Leseprobe Wärmepumpen
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Informationspaket Wärmepumpen Heizen mit Umweltenergie 4., erweiterte und vollständig überarbeitete Auflage Michael Baumann Hans-Jürgen Laue Peter Müller L E B O R ESEP L E B O R ESEP Der BINE Informationsdienst bietet Kompetenz in neuen Energietechniken. Der intelligente Umgang mit knappen, wertvollen Energieressourcen, insbesondere in Gebäuden und der Gebäudetechnik, sowie die Nutzung erneuerbarer Energien sind die BINE-Kernthemen. Zu diesen Inhalten vereinen wir vielfältiges Know-how aus Forschung, Technik und Anwendung. Eine Übersicht über unser komplettes Produktund Dienstleistungsangebot finden Sie unter www.bine.info. Gerne senden wir Ihnen die Informationen auch zu. BINE ist ein Informationsdienst von FIZ Karlsruhe und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert. Für weitere Fragen steht Ihnen zur Verfügung: Dr. Franz Meyer (Redaktion) BINE Informationsdienst, FIZ Karlsruhe, Büro Bonn Kaiserstr. 185 – 197, 53113 Bonn Tel. 0228 / 92379-0, E-Mail: [email protected], www.bine.info Verlag: Solarpraxis AG Zinnowitzer Straße 1, 10115 Berlin Tel.: 030 / 726296300, E-Mail: [email protected], www.solarpraxis.de Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek: Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. Die Inhalte dieses Werkes werden von Verlag, Herausgeber und Autoren nach bestem Wissen und Gewissen erarbeitet und zusammengestellt. Eine rechtliche Gewähr für die Richtigkeit der einzelnen Angaben kann jedoch nicht übernommen werden. Gleiches gilt auch für Websites, auf die verwiesen wird. Es wird betont, dass wir keinerlei Einfluss auf die Inhalte und Formulierungen dieser Seiten haben und auch keine Verantwortung für sie übernehmen. Grundsätzlich gelten die Wortlaute der Gesetzestexte und Richtlinien und die einschlägige Rechtsprechung. Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier. E B O R ESEP ISBN-10: 3-934595-60-X ISBN-13: 978-3-934595-60-6 L © by FIZ Karlsruhe, 2007 Gestaltung: Solarpraxis AG Hinweis zu den Abbildungen: Soweit nachfolgend keine anderen Quellen genannt werden, stammen die Abbildungen vom Autor. heizen mi t wä r mepumpen 1 1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.4 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 Thermodynamisches Heizen mit Wärmepumpen ............................................................. 7 Geschichte ......................................................................................................................................................................................... 7 Funktion der Wärmepumpe ....................................................................................................................................... 9 Wärmepumpensysteme .............................................................................................................................................. 15 Kompressionswärmepumpe .................................................................................................................................. 15 Weitere Entwicklungen ................................................................................................................................................ 18 Kältemittelauswahl ........................................................................................................................................................... 24 Rückblick . ......................................................................................................................................................................................... 24 Derzeitige Situation . ......................................................................................................................................................... 25 Einteilung nach der Unfallverhütungsvorschrift ......................................................................... 25 Chemische Einteilung und Bezeichnung ............................................................................................... 25 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.6 2.7 2.8 Wärmepumpenheizungen ................................................................................................................................. Begriffe und Benennungen . .................................................................................................................................... Anforderungen an die Wärmequellen . ..................................................................................................... Auswahl der Wärmequelle ....................................................................................................................................... Natürliche Wärmequellen ......................................................................................................................................... Wärmequelle Erdreich .................................................................................................................................................... Wärmequelle Grundwasser .................................................................................................................................... Wärmequelle Außenluft .............................................................................................................................................. „Künstliche“ Wärmequellen ................................................................................................................................... Abwasser ......................................................................................................................................................................................... Kreislaufwasser / Kühlwasser . .............................................................................................................................. Abluft . .................................................................................................................................................................................................. Wärmenutzungsanlage . .............................................................................................................................................. Betriebsarten von Wärmepumpen ................................................................................................................ Einteilung der Wärmepumpen ........................................................................................................................... 31 31 32 32 33 35 44 46 49 49 49 49 50 55 63 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 Wirtschaftlichkeitsberechnung . ................................................................................................................ Allgemeines ................................................................................................................................................................................. Berechnung der Heizkosten .................................................................................................................................... Kapitalgebundene Kosten ......................................................................................................................................... Verbrauchsgebundene Kosten ............................................................................................................................ Die betriebsgebundenen und sonstigen Kosten ......................................................................... Kostenvergleich verschiedener Heizungssysteme .................................................................... 