wärmepumpen - Hochschule Esslingen

Weiterbildungsprogramm Energieberatung
Technische Akademie Esslingen (TAE)
WÄRMEPUMPEN
Präsenzphase
Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli
Fachhochschule Esslingen (FHTE) - Hochschule für Technik
Fachbereich Versorgungstechnik und Umwelttechnik
Kanalstraße 33, 73728 Esslingen
Tel. 0711/397/3453 und 0711/519518
Fax 0711/397/3449 und 0711/519518
e-Post: [email protected]
TAEWP1
1
Inhalt
1. Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen …………………………………………. 3
2. Kompressionswärmepumpen zu Heizzwecken: Auslegung des Heizungssystems,
Nutzung unterschiedlicher Wärmequellen und deren Auswirkung auf die Effizienz
der Wärmepumpe ……………...………………………………..…………………... 5
3. Betriebserfahrungen mit Wärmepumpen …………………………………………. 14
4. Elektro-Kleinwärmepumpen mit Wärmerückgewinnung als Lüftungs-Kompaktgeräte im Verbund mit zentralen Abluftsystemen bzw. zentralen Zuluft/AbluftSystemen …..………………………………………………………………………… 17
5. Betriebskosten und Wirtschaftlichkeit … ………………………………………..… 21
6. Primärenergieeinsparung und Umweltgesichtspunkte ……..…..….……………... 32
7. Absatzentwicklung bei Heizungswärmepumpen, Lüftungs-Kompaktgeräten und
Warmwasserwärmepumpen ……………………………………….……………..… 38
8. Konzept der Diffusions-Absorptionswärmepumpe (DAWP) und der Zeolith-Wärmepumpe als künftige Systemlösungen für die Wärmeversorgung von Wohngebäuden ……………………………………………………………..…..……….…. 41
9. Elektrisch bzw. gasmotorisch angetriebene Kompressionswärmepumpen für die
Teilklimatisierung bzw. Klimatisierung von Großgebäuden ………..…………….. 45
10. Quellenverzeichnis …………………………………………………………..…..…… 55
2
1. Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen
Wärmepumpen haben einen breiten Einsatzbereich: Sie können
- zur Bereitstellung von Heizwärme in Wohn-, Industrie- und Verwaltungsgebäuden,
- zur Trinkwassererwärmung in Wohn-, Industrie- und Verwaltungsgebäuden,
- zur Teilklimatisierung (Heizung, Kühlung und Entfeuchtung) z. B. in Verkaufsstätten,
Industrie- und Verwaltungsgebäuden sowie in Gaststätten und
- zur Bereitstellung von Prozeßwärme in Industrie und Gewerbe
eingesetzt werden.
Wärmepumpen können zur Bereitstellung von Heizwärme in Wohn-, Industrie- und Verwaltungsgebäuden, zur Trinkwassererwärmung in Wohn-, Industrie- und Verwaltungsgebäuden und zur Teilklimatisierung (Heizung, Kühlung und Entfeuchtung) z. B. in Verkaufsstätten, Industrie- und Verwaltungsgebäuden sowie in Gaststätten eingesetzt werden ([1], [2], [3], [4]).
3
Bei der Heizwärmeversorgung wird als Wärmequelle häufig Außenluft, Erdwärme (mit
oberflächennahen Erdkollektoren bzw. mit Hilfe von Erdsonden) oder Wasser (Grundwasser, Oberflächenwasser) genutzt; in zunehmendem Maße wird aber auch - in
Kombination mit Be- und Entlüftungsanlagen - verbrauchte Abluft oder das Abgas aus
fossil befeuerten Wärmeerzeugern entwärmt. Für die häusliche Wassererwärmung
dient meist die Luft als Wärmequelle; aber auch hier gibt es inzwischen Lösungen zur
Nutzung der Wärme aus der verbrauchten Abluft oder aus dem Abgas von fossil
befeuerten Wärmeerzeugern.
In Industrie und Gewerbe werden Wärmepumpen zur Bereitstellung von Prozeßwärme
genutzt, wobei häufig Abwärme aus Fertigungsprozessen als Wärmequelle herangezogen wird. Beispiele hierfür sind
-
die Bereitstellung warmer Trocknungsluft durch Entwärmung von Abluft in der
holzverarbeitenden Industrie,
-
die Bereitstellung von Warmwasser für Spül- und Reinigungsvorgänge aus Abwasser in der Lebensmittelindustrie,
-
die Bereitstellung warmer Blasluft zur Papiertrocknung aus der betrieblichen Abluft
(Luft/Wasserdampf-Gemisch) in der Papierindustrie,
-
die Bereitstellung von Kochwärme für die Würzepfanne aus Brüden (heißem
Wasserdampf aus dem Kochvorgang) in Brauereibetrieben sowie
-
die Bereitstellung von Wärme zur Sulfitlaugenerwärmung aus Brüden in der Zellstoffindustrie.
Im folgenden wird vor allem auf Fragen des Einsatzes von Wärmepumpen bei der
Heizwärmeversorgung und Trinkwassererwärmung eingegangen; weiter wird auf Wärmepumpen zur Teilklimatisierung (Heizung, Kühlung und Entfeuchtung) abgehoben. Die
Aussagen lassen sich jedoch teilweise auch auf andere Wärmepumpentechniken
übertragen.
Elektrische Heizungswärmepumpen (1. und 2. Bild) sowie elektrisch bzw. gasmotorisch angetriebene
Wärmepumpen zur Teilklimatisierung (Außengeräte; 3. und 4. Bild) ([5], [6], [7])
4
2. Kompressionswärmepumpen zu Heizzwecken: Auslegung des Heizungssystems, Nutzung unterschiedlicher Wärmequellen und deren Auswirkung
auf die Effizienz der Wärmepumpe
Auf den linkslaufenden Kreisprozeß, der in Kompressionswärmepumpen verwirklicht
wird, wird in Modul 15 des TAE-Weiterbildungsprogramms Energieberatung detailliert
eingegangen [8]; daneben wird er in Abschnitt 9 dieser Ausarbeitung näher beschrieben.
Ein technisches Maß für die Effizienz - und damit auch auf die Wirtschaftlichkeit - einer
Kompressionswärmepumpe zu Heizzwecken ist die Leistungszahl ε, über die der
Aufwand für den Betrieb des Wärmepumpenprozesses gemäß
P = QWP / εWP
ermittelt werden kann [9]. Die Möglichkeiten zur Beeinflussung der Leistungszahl können anhand des reversiblen - also ideal arbeitenden - linkslaufenden Carnot-Prozesses
in der Darstellung im T,s-Diagramm erläutert werden:
Beim Carnot-Prozeß [9] ist
εC = TC / (TC - To) = 1 / (1 - To / TC)
[8], Modul 15, Gl. (4-1)
Die Leistungszahl ε selbst gibt noch keine direkte Auskunft über die aus den Betriebskosten resultierende Wirtschaftlichkeit, denn sie ermöglicht nur eine Aussage
über den augenblicklichen Zustand. Maßgebend ist letztlich die sich über einen längeren Zeitraum - etwa eine Heizperiode - ergebende mittlere Leistungszahl, die Arbeitszahl β genannt wird (vgl. hierzu [8], M 15, Abschnitt 4.1.1.5). Doch läßt sich
sagen, daß eine günstige Leistungszahl im Auslegungspunkt auch eine gute Voraussetzung für eine gute Arbeitszahl ist. Inwieweit die Arbeitszahl von der Lei5
stungszahl im Auslegungspunkt abweicht, hängt vom jahreszeitlichen Verlauf der
Wärmequellentemperatur und dem Regelverfahren ab (vgl. hierzu [8], M 15, 4.2.4).
Das Ziel ist, eine möglichst hohe Leistungszahl ε zu erreichen. Hierzu ist entsprechend
Gl. (4-1) erforderlich, daß das Temperaturverhältnis To / TC gegen eins strebt, also To
/ TC → 1,0 wird. Die Annäherung hieran wird erreicht, indem
-
die untere Kreisprozeßtemperatur To so hoch wie möglich und
die obere Kreisprozeßtemperatur TC so niedrig wie möglich
gewählt wird.
Welches To bzw. to und TC bzw. tC sich erreichen läßt, hängt ab
-
von den Temperatur-Auslegungswerten der Heizungsanlage und
von der Dimensionierung der Wärmeübertrager, d.h. der Heizflächen von Verdampfer und Kondensator.
Von der Auslegung der Heizungsanlage kann die Höhe der Verflüssigungstemperatur
tV beeinflußt werden: tV sollte möglichst niedrig gewählt werden. Üblich ist, daß als
maximale Vorlauftemperatur etwa 55 oC gewählt wird; bei Neubauten erscheint der
Einsatz von Niedertemperatur-Heizungsverteilsystemen (z. B. Fußbodenheizungen)
sinnvoll. Außer den wirtschaftlichen Gesichtspunkten kann diese obere Grenze
auch durch das physikalische Verhalten des verwendeten Kältemittels (z.B. R 134a)
gezogen sein. Eine weitere Konsequenz ist, daß durch die niedrigere Vorlauftemperatur eine Vergrößerung der Heizflächen erforderlich wird (vgl. [8], M 15, Tab. 4-7).
6
Heizungsanlagen, die für den Wärmepumpeneinsatz vorgesehen werden, sollten auf
eine entsprechend niedere Vorlauftemperatur ausgelegt werden. Daraus braucht aber
nicht geschlossen zu werden, daß eine Wärmepumpe für Anlagen, die auf höhere
Vorlauftemperaturen (z.B. konventionell 90 oC bzw. 70 oC) ausgelegt werden, nicht in
Betracht käme.
Man unterscheidet verschiedene Möglichkeiten der Betriebsweise einer Wärmepumpe:
-
monovalent,
bivalent-parallel und
bivalent-alternativ.
7
Wegen der wesentlich höheren Investitionskosten für Wärmepumpenanlagen gegenüber konventionellen Heizungen mit Kesseln wird eine möglichst starke Ausnutzung
der installierten Leistung zur Erzeugung von Wärme angestrebt. Eine Aussage
hierüber lassen die installierte Leistung und die Vollaststundenzahl zu. Am günstigsten
schneidet hier bei Außenluft als Wärmequelle die Betriebsweise bivalent-parallel ab.
Die bivalent-alternative Betriebsweise, wie sie zu Ende der siebziger Jahre bei Elektro-Heizwärmepumpen im Hinblick auf die Begrenzung der elektrischen Leistungsaufnahme nicht unüblich war, wird praktisch nicht mehr verwirklicht. Viele Energieversorgungsunternehmen begünstigen inzwischen neben der bivalent-parallelen Betriebsweise vor allem die monovalente Betriebsweise, weil bei Neubauten durch den
verringerten Wärmeleistungsbedarf des Gebäudes die gesamte elektrische Leistung
der Wärmepumpe vergleichsweise begrenzt ist und beispielsweise zur Entlastung des
Stromnetzes ein - in Spitzenzeiten für wenige Stunden am Tag unterbrechbarer Betrieb verwirklicht werden kann [10].
Die monovalente Betriebesweise ist auch bei der Nutzung von Erdreich, Wasser oder
verbrauchter Abluft als Wärmequelle nahegelegt, weil diese Wärmequellen über das
Jahr hinweg vergleichsweise konstante Temperaturen aufweisen.
