehzahl sowie Heiz- oder Kühlleistung anpassen.
Does an inverter heat pump always run continuously?
No. It can operate for long periods at reduced capacity, but it still has a minimum operating range. If demand becomes too low, it may switch off. Nein. Sie kann über lange Zeit mit reduzierter Leistung laufen, besitzt aber trotzdem einen minimalen Betriebsbereich. Ist der Bedarf zu niedrig, kann sie sich abschalten.
Are variable-speed heat pumps more efficient?
They can be, especially because they can match capacity to the building load and operate efficiently at part load. Actual efficiency depends on the complete system and operating conditions. Sie können effizienter sein, insbesondere weil sie ihre Leistung an den Gebäudebedarf anpassen und effizient im Teillastbereich arbeiten können. Die tatsächliche Effizienz hängt jedoch vom gesamten System und den Betriebsbedingungen ab.
What does COP mean?
COP means Coefficient of Performance. In heating mode, it is the ratio of useful heat output to electrical power input at a particular operating point. COP bedeutet Coefficient of Performance beziehungsweise Leistungszahl. Im Heizbetrieb ist es das Verhältnis zwischen nutzbarer Heizleistung und elektrischer Eingangsleistung an einem bestimmten Betriebspunkt.
Is a COP of 4 the same as 400% efficiency?
It is often described that way informally, but COP is a performance ratio rather than the efficiency of a device that simply converts electricity into heat. A heat pump transfers additional environmental heat. Umgangssprachlich wird dies manchmal so beschrieben, aber COP ist eine Leistungszahl und nicht der Wirkungsgrad eines Geräts, das Strom lediglich in Wärme umwandelt. Eine Wärmepumpe überträgt zusätzlich Umweltwärme.
Why is a low flow temperature useful?
A smaller temperature lift generally makes it easier for the heat pump to transfer heat efficiently. Ein geringerer Temperaturhub erleichtert es der Wärmepumpe im Allgemeinen, Wärme effizient zu übertragen.
Why does an air-source heat pump become less efficient in very cold weather?
The temperature difference between the outdoor heat source and the required indoor heating temperature becomes larger. The compressor therefore has to work harder. Der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle Außenluft und der benötigten Heiztemperatur wird größer. Der Kompressor muss deshalb mehr Arbeit leisten.
What is cycling?
Cycling is the repeated starting and stopping of the compressor. Variable-speed control can often reduce unnecessary cycling by lowering compressor capacity when demand is small. Takten ist das wiederholte Starten und Stoppen des Kompressors. Eine drehzahlvariable Steuerung kann unnötiges Takten häufig reduzieren, indem sie die Kompressorleistung bei geringem Bedarf senkt.
Why does a heat pump need to defrost?
Moisture can freeze on the outdoor heat exchanger during cold and humid weather. A defrost cycle removes the accumulated ice. Bei kaltem und feuchtem Wetter kann Feuchtigkeit am Außenwärmetauscher gefrieren. Ein Abtauzyklus entfernt das angesammelte Eis.
Are inverter heat pumps always quieter?
Not always. They can often operate quietly at lower loads, but noise increases when compressor and fan speeds rise. Nicht immer. Bei geringer Belastung können sie häufig leise arbeiten, bei höheren Kompressor- und Ventilatordrehzahlen steigt jedoch normalerweise auch das Geräusch.
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Heat pump inverter technology is one practical application of variable-speed motor control and modern power electronics. Wärmepumpen-Inverter-Technologie ist eine praktische Anwendung von drehzahlvariabler Motorsteuerung und moderner Leistungselektronik.