66 66 67 67 69 72 72 L E B O R ESEP t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen 4 Energiebedarf ......................................................................................................................................................................... 74 5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 Schadstoffemissionen und Treibhauseffekt . .......................................................................... Schadstoffemissionen .................................................................................................................................................... CO2-Emissionen . ..................................................................................................................................................................... Einflüsse der Kältemittel ............................................................................................................................................. Ozonschädigung .................................................................................................................................................................... Treibhauseffekt . ...................................................................................................................................................................... 77 77 78 81 82 82 6 6.1 6.2 Zitierte Literatur und Abbildungsverzeichnis ....................................................................... 84 Zitierte Literatur ..................................................................................................................................................................... 84 Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................................................... 85 7 7.1 7.2 Laufende und abgeschlossene Forschungsvorhaben aus der Energieforschung der Bundesregierung ............................................................... 87 Laufende und kürzlich abgeschlossene Forschungsvorhaben ................................... 87 Forschungsberichte . .......................................................................................................................................................... 88 8 Weiterführende Literatur 9 Herstellung und Vertrieb von Wärmepumpen und Wärmepumpenanlagen ....................................................................................................................... 102 10 Organisationen und Initiativen, die sich mit Wärmepumpen befassen 11 Anschrift der Autoren 12 Stichwortverzeichnis ..................................................................................................................................... ........................................................................................... 107 ............................................................................................................................................ 110 . ............................................................................................................................................. 111 E B O R ESEP L 91 heizen mi t wä r mepumpen Vorwort Heizungsanlagen mit Wärmepumpen werden seit mehr als 50 Jahren zur Beheizung von Wohngebäuden eingesetzt. Die Technik ist heute ausgereift und zuverlässig. Sorgfältig ausgelegte Anlagen können sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich gegen­ über anderen Heizsystemen gut bestehen. Höhere Anschaffungskosten werden durch niedrigere Energie- und Betriebskosten ausgeglichen. Dennoch handelt es sich im Vergleich zu konventionellen Öl- oder Gasheizungen in Deutschland immer noch um ein Nischenprodukt. Nur bei etwa zwei Prozent aller Heizungsanlagen erzeugen derzeit Wärmepumpen die Heizwärme. Seit Anfang der neunziger Jahre wachsen aber die Absatzzahlen kontinuierlich. Insbesondere in den letzten Jahren erlebt die Technik geradezu einen Boom. Speziell im privaten Wohnungsbau steigt die Nachfrage. Wärmepumpen eignen sich besonders für Energie sparende Neubauten entsprechend der Energieeinsparverordnung (EnEV). Niedriger Heizwärmebedarf durch eine solide Wärmedämmung des Gebäudes und eine Wärmeverteilung auf niedrigem Temperatur­ niveau etwa mit Fußbodenheizung sind gute Voraussetzungen für ihren Einsatz. Auch für Häuser mit extrem niedrigem Wärmebedarf, wie Niedrigstenergie- und Passiv­ häuser, werden geeignete Systeme angeboten. Kleinstwärmepumpen in Lüftungskompaktgeräten lassen sich in die Wohnungslüftungssysteme integrieren und nutzen die Wärme der Abluft. Durch Umschalten des Kältemittelkreislaufs kann bei einigen Systemen auch gekühlt und gleichzeitig Brauchwasser erwärmt werden. Das vorliegende Informationspaket führt in die Technik der Heizungsanlagen mit Wärme­pumpen ein. Es zeigt die Möglichkeiten auf, Umweltwärme aus Wasser, Erdreich und Luft für die Heizung zu nutzen und erläutert, worauf es bei der Auslegung für die unterschiedlichen Wärmequellen ankommt. Zentrale Aspekte sind dabei Wirtschaftlichkeit, Energieverbrauch und Schadstoffemissionen. Der Serviceteil umfasst weiterführende Literatur sowie Adressen von Herstellern und Institutionen, die sich mit der Wärmepumpe befassen. L E B O R ESEP FIZ Karlsruhe GmbH Gesellschaft für wissenschaftlich-technische Information mbH BINE Informationsdienst t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen 1 Thermodynamisches Heizen mit Wärmepumpen 1.1 Geschichte Der französische Physiker Sadi Carnot hat im Jahre 1824 mit dem Kreisprozess den Nachweis der bestmöglichen thermodynamischen Maschine für die Erzeugung ­mecha­nischer Arbeit erbracht und mit dem Begriff der Irreversibilität den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben. Die Umkehrung des Carnot´schen Kreisprozesses zu einem Linksprozess führte 1834 durch das Patent von Jakob Perkins zum Geburtsjahr der modernen Kaltdampfmaschine. Das Arbeitsprinzip der Wärmepumpe, Wärme mit Hilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses auf ein höheres Tempe­ raturniveau zu „pumpen“, beschrieb im Jahre 1852 der englische Physiker William ­Thomson (Lord Kelvin) mit seinem mechanischen System zur Beheizung oder Kühlung von Gebäuden [1], [2]. Der Begriff „Wärmepumpe“ wurde wahrscheinlich zum ersten Mal von G. Flügel im Jahre 1920 in Deutschland geprägt [3]. Die ersten Anwendungen des Wärmepumpenprinzips für die Gebäudeheizung erfolgten in den 20er- und 30erJahren des letzten Jahrhunderts [4]. Im Gegensatz zur Kälteanlage, zu der es bisher keine konkurrierenden Verfahren für die kontinuierliche Kühlung gibt, steht die Wärmepumpe mit allen üblichen irrever­ siblen direkten Heizverfahren, also Holz-, Kohle-, Gas-, Öl- und elektrischer Heizung im Wettbewerb. Wesentliche Impulse zum Einsatz der Wärmepumpe für die Gebäudeheizung ergaben sich daher aus der ersten Energiekrise in der Schweiz während des 2. Weltkrieges. Weil Kohlelieferungen ausblieben, bauten Schweizer Ingenieure vor­ bild­liche Wärmepumpen. In Zürich wurden u. a. das Rathaus, das Kongresshaus, ein Hallen­bad und die Amtshäuser mit Wärmepumpen beheizt (siehe Tabelle in Abb. 1). L E B O R ESEP heizen mi t wä r mepumpen Art / Jahr Heizleistung kW Leistungs­ zahl Vorlauf­ temperatur Wärme­ quelle Zusatz­ heizung Rathaus 1938 ges. 175 WP 81 2 Wasser 60°C Flusswasser Elektr. 65 kW auf Speicher Gebäudeheizung Kongresshaus / 1939 58 Kühlen: 31 2,5 Luft 30 – 40°C Luft keine Klimati­ sierung Hallenbad 1941 1 500 3,5 – 8 Wasser 23 u. 45°C Flusswasser Abwasser Trafo­Abwärme Elektr. 