Als weitere Betriebsweise hat sich bei elektrischen Kompressionswärmepumpen mit
Außenluft als Wärmequelle - zur Beheizung von Gebäuden mit niedrigem Wärmeleistungsbedarf - die monoenergetische Betriebsweise bewährt: In den wenigen kalten
Wintertagen mit dem höchsten Wärmeleistungsbedarf wird die Wärmepumpe durch
eine elektrische Direktheizung unterstützt.
Die Aussagen hinsichtlich des Einflusses von tC und to auf die Leistungszahl wurden
unter der Annahme eines idealen Prozeßverlaufs nach Carnot getroffen. Der reale
Prozeßverlauf weicht dagegen vom Carnot-Prozeß ab. Dementsprechend ergibt sich
eine Verringerung der Leistungszahl ([8], Modul 15, Bild 4-6).
8
Für die Ermittlung der Leistungszahl des tatsächlichen Prozesses sind zwei Verfahren
gebräuchlich:
Eine überschlägige Ermittlung ist möglich unter Verwendung des Gütegrades
ηC = εeff / εC
[8], M 15 (4-6)
Der Gütegrad ηC gibt die Abweichung der Leistungszahl des realen, verlustbehafteten
Prozesses εeff von der Leistungszahl des idealen, also nicht verlustbehafteten CarnotProzesses εC wieder. Damit wird die Leistungszahl des realen Prozesses
εeff = ηC εC = ηC TC / (TC - To)
[8], M 15 (4-6)
Hierzu wird das abgeänderte Beispiel 4-1 des Moduls 15 [8] erörtert: Eine Wärmepumpe arbeitet bei to = 0 oC, tC = 50 oC. Die Nennleistung beträgt 28 kW.
Frage: Wie groß ist die Leistungszahl εeff der Wärmepumpe?
Nach M 15, Tab. 4-1 [8] ist im Mittel ηC = 0,5. Damit wird
εeff = 0,5s(273 + 50) / 50 = 3,23
Eine genauere Vorausberechnung ergibt sich nach M 15 (4-4) [8]:
εeff = εthsηisηmsηel
für
ηm = 0,90,
ηel = 0,92
und ηi = 0,849 + 0,0025s(pc / po) - 0,002s(pC / po)2 = 0,820
mit pc = 13,1 bar und po = 2,93 bar (vgl. h, lg p-Diagramm für R 134a).
9
Mit εth = qc / w = (428 - 271) / (428 - 398) = 5,23
wird εeff = 5,23s0,820s0,90s0,92 = 3,55
Die Art der Wärmequelle wirkt sich nennenswert auf die Leistungszahl aus, da hierbei
unterschiedliche Temperaturen auftreten. Als Wärmequellen für Wärmepumpen zur
Beheizung, Trinkwassererwärmung sowie zur Teilklimatisierung haben sich insbesondere
-
Außenluft,
10
-
Abluft (z. B. bei Lüftungs-Kompaktgeräten u. ä.),
-
Erdreich (Erdkollektoren, Erdsonden, Gebäude-Fundamentstrukturen, Luft-Erdreich-Wärmeübertrager) und
-
Wasser (Grundwasser, Oberflächenwasser, z. T. auch Abwasser)
bewährt. Typische nutzbare Temperaturbereiche sind - im Falle der Heizwärmeversorgung - bei Außenluft - 10 bis etwa + 15 oC, bei Abluft etwa + 17 bis + 24 oC, bei oberflächennahem Erdreich rund + 6 bis + 14 oC, bei über Erdsonden bis zu 50 bis 100 m
Tiefe genutztem Erdreich ungefähr + 10 bis + 12 oC, bei Grundwasser etwa + 10 bis
+ 12 oC und bei Oberflächenwasser etwa + 5 bis + 20 oC.
Wärmepumpenanlagen mit den Wärmequellen Außenluft (oben links: Außengerät; oben rechts: Innengerät; unten links: mit Erdreich-Wärmeübertrager) und Grundwasser (unten rechts) ([11], [12])
11
Wärmepumpenanlagen mit den Wärmequellen Erdreich (unten links: oberflächennaher Erdreich-Kollektor; unten rechts: Erdsonden) ([12], [5])
Wärmepumpenanlagen mit den Wärmequellen Wasser, Erdwärme und Außenluft [13]
12
Die Leistungszahlen εeff von Wärmepumpen wurden im Verlauf der letzten Jahre deutlich verbessert: Im untenstehenden Bild ist die zeitliche Entwicklung der entsprechenden Werte - hier mit dem angelsächsischen Begriff COP (Coefficient of Performance)
bezeichnet - zwischen 1993 und 2000 dargestellt; diese wurden im Rahmen von
Prüfverfahren für Elektro-Wärmepumpen in der Schweiz [14] unter den folgenden
Bedingungen ermittelt: Niedertemperatur-Warmwasser-Heizverteilsystem mit 35 oC
Vorlauftemperatur; Wärmequellen Wasser (10 oC), Erdreich (Erdsonden) und Außenluft (bezogen auf eine Lufttemperatur von 2 oC). Es wird sichtbar, dass im genannten
Zeitraum die Mittelwerte der Leistungszahlen bei Wasser von etwa 5,2 auf rund 5,5,
bei Erdreich von etwa 3,9 auf 4,6 und bei Außenluft von etwa 2,8 auf 3,7 angestiegen
sind.
Verbesserung der Leistungszahlen ε eff von elektrischen Wärmepumpen zwischen den Jahren 1993 und
2000 [14]
Die Leistungszahl εeff ist für die Wirtschaftlichkeit noch nicht aussagekräftig, da sie nur
einen Augenblickszustand wiedergibt. Eine zutreffende Aussage ergibt die Arbeitszahl.
Eine Bestimmung der Arbeitszahl aus der Leistungszahl, die durch eine Reihe von
Größen wie Temperaturdaten der Heizungsanlage, Temperaturniveau und zeitlicher
Temperaturverlauf der Wärmequelle beeinflußt wird, ist für eine regelmäßige
Anwendung zu aufwendig. Ältere - heute nur noch bedingt zutreffende, da zu niedrige Anhaltswerte liefert [8], M 15, Tab. 4-10.
13
3. Betriebserfahrungen mit Wärmepumpen
Bei größeren Wärmepumpenanlagen wird die Gesamtanlage in der Regel aus Einzelkomponenten zusammengestellt; hierbei kann es bei einer unzureichenden Planung
fraglich sein, ob sich die gewünschten Auslegungsdaten im Betrieb auch erreichen
lassen. Unsicherheiten in den Projektierungsdaten können sich in einer Verschlechterung des Betriebsergebnisses auswirken. Abweichungen von einer optimalen
Betriebsweise treten infolge von Dimensionierungsfehlern bei der Größenbestimmung
von Verdampfer, Verflüssiger sowie ggfs. weiteren Wärmeübertragern, Verdichter
und Expansionsventil auf. Zu Ende der siebziger und zu Anfang der achtziger Jahre
haben Summierungen von Auslegungsfehlern zu teilweise erheblichen Abweichungen
von den erwarteten Betriebsergebnissen geführt und die Verbreitung der
Wärmepumpentechnik behindert. Deshalb sollten größere Wärmepumpenanlagen mit
Sorgfalt geplant werden.
Die genannten Fehlermöglichkeiten sind beim Einsatz von Kompaktgeräten weitgehend
ausgeschaltet. Inzwischen kann die Wärmepumpentechnik - insbesondere auch die
Technik von Kompaktgeräten zur Bereitstellung von Heizwärme und zur Wassererwärmung für den Gebäudebereich - als sehr ausgereift gelten. Die marktführenden
Hersteller in Deutschland bieten eine zuverlässige, langlebige Technik an, die
wartungsarm betrieben werden kann.
Wichtig für die Marktakzeptanz der Wärmepumpe ist nicht nur die Wirtschaftlichkeit,
sondern auch die Lebensdauer der Komponenten - insbesondere des Verdichters.
Dabei spielt die Begrenzung der Schalthäufigkeit eine Rolle. Hierzu tragen bei größeren Anlagen eine Leistungsanpassung an den Bedarf mit Hilfe einer mehrstufigen
Ausführung und - bei größeren und kleineren Anlagen - der Einbau von Pufferspeichern
wesentlich bei (vgl. auch die Präsenzphase "Hydraulische Speicher"). Die Heizungsanlagentechnik hat dafür Sorge zu tragen, daß im Teillastbetrieb die Rücklauftemperatur nicht angehoben wird, die zu einer vorzeitigen Abschaltung der Wärmepumpe führen und so zu einer Erhöhung der Schalthäufigkeit beitragen würde.
Wärmepumpe mit Pufferspeicher [12]
Beispiele für individuelle planerische Lösungen mit Wärmepumpen sind in den folgenden Bildern dargestellt.
14
Aktiv-Energiehaus mit elektrischer Kompressionswärmepumpe und Energie-Absorberplatte (Fundamentplatte) [15]
Aktiv-Energiehaus mit elektrischer Kompressionswärmepumpe und Energie-Absorberplatte (Fundamentplatte) [15]
15
Installationsschema einer Heizungsanlage für ein großes Mehrfamilien-Wohngebäude mit ElektroKompressionswärmepumpe (Wärmequelle Erdreich: Erdwärmesonden), holzbefeuertem Kachelofen,
Solarkollektor, Trinkwarmwasserspeicher und Pufferspeicher [16]
16
4. Elektro-Kleinwärmepumpen mit Wärmerückgewinnung als Lüftungs-Kompaktgeräte im Verbund mit zentralen Abluftsystemen bzw. zentralen Zuluft/Abluft-Systemen
Neue Wohngebäude sowie wärmetechnisch sanierte ältere Wohngebäude weisen zur
Verringerung der Wärmeverluste in der Regel eine hohe Fugendichtigkeit der
Gebäude-Außenhülle (Fenster, Türen u. a.) auf; damit ist der - früher z. T. erhebliche
- Luftaustausch infolge von Fugenundichtigkeiten stark eingeschränkt. Deshalb können
Systeme der kontrollierten Wohnungslüftung aus hygienischen Gründen sinnvoll sein.
Wohnungslüftungssysteme eröffnen darüber hinaus günstige Möglichkeiten der
Energierückgewinnung und sind deshalb auch unter energetischen Gesichtspunkten
interessant.
Zu den kostengünstigen Wohnungslüftungssystemen gehören zentrale Abluftsysteme
mit Wärmerückgewinnung; diese sind hinsichtlich der Luftführung im Grundsatz in der
folgenden Weise aufgebaut: Im Gebäude ist ein Lüftungsgerät zentral - beispielsweise
im Flur, im Dach- oder im Kellerbereich - angeordnet; damit wird die Abluft aus den
Ablufträumen (Bad, Toilette, Küche) über einen Ventilator mechanisch gefördert. Auf
diese Weise entsteht in den Ablufträumen ein leichter Unterdruck, der dazu führt, daß
Zuluft über - in der Gebäudehülle angeordnete - Zuluftelemente in die Zulufträume wie
Wohnzimmer, Schlafzimmer und Kinderzimmer nachströmt.
