Leseprobe Wärmepumpen

Informationspaket
Wärmepumpen
Heizen mit Umweltenergie
4., erweiterte und vollständig überarbeitete Auflage
Michael Baumann
Hans-Jürgen Laue
Peter Müller
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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
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Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier.
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ISBN-10: 3-934595-60-X
ISBN-13: 978-3-934595-60-6
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© 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
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72
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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
............................................................................................................................................
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. .............................................................................................................................................
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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.
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FIZ Karlsruhe GmbH
Gesellschaft für wissenschaftlich-technische Information mbH
BINE Informationsdienst
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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).
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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].
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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
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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.
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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
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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.
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„Erdwärme“ an der Heizenergie .
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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.
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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).
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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).
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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Abb. 8: Rohrbündel-Wärmeübertrager
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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
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Hubkolben
Rollkolben
Scroll
Schraube
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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Abb. 13: Diffusions-Absorptionswärmepumpe – Kreislaufschema
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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,
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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).
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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.
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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.
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Abb. 15: CO2-FKW / KK Wärmepumpe
(links: Innengerät mit Verdichter und Gaskühler,
rechts: Außengerät mit Verdampfer)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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