2 000 kW auf Speicher Gebäudeheizung Wasser­ erwärmung Fernheizwerk ETH 1942 7 000 3 Wasser 70°C Flusswasser Heizwerk Gebäudeheizung Amtshäuser 1943 1 750 4 Wasser 50°C Flusswasser vorhandene Heizanlage Gebäudeheizung Verwendung Abb. 1: Auswahl von Wärmepumpen in Zürich während des 2. Weltkrieges Nach dem Krieg erlosch erst einmal in der Schweiz das Interesse, da wieder ausreichend Kohle und Öl beschafft werden konnten. In den 50er-Jahren gab es in den USA den ersten Wärmepumpenboom. Mit dem Wunsch nach mehr Wohn- und Bürokomfort waren dort Luft / Luft-Wärmepumpen für den Kühlbetrieb im Sommer und den Heizbetrieb im Winter sehr beliebt. Es ist ­jedoch zu beachten, dass in den USA der Wärmepumpenmarkt stets mit dem Klimagerätemarkt verbunden war. Wenn die Notwendigkeit zur Klimatisierung der Gebäude im Sommer gegeben ist, wird der Schritt zur Wärmepumpe im Winter erleichtert. In Deutschland wurden in den 50er-Jahren bereits interessante Entwicklungen von Kleinwärmepumpen für die Warmwasserbereitung vorgestellt, die aber erst in den 70er-Jahren einen wirtschaftlichen Durchbruch erzielten [5]. E B O R ESEP Vor 1970 arbeiteten in der Bundesrepublik Deutschland nur kleinere Anlagen in Landwirtschaftsbetrieben zur Milchkühlung und gleichzeitigen Wassererwärmung sowie größere Anlagen zur Aufheizung von Freibädern und zur Wärmerückgewinnung in Großbauten und in der Industrie. Die Wärmepumpe wurde als alternative Heizungstechnologie erst Mitte der siebziger Jahre gefördert und entwickelt. Die Unsicherheit der künftigen Energiepreise für Heizöl war wesentlicher Antrieb für diese Technik. Nach dem zweiten Ölschock 1979 / 80, der massive Preissteigerungen für fossile Energieträger brachte, stellte sich international und national eine starke Marktbelebung L t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen für die Wärmepumpe in Deutschland und Europa ein. Die Auswirkungen waren sehr rasches Wachstum, sehr viele Anbieter und große Erwartungen bezüglich der Marktchancen. Die Wärmepumpe als bivalentes oder monovalentes Heizsystem und die Warmwasserwärmepumpe waren zu dieser Zeit die Lösung für das Problem Un­ sicherheit der Versorgung mit Heizöl und hoher Preise. Mit dem drastischen Rückgang der Ölpreise von 1982 bis Ende der achtziger Jahre sank der Bedarf nach Heizungswärmepumpen dramatisch [6]. Erst seit Mitte der neunziger Jahre mit dem erneuten Anstieg der Ölpreise steigt die Nachfrage von Heizungswärmepumpen kontinuierlich und die hohen Energiepreise in den letzten Jahren haben derzeit einen Wärmepumpenboom in ganz Europa ausgelöst. 1.2 Funktion der Wärmepumpe Das Haupteinsatzgebiet der Wärmepumpe liegt in unserer Klimazone und den üb­ lichen Wasserheizsystemen in der Bereitstellung von Heizwärme, d. h. der Erzeugung eines Wärmestromes auf relativ niedrigem Temperaturniveau, welcher groß genug ist, um die Wärmeverluste durch die Lüftung und die Außenwände des jeweiligen Gebäudes auszugleichen und damit die gewünschte Raumtemperatur aufrechtzuerhalten und / oder Warmwasser zu bereiten. Bei der konventionellen Verbrennungsheizung wird Heizwärme niederer Temperatur erzeugt, indem die Energie des Brennstoffes durch Verbrennung bei sehr hoher Temperatur freigesetzt und von einer geeigneten Wärmenutzungsanlage, z. B. einer Warmwasser-Radiatorenheizung, bei wesentlich niedrigerer Vorlauftemperatur auf den zu beheizenden Wohnraum verteilt wird. Mit der direkten Umwandlung der Verbrennungswärme in Niedertemperatur-Heizwärme ist thermodynamisch gesehen eine starke Entwertung dieser Energie verbunden. Die Wärmepumpe bietet die Möglichkeit, die Verbrennungswärme wesentlich rationeller einzusetzen. Abb. 2 vergleicht den Primärenergieaufwand einer Wärmepumpe mit einem Brennwertkessel. Für jeweils 100 % Heizwärme benötigt der Brennwertkessel 120 % Primärenergie, die Wärmepumpe nur 74 %. Die Funktionsweise der Wärmepumpe entspricht thermodynamisch der des allseits für seine Zuverlässigkeit bekannten Kühlschranks, lediglich der Zweck ist ein anderer. Beim Kühlschrank wird dem Kühlgut über den Verdampfer Wärme entzogen und über den Verflüssiger an der Rückseite des Geräts an die Umgebungsluft im Raum abgegeben. Bei der Wärmepumpe wird der Umwelt (Wasser, Erdreich, Luft) Wärme entzogen und dem Heizsystem zugeführt. Dabei erfolgt die Wärmeabgabe in der Regel auf einem höheren Temperaturniveau. Es wird also die Wärme statt der Kälte genutzt. Dabei wird das Arbeitsmittel, auch Kältemittel genannt, eine bei niedrigen Temperaturen siedende Flüssigkeit, in einem Kreislauf geführt und dabei nacheinander verdampft, verdichtet, verflüssigt und entspannt. L E B O R ESEP heizen mi t wä r mepumpen Primärenergie 74 % 10 Strom 5% Strom Spitzenheizung, Hilfsenergie Stromer- 28 % zeugung und -transport 95 % 100 % Wärme- Heizpumpen- wärme kreis Wärmepumpe Primärenergie 120 % 46 % 72 % Verluste Erdwärme 7% Stromerzeugung 5% Verluste 3% Strom Hilfsenergie 113 % 103 % 97 % 100 % Brennstoff Förderung und Transport Kessel Wärme Heizwärme 10 % Verluste 5% Verluste Heizkessel (neu) Primärenergiefaktor: Strom 2,65 (Primärenergie ohne erneuerbare Energien), Abb. 2: Vergleich des Primärenergieaufwands einer Wärmepumpe mit einem Brennstoff 1,1; Brennwertkessel (Heizkessel (neu)) Jahresarbeitszahl Wärmepumpe 4,2 und Jahresarbeitszahl inkl. Spitzenheizung E B O R ESEP und Hilfsenergie für Steuerung, Umwälzpumpen 3,5 (Feldtest); Jahresnutzungsgrad Brennwertkessel 95% (Feldtest FH Wolffenbüttel) Nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist ein Wärmeübergang von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur von selbst nicht möglich. Das Prinzip der Wärmepumpe entspricht dennoch dem Zweiten Hauptsatz, Bild 7: Vergleich Primärenergieverda der Übergang von brauch „kalt“ Wärmepumpe/Brennwertkessel: nach „warm“ nicht von selbst, sondern unter Zufuhr erfolgt, z. B. mechanische Antriebsarbeit des Verdichters bei ­höherwertiger EnergieDas Energieflussdiagramm zeigt der Kompressionswärmepumpe. Abb. 3 zeigt den Prozess im h-lg p-Diagramm. h steht bei der Wärmepumpe den hohen für Enthalpie, gleichbedeutend mit Energieinhalt, und lg p für den Druck, der, um ihn Anteil der erneuerbaren Energie in einem großen Bereich darstellen zu können, logarithmisch aufgetragen wird. L „Erdwärme“ an der Heizenergie . t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen 11 Abb. 3: h-lg p-Diagramm Im Verdampfer befindet sich das flüssige Arbeitsmittel bei niedrigem Druck P1. Die Umgebungstemperatur des Verdampfers, d. h. die Temperatur der Wärmequelle, ist höher als die dem Druck entsprechende Siedetemperatur des Arbeitsmittels. Dieses Temperaturgefälle bewirkt eine Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das ­Arbeitsmittel. Das Arbeitsmittel wird daher sieden und verdampfen. Die dazu erforder­ liche Verdampfungswärme wird der Wärmequelle entzogen. Der Arbeitsmitteldampf wird ständig vom Verdichter aus dem Verdampfer abgesaugt und verdichtet. Dazu ist Antriebsenergie erforderlich. Dadurch steigen der Druck des Dampfes und dessen Temperatur. An diesem Schritt des Kreisprozesses wird dem ­System also von außen Energie zugeführt. Danach wird der Arbeitsmitteldampf dem Verflüssiger zugeführt, dessen Sekundärseite mit einem Heizwasserstrom beaufschlagt ist. Die Temperatur dieses Wassers ist niedriger als die Verflüssigungstemperatur des Arbeitsmittels, so dass der Dampf wieder verflüssigt wird. Die im Verdampfer aufgenommene Wärme und zusätzlich die durch das Verdichten zugeführte Energie werden im Verflüssiger durch Kondensieren