Lüftungs-Kompaktgerät mit Elektro-Wärmepumpe und Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung für
ein zentrales Abluftsystem ([12], [17])
Im Vergleich mit einem zentralen Abluftsystem ohne Wärmerückgewinnung ist hierbei
zusätzlich eine elektrische Luft-Wasser-Kleinwärmepumpe in das Lüftungsgerät integriert. Da aus Kostengründen auf eine Zuluftführung über ein Lüftungskanalsystem
verzichtet wird, kann die aus der Abluft rückgewonnene Wärme nicht an die Zuluft
abgegeben werden, sondern wird zur Warmwasserbereitung auf maximal etwa 55 oC
genutzt; hierzu verfügt das Lüftungsgerät mit Abluftwärmepumpe über einen Wärmespeicher.
17
Im Hinblick auf die Nutzung dieses Warmwassers gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:
-
Bei der ersten Variante Var1 wird die rückgewonnene Wärme für die Trinkwasserwärmung genutzt. Hierzu wird in einem zentral in der Wohnung oder im Einfamilienhaus angeordneten schrankförmigen Lüftungs-Kompaktgerät das Lüftungsgerät und die Luft-Wasser-Kleinwärmepumpe mit einem etwa 120 bis 230
Liter fassenden Trinkwarmwasserspeicher kombiniert. Der Trinkwarmwasserspeicher wird von der Wärmepumpe kontinuierlich mit Wärme beladen, die der abgeführten Abluft zuvor entzogen und auf das gewünschte höhere Temperaturniveau
"hochgepumpt" wurde. Ist der Bedarf an Trinkwarmwasser größer als die vorgehaltene Warmwassermenge, wird durch einen weiteren externen Wärmeerzeuger
- etwa auf elektrischer oder Gasbasis - Zusatzwärme bereitgestellt.
-
Bei der zweiten Variante Var2 wird die rückgewonnene Wärme nicht nur für die
Trinkwassererwärmung genutzt, sondern auch zur Unterstützung einer - von einer
Umwälzpumpe angetriebenen - Warmwasserheizung eingesetzt. Auch hier ist in
einem zentral in der Wohnung oder im Einfamilienhaus angeordneten schrankförmigen Lüftungs-Kompaktgerät das Lüftungsgerät und die Luft-Wasser-Kleinwärmepumpe mit einem großvolumigen Warmwasserspeicher kombiniert. Darüber
hinaus ist in das Lüftungs-Kompaktgerät ein zusätzlicher Wärmeerzeuger - etwa
eine elektrische Heizung oder ein Erdgaskessel zur Spitzendeckung - integriert,
oder die Wärmepumpe ist größer ausgelegt und kann zusätzlich auch der
Außenluft Wärme entziehen. Ist ein Gaskessel integriert, so kann ein Teil der
Restwärme des Verbrennungsgases nach Austritt aus dem Kessel - ebenfalls mit
der Luft-Wasser-Kleinwärmpumpe - zusätzlich entwärmt werden. Daneben erlauben es bestimmte Typen von Lüftungs-Kompaktgeräten, auch die Wärme aus eine
thermischen Solaranlage zu nutzen und in den Warmwasserspeicher einzuspeisen
und dabei regelungstechnisch zu berücksichtigen.
Solche Geräte sind also eine Kombination aus Lüftungsgerät und Heizungsanlage. Die
von der Wärmepumpe rückgewonnene Wärme aus der Abluft wird vorrangig für die
Trinkwassererwärmung verwendet. Ist der Wärmebedarf hierfür gedeckt, so kann die
von der Wärmepumpe gelieferte Wärme für die Beheizung genutzt werden.
Je nach Gerätetyp ist dies entweder dadurch möglich, daß der Heizungskreislauf über
ein elektrisches Dreiwegeumschaltventil der Wärmepumpe hydraulisch integriert ist
(Variante Var2A), oder daß ein weiterer Warmwasserspeicher im Heizkreis beladen
wird (Variante Var2B).
Bei Variante Var2B ist der zusätzliche Heizspeicher entsprechend dem Speicher-inSpeicher-Prinzip thermisch unmittelbar an den Trinkwarmwasserspeicher angekoppelt.
Je nach dem Umfang des Heizleistungsbedarfs der Wohnung bzw. des Wohngebäudes kann ein solches Lüftungs-Kompaktgerät gegebenenfalls den Heizungswärmebedarf teilweise oder praktisch fast ganz decken.
Bei der Variante Var2A können zwei verschiedene Wasser-Systemtemperaturen (für
Trinkwarmwasser und für die Heizung) unabhängig voneinander eingestellt werden;
das System ist somit in der Lage, alle Vorlauftemperaturen einer Warmwasserheizung
zu erzeugen.
18
Bei Variante Var2B sind die Systemtemperaturen für die Trinkwassererwärmung und
die Heizung thermisch miteinander gekoppelt; deshalb ist die einstellbare HeizungsVorlauftemperatur durch die gewählte Temperatur für die Trinkwassererwärmung
eingeschränkt. Durch das größere Speichervolumen beim Speicher-in-Speicher-Prinzip
können allerdings längere Laufzeitintervalle der Wärmepumpe (Verminderung des
Taktbetriebs) verwirklicht werden; dies kommt der Lebensdauer der Wärmepumpe
zugute.
Daneben gibt es sinnvolle technische Lösungen, bei denen ein zentrales Zuluft/AbluftSystem mit einem Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung und einer ElektroWärmepumpe kombiniert ist. Bei neuen Wohngebäuden mit sehr niedrigem
spezifischem Wärmebedarf (z. B. bei Passivhäusern) kann dabei auf ein WasserHeizungsverteilsystem verzichtet und die Luft als Wärmeträger genutzt werden.
Lüftungs-Kompaktgerät mit Elektro-Wärmepumpe und Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung
für ein zentrales Zuluft/Abluft-System ([18], [19], [12])
19
Zentrales Zuluft/Abluft-System mit Lüftungs-Kompaktgerät in einem hochwärmegedämmten „Drei-LiterHaus“: Jahresgang des Heizwärmebedarfs mit Anteilen der passiven Wärmerückgewinnung über einen
Wärmeübertrager, der aktiven Wärmerückgewinnung über eine elektrische Kleinwärmepumpe sowie
der ergänzenden Spitzenlastdeckung durch Elektro-Direktheizung [18]
Wärmepumpen können mit Lüftungssystemen auch mit Hilfe weiterer Schaltungen
kombiniert werden, wie untenstehende Bilder beispielhaft zeigen.
Beispiel einer Passivhaus-Wärmeversorgung:
Links: Zentrales Zuluft/Abluft-System mit Erdreich-Wärmeübertrager und Wärmerückgewinnung; Erdreich-Wärmepumpe; Solaranlage ([20], [21])].
Rechts: Vereinfachtes Schema eines Zentralen Zuluft/Abluft-Systems mit Lüftungs-Kompaktgerät einschließlich Kleinwärmepumpe und Wärmerückgewinnung [17]
20
5. Betriebskosten und Wirtschaftlichkeit
Die Wirtschaftlichkeit wird u.a. durch die Investitionskosten und die Betriebskosten
bestimmt. Da die Investitionskosten für eine Wärmepumpe deutlich höher sind als die
von konventionellen Anlagen, müssen die Betriebskosten der elektrischen Kompressionswärmepumpe zum Erreichen einer Wirtschaftlichkeit niedriger als die von
Kesselanlagen sein. Hierbei spielt die Preisentwicklung bei Heizöl EL, Erdgas und
Strom (Wärmepumpentarife) eine wesentliche Rolle.
Bei Wärmepumpen ergibt sich ein Kostenfaktor K in €/kWh nach der Beziehung
K = KS / β
(KS: Strompreis in €/kWh; β: Jahresarbeitszahl)
Für eine monovalent arbeitende elektrische Wärmepumpe mit der Wärmequelle Erdreich (Sole/Wasser-Wärmepumpe), einer Arbeitszahl β = 4,5 und KS = 0,09 €/kWh
(spezieller Wärmepumpen-Strompreistarif) ergibt sich ein Kostenfaktor
K = 0,09 €/kWh / 4,5 = 0,02 €/kWh.
Für eine ölbefeuerte Anlage ergibt sich
K = KÖl / (ρ HusηN)
(KÖl: Heizölpreis in €/l; ρ: Dichte des Heizöls; Hu: Heizwert in kWh/kg; ηN: Jahresnutzungsgrad)
Für KÖl = 0,45 €/l, ρ = 0,86 kg/l, Hu = 11,86 kWh/kg und ηN = 0,83 ergibt sich
K = 0,45 €/kWh / (0,86s11,86s0,83) = 0,053 €/kWh.
Unter den genannten Rahmenbedingungen kann also ein Wärmepumpenbetrieb
wirtschaftlich sein. Zur Klärung dieser Frage muß jedoch ein Gesamtkostenvergleich
vorgenommen werden.
Für die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen ist u. a. auch das Ausmaß der Wärmedämmung eines Gebäudes von Belang: Bei einer guten Wärmedämmung des Gebäudes, wie sie von der Energieeinsparverordnung [22] nahegelegt ist, kann die Wärmepumpenanlage kleiner ausgelegt werden als bei schlechter wärmegedämmten Gebäuden (etwa bestehenden Wohngebäuden); damit vermindern sich die Investitionskosten stärker als bei konventionellen Öl- oder Gasheizungen. Soweit im Gebäudebestand eine Wärmepumpe zum Einsatz kommen soll, ist also zugleich eine Verbesserung der Wärmedämmung der Gebäudehülle zu erwägen; damit lassen sich
zudem auch die Vorlauftemperaturen des vorhandenen Heizungsverteilsystems verringern, was sich zusätzlich zugunsten der Wärmepumpentechnik auswirkt.
21
Wohngebäudesanierung durch verbesserte Wärmedämmung und Wärmepumpe [10]
Gebäude vor (links) und nach (rechts) der wärmetechnischen Sanierung der Gebäudehülle [23]
Aufschlüsse über die Gesamtwirtschaftlichkeit finden sich in dem beigefügten Heizkostenvergleich aus dem Jahr 2002 (Quelle: Stiebel Eltron [12]); der Heizkostenvergleich schließt die Kosten für die Trinkwassererwärmung ein. Dabei sind zwar die
Preissteigerungen bei Heizöl EL und Erdgas seit dem Jahr 2000 berücksichtigt, auf die
extremen Preisveränderungen des Jahres 2005 wird jedoch nicht eingegangen, weil
nicht absehbar ist, ob diese Werte mittel- und langfristig von Dauer sein werden.
