Dichtheitsprüfungen bei Wärmepumpen reduzieren Treibhausgase
Laut dem Onlineportal Recknagel wurden 2018 78.000 Wärmepumpen verkauft – 17 Prozent mehr als 2016. Die 2017 erteilten Baugenehmigungen bestätigen diesen Trend: Hier liegen Wärmepumpen mit über 40 Prozent zum ersten Mal auf Platz eins im Ranking der beliebtesten Heizungssysteme. Er ist zu erwarten, dass in Anbetracht dieser Geschäftsaussichten noch mehr Akteure auf den Markt drängen werden. Ein fundamentales Kriterium für den mittel- und langfristigen Erfolg eines Wärmepumpenherstellers wird daher die Qualität und Zuverlässigkeit seiner Erzeugnisse sein.
Auswirkungen von Kältemittel- und Flüssigkeitslecks
Hochwertige Geräte zeichnen sich unter anderem durch die Dichtheit ihrer Komponenten, etwa der Wärmeübertragereinheit und des Wärmespeichers, aus. Selbst kleine Lecks führen dazu, dass ständig Kältemittel entweichen kann. In der Folge lassen Leistung und Effizienz des Heizgeräts nach, was sich in erhöhten Energiekosten wiederspiegelt. Wenn nicht mehr genügend Kältemittel vorhanden ist, fällt die Wärmepumpe ganz aus – was für den Hersteller rufschädigende und kostspielige Rückrufaktionen nach sich ziehen kann. Flüssigkeitslecks können überdies zu Wasserschäden oder im schlimmsten Fall sogar zu einer ungewollten Vermischung von Brauchwasser mit anderen Medien, wie etwa Heizwasser, führen.
Lecks unbedingt vermeiden
Ständig Kühlwasser nachzufüllen, ist in Hinblick auf Aufwand und Kosten keine Lösung, Kältemittel kann oft gar nicht oder nur durch berechtigte Servicepartner nachgefüllt werden. Mehr noch: Wärmepumpen gelten als besonders klimafreundlich, da sie während des Betriebs kein CO2 emittieren. Wenn nun der Verbrauch an Kältemittel nicht nur ansteigt, sondern es zudem teilweise in die Umwelt gelangt, führt dies den beabsichtigten Umweltschutzaspekt ad absurdum.
Eine staatliche Förderung wäre dann unter Umständen nicht mehr gerechtfertigt. Ganz zu schweigen davon, dass sich viele Käufer auch aus ökologischen Gründen für eine Wärmepumpe entscheiden – dieses Argument fiele dann weg. Es ist also unerlässlich, Kältemittel- und Flüssigkeitslecks in Wärmepumpen zu vermeiden und durch eine entsprechende Qualitätssicherung in der Produktion dafür zu sorgen, dass minderwertige Heizungsgeräte nicht in den Verkauf gelangen.
Vertrauen in die eigene Arbeit ist gut, …
... es ersetzt aber keine Qualitätskontrolle. Um Garantiefälle zu vermeiden, sollten die Fabrikanten von Wärmepumpen und ihre Zulieferer standardmäßig zuverlässige Dichtheitsprüfungen in der Fertigung durchführen. Zumal die Anforderungen eher noch zunehmen werden, aufgrund des Einsatzes neuer oder brennbarer Kältemittel.
Energiesparende Anlagen bestehen zumeist aus kleineren, komplexeren Teilen und diese sind in der Prüfung in der Regel anspruchsvoller als große, einfache Komponenten. Die typischen Rohrabstände eines Wärmeübertragers haben sich beispielsweise in den letzten Jahren immer weiter verringert – wodurch sich der Nachweis und die Lokalisierung von Lecks entsprechend schwieriger gestalten.
Wasserbad eignet sich nur bedingt
Viele Hersteller verfügen noch über einen Wassertank und nutzen die Wasserbadmethode zur Lecksuche in ihrer Produktion. Auf Vakuum- oder Akkumulationskammern umzurüsten, die mit einem Spürgas wie zum Beispiel Helium arbeiten, erscheint oft zu kostspielig. Das ist jedoch ein Trugschluss, denn die Wasserbadmethode ist letztlich weit umständlicher und erfordert zudem eine lange Trocknungszeit.
Überdies geht bei Wärmepumpen die langfristige Tendenz hin zu einer kompakteren Bauweise. Für die Dichtheitsprüfung im Wasserbad ist auch dies problematisch, denn tief verbaute Teile lassen sich so nur schwer prüfen. Steigt beispielsweise im Wasserbad aus einem kompakten undichten Prüfteil eine Blase auf, bleibt diese unter Umständen an einem anderen Bauteil hängen, löst sich erst gar nicht ab und der Prüfer kann sie auch nicht wahrnehmen.