wieder frei und an den Heizwasserstrom, die Wärmesenke, abgegeben. Der Kreislauf schließt sich, indem das Arbeitsmittel über ein Expansionsorgan in den Verdampfer zurückgeführt und dabei vom hohen Druck des Verflüssigers auf den niedrigen Druck des Verdampfers entspannt wird. L E B O R ESEP heizen mi t wä r mepumpen 12 Abb. 4: Funktionsschema einer Wärmepumpe am Beispiel einer Kompressionswärmepumpe Die sinnvoll erreichbaren Warmwasservorlauftemperaturen betragen 55 bis 65°C, sie sollten jedoch so niedrig wie möglich sein, um die Wärmepumpe mit einem niedrigen Energieaufwand zu betreiben. Beispielsweise benötigt eine Warmwasser-Fußbodenheizung nur 35°C. Die zum Antrieb des Verdichters erforderliche mechanische Energie kann durch einen Elektro- oder einen Verbrennungsmotor bereit gestellt werden. Der größere Teil der Energiemenge, die der Heizungsanlage zugeführt wird, stammt nicht aus der Antriebs­ energie des Verdichters, sondern ist hauptsächlich Sonnenenergie, die auf natürliche Weise in der Luft, im Erdreich und im Wasser gespeichert ist. Diese Umweltwärme (genauer: die innere Energie der Umgebung) wird im Allgemeinen als wertlos betrachtet, da sie mit einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur nicht die Fähigkeit besitzt, Arbeit zu verrichten. Dieser Anteil kann je nach Art der Wärmequelle und des Heizsystems, abhängig insbesondere von deren Temperaturbedingungen, zwei- bis fünfmal so groß sein wie die dem Verdichter zugeführte Energie (siehe Abb. 2). L E B O R ESEP t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen Das Verhältnis von nutzbarer Wärmeleistung zur aufgenommenen Antriebsleistung des Verdichters wird als Leistungszahl ε (epsilon), englisch COP (Coefficient of Performance) bezeichnet: Die Leistungszahl wird bei definierten Bedingungen, insbeson­ dere der Temperaturen auf der Wärmequellen- und Heizungsseite, nach EN 14511 auf Prüfständen gemessen. Diese Bedingungen werden nach einem bestimmten Schema angegeben, beispielsweise „W10 / W35“. Dabei bedeutet die erste Angabe (W10) die Art der Wärmequelle und deren Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe in °C bei der Messung. Die Angabe nach dem Schrägstrich beschreibt entsprechend die Art der Wärmesenke mit der zugehörigen Austrittstemperatur, z. B. der des Heizungsvorlaufs. Als Kürzel für die Medien dienen „W“ für Wasser (water), „A“ für Luft (air) und „B“ für Sole (brine). Das angegebene Beispiel bedeutet entsprechend den Messpunkt einer Wasser / Wasser-Wärmepumpe bei 10°C Grundwassereintritts- und 35°C Heizungswasservorlauftemperatur. Mit diesen Leistungszahlen ist ein erster Vergleich unterschiedlicher Wärmepumpenfabrikate möglich. Bei gas- oder dieselmotorisch angetriebenen Wärmepumpenanlagen steht anstelle der Leistungszahl die Heizzahl. Sie ist das Verhältnis von Nutzwärmeleistung zur Brennstoffleistung. Die Brennstoffleistung kann als Produkt aus dem Heizwert Hu des eingesetzten Energieträgers (Gas, Öl, Brennstoffe, Abwärme) und dem Brennstoffmassenstrom errechnet werden. Auch andere direkt mit Primärenergie betriebene Wärmepumpenanlagen (z. B. Absorptionswärmepumpenanlagen) werden ebenfalls mit der vorgenannten Heizzahl bewertet. Sie unterscheidet sich grundsätzlich von der Leistungszahl der Kom­pres­ sions­wärmepumpe. Eine sehr wichtige naturgesetzliche Vorgabe gilt für jede Wärmepumpe: Die Leistungszahl von Wärmepumpen hängt primär von der Temperaturdifferenz ∆T zwischen der Wärmequelle (Umgebung) und der Wärmenutzungsanlage (Heizungsanlage) ab. Je geringer der Temperaturunterschied ∆T ist, desto höher ist die Leistungszahl und desto besser ist die energetische Qualität. Im Falle des für Wärmepumpen theoretisch idealen, aber praktisch nicht erreichbaren Carnot-Prozesses ist die Leistungszahl εC ausschließlich von den beiden Temperaturen abhängig, zwischen denen der Prozess abläuft. Bedingt durch thermische, mechanische und elektrische Verluste sowie den Energiebedarf der Hilfsantriebe ist die real erreichbare Leistungszahl jedoch kleiner als εC. Setzt man überschlägig ε ≅ 0,5 ⋅ εC für Sole / Wasser- und Wasser / Wasser-Wärmepumpen sowie ε ≅ 0,35 ⋅ εC für Luft / Wasser-Wärmepumpen, so erhält man die in Abb. 5 dargestellte Abhängigkeit der Leistungszahl ε für Sole / Wasser- und Wasser / Wasser-Wärmepumpen von der Temperaturdifferenz ∆T zwischen Wärmequelle und Wärmesenke (Vorlauftemperatur der Heizungsanlage). L E B O R ESEP 13 heizen mi t wä r mepumpen 14 Abb. 5: Leistungszahl in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ∆T zwischen Wärmequelle und Wärmesenke für ε = 0,5 ⋅ εC Die Jahresarbeitszahl β (beta), englisch SPF (Seasonal Performance Factor) der Wärmepumpenanlage ist der Quotient der von der Wärmepumpenanlage abgegebenen ­Jahresnutzwärme und der gesamten von der Wärmepumpenanlage aufgenommenen elektrischen Jahresarbeit. Zur energetischen Bewertung unterschiedlicher Techniken nach der EnEV und der DIN V 4701-10 werden heute auch bei der Wärmepumpen­ technik sog. Aufwandszahlen „e“ verwendet, die den Aufwand an nicht erneuerbarer Energie zur Erfüllung einer Aufgabe wiedergeben. Bei den elektrisch angetriebenen Wärmepumpen ist die Erzeuger-Aufwandszahl eg der Wärmepumpe einfach der ­reziproke Wert der Arbeitszahl. Eine Jahresarbeitszahl von 4 oder Aufwandszahl von 0,25 bedeutet beispielsweise, dass innerhalb eines Jahres aus einer Einheit Antriebsenergie und drei Einheiten ­kostenloser Umweltenergie vier Einheiten Heizwärme bereitgestellt werden. Ent­ sprechend können auch für andere Zeiträume Arbeitszahlen angegeben werden. Mit der VDI-Richtlinie 4650 steht ein Verfahren zur Verfügung, mit dem die Leistungszahlen der Prüfstandsmessungen unter Berücksichtigung der verschiedenen Betriebs­ parameter auf die Jahresaufwandszahl für den praktischen Betrieb mit dessen konkre­ ten Bedingungen umgerechnet werden können. Blatt 1 der VDI-Richtlinie befasst sich mit Elektrowärmepumpen zur Raumheizung. L E B O R ESEP t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen 1.3 Wärmepumpensysteme 1.3.1 Kompressionswärmepumpe Die Bauteile einer Kompressionswärmepumpe, welche zusammen den Kältemittelkreislauf bilden, zeigt exemplarisch Abb. 6, analog zur schematischen Darstellung in Abb. 4 skizziert. Bei allen Bauteilen können jedoch abweichend von Abb. 6 je nach genutzter Wärmequelle, Anwendungsgebiet, Größe der Anlage usw. ganz unterschied­ liche Bauformen zur Anwendung kommen. Die wesentlichen Bauteile einer Kompressionswärmepumpe sind Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und das Expansionsventil. Der Kältemittelkreislauf wird mit Kältemittel und der Verdichter mit Kältemaschinenöl, das die Schmierung des Verdichters sicherstellt, befüllt. 15 E B O R ESEP Abb. 6: Kältemittelkreislauf einer Luft / Wasser-Wärmepumpe, Bauteilbezeichnungen: (1) Ventilator, (2) Verdampfer, (3) Verdichter, (4) Verflüssiger, (5) Sammler, (6) Filtertrockner, (7) Schauglas, (8) Expan­sionsventil, (V) Heizungsvorlauf, (R) Rücklauf L Verdampfer und Verflüssiger Wärmeaustauscher (Wärmeübertrager) sind Apparate, mit denen Wärme von einem Medium an ein anderes Medium übertragen werden kann. Verdampfer und Verflüssiger sind Wärmeaustauscher. Der Verdampfer nimmt Wärme von der Wärmequelle auf, überträgt sie an das flüssige Kältemittel, das dabei verdampft wird. Der Verflüssiger gibt Wärme an die Wärmenutzungsanlage ab, die Wärme wird dem dampfförmigen heizen mi t wä r mepumpen Kältemittel entzogen, das dabei verflüssigt wird. Der Wärmeübergang kann direkt oder mittels eines Zwischenträgers, dem Kälte- bzw. Wärmeträger, vollzogen werden. Die Bauform von Verdampfern und Verflüssigern richtet sich nach dem Kälte- bzw. Wärmeträgermedium. Für Luft werden als Verdampfer in der Regel Rohrschlangenwärmeübertrager mit ­Lamellen eingesetzt. Die Lamellen vergrößern die Fläche und verbessern so die Wärme­ übertragung auf der Luftseite. Für Flüssigkeiten werden heutzutage meist Plattenwärmeaustauscher aus Edelstahl verwendet. Abb. 7 zeigt einen Platten­wärme­aus­tauscher und seinen inneren Aufbau. 