Der spezifische Wärmebedarf ist mit 50 W/m2 (bei der größten Anlage mit einem
Wärmebedarf von 24 kW alternativ jedoch mit 80 W/m2) angenommen (Neubau bzw.
wärmetechnisch sanierter Altbau); daneben wird von einem Niedertemperatur-Heizverteilsystem (Fußbodenheizung) ausgegangen. Dabei sind in den ersten fünf Blättern
verschiedene Ausführungen von elektrische Kompressions-Wärmepumpenanlagen
(Luft/Wasser, Sole/Wasser, Wasser/Wasser) einer konventionellen Öl-Zentralheizung
sowie einer Erdgas-Brennwertheizung gegenübergestellt; als Gebäude-Wärmebedarf
wurden alternativ 5 kW, 7 kW, 9 kW, 13 kW und 24 kW zugrundegelegt. Bei den
letzten vier Blättern ist der spezifische Wärmebedarf ebenfalls mit 50 W/m2 angenommen (Neubau bzw. wärmetechnisch sanierter Altbau); daneben wird von einem
Niedertemperatur-Heizverteilsystem (Fußbodenheizung) ausgegangen. Dabei sind neben verschiedenen Ausführungen von elektrische Kompressions-Wärmepumpenanlagen (Luft/Wasser, Sole/Wasser) auch Lüftungs-Kompaktgeräte (Kleinwärmepumpe
mit Wärmerückgewinner) mit einbezogen und einer konventionellen Öl-Zentralheizung
sowie einer Erdgas-Brennwertheizung gegenübergestellt; als Gebäude-Wärmebedarf
wurden hierbei alternativ 3 kW, 4 kW, 6 und 7 kW zugrundegelegt.
Andere Heizkostenvergleiche, bei denen z. T. von anderen Annahmen ausgegangen
wird, kommen zu teilweise abweichenden Ergebnissen.
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6.
Primärenergieeinsparung und Umweltgesichtspunkte
Die Wirtschaftlichkeit braucht nicht das einzige Kriterium für die Wahl eines bestimmten Energieträgers zu sein. Der Verbrauch an Primärenergie hängt bei der Wärmepumpe von der Arbeitszahl, bei Kesselanlagen vom Nutzungsgrad ab; außerdem
sind die Nutzungsgrade von Bedeutung, die in den vorgelagerten Energieumwandlungsbereichen bei der Aufbereitung der jeweiligen Primärenergie zur anwendungsfähigen Endenergie auftreten.
Bei öl- oder gasbefeuerten Kesseln müssen der Kesselwirkungsgrad, der Umwandlungswirkungsgrad in der Mineralölraffinerie bzw. bei der Erdgasaufbereitung sowie
der Transportwirkungsgrad berücksichtigt werden; dadurch errechnet sich z. B. bei
Heizöl EL ein Gesamtwirkungsgrad aller Energieumwandlungsvorgänge von im Mittel
etwa
ηges = 0,88s0,92s0,98 = 0,79.
Bei Elektro-Wärmepumpen ist neben der Arbeitszahl β insbesondere der Kraftwerkswirkungsgrad sowie der Wirkungsgrad des Stromtransports von Bedeutung. In
Deutschland beträgt der Wirkungsgrad von Kernkraftwerken ηKW = 0,34 - 0,35, von
bestehenden Kohlekraftwerken 0,37 - 0,39, von neuen Kohlekraftwerken 0,43 - 0,46
und von erdgasbefeuerten Gas- und Dampfturbinen(GuD)-Kraftwerken 0,55 - 0,58.
Der Wirkungsgrad des Stromtransports liegt bei etwa ηNetz = 0,95 - 0,96. Geht man in
einer vereinfachenden Rechnung von der Strombereitstellung in einem bestehenden
Kohlekraftwerk und einer Sole/Wasser-Wärmepumpe aus, so errechnet sich ein Gesamtwirkungsgrad von
ηges = β·.ηKW·ηNetz = 4,5s0,38s0,95 = 1,62.
Wird der Strom in einem neuen GuD-Kraftwerk erzeugt, so erhält man - bei zusätzlicher Berücksichtigung eines Umwandlungswirkungsgrads bei der Erdgasaufbereitung
von 0,98 und eines Erdgas-Transportwirkungsgrades von 0,95 - einen Gesamtwirkungsgrad von
ηges = 4,5s0,57s0,95s0,98s0,95 = 2,27.
Es wird deutlich, daß der Einsatz elektrischer Kompresssionswärmepumpen gegenüber einer konventionellen Ölheizung zu einer erheblichen Verringerung des Primärenergieeinsatzes führt: Als Folge hiervon sind auch die Umweltauswirkungen geringer,
wie Vergleiche hinsichtlich der Emissionen von SO2, NO X, CO, CnHm und CO2 zeigen.
Ein solcher Vergleich vom HEA Dachverband für Energie-Marketing und -Anwendung
e. V. (Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendung) [10] ist im folgenden anhand
von vier Systemlösungen für die Wärmeversorgung eines neuen, gut wärmegedämmten Einfamilien-Wohnhauses in Niedrigenergiehaus-Bauweise gemäß der Energieeinsparverordnung [22] (Systemlösungen A, B, C und D) ausgewiesen, die jeweils konventionellen Heizungsanlagen mit Erdgas bzw. Heizöl EL gegenübergestellt sind. Dabei
werden jeweils der Primärenergieverbrauch und die CO 2-Emissionen miteinander verglichen.
32
33
34
35
36
Primärenergetisch ebenfalls interessant ist die Wärmebereitstellung über Absorptionswärmepumpen, Adsorptionswärmepumpen und verbrennungsmotorisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpen. Hierauf wird in den Abschnitten 8 und 9 dieser
Ausarbeitung näher eingegangen.
Soweit die letztgenannte Technik eingesetzt wird, lassen sich die in Abgas, Kühlwasser und Schmieröl enthaltenen Abwärmemengen (etwa 65 %) zu einem erheblichen Teil als Nutzwärme mitverwenden. So ergibt sich bei großen verbrennungsmotorisch angetriebenen Wärmepumpen unter sehr günstigen Voraussetzungen ein
Verhältnis zwischen Nutzwärme und eingesetztem Brennstoff von etwa 1,6 bis 1,7; ein
Wert von 1,4 ist bei kleineren verbrennungsmotorisch angetriebenen Wärmepumpen
realistisch. Dieser Wert wird als Heizzahl bezeichnet ([8], M 15, 4.1.1.7).
37
7. Absatzentwicklung bei Heizungswärmepumpen, Lüftungs-Kompaktgeräten
und Warmwasserwärmepumpen
Die Verbreitung von elektrischen Heizungswärmepumpen hat sich in Staaten wie etwa
Schweden, Norwegen und der Schweiz sehr positiv entwickelt. Absatzzahlen für die
Schweiz werden im folgenden angegeben [14]. Im Jahre 1994 wurden dort bereits 25
% der Ein- und Zweifamilienhaus-Neubauten mit einer Elektro-Wärmepumpe beheizt.
1995 stieg dieser Marktanteil mit beinahe 4000 verkauften Wärmepumpen auf gut ein
Drittel (vgl. nachstehende Tabelle). Absolut gesehen wurden 1995 in der Schweiz wesentlich mehr Heizungswärmepumpen installiert als im wiedervereinigten Deutschland,
obwohl die Zahl der Einwohner weniger als ein Zwölftel beträgt. Im Jahr 2004 erreichte der Absatz rund 9900 Anlagen.
1990:
1993:
1996:
1999:
2002:
3200
3000
4400
6100
7500
1991:
1994:
1997:
2000:
2003:
2900
3400
5200
7000
8600
1992:
1995:
1998:
2001:
2004:
2600
4000
6200
7200
9900
Absatz von elektrischen Heizungswärmepumpen von 1990 bis 2004 in der Schweiz [14]
Diese positive Entwicklung hat mehrere Gründe: In der Schweiz wird die Elektro-Wärmepumpenheizung als Möglichkeit zur Verminderung der Importabhängigkeit der Energieversorgung gesehen, da die Stromversorgung fast ausschließlich auf heimischer
Wasserkraft und Kernenergie beruht. (Wegen der Möglichkeit, Kernbrennstoffe im
eigenen Land für mehrere Jahre Betrieb ausreichend zu lagern, gilt die Kernenergie
als "quasi-heimischer" Energieträger.) Daneben ist die Wärmepumpenheizung gegenüber einer Ölheizung mit geringeren Umweltbelastungen verbunden. Weiter hat der
Energieträger Erdgas im Wärmemarkt der Schweiz nur eine begrenzte Bedeutung.
Schließlich wurde in der Schweiz intensiv daran gearbeitet, die Wärmepumpentechnik
zuverlässig zu machen. Daneben haben sich spezielle Entwicklungen - etwa die Nutzung von Erdwärme mit Hilfe von Erdsonden - bewährt.
In der folgenden Tabelle ist der gesamte Absatz von Heizungs-Wärmepumpen in
Deutschland zwischen 1979 und 2004 nach Angaben der Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke (VDEW) [24] sowie Stiebel Eltron [12] aufgeführt. Es wird sichtbar, daß
ab 1979/1980 - der Zeit der zweiten Ölpreisverteuerung - ein starker Anstieg des
Wärmepumpenabsatzes zu verzeichnen war. In der ersten Hälfte der achtziger Jahre
war jedoch eine deutlich abnehmende Tendenz zu erkennen, die in der zweiten Hälfte
der achtziger Jahre auf ein niedriges Niveau weiter zurückging.
1979:
1982:
1985:
1988:
1991:
1994:
1997:
2000:
2003:
6500
8500
2000
800
500
1400
3600
5700
9500
1980:
1983:
1986:
1989:
1992:
1995:
1998:
2001:
2004:
22000
5200
1500
700
500
1900
4400
8200
12600
1981:
1984:
1987:
1990:
1993:
1996:
1999:
2002:
16500
3500
1000
500
1300
2300
4700
8300
Absatz von elektrischen Heizungswärmepumpen von 1979 bis 2004 in Deutschland ([24], [12])
38
Gründe für die vergangene Entwicklung waren nicht nur die teilweise weniger befriedigenden Erfahrungen mit Wärmepumpen, sondern auch technische Verbesserungen
bei der konventionellen Kesseltechnik (Niedertemperaturkessel mit hohem Teillastwirkungsgrad), die Markteinführung des Erdgas-Brennwertkessels, der Anstieg der
Strompreise durch erhöhte Umweltschutzmaßnahmen, die Zurücknahme von Marketingaktivitäten von Stromversorgungsunternehmen, politische Diskussionen zu Lasten
des Stromeinsatzes bei der Wärmeversorgung und insbesondere der Rückgang der
Ölpreise zu Ende 1985.
Seit 1994 ist wieder eine deutliche Marktbelebung zu verzeichnen; durch sie wird der
Abgang von Wärmepumpenheizungen aus dem Anlagenbestand mehr als ausgeglichen. Diese ist auf eine verbesserte, zuverlässigere und langlebigere Technik, zum
Teil auf staatliche Förderprogramme und auf spezielle, günstige Strompreisregelungen
von Stromversorgungsunternehmen zurückzuführen. Seit 2000 kommt noch die
verbesserte wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit von Wärmepumpen aufgrund wiederum stark gestiegener Heizölpreise hinzu. Die Absatzerwartungen für die kommenden
Jahre betragen etwa 10000 bis 15000 Anlagen je Jahr. Im Jahr 2004 wurden in
Deutschland rund 12600 elektrische Heizungswärmepumpen installiert, von denen 64,7
% Außenluft, 11,1 % Wasser und 24,2 % Erdwärme als Wärmequelle nutzen.
Die künftigen Absatzerwartungen stützen sich nicht zuletzt auf die guten Integrationsmöglichkeiten von Heizungswärmepumpen begrenzter Leistung in neue Ein- und
Zweifamilienhäuser mit geringem Wärmeleistungsbedarf infolge eines hohen Wärmedämmstandards (vgl. die Abschnitte 5 und 6 dieser Ausarbeitung und [12], [10]).