Auch Luftprüfung und Prüfspray machen Probleme
Die Luftprüfung hat ebenfalls mit Nachteilen zu kämpfen. Zum einen ist sie weniger genau als die Prüfgasmethoden in der Vakuum- oder Akkumulationskammer, zum anderen ist sie weniger zuverlässig. Schwankungen der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit können die Ergebnisse der Luftprüfung verfälschen. Ein Prüfspray wäre gegebenenfalls noch eine denkbare Alternative. Für den Fall, dass die prüfende Stelle verbaut, also nicht einsehbar ist, scheidet das Prüfspray von vornherein aus.
Kosten-Nutzen-Verhältnis ausbalancieren
Lecksuchgeräte, die austretende Spürgase in einer Vakuum- oder Akkumulationskammer nachweisen, lassen sich – wie Schnüffellecksuchgeräte auch – direkt an Steuerungseinheiten in der Linie anbinden. Die Lecksuche wird dadurch automatisiert. Langfristig spart dies nicht nur Arbeitszeit, sondern sorgt auch für höhere Produktionskapazitäten bei besserer Qualität.
Die automatisierten Abläufe sorgen zudem für zuverlässige Ergebnisse mit hoher Wiederholgenauigkeit. Das manuelle und damit fehlerbehaftete Schnüffeln entfällt. Die Nachweisgrenze und die Geschwindigkeit einer automatisierten Helium-Prüfung in der Vakuumkammer sind unübertroffen. Eine Vakuumkammer erfordert aber auch einen gewissen Aufwand. Oft lässt sich durch eine Dichtheitsprüfung in der simplen Akkumulationskammer ein besseres Gleichgewicht zwischen Qualitätssicherung und Kosten erzielen.
In der Akkumulationskammer prüfen
Die Akkumulationsmethode hat sich bei der Dichtheitsprüfung von Wärmepumpen bewährt: Das mit Spürgas unter Druck beaufschlagte Testobjekt wird in eine einfache Kammer gebracht, die weniger strenge Dichtheitsanforderungen erfüllen muss als eine Vakuumkammer. Darum ist die Akkumulationsmethode deutlich kostengünstiger als die Vakuumprüfung.
Das Spürgas tritt aus etwaigen Leckstellen im Prüfteil aus und sammelt sich in der Prüfkammer an. Aus der Gasmenge, die sich in einem definierten Zeitintervall im gegebenen Volumen der Prüfkammer akkumuliert, errechnet sich die Leckrate. Besonders vorteilhaft ist die Zeitersparnis, denn Kältemittel- und die verschiedenen Wasserkreisläufe einer Wärmepumpe lassen sich so gleichzeitig auf Dichtheit prüfen.
Abhängig vom Volumen des Prüfobjekts kann eine Akkumulationskammer eine Größe von bis zu 1000 l haben. Die Akkumulationsmethode weist Lecks bis hinab in den Bereich von 10-5 mbarl/s nach. Als Spürgase dienen Helium oder Formiergas (ein unbrennbares Gemisch aus 95 Prozent Stickstoff und 5 Prozent Wasserstoff). Die Akkumulationskammer sollte jeweils für die vorgesehenen Prüfobjekte ausgelegt sein, um einerseits eine optimale Gasverteilung mittels Ventilatoren zu gewähren und um andererseits das Totvolumen der Kammer niedrig zu halten und den Prüfprozess zu beschleunigen.
Keine mit Helium kontaminierten Umgebungen
Bei der Fertigung von Wärmepumpen kann immer wieder eine erhöhte Konzentration an Helium in der Produktionshalle auftreten, was die Empfindlichkeit von Messungen negativ beeinflussen kann. Aber auch dann ist die Akkumulationsmethode dem Wasserbad noch überlegen. Wenn das Dichtheitsprüfgerät ein Massenspektrometer mit integrierter Turbopumpe als Sensor benutzt, eignet es sich auch für Umgebungen, die mit Helium verunreinigt sind.
Sinnvoll ist es, wenn der Dichtheitsprüfung noch ein gleichzeitiger Berst- und Grobtest der Wärmepumpe vorausgeht. Ergibt die Dichtheitsprüfung in der Akkumulationskammer, dass ein Prüfteil undicht ist, kann sich eine manuelle Schnüffellecksuche zur genauen Lokalisierung des Lecks anschließen.
Dieser Artikel von Volker Trieb ist zuerst erschienen in: Die Kälte- und Klimatechnik 11/2018.
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