16 Abb. 7: Plattenwärmeaustauscher Für Wärmeaustauscher mit größeren Übertragungsleistungen oder bei verschmutzten Flüssigkeiten werden auch Rohrbündel-Wärmeübertrager eingesetzt. Das Kältemittel kann sich im Rohr oder im Mantelraum befinden. E B O R ESEP L Abb. 8: Rohrbündel-Wärmeübertrager t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen Expansionsventil Das Expansionsventil reduziert den Druck des Kältemittels vom Verflüssiger- auf den Verdampferdruck. Die Arbeitsweise entspricht der einer einfachen Drossel, jedoch sind sehr unterschiedliche Ausführungen bis hin zu elektronisch gesteuerten üblich. Das Expansionsventil sorgt dafür, dass das Kältemittel, das aus dem Verdampfer strömt, völlig verdampft und leicht überhitzt wird. Dazu wird die Kältemitteldurchflussmenge am Verdampfer­ eingang geregelt. Abb. 9 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Ventils. Abb. 9: Bild eines Expansionsventils Verdichter Der Kältemitteldampf wird vom Verdichter angesaugt und vom Verdampferdruck auf den Verflüssigerdruck komprimiert. Die Verdichtung ist mit einem starken Temperatur­ anstieg des Kältemittels verbunden. Für Wärmepumpen werden verschiedene Verdichterbauarten eingesetzt, Abb. 10 zeigt den schematischen Aufbau der verwendeten Bauarten. Während Anfang der achtziger Jahre noch überwiegend Hubkolbenverdichter zum Einsatz kamen, werden bei Wärmepumpen heute überwiegend Scrollverdichter (Abb. 11) verwendet. Je nach Bauform werden die Verdichter in verschweißte (Vollhermetik-Verdichter), verschraubte (Halbhermetik-Verdichter) oder mit Gleitringdichtungen versehene Bauarten (offene Verdichter) eingeteilt. Die beiden ersten Bauarten besitzen einen eingebauten Elektro­ motor. Für verbrennungsmotorische Antriebe ist nur die letztere Bauart geeignet. Abb. 10: Verdichterbauarten für Wärmepumpen Abb. 11: Vollherme­tischer Scrollverdichter E B O R ESEP L Hubkolben Rollkolben Scroll Schraube 17 heizen mi t wä r mepumpen Antriebsmotor Der Antriebsmotor treibt den Verdichter an. Dazu wird elektrische Energie in einem Elektromotor oder Brennstoff (Gas bzw. Dieselöl) in einem Verbrennungsmotor in mechanische Energie umgesetzt. Der Antriebsmotor von Elektro-Wärmepumpen ist im Verdichtergehäuse eingebaut (siehe Abb. 6). Für den Antrieb mit Verbrennungsmotoren wird der Motor als separates Bauteil ausgeführt. 18 Elektromotor Elektromotoren arbeiten mit Wirkungsgraden weit über 90 %. Der größte Teil der Verluste, die als Abwärme anfallen, werden bei hermetischen Verdichtern auch noch vom Kältemittel aufgenommen und an die Wärmenutzungsanlage abgegeben. Trotzdem müssen diese Verluste möglichst gering gehalten werden, da die elektrische Energie, die in Abwärme umgewandelt wird, nicht zur Nutzung von Umweltwärme beiträgt, welches gerade den besonderen Vorteil der Wärmepumpentechnik darstellt. Verbrennungsmotoren Die Wirkungsgrade von Verbrennungsmotoren liegen im Bereich von ca. 28 bis 33 %. Diese Wirkungsgrade sind nicht mit denen von Elektromotoren vergleichbar, da unterschiedliche Endenergieträger eingesetzt werden. Die Abwärme der Verbrennungsmotoren, die auf einem relativ hohen Temperaturniveau anfällt, wird genutzt, um höhere Wärmenutzungstemperaturen zu erreichen, als sie mit der Wärmepumpe allein möglich wären (Heizwassererwärmung). Gesamtnutzungsgrade der Brennstoffenergie liegen im Bereich von ca. 90 %. Nachteilig ist der erhöhte Investitions- und Wartungsaufwand für diese Motoren. So wird diese Technik bei Großwärmepumpen, z. B. in Schwimmbädern, eingesetzt. Für Einfamilienhäuser werden Wärmepumpen mit solchen Antrieben in Europa noch nicht angeboten; es dominiert die Elektrowärmepumpe. 1.4 Weitere Entwicklungen Die jetzt gültige Energieeinsparverordnung EnEV ermöglicht eine integrale Planung des Energiekonzepts von Neubauten, aber auch die energetische Sanierung von Altbauten. So können die Möglichkeiten des Wärmeschutzes und der Anlagentechnik zur Wärmeversorgung durch quantitative Bewertung optimierend aufeinander abgestimmt werden. Aber auch weiterhin wird der Anteil der Raumheizung am Energie­ bedarf von Haushalten dominieren. Zum anderen gewinnt der Anteil der Brauchwasser­ erwärmung an Bedeutung. So ist im Passivhaus, d. h. einem sehr gut gedämmten Haus, der erforderliche Heizwärmebedarf mit ca. 15 kWh / m2a sehr gering und wird vom Warmwasserwärmebedarf von ca. 12,5 kWh / m2a nahezu erreicht. Für diese ­Häuser ergibt sich ein besonders interessantes Anwendungsgebiet für Wärmepumpen, da wegen des geringen absoluten Energiebedarfs eine weitere Energieversorgung, z. B. Gasanschluss, neben der Stromversorgung kaum wirtschaftlich ist. L E B O R ESEP t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen Das Konzept beinhaltet eine kontrollierte Wohnungslüftung. Diese dient einer an gesundheitlichen Kriterien orientierten Frischluftversorgung. Wird die Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung – in der hocheffizienten Ausführungsform mit Wärmepumpe – ausgestattet, kann sie im Passivhaus aus der Abwärme die gesamte erfor­ derliche Heizwärme gewinnen. Ein separates Heizungssystem mit Wasserkreislauf kommt daher nicht zum Einsatz. Für solche Häuser wurden geeignete Wärmepumpen­ kompaktgeräte entwickelt, die die Fortluft als Wärmequelle und dabei auch die Feuchtigkeit in der Fortluft durch Kondensation nutzen. Mitunter wird durch Erdregister die angesaugte Außenluft im Winter vorgewärmt und im Sommer vorgekühlt. Die ­Wärmepumpen brauchen nur noch eine geringe Heizleistung von ca. 1 bis 3 kW und werden auch zur Warmwasserbereitung eingesetzt. Die Ventilatoren, erforderliche Speicher und der elektrische Spitzenwärmeerzeuger sind in die Kompaktanlagen integriert. Derartige Anlagen sind vielfältig am Markt verfügbar. Elektrische Wärmepumpe Die Weiterentwicklung heutiger Wärmepumpen hat in erster Linie eine Verbesserung der Leistungszahlen und des Komforts zum Ziel. So können beispielsweise mit neuarti­ gen drehzahlgeregelten Verdichtern Luft / Wasser-Wärmepumpen ohne einen weiteren unterstützenden Wärmeerzeuger in bestehenden Wohngebäuden mit herkömmlichen Heizsystemen genutzt werden. Die Leistungsregelung führt zu günstigeren Ver­ dampfungs- und Kondensationstemperaturen im Teillastbereich, die wiederum Verbes­ serungen der Leistungszahlen von 10 % erwarten lassen. Wärmepumpen sind vollelek­ tronisch geregelt, haben Anschlüsse zur elektronischen Datenübertragung und werden immer häufiger fernüberwacht, um stets eine optimale Einstellung zu garantieren. Verbrennungsmotorisch angetriebene Wärmepumpe Wie mit Elektrowärmepumpen sind mit Gasmotor- oder Dieselmotorwärmepumpen, die direkt mit fossilen Brennstoffen angetrieben werden, hohe Energieeinsparungen und Emissionsminderungen möglich, wobei allerdings die Schadstoffemissionen vor Ort entstehen. Im Bereich größerer Leistungen, z. B. zur Schwimmbadentfeuchtung und ‑beheizung, sind Gasmotorwärmepumpen als Standardtechnik anzusehen. Im Bereich kleiner Leistungen werden in Europa bisher keine marktfähigen Produkte angeboten, allerdings bestehen Planungen, in Zukunft diese Technik auch für kleinere Leistungsbereiche anzubieten. L E B O R ESEP Absorptionswärmepumpe Die Funktionsweise von Absorptions- und Kompressionswärmepumpen ist bis auf den Verdichter identisch. Der mechanisch angetriebene Verdichter einer Kompressions­ wärmepumpe wird durch einen thermischen Verdichter ersetzt, der einen Lösungsmittelkreislauf beinhaltet. Zusätzlich zum Kältemittel wird ein Lösungsmittel gebraucht, das in der Lage ist, das Kältemittel zu absorbieren (Abb. 12). 