Über die Absatzzahlen von zentralen Wohnungslüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung zwischen 1990 und 2001 in Deutschland informiert die untenstehende Tabelle
[12].
1993:
1994:
1995
1600
1800
2000
1996:
1997:
1998:
2200
4500
5000
1999:
2000:
2001:
9000
11000
13000
Absatz zentraler Wohnungslüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung von 1993 bis 2001 in Deutschland [12]
Der Absatz von Kleinwärmepumpen zur Trinkwassererwärmung in Ein- und Zweifamilienhäusern hat sich in Deutschland zwischen 1998 und 2004 stetig entwickelt.
Hier hat die Wärmepumpe einen festen Platz neben anderen Systemen der elektrischen Wässererwärmung sowie fossil befeuerten Wassererwärmungstechniken.
1998:
2001:
2004:
4000
4800
3800
1999:
2002:
3100
4100
2000:
2003:
3500
3800
Absatz elektrischer Kleinwärmepumpen zur Trinkwassererwärmung von 1998 bis 2001 in Deutschland
[24]
39
Kleinwärmepumpe zur Trinkwassererwärmung (links); Heizungswärmepumpe und Solaranlage in Verbindung mit einem zentralen Trinkwarmwasserspeicher (rechts)
40
8. Konzept der Diffusions-Absorptionswärmepumpe (DAWP) und der ZeolithWärmepumpe als künftige Systemlösungen für die Wärmeversorgung von
Wohngebäuden
Bisher prägen elektrisch betriebene Kompressions-Wärmepumpen den Wärmepumpenmarkt im Wohngebäudebereich; demgegenüber konnten sich - mit Wärmeenergie
betriebene - Absorptionswärmepumpen praktisch kaum durchsetzen.
Gas-Absorptionswärmepumpe zur Heizwärmeversorgung und Trinkwassererwärmung [25]
Dies könnte sich möglicherweise ändern, wenn der neuentwickelte Typus der Diffusions-Absorptionswärmepumpe in Kombination mit einem Gas-Brennwertkessel
marktreif entwickelt ist. Diese technische Lösung, die aus der Schweiz stammt und als
robust und wartungsarm gilt, wird gegenwärtig von einem deutschen Kesselhersteller
weiterentwickelt und erprobt [26]; daneben gibt es zusätzliche Entwicklungsaktivitäten
hinsichtlich einer thermodynamisch gleichartig arbeitenden Kältemaschine zur Raumklimatisierung [27]. Die Wärmepumpe gemäß [26] ist auf den verringerten Wärmeleistungsbedarf von gut wärmegedämmten Gebäuden wie z.B. Niedrigenergiehäusern
abgestimmt und könnte dort zu einer interessanten Ergänzung zur konventionellen Heizungstechnik werden.
Die Diffusions-Absorptionswärmepumpe (DAWP) beruht auf dem folgenden Prinzip
(vgl. das zugehörige Schema): Das Arbeitsmittel Ammoniak (NH3) diffundiert im Verdampfer in eine Heliumatmosphäre hinein. Das Helium (He) dient dabei lediglich als
druckausgleichendes Hilfsgas, ohne an einem Stoffaustauschvorgang teilzunehmen.
Wegen des - in der Heliumatmosphäre niedrigeren - Partialdampfdrucks des Ammoniaks verdampft dieses und nimmt dadurch Umgebungswärme auf.
Anschließend strömt der Ammoniak-Helium-Mischdampf über einen Wärmetauscher in
den Absorber. Eine an Ammoniak arme Wasser/Ammoniak-Lösung absorbiert hier das
Ammoniak, so daß das verbleibende Helium wieder über den Wärmetauscher in den
Verdampfer zurückgeführt werden kann. Beim Absorptionsprozeß wird infolge der
Verflüssigung des Ammoniaks Wärme frei. Aus dem Absorber gelangt die nunmehr an
Ammoniak reiche Lösung in den Regenerator (Austreiber); dort wird über einen Gasbrenner Wärme zugeführt. Aufgrund des niedrigeren Siedepunktes verdampft das
41
Ammoniak und trennt sich im nachfolgenden Rektifikator vom nicht mehr erwünschten
Wasser; dieses strömt in den Absorber zurück. Der Ammoniakdampf steigt in den
Kondensator auf und gibt bei seiner Kondensation (Verflüssigung) Wärme ab. Hiernach beginnt der Kreislauf im Verdampfer von neuem.
Im Gegensatz zur Kompressions- und zur Absorptionswärmepumpe wird die DAWP
nicht elektrisch mit einem Verdichter oder mit einer Lösungsmittelpumpe, sondern
allein thermisch mit einem Gasbrenner betrieben. Der auf der Schwerkraftzirkulation
beruhende Antrieb erfordert zwar eine nennenswerte Bauhöhe, jedoch kann dadurch
auf bewegliche Teile wie Pumpe und Ventil verzichtet werden; dadurch ergibt sich ein
geräusch- und vibrationsloser sowie ein wartungsfreier Betrieb.
Inzwischen werden rund 100 Anlagen in Deutschland und in den Niederlanden im
Feldversuch erprobt. Die DAWP verfügt über eine Wärmeleistung von 3,6 kW; dabei
werden 2,4 kW Wärme als Antriebsleistung eingesetzt sowie 1,2 kW Umweltenergie
genutzt. In Verbindung mit einem Brennwert-Spitzenlastkessel mit etwa 11 kW Wärmeleistung übernimmt die DAWP die Abdeckung des Grundlast-Wärmebedarfs. Im
Vergleich zum Nutzungsgrad heutiger energiesparender Brennwertkessel erreicht das
System einen rund 25 % höheren Norm-Nutzungsgrad: Mit 100 % Primärenergie
Erdgas können etwa 135 % Heizwärme bereitgestellt werden.
Funktionsschema der Diffusions-Absorptionswärmepumpe [26]
42
Die Diffusions-Absorptionswärmepumpe ist zur Deckung des Grundlast-Wärmebedarfs von gut wärmegedämmten Wohngebäuden vorgesehen; sie wird durch einen
Brennwertkessel zur Spitzenlastdeckung ergänzt.
Normnutzungsgrade verschiedener Heizungssysteme im Vergleich (links); Diffusions-Absorptionswärmepumpe (rechts) [24]
Nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet der Prototyp einer Zeolith-Wärmepumpe [28]:
Diese Technik verwendet ein Stoffsystem auf Wasser-Zeolith-Grundlage; Wasser
dient dabei als Arbeitsmittel (Kältemittel). Zeolith ist ein keramischer Werkstoff aus
Aluminium- und Siliziumoxid; es kann große Mengen Wasser binden und beim Erhitzen
wieder abgeben.
Bei der Zeolith-Wärmepumpe ist der Absorber der DAWP durch einen Adsorber ersetzt, der aus Zeolith besteht. In einem ersten Schritt adsorbiert der oben angeordnete Zeolith Wasserdampf, wobei nutzbare Wärme frei wird. An die Stelle des Austreibers der DAWP tritt bei der Zeolith-Wärmepumpe die Desorption: In einem zweiten
Schritt wird der (das flüssige Wasser speichernde) Zeolith durch Wärmezufuhr - hier
durch Verbrennung von Erdgas bereitgestellt - bei einer Temperatur von 150 oC von
Wasser befreit, das dabei dampfförmig wird. Dieser Wasserdampf wird in einem dritten Schritt in einem - im Gerät unten angeordneten - Kondensator verflüssigt, wobei
die Kondensationsenthalpie des Wassers als nutzbringende Wärme frei wird. In einem
vierten Schritt wird das Wasser entspannt und kann nunmehr auf niederem Temperaturniveau Umgebungswärme aufnehmen, wobei es verdampft; der Wärmeübertrager,
der im dritten Schritt als Kondensator gedient hat, ist nunmehr der Verdampfer.
Das Zeolith-Heizgerät besteht aus zwei baugleichen, parallel arbeitenden Wärmepumpen-Modulen. Im oberen Teil eines Edelstahlbehälters befindet sich das Sorptionsmittel Zeolith, das auf einen Wärmeübertrager (Adsorber/Desorber) aufgebracht ist.
Im unteren Teil arbeitet ein weiterer Wärmeübertrager, der als Kondensator/Verdampfer ausgebildet ist. Als Kältemittel ist Wasser enthalten.
Durch die Kopplung beider Wärmepumpen-Module und der damit möglichen internen
Wärmeübertragung wird die Leistungszahl des Systems erhöht. Die in den Modulen
enthaltenen unbewegten Komponenten müssen nicht gewartet werden.
Stellt man eine Wärmebilanz auf, so ergibt sich:
43
- Die Antriebsenergie ist die beim zweiten Schritt - der Desorptionsphase – zugeführte Wärme, die durch Verbrennung von Erdgas bei einer Temperatur von 150 oC
bereitgestellt wird.
- Die Einbindung von Umgebungswärme im Sinne des Wärmepumpenprozesses wird
im vierten Schritt durch die Verdampfung des flüssigen Wassers im Verdampfer
möglich.
- Die vom System abgegebene Wärme, die zu Heizzwecken genutzt werden kann,
fällt im ersten Schritt bei der Adsorption im Adsorber sowie im dritten Schritt - der
Kondensationsphase – im Kondensator an.
Wie bei der Diffusions-Absorptionswärmepumpe übernimmt die Zeolith-Wärmepumpe
in Verbindung mit einem Brennwert-Spitzenlastkessel die Abdeckung des GrundlastWärmebedarfs. Im Vergleich zum Nutzungsgrad heutiger energiesparender Brennwertkessel soll das System einen rund 25 % höheren Norm-Nutzungsgrad erreichen:
Mit 100 % Primärenergie Erdgas können etwa 135 % Heizwärme bereitgestellt
werden.
Zeolith-Wärmepumpe [28]. Links: Gesamtansicht. Mitte: Zeolith-Wärmeübertrager. Rechts: Anordnung
der Komponenten
44
9. Elektrisch bzw. gasmotorisch angetriebene Kompressionswärmepumpen für
die Teilklimatisierung bzw. Klimatisierung von Großgebäuden
Elektrisch bzw. gasmotorisch angetriebene Wärmepumpen haben sich in den letzten
zwei Jahrzehnten in Japan für die Teilklimatisierung bzw. Klimatisierung von Großgebäuden bewährt. Sie werden in der Klimatechnik als Splitgeräte bzw. als Multisplitgeräte bezeichnet und können sowohl eine Heiz- als auch eine Kühl- und eine Entfeuchtungsfunktion übernehmen; daneben eignen sie sich zur „Wärmeverschiebung“ in
Großgebäuden. Die abgesetzten Stückzahlen liegen im Millionenbereich, wobei elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen überwiegen. Auch die - in Deutschland bisher nur in geringem Umfang genutzten - gasmotorisch angetriebenen Kompressionswärmepumpen haben in Japan einen wesentlichen Stellenwert; die Absatzzahlen
liegen dort bisher bei insgesamt etwa 450000 Geräten ([4], [29], [30]).
Elektrisch (links) sowie gasmotorisch (Mitte und rechts) angetriebene Kompressions-Wärmepumpe (jeweils Außengeräte für Multisplit-Anlagen) [32]
Ein wichtiger Grund für die Entwicklung der gasmotorisch betriebenen Split- und Multisplit-Anlagen vor etwa 20 Jahren - als Paralleltechnik zur entsprechenden elektromotorischen Technik - waren Engpässe in der japanischen Stromversorgung, die vor allem durch die Zunahme des Kühlbedarfs in den Sommermonaten auftraten. Neben der
Substitution von Strom durch Erdgas in der Anwendung Kühlung kann darüber hinaus
mit einer einfachen Umschaltung die Heizfunktion im Wärmepumpenbetrieb genutzt
werden. Die Gebäudebewirtschaftung ist dadurch mit einer einzigen Anlagentechnik
möglich und deshalb ein höherer wirtschaftlicher Nutzen erzielbar ([4], [29], [30]).
Nach einer zehnjährigen Entwicklungs- und Erprobungsphase sind gasmotorisch betriebene Split- und Multisplit-Anlagen seit Ende der 80er Jahre im kommerziellen Einsatz. In Japan wurden sie vom Markt schnell als wirtschaftlich interessante Alternative
zu elektrischen Klimageräten akzeptiert. In Japan gibt es viele Hersteller für elektrisch
bzw. gasmotorisch betriebene Split- und Multisplit-Anlagen. Diese können auch in
Deutschland über Vertriebspartner bezogen werden, wobei bei gasmotorisch betrie-
45
benen Split- und Multisplit-Anlagen Vertriebspartner von bisher drei japanischen Herstellern im Markt vertreten sind ([6], [31], [32]).
Nach thermodynamischen Begriffen stellt Wärme eine Prozeßgröße dar, die als Form
der Energieübertragung von selbst von einem hohen zu einem niedrigen Temperaturniveau übertragen wird. Es besteht dabei ein Temperaturgefälle vom Wärme
abgebenden zum Wärme aufnehmenden Stoff. Mit Hilfe der Wärmepumpentechnik ist
es jedoch auch möglich, Wärme umgekehrt von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen. Dies erfordert den Einsatz von hochwertiger Energie wie
etwa mechanischer Energie bzw. Druckänderungsarbeit für den Antrieb eines Verdichters, um über den Aufbau eines Druckunterschiedes den Temperaturabstand zwischen niedrigem und hohem Temperaturniveau zu überwinden. Mit einem linkslaufenden Kreisprozeß wie beispielsweise dem Kaltdampfprozeß läßt sich die Wärmeübertragung nach diesem Prinzip von einem niedrigen zu einem hohen Temperaturniveau durchführen (vgl. das untenstehende Bild links).
Dabei nimmt das in einem geschlossenen Kreislauf geführte Arbeitsmittel durch Verdampfen in einem Wärmeübertrager bei einem geringen Druck- und Temperaturniveau
Wärme auf. Der im Verdampfer entstandene Dampf wird dem Verdichter zugeführt.
Unter Zufuhr der Antriebsenergie des Verdichters wird der Dampf auf ein höheres
Wärmeabfuhr
Wärmeabfuhr
Q ab
Q ab
Druck hoch
Temperatur hoch
Kältemittel
flüssig
Druck hoch
Temperatur hoch
Kältemittel
flüssig
Verflüssiger
Verflüssiger
Verdichter
Verdichter
Druck
reduzierVentil
Druck
reduzier Ventil
Antriebsleistung P
Verdampfer
Erdgas
Verdampfer
Kältemittel
gasförmig
Kältemittel
gasförmig
Druck niedrig
Temperatur niedrig
Druck niedrig
Temperatur niedrig
Wärmezufuhr
Q zu
Wärmezufuhr
Q zu
Gasmotorischer Kaltdampfprozess
Kaltdampfprozess
Druckniveau verdichtet. Mit der Komprimierung steigt das Temperaturniveau, da der
Verdichter nicht gekühlt ist. In einem weiteren Wärmeübertrager - dem Verflüssiger wird das Arbeitsmittel auf hohem Druck- und Temperaturniveau zunächst gasförmig
entwärmt und hiernach kondensiert (also verflüssigt). Dabei wird Wärme abgeführt.
Geschlossen wird der Kreislauf durch ein Drosselorgan (Druckreduzierventil), in dem
das flüssige Arbeitsmittel auf das niedrigere Druck- und Temperaturniveau des Verdampfers isenthalp entspannt wird (isenthalpe Drosselung in einem Zustandsgebiet
des Arbeitsmittels mit positivem Joule-Thomson-Effekt). Der Kreislauf beginnt hiernach
von neuem.
Im Kaltdampfprozeß wird die abgegebene Wärmeleistung im Verflüssiger bestimmt
durch die im Verdampfer aufgenommene Wärmeleistung zuzüglich der zugeführten
Antriebsleistung im Verdichter.
Häufig werden die Verdichter im Kaltdampfprozeß elektrisch betrieben. Der Strom
hierfür wird überwiegend in Großkraftwerken mit fossiler und nuklearer Primärenergie
46
erzeugt und über Höchst-, Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetze zum Verdichter
transportiert. In Deutschland ist dabei - bei Berücksichtigung der gegenwärtig bestehenden Kraftwerks- und Netzstruktur - mit ungenutzter Energie im Umfang von insgesamt etwa 64 % zu rechnen.
Wird der strombetriebene Verdichterantrieb durch einen gasmotorischen ersetzt, kann
der überwiegende Teil dieser sonst verlorenen Umwandlungsverluste im Wärmepumpenbetrieb zur Wärmeversorgung genutzt werden; dies trifft allerdings nicht im
Betrieb als Kälteanlage zur Kühlung und Entfeuchtung (Klimatisierung bzw. Teilklimatisierung) zu.
Der direkte Verdichterantrieb mit einem Gasmotor wird als gasmotorischer Kaltdampfprozeß bezeichnet (vgl. das obenstehende Bild rechts).
Der elektrisch bzw. der gasmotorisch betriebene Kaltdampfprozeß läßt sich sowohl
für die Wärmeversorgung als auch für die Kühlung einsetzen; der Prozeßverlauf bleibt
dabei in beiden Fällen unverändert.
Liegt der Nutzen auf der hohen Temperaturseite des Prozesses am Verflüssiger, wird
die Funktion der Wärmebereitstellung genutzt und der Prozeß als Wärmepumpenprozeß bezeichnet (untenstehendes Bild links).
Liegt hingegen der Nutzen auf der niedrigen Temperaturseite am Verdampfer, wird die
Kühlfunktion verwendet und der Prozeß als Kälteanlagenprozeß bezeichnet (untenstehendes Bild rechts).
Wärmeabfuhr
Heizung
Erde
Druck hoch
Temperatur hoch
Wasser
Luft
Druck hoch
Temperatur hoch
Kältemittel
flüssig
Kältemittel
flüssig
Antriebsleistung P
Antriebsleistung P
Kältemittel
gasförmig
Kältemittel
gasförmig
Druck niedrig
Temperatur niedrig
Druck niedrig
Temperatur niedrig
Wärmequellen
Erde
Wasser
Luft
Kühlung
Kaltdampfprozess
Heizfunktion = Wärmepumpe
Kaltdampfprozess
Kühlfunktion = Kälteanlage
In der Wärmebereitstellungsfunktion (untenstehendes Bild links) nutzt der Verdampfer
Wärme aus der Umwelt (Erde, Wasser, Luft) oder industrielle Abwärme zum
Verdampfen des Kältemittels. Das erwärmte Kältemittel wird im Verdichter auf ein
höheres Temperatur- und Druckniveau gebracht, und im Verflüssiger wird die Wärme
wieder freigesetzt - zusammen mit der Antriebsenergie des Verdichters. Im
untenstehenden Bild links ist darüber hinaus dargstellt, daß im Falle des gasmotorisch
angetriebenen Systems auch der überwiegende Teil der Abwärme des Gasmotors für
die Wärmebereitstellung genutzt werden kann.
Die gesamte Nutzwärme läßt sich z. B. zur Wärmeversorgung von Gebäuden verwenden; wird allerdings Wärme auf höherem Temperaturniveau (Prozeßwärme) benötigt, gelten Einschränkungen.
47
Wärmeabfuhr
Heizung
Erde
Druck hoch
Temperatur hoch
Wasser
Luft
Druck hoch
Temperatur hoch
Erdgas
Erdgas
Kältemittel
flüssig
Kältemittel
flüssig
Kältemittel
gasförmig
Kältemittel
gasförmig
Warmwasser-
Druck niedrig
Temperatur niedrig
Druck niedrig
Temperatur niedrig
bereitung
Warmwasserbereitung
Wärmequellen
Kühlung
Erde
Wasser
Luft
Gasmotorischer Kaltdampfprozess
Kühlfunktion = Kälteanlage
Gasmotorischer Kaltdampfprozess
Heizfunktion = Wärmepumpe
In der Kühlfunktion (vorstehendes Bild rechts) entzieht der Verdampfer dem zu kühlenden Gebäude Wärme mit Hilfe der Verdampfung des Kältemittels; damit wird die
Kühlung als Nutzen erreicht.. Der Kältemitteldampf gelangt zum Verdichter und wird
komprimiert. Über den Verflüssiger wird die aus dem zu kühlenden Gebäude aufgenommene Wärme - einschließlich der Antriebsenergie - als nicht mehr nutzbare Abwärme an die Umwelt abgegeben.
Heizung
Prinzip der
Wärmepumpe
Druck hoch
Temperatur hoch
Erdgas
Kältemittel
flüssig
Kältemittel
gasförmig
Warmwasser-
Druck niedrig
Temperatur niedrig
bereitung
Wärmequellen
Erde
Wasser
Luft
Prinzip der
Kraft-Wärme-Kopplung
Gasmotorischer Kaltdampfprozess
Kraft-Wärme-Kopplung & Wärmepumpe
Gasmotorische Kaltdampfanlagen (bzw. Wärmepumpen) sind seit vielen Jahren im
Einsatz. Insbesondere bei industrieller Abwärmenutzung auf hohem Temperaturniveau
und einem ganzjährigen Wärmebedarf ergeben sich mit dem Wärmepumpeneffekt
wirtschaftliche Vorteile. Diese Technik hat sich inzwischen bewährt und gilt als praxistauglich.
In den realisierten Anlagen wird jedoch häufig nur eine Funktion - entweder die Wärmebereitstellung oder das Kühlen - genutzt. Die Möglichkeit, wechselweise beide
Funktionen zu nutzen, wurde in Deutschland bisher in nur wenigen Fällen verwirklicht,
da keine standardisierten Lösungen für die Umschaltung von Heiz- auf Kühlfunktion und
umgekehrt vorhanden waren. In Japan ist dieses Hindernis durch die Entwicklung von
gasmotorischen Multisplit-Klimageräten, auch als Gasmotor-Wärmepumpen (bzw. im
angelsächsischen Sprachraum als Gas Heat Pump (GHP) bezeichnet), behoben worden ([4], [33]).