19 heizen mi t wä r mepumpen 20 Abb. 12: Funktion der Absorptionswärmepumpe Der Lösungsmittelkreislauf wird aus dem Absorber, der Lösungsmittelpumpe, dem Austreiber und dem Lösungsmittelventil gebildet. Der Kältemitteldampf wird im Absorber durch das Lösungsmittel absorbiert. Dabei wird Wärme frei, die nutzbringend zur Deckung des Wärmebedarfs beiträgt. Das nun kältemittelreiche Lösungsmittel wird in der Lösungsmittelpumpe auf Verflüssigungsdruck gepumpt. Die mechanische Antriebsleistung der Lösungsmittelpumpe ist ­wesentlich geringer, als sie für eine Kompressionswärmepumpe gleicher Heizleistung wäre. Im Austreiber (Kocher, Generator) wird das Kältemittel wieder aus dem kälte­ mittelreichen Lösungsmittel ausgetrieben. Dazu wird thermische Energie, Abwärme hoher Temperatur oder Verbrennungswärme eines geeigneten Brennstoffs benötigt. Diese thermische Energie stellt die hauptsächliche Antriebsenergie einer Absorptionswärmepumpe dar. Das ausgetriebene Kältemittel strömt in den Verflüssiger, wo es unter Wärmeabgabe kondensiert. Das nun kältemittelarme Lösungsmittel wird im ­Lösungsmittelventil wieder auf Verdampfungsdruck entspannt, nimmt im Verdampfer Umweltwärme auf und wird danach dem Absorber zugeführt. L E B O R ESEP t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen Die Absorptionswärmepumpe kann mit praktisch allen Arten thermischer Energie mit einem ausreichend hohen Temperaturniveau betrieben werden und zeichnet sich durch einen sehr wartungsarmen Betrieb aus, da außer der Lösungsmittelpumpe keine bewegten Teile eingesetzt werden. Absorptionswärmepumpen werden häufig in der Industrie eingesetzt, wo Wartungsarmut und Abwärmenutzung eine wichtige Rolle spielen. Energetisch haben Absorptionswärmepumpen mit zum Beispiel einer direkten Erdgasverbrennung Nachteile gegenüber einer gasmotorischen Wärmepumpe. Kann allerdings Abwärme hoher Temperatur genutzt werden, wird kein weiterer Brennstoff verbraucht. Absorptionswärmepumpen kleiner Leistung für die private Wärme­ versorgung befinden sich noch im Entwicklungs- und Erprobungsstadium. Gerade in jüngster Zeit sind jedoch Praxiserprobungen erfolgreich verlaufen, so dass mit einer baldigen Markteinführung gerechnet werden kann. Eine besondere Bauform der Absorptionswärmepumpe ist die Diffusions-Absorp­tionswärmepumpe (DAWP). Die DAWP wird ebenfalls mit Erdgas beheizt und kommt unter Ausnutzung der freien Konvektion mittels eines Hilfsgases ganz ohne bewegte Teile aus. Dadurch arbeitet sie fast geräuschlos und benötigt nur wenig Wartungs- und Reparaturaufwand. Feldtests werden in den Niederlanden und Deutschland in Kombination mit einem normalen Gasheizkessel durchgeführt. Entsprechend den erreichten Heizzahlen von 1,5 bis 1,6 betragen die Gaseinsparungen rund ein Drittel. Die DAWP wird aber aufgrund ihres besonderen Betriebsverhaltens nur in Kombination mit einem konventionellen Wärmeerzeuger einsetzbar sein. Die bisher erreichte Heizleistung pro DAWP-Modul liegt bei 3,6 kW. E B O R ESEP L Abb. 13: Diffusions-Absorptionswärmepumpe – Kreislaufschema 21 heizen mi t wä r mepumpen Adsorptionswärmepumpe Die Adsorptionswärmepumpe basiert ebenfalls auf einem Wärmepumpenprozess mit thermischem Verdichter, im Unterschied zur Absorption wird ein Feststoff zur kurzzeitigen Speicherung verwendet, z. B. Zeolith. Mittels des physikalischen Effektes lagern derartige Stoffe mit großen inneren Oberflächen Flüssigkeit adhäsiv an (Quellenseite) und geben sie bei Wärmezufuhr wieder ab. Es werden zwei Adsorptions-Module benötigt, da es sich um eine diskontinuierliche Betriebsweise mit Belade- und Entlade­zyklus handelt. Es werden keine bedenklichen Stoffe für den Prozess eingesetzt und vergleichsweise gute primärenergetische Nutzungsgrade im Bereich von 135 % sollten im Jahresmittel möglich sein. Neuere Adsorptionswärmepumpen befinden sich derzeit im Teststadium. 22 Abb. 14: Adsorptionsprozess Vuilleumier-Wärmepumpen Ähnlich wie im Stirling-Prozess wird als Kältemittel ein Gas verwendet, das nicht verflüssigt oder verdampft wird, sondern unter Temperaturänderung Wärme aufnimmt oder abgibt. Die Vuilleumier-Wärmepumpe wird von Wärme angetrieben, die dem ­Aggregat von außen z. B. durch einen Gasbrenner zugeführt wird. Im Gegensatz zur Verbrennungsheizung wird hier der Energiegehalt des Verbrennungsgases als Antriebs­ energie benutzt, um Umweltwärme aus der Luft oder anderen Wärmequellen zu erschließen. Die Vuilleumier-Wärmepumpe besteht aus zwei hintereinander geschalteten thermischen Verdichtern, die 90°-phasenverschoben zueinander angeordnet sind. Durch zwei Verdränger wird ein konstantes Arbeitsvolumen in drei veränderliche ­Einzelvolumina unterteilt. Als Arbeitsgas verwendet man Helium, da es eine geringe Viskosität und Wärmeleitfähigkeit aufweist und sicherheitstechnisch wie ökologisch unbedenklich ist. Das heiße Temperaturniveau wird durch Brennstoffwärme gespeist, L E B O R ESEP t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen das kalte Temperaturniveau durch die Wärmequelle. Als Ergebnis kann an dem mittleren warmen Temperaturniveau Wärme zu Heizzwecken ausgekoppelt werden. Je nach Anwendungsfall werden Primärenergienutzungsgrade bis 168 % erreicht. Wesentlicher Grund dafür, dass Vuilleumier-Wärmepumpen bisher noch keine Anwendung im Heizungssektor gefunden haben, dürften die hohen Anforderungen an die Standfestigkeit, die Dichtigkeit des Aggregates und die daraus resultierenden Kosten sein. Ausland In den USA, in Japan, in den südeuropäischen Ländern und in allen Ländern mit Klimatisierungsbedarf, versteht man heute unter Wärmepumpen vor allem umschaltbare Klimageräte, die im Sommer Kälte und im Winter Wärme erzeugen. Im Allgemeinen kommen Luft / Luft-Systeme, meist in Split-Ausführung zur Anwendung. In letzter Zeit gewinnen auch erdgekoppelte Systeme vor allem in den USA und in Australien zunehmend an Bedeutung. Im Gegensatz zu Deutschland liegen in Japan und den USA vor allem gasbetriebene Wärmepumpen kleinerer und mittlerer Leistung im Gewerbebereich im ­Aufwärtstrend. Die hier gemachten Erfahrungen sprechen eindeutig auch für einen Einsatz in Deutschland, jedoch liegt das Schwergewicht der Anwendung hier noch weit überwiegend im Sektor Ein- und Zweifamilienhäuser. Die Situation der Wärmepumpe wird auch durch die sehr unterschiedlichen Energieträger zur Erzeugung des Stroms beeinflusst. Während in Norwegen fast ausschließlich Wasserkraft zur Stromerzeugung genutzt wird, besteht in Frankreich, Schweden und der Schweiz die Stromproduktion etwa zur Hälfte aus Kernenergie und aus ­Wasserkraft. Hierdurch ist in diesen Ländern die Akzeptanz der Elektrowärmepumpe in der Politik wesentlich größer als in Deutschland, wo durch den Kohleeinsatz Primär­ energieverbrauch und CO2-Emissionen geprägt werden. In Schweden begann der Einsatz von Wärmepumpen in den vorhandenen Fernwärmenetzen, die im Gegensatz zu Deutschland nur sehr wenig durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), häufig jedoch durch Elektrokessel versorgt wurden. Spezifisch sehr kostengünstige Großanlagen bis 160 MW thermischer Leistung nutzen Abwasser und Seewasser als Wärmequelle. Heutzutage verfügen praktisch alle Fernwärmenetze in Schweden über eine Wärmepumpe. Ferner werden dort in zunehmendem Maße elektrische Direktheizungen zur Gebäudebeheizung durch Wärmepumpen ersetzt. E B O R ESEP L In den Niederlanden hat die Politik erkannt, dass das heimische Erdgas über den Umweg Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk (GuD-Kraftwerk) und Elektro-Wärmepumpe wesentlich besser als bei direkter Verbrennung genutzt werden kann. Dabei sind Gas­ ersparnisse von etwa 50 % zu erreichen. 23 heizen mi t wä r mepumpen Nicht zuletzt spielen auch die Einsatzbereitschaft und Innovationsfreudigkeit der ­Bevölkerung sowie der Stellenwert des Umweltschutzes, besonders in der Politik, eine Rolle. So ist es in der Schweiz beispielhaft gelungen, den Rückgang des Wärmepum­ pen­absatzes, der wie in Deutschland begann, durch Mobilisierung von Gesellschaft, Fachbetrieben und Politik aufzufangen. Heute werden bereits mehr als 70 % aller Neubauten von Ein- und Mehrfamilienhäusern in der Schweiz mit Wärmepumpen aus­ gestattet. 24 In Deutschland wurde dagegen die Energiepolitik seit vielen Jahren durch die Kern­ energiediskussion beeinflusst. Dabei litt das Image der elektrischen Energie. Die durch den rationellen Stromeinsatz möglichen Primärenergieeinsparungen und CO2-Emissions­ minderungen mit Hilfe von Wärmepumpen wurden nicht erkannt. Bei den schätzungs­ weise heute (Jahr 2005) über 110 000 Betreibern von Wärmepumpen ist dagegen die Zufriedenheit, wie Befragungen immer wieder ergeben, sehr hoch. Sie schätzen ins­ besondere die umweltfreundliche Heizung und deren niedrige Energiekosten. 1.5 Kältemittelauswahl 1.5.1 Rückblick Situation durch das Verbot von ozonschädigenden Kältemitteln Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) waren seit den 30er-Jahren des letzten Jahrhunderts für die Kälte- und Wärmepumpentechnik aufgrund ihrer Reaktionsträgheit ideale, nicht brennbare und ungiftige Kältemittel. Die durch Leckagen in die Atmosphäre emittierten langlebigen Moleküle erreichen jedoch nach rund einem Jahrzehnt die Stratosphäre und zerstören dort durch ihren Chlorgehalt in einem bedrohlichen Ausmaß die Ozonschicht der Erde. Diese Ozonschicht schützt die Erde vor der für Fauna und Flora gefährlichen Ultraviolettstrahlung der Sonne. Aus diesem Grund wurde die Verwendung der FCKW im Montreal-Protokoll von 1987 geregelt, was schließlich in Deutschland ab 1995 zu einem Verbot der vollhalogenierten FCKW, wie z. B. R12 (C2F2Cl2), R114 (C2F4Cl2) und R502 [Mischung aus R22 (CHF2Cl) und R115 (C2F5Cl)] in Neuanlagen führte. L E B O R ESEP Auch die teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffe H-FCKW, wie z. B. R22, die aufgrund ihres Wasserstoffanteils im Molekül nicht so reaktionsträge wie die FCKW sind und daher wegen ihrer geringeren Lebensdauer in der Atmosphäre ein gegenüber jenen nur 5 bis 10 % iges Ozonzerstörungspotenzial (ODP) aufweisen, wurden ab 1994 durch Ergänzungen des Montreal-Protokolls weltweit und durch europäische sowie nationale Regelungen in ihrer Verwendung begrenzt. t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen Die Bundesrepublik Deutschland hatte bereits 1989 in ihrer FCKW-Halon-Verbots-Verordnung festgelegt, das Kältemittel R22 ab 2000 in Neuanlagen zu verbieten. Ab 2010 wird R22 nicht mehr als Kältemittel (Neuware) für Servicezwecke zur Verfügung stehen. Die Kältemittel R12, R22, R502 und R114 waren in der Vergangenheit die wichtigsten Kältemittel, die ersten drei vornehmlich für Wärmepumpen im Gebäudebereich, das letztere für industrielle Hochtemperaturwärmepumpen im Bereich von ca. 100°C. 1.5.2 Derzeitige Situation Alle heute in Deutschland zulässigen Kältemittel für Neuanlagen haben kein Ozon­ zerstörungspotenzial (ODP = 0). Das Montreal-Protokoll von 1987 führte zu dem Ergebnis, dass nach den derzeitigen Erkenntnissen (2005) ein weiterer Ozonabbau gestoppt werden konnte. 1.5.3 Einteilung nach der Unfallverhütungsvorschrift Die Kältemittel werden nach der Berufsgenossenschaftsvorschrift BGV D4 (früher VGB 20) in drei Gruppen eingeteilt: Gruppe 1: Gruppe 2: Gruppe 3: Unter atmosphärischen Bedingungen nicht brennbar, z. B. R134a, R407C, R404A, R507, R410A. Explosionsgrenze im Gemisch mit Luft von mindestens 3,5 Vol.-%, z. B. R32, R717 (Ammoniak) Explosionsgrenze im Gemisch mit unter 3,5 Vol.-%, z. B. R600 (Butan), R290 (Propan), R1270 (Propen) 1.5.4 Chemische Einteilung und Bezeichnung Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW) Als Ersatzstoff für R12 wurde der teilfluorierte Stoff R134a (C2H2F4) entwickelt und ist seit über 15 Jahren erfolgreich im weltweiten Einsatz. Für die beiden Hochdruckkältemittel R22 und R502 konnte kein Einstoffkältemittel auf der Basis H-FKW gefunden werden. E B O R ESEP Es wurden verschiedene zeotrope bzw. azeotrope H-FKW-Kältemittelgemische identifi­ ziert, nämlich R407C und R410A als Gemische aus R32 (CH2F2), R125 (CH2HF5) und R134a (C2H2F4) sowie aus R143a (C2H3F3), R125 und R134a die Gemische R404A und R507A. L Die Kältemittel der 400er-Reihe stellen zeotrope, die der 500er-Reihe azeotrope ­Ge­mische dar. Zeotrope Kältemittelgemische verdampfen und kondensieren in einem Temperaturbereich (Temperaturgleit) infolge der dabei stattfindenden Konzentra­tions­ verschiebungen, was besonders bei der Wärmeaustauscherauslegung zu berücksich­ 25 heizen mi t wä r mepumpen tigen ist. Bei Leckagen können weiterhin Konzentrationsänderungen des verbleiben­den Gemisches mit entsprechenden Änderungen der thermodynamischen Eigen­schaften stattfinden. Für R114 wurden verschiedene teilfluorierte Propan- und Butanabkömmlinge wie R236fa, R245fa sowie R365 entwickelt. 26 Kohlenwasserstoffe (KW) Als Ersatzstoffe für die FCKW und H-FCKW wurden R290 (Propan) und Propen in Wärmepumpen eingesetzt. Dies wird dadurch begünstigt, dass diese Einstoffkältemittel als Ersatz für R22 und R502 etwa die gleiche Drucklage aufweisen, mit den gleichen Schmierölen, jedoch wegen der stärkeren Kältemittellöslichkeit mit etwas höherer Viskosität verwendet werden können. Der entscheidende Grund, der eine Verwendung von Kohlenwasserstoffen einschränkt, ist ihre Brennbarkeit. Sie gehören zur Gruppe 3 nach der Unfallverhütungsvorschrift und weisen somit das höchste Gefährdungspotenzial auf. Im BGV D4 (früher: UVV VBG 20) sowie DIN 7003 (Entwurf) nach DIN EN 378-3 werden die sicherheitstechnischen Anforderungen beim Einsatz von Kältemitteln der Gruppe 3 festgelegt. Dazu gehören z. B. spezielle Anforderungen in Bezug auf Aufstellung und Belüftung der Anlage (evtl. Gassensor), die verwendeten Rohr- und Schlauchleitungen, die Elektronik und die Instandhaltung sowie evtl. Sicherheitseinrichtungen gegen Drucküberschreitung. Die Wirksamkeit der Maßnahmen hinsichtlich Aufstellung und Belüftung sollte im Einzelfall geprüft werden, wobei Art und Umfang der zu ergreifenden Sicherheitsvorkehrungen auch vom Aufstellungsort und der Füllmenge an Kältemittel abhängen. Da durch Normung bisher nur die Verwendung von Kältemitteln der Gruppe 3 in Anlagen mit einer maximalen Füllmenge von 150 g abgedeckt ist, bestehen vielfach wegen des unklaren Produkthaftungsrisikos bei den Komponentenherstellern (Verdichter etc.) Vorbehalte gegenüber diesen Kohlenwasserstoffen (mögliche Mithaftung im Schadensfall). L E B O R ESEP Anorganische Kältemittel R717 (Ammoniak) R717 (NH3) ist ein traditionelles Kältemittel. Es kommt zur Anwendung in Kaltdampfkompressions- und Kaltdampfabsorptionsanlagen. Aufgrund seiner energetischen Vorteile wird Ammoniak vor allem in Großanlagen eingesetzt und erreicht mit neuen Hochdruckverdichtern Heiztemperaturen