48
Wärmeabfuhr
Innengerät
Q ab
Erdgas
Kältemittel
flüssig
Verflüssiger
Verdichter
Druck
reduzierVentil
Antriebsleistung P
Verdampfer
Außengerät
Kältemittel
gasförmig
Wärmezufuhr
Q zu
Quelle: Mitsubishi, Stulz
Gas Heat Pumps (GHP)
(Gasmotorische Kaltdampfanlagen)
Funktionsprinzip GHP:
Räumliche Trennung des Prozesses
Elektrisch bzw. gasmotorisch betriebene Split- und Multisplit-Anlagen (vgl. die obenstehenden Bilder) bestehen aus einem Außenteil (Elektromotor bzw. Gasmotor und
Verdichter mit Verflüssiger bzw. Verdampfer), mehreren Innengeräten (jeweils Umluftventilator mit Verdampfer bzw. Verflüssiger) und den Leitungen zum Betrieb (Datenleitungen zur Steuerung, Stromleitungen zum Antrieb der Lüfter bzw. Ventilatoren sowie Leitungen zur Ableitung des anfallenden Kondensates). Dabei wird das technische
Prinzip der sogenannten Splittechnik verwendet, bei der das Außengerät räumlich
getrennt von den Innengeräten ist. Die Innengeräte (Umluftventilator mit Verdampfer
bzw. Verflüssiger) werden als Klimageräte direkt in den zu kühlenden und zu heizenden Räumen installiert.
Der elektrische bzw. der gasmotorische Kaltdampfprozeß arbeitet also - nach europäischem Verständnis eher ungewöhnlich - hinsichtlich des Verdichters räumlich getrennt
von den vielen Verflüssigern im Heizfall bzw. den vielen Verdampfern im Kühlfall (den
Innen- oder Klimageräten). Dies setzt voraus, daß die damit verbundenen Dichtheitsfragen sowie die komplexen Aufgaben der hydraulischen Netztechnik zuverlässig gelöst werden können. Dies ist ohne Einschränkungen der Fall ([2], [4], [7], [29] - [33]).
Als Verdichterantrieb kommt im Außengerät ein Elektromotor bzw. ein modifizierter
und mit Gas betriebener Personenkraftfahrzeug-Motor nach dem Otto-Prinzip zum
Einsatz. Durch eine starke Leistungsverminderung des Gas-Otto-Motors zur Steigerung der Lebensdauer, die seit langem erprobte Technik und die Verwendung bewährter Komponenten arbeiten die Außengeräte und der Elektromotor sehr zuverlässig.
Dies trifft auch auf den Gasmotor zu; dieser weist lange Wartungsintervalle auf (bis zu
10000 Betriebsstunden; dies entspricht einem Betriebszeitraum von etwa zwei bis drei
Jahren).
Kompressionswärmepumpe mit Gasmotor-Antrieb
Eine Besonderheit der Gasmotorwärmepumpe ist das Angebot von gleich vier
unterschiedlichen Temperaturniveaus:
• Verdampferwärme 10 °C und tiefer, je nach Wärmequelle.
• Kondensatorwärme aus dem Wärmepumpenprozess, 40 bis 50 °C.
• Kühlwasserabwärme des Gasmotors, ca. 90 °C.
• Sensible Wärme aus dem Abgas des Gasmotors, ca. 600 bis 100 °C.
Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli
6
49
Eine Gasmotorwärmepumpe kann Wärme aus vier verschiedenen Temperaturebenen
nutzbar machen (vgl. das obenstehende Bild): Die Verdampferwärme von etwa 10 °C
(in Abhängigkeit von der Wärmequelle), die Kondensatorwärme aus dem Wärmepumpenprozess mit etwa 45 °C, die Kühlwasserwärme des Motors mit rund 90 °C
sowie die Abgaswärme mit bis zu 600 °C.
Gasmotorisch angetriebene Außengeräte werden auf dem deutschen Markt inzwischen mit Wärmeleistungen zwischen 18 und 85 kW sowie mit Kühlleistungen zwischen 14 und 71 kW angeboten; elektrisch angetriebene Außengeräte decken ähnliche
Leistungsbereiche ab. Durch den modularen Aufbau können mit dem Einsatz vieler
baugleicher Außengeräte die Wärme- und Kälteleistungen auf das Vielfache der genannten Werte vergrößert werden. Eine Kleinausführung der gasmotorisch angetriebenen Wärmepumpe, die etwa auch für die Wärmeversorgung und Kühlung von Einund Zweifamilienhäusern geeignet wäre, ist in Deutschland nicht verfügbar; nach Herstellerangaben soll allerdings bis zum Jahr 2007 ein Außengerät für dieses Marktsegment - speziell auf die hohen Komforterwartungen in Deutschland angepaßt – entwickelt werden (Wärmeleistung: 11 kW; Kühlleistung: 8 kW).
Elektrische sowie Gaswärmepumpen lassen sich sowohl für monovalenten als auch
für bivalenten Betrieb auslegen. Beim bivalenten Betrieb übernimmt die Elektro- bzw.
Gaswärmepumpe die Grundlast, während ein weiteres Heizsystem die Lastspitzen im
Heizwärmebedarf abdeckt. Bei der Anlagenplanung ist zu beachten, daß die Temperaturspreizung des Wärmeversorgungsnetzes so ausgelegt wird, daß auch bei höchster Vorlauftemperatur die Rücklauftemperatur so niedrig bleibt, daß die gesamte
anfallende Kondensationswärme abgeführt wird. Generell wird die Einbindung einer
Elektro- bzw. Gaswärmepumpe in ein Niedertemperatur-Heizsystem empfohlen, vor
allem weil die Temperaturobergrenze für den Wärmepumpenkreislauf bei den heute
eingesetzten Kältemitteln bei maximal 70 oC liegt. Eine Ausnahme hiervon bilden
Wärmepumpenanwendungen für industrielle Prozesse.
Von entscheidender Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit eines Wärmepumpensystems
sind das Temperaturniveau und die Verfügbarkeit der externen Wärmequelle. Neben
geothermischen und Abwärmequellen erfüllen diese Voraussetzungen von den
Umweltwärmequellen am ehesten das Grundwasser oder Erdsonden. Sie liefern das
ganze Jahr über Wärme mit einer relativ engen Temperaturspanne von rund 7 bis 12
°C. Zwar weist von den Umweltwärmequellen die Außenluft mit 25 °C das höchste
maximale durchschnittliche Temperaturniveau auf - allerdings mit - 18 °C auch das
niedrigste durchschnittliche Minimum. Diese Schwankungen vermindern die Jahresheizzahl einer außenluftgekoppelten Wärmepumpenanlage und relativieren die Vorteile
dieser Wärmequelle wie ihre unbegrenzte zeitliche und örtliche Verfügbarkeit.
Da jede Wärmepumpe über eine warme und eine kalte Seite verfügt, läßt sie sich
sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen einsetzen. Je nach Dimensionierung des Systems und verwendetem Kältemittel reicht die Temperaturspanne von Temperaturen
unter dem Gefrierpunkt bis hin zu über 90 °C. Diese Eigenschaft prädestiniert die
Wärmepumpe für Einsätze überall dort, wo Wärme und Kälte gleichzeitig gebraucht
werden, beispielsweise bei der Lebensmittelverarbeitung, in Krankenhäusern oder in
Hotels, aber auch für Anwendungen wie Gebäudeheizung, Warmwasserbereitung,
Klimatisierung, Kühlung oder Entfeuchtung.
Bei Multisplitanlagen wird die erforderliche Kühl- oder Heizenergie direkt und bedarfsgerecht von dem Außengerät über das Kältemittel R 407C den Innengeräten zur
50
Verfügung gestellt. Der linkslaufende Kreisprozess im Heiz- und im Kühlbetrieb ist im
untenstehenden Bild links im p,h-Diagramm für R 407C dargestellt. Bei elektrisch angetriebenen Anlagen und künftig auch bei gasmotorisch angetriebenen Anlagen wird
außerdem das volumetrisch noch günstigere Kältemittel R 410A eingesetzt. Multisplitanlagen arbeiten mit dem VRF-System (Variable Refrigerant Flow): Hierbei wird die
Durchflußmenge des Kältemittels in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung der
Innengeräte verändert. VRF bedeutet somit eine zeitlich und örtlich veränderliche, an
den jeweiligen Bedarf angepaßte Bereitstellung von Kältemittel.
In Deutschland sind VRF-Anlagen über das Kältehandwerk und über Spezialunternehmen eingeführt. Wasserbasierte Heizungs- und Klimasysteme sind in Deutschland
jedoch wesentlich stärker verbreitet als VRF-Systeme. Deshalb ist es für den Markterfolg von Multisplitanlagen mit elektrischem oder mit Gasmotor-Antrieb von Bedeutung, daß sie auch mit wasserbasierten Klimasystemen kompatibel sind.
Gasmotor-Wärmepumpen als Multisplitanlagen :
Heiz- und Kühlbetrieb
Wassersystem!
• Wärmepumpenprozess im Heiz- und im Kühlbetrieb,
dargestellt im log p,h-Diagramm von R 407C
Quelle: Aisin, Berndt
GHP - Hydraulikmodule
Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli
35
Hierfür kann die GHP zusammen mit einer so genannten „Speicher-Kondensator-Verdampfer-Pumpenstation“, kurz SKVP, eingesetzt werden (Bild oben rechts). Die SKVP
stellt eine Übergabestation vom Kältemittelkreislauf (mit R 407 C bzw. künftig auch R
410A) auf den Wasserkreislauf der klassischen Klimaanlage dar. Damit eröffnet sich
für die GHP das gesamte Spektrum wassergeführter Heiz- und Kühlsysteme, also
Induktionsanlagen, Gebläsekonvektoren (Fan-Coils), Kühl- und Heizdecken usw. Da
die Übergabestation innen aufgestellt wird, besteht keine Frostgefahr für den Wasserkreislauf (anders als beim elektrischen Kaltwassersatz).
Multisplitanlagen mit Kältemittel bzw. Wasser
als Arbeitsfluid
Gaswärmepumpen: 2 Lösungen
–
VRF-Prinzip (VRF = Variable Refrigerant
Flow) in Anlagen mit veränderlichem, dem
Bedarf angepassten K ältemitteldurchfluss
und Direktexpansion des Kältemittels in
den Innenger äten
–
Wassergeführte Heizungs- und
Klimasysteme sind in Deutschland
stärker verbreitet als VRF-Systeme. Für
diese Einsatzfälle können die
Gasklimageräte zusammen mit einer
Hydraulik-Übergabestation eingesetzt
werden.
Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli
46
51
Multisplitanlagen mit elektrischem bzw. mit Gasmotor-Antrieb sind für kleinere und
größere Gebäude geeignet. Hohe Kälte- und Wärmeleistungen können durch die Installation mehrerer Elektro- bzw. GHP-Einheiten verwirklicht werden. Einsatzbereiche
können u. a. Hotels, Restaurants, Büro- und Verwaltungsgebäude, Kundenzentren
(z.B. von Banken, Versicherungen), Gewerbebetriebe, Ladenlokale, Einkaufszentren,
Veranstaltungsräume, Autohäuser sowie Tankstellen sein. In Verbindung mit der
SKVP-Übergabestation können Multisplitanlagen auch in größere wasserbasierte Klimaanlagen integriert werden.
Bei konventionellen Systemen wird üblicherweise mit Hilfe zweier getrennter Anlagentechniken geheizt und gekühlt:
-
Zum Heizen wird ein öl- bzw. gasbefeuerter Niedertemperatur- oder Brennwertkessel eingesetzt, an den in der Regel auch die Trinkwassererwärmung gekoppelt ist.
-
Die Kühlung und Entfeuchtung übernimmt eine elektrisch betriebene Kältemaschine. Dabei handelt es sich meist entweder um wassergeführte Systeme
(Kaltwassersätze) oder um Anlagen, die nach dem VRF-Prinzip arbeiten.
Eine Alternative zu zwei getrennten Heiz- und Kühlsystemen ist die Multisplitanlage mit
elektrischem bzw. Gasmotor-Antrieb (GHP). Diese übernimmt die Kühl- und Entfeuchtungsfunktion im Sommer sowie die Wärmeerzeugung für die Heizung und Trinkwassererwärmung. Von Bedeutung ist dabei, daß diese Funktionen von einer Multisplitanlage mit Gasmotor-Antrieb monovalent - also ohne zusätzlichen weiteren Wärmeerzeuger - bereitgestellt werden können [29].
In elektrisch bzw. gasmotorisch betriebenen Split- und Multisplit-Anlagen wird die Heizoder Kühlfunktion zentral vorgegeben. Die Umschaltung erfolgt für die gesamte Anlage
über ein 4-Wege-Ventil im Außengerät, wobei die Fließrichtung des Kältemittelkreislaufs umgekehrt wird.
Im Heizbetrieb fördert der Verdichter das gasförmige Kältemittel zu den Innengeräten,
wo es zunächst als Gas gekühlt und daraufhin verflüssigt wird; dabei wird Wärme an
den Raum abgegeben. Im Kühlbetrieb wird das flüssige Kältemittel zum Raum transportiert, verdampft in den Innengeräten und nimmt dabei Wärme aus dem Raum auf;
diese Wärme wird - zusammen mit der dem Verdichter bei der Kältemittelverdichtung
zugeführten Arbeit - nach draußen abgegeben. Mit der Nutzung der Heiz- und Kühlfunktion mit nur einem einzigen Gerät sind wirtschaftliche Vorteile verbunden, weil
damit verringerte Investitionskosten verwirklichbar sind.
52
Gasmotor-Wärmepumpe: Gute Energieeffizienz (Pilotprojekt Hohenweiden)
Energetische Kennwerte: Ermittelte COP-Werte
1,600
Herstellerangaben
1,400
Coefficient Of Performance (COP)
1,400
Monitoringdaten
1,200
1,218
1,000
0,996
0,951
0,800
0,600
0,400
0,200
0,000
Heizbetrieb
Kühlbetrieb
Prof. Dr.- Ing. Martin Dehli
52
Hinsichtlich der energetischen Effizienzbewertung einer Anlage eignet sich als Kenngröße das Verhältnis zwischen dem erzielten energetischen Nutzen zum energetischen
Aufwand (Jahresarbeitszahl bzw. COP-Wert (angelsächsisch: Coefficient of Performance). Der Nutzen einer gasmotorischen Wärmepumpe ist im Heizbetrieb die zur
Verfügung gestellte Wärme, bei Kühlbetrieb die bereitgestellte Kälte. Der energetische Aufwand wird im wesentlichen durch den Energiegehalt des eingesetzten Erdgases (einschließlich der Stromaufnahme der Ventilatoren) erfaßt. An einer untersuchten Anlage in Hohenweiden ergab sich ein COP-Wert beim Heizbetrieb mit Außenluft
als Wärmequelle von etwa 1,4 und beim Kühlbetrieb von etwa 0,95 (vgl. [34] - [36];
obenstehendes Bild).
Gasmotor-Wärmepumpe:
Gute Energieeffizienz
Energetische Kennwerte: Vergleich mit Elektro-Wärmepumpensystemen
1,800
WW
1,600
Nutzungsgrad COP
1,400
Elektro-Wärmepumpen
max
WW...Wasser/Wasser-WP
SW ...Sole/Wasser-WP
LW ...AußenluftWasser-WP
SW
1,200
Gas-Wärmepumpe
1,000
0,800
max
LW
min
0,600
min
Elektrische
Raumklimageräte
(Multisplit), Leistungszahlen
im europäischen Markt.
Durchschnitt: 0,9
0,400
0,200
0,000
Heizbetrieb
Daten: DIN 4701 T10 Abschn. 5.3.4.2.3.
Kühlbetrieb
Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli
(Quelle: Panasonic)
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Beim Vergleich mit der Energieeffizienz von elektrisch angetriebenen Systemen ist der
primärenergetische Aufwand der Stromerzeugung zu berücksichtigen. Wie das obenstehende Bild zeigt, weist die untersuchte Gasmotor-Wärmepumpe gegenüber einer
vergleichbaren elektrischen Außenluft/Wasser-Wärmepumpe einen höheren - also
günstigeren - COP-Wert auf; dies trifft allerdings im Vergleich mit einer elektrischen
Sole/Wasser-Wärmepumpe (d.h. mit einer die Erdwärme nutzenden elektrischen Wärmepumpe) sowie einer elektrischen Wasser/Wasser-Wärmepumpe nicht mehr zu. Im
53
Kühlbetrieb weist die untersuchte Gasmotor-Wärmepumpe gegenüber einer vergleichbaren, im Kühlbetrieb arbeitenden elektrischen Außenluft/Wasser-Wärmepumpe etwa
gleich gute energetischen Vorteile auf.
EnEV: Anlagenaufwandszahlen im
Vergleich (Pilotprojekt Hohenweiden)
Anlagenbewertung nach DIN 4701 Teil 10 /EnEV
1,4
1,3
Gaswärmepumpe GHP,
Innengeräte mit Ventilatoren
1,2
Anlagenaufwandszahl e(P)
Brennwertgerät 55/45°C,
innerhalb der thermischen Hülle
1,1
Brennwertgerät 55/45°C,
außerhalb der thermischen
Hülle
1,10
1
Sole/Wasser-Wärmepumpe mit
Flächenheizung 35/28°C
0,96
0,9
0,89
0,8
0,7
• Anlagenaufwandszahl bezogen auf das
Untersuchungsobjekt (Nichtwohngebäude, 300 m² NF)
• Nutzenergiebedarf im Ausgangszustand ca. 150 kWh/m²a
0,6
150 kWh/m²a
90 kWh/m²a
50 kWh/m²a
Spezifischer Heizenergiebedarf
Anlagenaufwandszahl eP , Vergleich mit Alternativsystemen
Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli
54
Eine primärenergetische Bewertung der in Hohenweiden untersuchten Anlage gemäß
der Energieeinsparverordnung von 2002 (EnEV [26]) über die Anlagenaufwandszahl
(vgl. [34] - [36]; obenstehendes Bild links) ergibt sehr günstige, vergleichsweise
niedrige Werte, die deutlich unter denen von - primärenergetisch bereits günstigen Brennwertgeräten liegen; diese Werte werden im gewählten Vergleich nur noch von
einer energetisch besonders sinnvollen Kombination einer elektrisch betriebenen
Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einer Niedertemperatur-Flächenheizung unterschritten.
Damit führen die Untersuchungen an der gasmotorischen Wärmepumpe des Pilotprojekts Hohenweiden zu einer insgesamt sehr günstigen Anlagenbewertung (vgl. [34] [36]; untenstehendes Bild).
Energieeinsparverordnung (EnEV):
Anlagenbewertung
GHP
Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli
55
Hinsichtlich der Umweltauswirkungen führt eine Substitution von - überwiegend mit
Braun- und Steinkohle erzeugtem - Strom durch den CO2-spezifisch günstigen Energieträger Erdgas beim Einsatz der gasmotorischen Wärmepumpe zu C02-Emissionseinsparungen. Diese CO2-Einsparungen werden vor allem bei der Kühlfunktion erreicht, da im Heizfall das Prinzip der Wärmepumpe mit dem Prinzip der Kraft-WärmeKopplung verknüpft wird.
54
10.
Quellenverzeichnis
[1]:
Bosch Buderus Heiztechnik, Junkers, Wernau.
[2]:
Iselt, P.: So funktionieren VRF-Klimasysteme. Teil 1 bis Teil 4. CCI.Print
11/2004, 12/2004, 14/2004 und 1/2005.
[3]:
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[4]:
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(ASUE), Kaiserslautern 2003.
[5]:
Bartl-Wärmepumpen, Ulm.
[6]:
Dimplex-Wärmepumpen.
[7]:
Herstellerunterlagen der Firmen Aisin und Yoshi. Fa. Berndt, Gelsdorf 2005.
Tel. 02225/9132-0, www.gas-thermodynamik.de. Fa. Panitz, Lieskau 2005,
Tel. 0345/5511-696, www.klima-mit-gas.de
[8]:
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[9]:
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[13]: Ochsner-Wärmepumpen.
[14]: Schriften und Informationsunterlagen der Fördergemeinschaft Wärmepumpe
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[15]: Ingenieur- und Architekturbüro Dipl.-Ing. Weiß, Birenbach/Göppingen.
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Kundenservice GmbH, Karlsruhe 2002.
[21]: Bühring, A.; Kiefer, K.: Monitoringbericht 2002 zum Förderprogramm Wärmeerzeugung im Passivhaus der EnBW Energie Baden-Württemberg GmbH. Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE), Freiburg 2002 und EnBW
Kundenservice GmbH, Karlsruhe 2003
55
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[23]: Prill, K.; Schurr, J.: Vom Altbau zum 2-Liter-Haus.: Passivhaus des Energieund Umweltzentrums eza!. TGA-Fachplaner 1(2004), S. 26/28.
[24]: Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke e. V. (VDEW), Frankfurt und Berlin.
[25]: Robur-Absorptionswärmepumpen.
[26]: Bosch Buderus Heiztechnik GmbH; Wetzlar.
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betriebener Diffusions-Absorptionskältemaschine. Horizonte - Forschung an
Fachhochschulen in Baden-Württemberg - Nr. 26, Juni 2005, S. 10/12.
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[30]: Gaswärmepumpen. Informationsschrift der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen
und umweltfreundlichen Energieverbauch e.V. (ASUE), Kaiserslautern 2002.
[31]: Herstellerunterlagen der Firma Sanyo. Fa. Alfred Kaut GmbH. & Co., Wuppertal 2005. Tel. 0202/26820, www.kaut.de
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Hamburg 2005, Tel. 040/5585-252, www.stulz.de
[33]: Dehli, M.: Marktaussichten für Gasmotor-Wärmepumpen zur Wärmeversorgung
sowie zur Teilklimatisierung in Deutschland. Studie im Auftrag der Gasversorgung Süddeutschland GmbH (GVS) Fachhochschule Esslingen (FHTE),
Hochschule für Technik, Esslingen 2005.
[34]: GHP - Gaswärmepumpe Versuchsanlage Hohenweiden. Abschlussbericht.
Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur (HTWK) Leipzig, Fachbereich
Maschinen- und Energietechnik. Leipzig 2003.
[35]: Agsten, R.; Klinkert, V.: Heizen und Kühlen mit Gaswärmepumpe - ein Pilotprojekt der Mitgas. Leipzig 2003.
[36]: Agsten, R.; Klinkert, V.: Heizen und Kühlen mit Gaswärmepumpe - Ergebnisse
eines Pilotprojektes. Gaswärme International, (54), Nr. 1/2005, S. 30/37.
56