von ca. 70°C, womit auch die Möglichkeit zur Einspeisung von Abwärme in Fernheiznetze besteht. t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen Bei der Freisetzung in die Atmosphäre ist es jedoch für die unmittelbare Umwelt ein Risikostoff, da es hochgiftig und brennbar ist. Der MAK-Wert beträgt 50 ppm. Die ­ Geruchsschwelle liegt bei 5 ppm. Einatmen von R717 löst Erstickungserscheinungen und Panikreaktionen aus. Aufgrund seiner Eigenschaften ist es gemäß der BGV D4 in der Gruppe 2 eingestuft. Maschinenräume und Aufstellungsorte müssen bestimmten ­Anforderungskriterien genügen. Weiterhin sind Maßnahmen gegen Grundwasser­ gefährdung vorzusehen. Alle Anlagen mit R717 müssen buntmetallfrei ausgeführt sein, da Ammoniak bei Anwesenheit von Wasser mit Kupfer reagiert. Deshalb werden in der Regel auch keine hermetischen Motorverdichter mit Kupferwicklungen verwendet (es sei denn in besonderen Konstruktionen mit Aluminiumwicklungen; derzeit aber kein Serienprodukt), sondern so genannte „offene“ Verdichter mit Gleitring-Wellendichtung. Diese haben den Nachteil geringer Leckagen, was den Einsatz von R717 nur bei großen, gut gewarteten Wärmepumpenanlagen erlaubt. Weiterhin wird R717 im Stoffpaar NH3-H2O bei Absorptionswärmepumpen als bevorzugtes Kältemittel eingesetzt. R744 (Kohlendioxid) Kohlendioxid R744 (CO2) ist aus ökologischer und sicherheitstechnischer Sicht ein nahezu ideales Kältemittel. Es ist preiswert, chemisch inaktiv und daher weder giftig noch brennbar und hat ein im Vergleich zu H-FKW-Kältemitteln vernachlässigbares Treib­ hauspotenzial. Es gibt daher keine Notwendigkeit zur Rückgewinnung oder Entsorgung. Aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften von R744 (sehr hohe volumetrische Heizleistung, hoher Wärmeübergangskoeffizient) ist die R744-Wärmepumpe geeignet, hohe Vorlauftemperaturen zu liefern, wie sie für Heizsysteme im Altbaubereich typisch sind oder zur Warmwasserbereitung benötigt werden. Im Rahmen eines europäischen Forschungs- und Demonstrationsvorhabens (COHEPS I und II) wurde vom FKW Hannover eine CO2-Heizwärmepumpe mit höheren Vorlauftemperaturen als Ersatz für konventionelle Ölheizkessel entwickelt und seit 2002 in einem Einfamilienhaus durch E.ON betrieben. E B O R ESEP L Abb. 15: CO2-FKW / KK Wärmepumpe (links: Innengerät mit Verdichter und Gaskühler, rechts: Außengerät mit Verdampfer) 27 heizen mi t wä r mepumpen Die Erfahrung dieser weltweit ersten CO2-Heizwärmepumpe dient als Ausgangspunkt für weitere Entwicklungen im Rahmen eines vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten deutschen Forschungsvorhabens. In Japan werden CO2-Wärmepumpen zur Brauchwassererwärmung und Badbe­heizung in großen Stückzahlen eingesetzt. Nachteilig für den Einsatz sind die erforderlichen hohen Drücke, die besondere Anforderungen an technische Komponenten wie Verdichter und Wärmeübertrager stellen. Letztlich kann die Anlage mit kleineren Verdichtern und geringeren Rohrquerschnitten kompakt gebaut werden. 28 Setzt man R744 als Kältemittel in Wärmepumpen ein, so ist mit Blick auf die Prozessführung die kritische Temperatur entscheidend. Sie liegt für R744 bei 31°C. Oberhalb dieser Temperatur ist R744 auch unter Anwendung höchster Drücke nicht mehr zu verflüssigen. Daraus ergeben sich für die Prozessführung oberhalb der kritischen Temperatur Besonderheiten. Zum einen erreicht man nach der Verdichtung hohe Endtemperaturen, die bei vielen Anwendungen ungenutzt bleiben. Zum anderen tritt nach der Verdichtung bei der Wärmeabgabe nicht wie bei anderen Kältemitteln die Kondensation des Kältemittels bei konstanter Temperatur ein. Vielmehr findet nach der Verdichtung im Wärmeübertrager eine isobare Abkühlung unter „stark gleitender“ Temperatur statt. Der Wärmeaustauscher wird als Gaskühler bezeichnet. Wenn Wasser im Gegenstrom über einen gleichen Temperaturbereich erwärmt werden kann, können die Wärmeaustauscherverluste stark verringert werden, wodurch eine höhere Leistungszahl erreicht werden kann. R744 ist daher besonders für Wasser­ erwärmung mit großen Temperaturdifferenzen, z. B. bei Brauchwasser auf 70°C geeignet oder für eine größere Spreizung des Heizungswassers zwischen Vor- und Rücklauf. Auch kombinierte Heiz- und Brauchwasserwärmepumpen könnten die besonderen Eigenschaften des R744 energetisch vorteilhaft nutzen. E B O R ESEP R718 Wasser Das Kältemittel bzw. Arbeitsmittel Wasser ist für Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes einsetzbar, das heißt bei entsprechender Wärmequelle und in wärmeren ­Klimazonen. Da Kältemittel und Kälteträger nicht getrennt werden müssen, können übliche Wärmeübertrager eingespart werden. Die Folge ist, dass eine höhere ener­ getische Effizienz auch bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen Verdampfungs­ temperatur und gewünschter Kälteträgertemperatur erreicht wird. L t her mo dy n a mis ches heizen mi t wä r mepumpen Die geringe volumetrische Wärmeleistung erfordert die Verdichtung größerer Volumenströme, z. B. durch Turboverdichter, die allerdings nur für sehr große Heizleistungen eingesetzt werden. Obwohl die Wasser-Kompressionsanlagen eine neue Entwicklung darstellen, sind schon einige wenige Anlagen mit sehr großen Leistungen erfolgreich im Einsatz. Eine abschließende Übersicht der Arbeitsmittel gibt folgende Tabelle. Kältemittel Formel GWP Brennbarkeit Toxizität NSP °C R134a C2H2F4 1 300 nein gering -26,3 R404A R125 / R134a / R143a 44 / 4 / 52 Mass.-% 3 260 nein gering -46,5 / -46,0 R407C R32 / R125 / R134a 23 / 25 / 52 Mass.-% 1 530 nein gering -44,3 / -37,1 R410A R32 / R125 50 / 50 Mass.-% 1 730 nein gering -50,5 / -50,3 R290 Propan C3H8 3 ja gering -42,1 R1270 Propen C3H6 3 ja gering -48 R717 Ammoniak NH3 0 ja ja -33,3 R718 Wasser H2O 0 nein nein 100 R744 Kohlendioxid CO2 1 nein nein -78,4 Global Warming Potential GWP-Wert bezogen auf CO2 (100 Jahre) NSP Normalsiedepunkt Abb. 16: Vergleich ausgewählter Eigenschaften typischer Arbeitsmittel Situation durch Emissionsminderung klimawirksamer Treibhausgase Zur Verminderung der Treibhausgasemissionen wurde nach dem Montreal-Protokoll (1987) das Kyoto-Protokoll im Jahr 1997 unterzeichnet. Es läuft im Jahre 2012 aus, Folgeregelungen werden derzeit verhandelt. L E B O R ESEP Das Kyoto-Protokoll umfasst die natürlichen Stoffe Kohlendioxid (CO2), Stickoxide (N2O) und Methan (CH4) sowie die synthetischen Stoffe der perfluorierten Kohlen­ wasserstoffe PFKW und teilfluorierten Kohlenwasserstoffe HFKW sowie Schwefel­ hexafluorid SF6. Somit sind auch die Fluorkohlenwasserstoffe als Ersatzstoffe für die früheren FCKW und H-FCKW in den Emissionsregelungen des Kyoto-Protokolls erfasst. 29 heizen mi t wä r mepumpen Mit der Genehmigung des Protokolls von Kyoto durch die Europäische Union (25.4.2002) wurde eine Verordnung zur Emissionskontrolle [Verordnung (EG) Nr.842 / 2006] über bestimmte fluorierte Treibhausgase verabschiedet. Diese Verordnung regelt u. a. die Reduzierung von Emissionen, Rückgewinnung, Ausbildung und Zertifizierung sowie die Kennzeichnung. 30 Aus diesem Grund hat sich die Aufmerksamkeit der Wärmepumpentechnik auf die natürlichen Stoffe als Kältemittel gerichtet. Die vorstehenden Diskussionen dieser Stoffe zeigen jedoch ihre begrenzte, nischenhafte Eignung für Wärmepumpen. ­Deshalb ist das eine Ziel, durch besondere konstruktive Maßnahmen Emissionen zu verhindern und Kontrollen durchzuführen. Weiterhin werden derzeit intensive Entwicklungen durchgeführt, die das Ziel haben, Kältemittel mit niedrigem Treibhaus­ potential zu finden. Erste Erfolge zeichnen sich ab. L E B O R ESEP
