PDF-Dokument - BINE Informationsdienst
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BINE Informationsdienst ▼ Warmwasserbereitung in ihrer Dynamik mit angepassten Wärmepumpen-Konzepten besser beherrschbar ▼ Warmwasserspeicherung erfordert spezielle Beladestrategie zur Effizienzerhöhung ▼ Abb 1 Versorgung eines zweiten Heizkreises auf höherem Temperaturniveau ohne Effizienzverluste möglich ▼ Neue Wärmepumpen-Konzepte für energieeffiziente Gebäude Neue Wärmepumpen-Konzepte werden in Kürze im Feldtest erprobt Optimierte Wärmepumpen-Konzepte können dazu beitragen, die speziellen Erfordernisse für Heizung und Warmwasserbereitung in energieeffizienten Gebäuden einzulösen. Sie befinden sich derzeit noch in der Erprobungsphase. (Foto: Initiativkreis Wärmepumpe) D ie energetische Effizienz von Wärmepumpen wurde in den letzten Jahren wesentlich verbessert. Der Einsatz insbesondere erdgekoppelter Wärmepumpen in Gebäuden, die zumindest die Anforderungen der Wärmeschutz-Verordnung von 1995 erfüllen, bietet große Chancen: Wärmepumpen sind in der Regel klein, kompakt und gut in Konzepte der Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung einzubinden. Problematisch hingegen kann ihre Anwendung zur Warmwasserbereitung sein. Im privaten Wohnungsbau dominiert die strombetriebene Kompressions-Wärmepumpe; insgesamt liegt der Anteil dieser Beheizungsart jedoch erst bei etwa 2% der Ein- und Zweifamilienhaus-Neubauten. Moderne Wärmepumpensysteme gewinnen ihre Wärme zumeist mit Erdsonden oder Erdkollektoren und sind an eine Niedertemperatur-Flächenheizung, z.B. Fußbodenheizung, angeschlossen. Künftig höhere Kraftwerks-Wirkungsgrade in der Stromerzeugung werden die primärenergetische Bilanz der Wärmepumpe weiter verbessern. Daneben hat die Wärmepumpe als Energiewandler noch ein großes Potenzial zur Effizienzsteigerung. Neben der Reduzierung innerer Verluste (z.B. bei der Drosselentspannung) kommt der Verringerung der Verluste bei der Wärmeübertragung vom Kältemittel auf das Nutzmedium eine wichtige Rolle zu. In energieeffizienten Gebäuden haben auf niedrigem Bedarfsniveau Transmission, Lüftung und Warmwasserbereitung etwa den gleichen Stellenwert. Insbesondere die Integration von Wärmepumpen immer kleinerer Leistung in die Warmwasserbereitung sowie die Versorgung höher temperierter Heizkreise erfordert eine sorgfältige Auslegung der einzelnen Komponenten und eine exakte Feinabstimmung des Gesamtsystems aus Wärmequelle, Wärmepumpe, Wärmeverteilung und Gebäude. Denn im Vergleich zur Heizwärme muss die Leistung zur Deckung des dynamisch anfallenden Warmwasserbedarfs deutlich höher sein. Dies stellt hohe Anforderungen an die Regelung. Mit Unterstützung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) wurden an der Technischen Universität Dresden neue Wärmepumpen-Konzepte entwickelt und optimiert. Anliegen des Projekts war auch deren Anpassung an die Anforderungen von Niedrigenergiehäusern. ▼ ■ Einsatz moderner Leistungsregelung Frequenzregelung: Der Kältemitteldurchsatz wird von einem drehzahlgeregelten Kompressor gesteuert. Der Vorteil sind höhere Leistungszahlen, da die Wärmepumpe im Teilleistungsbereich kleinere Temperaturhübe bewältigen muss. Zudem erübrigen sich Pufferspeicher und Mischer; die Wärmepumpe wird direkt an das Heizungsnetz angeschlossen. Pulsbreitenmodulation: Hier ist nicht wie bei konventionellen Reglern die Vorlaufoder Rücklauftemperatur Regelgröße, sondern die für einen längeren Zeitabschnitt (z.B. für 24h) benötigte Wärmemenge. Vorteile sind neben der vollen Nutzung der Wärmekapazität von Gebäude und Verteilsystem die minimale Anzahl von Ein-/ Ausschaltungen sowie die optimale Nutzung der Heizbetriebsunterbrechungen für die Warmwasserbereitung. ▼ Der betriebsoptimierte Einsatz erdgekoppelter Wärmepumpen in Gebäuden schafft die Voraussetzung für die Anwendung moderner Regelungskonzepte. Diese haben sich von der konventionellen witterungsgeführten Heizungsregelung mit Energiekennlinien (oder "Heizkurve") gelöst. Daneben sollten Wärmepumpen - auch zur Senkung der Wartungskosten - mit einer automatischen Betriebsüberwachung ausgerüstet werden. In der Auslegung der AnlagenKomponenten sind Verluste durch Ein- und Ausschaltvorgänge zu berücksichtigen. Typische Ursachen für Effizienzdefizite ■ schlechte hydraulische Einbindung in das Wärmeverteilsystem ■ falsche Auslegung des Wärmeverteilsystems mit zu hohen Vor-/ Rücklauftemperaturen ■ falsch justiertes bzw. zu einfaches Regelungskonzept ■ zu häufiges Ein-/Ausschalten ■ nicht erkannte Fehlfunktionen bzw. Fehleinstellungen der Komponenten Anforderungen der Niedrigenergiebauweise Je kleiner der kontinuierlich anfallende Heizwärmebedarf, also die Grundlast, desto schwieriger ist die Spitzenlast für die Warmwasserbereitstellung abzudecken. Auch der Lüftung mit Wärmerückgewinnung kommt bei zunehmend hoher Dichtigkeit der Gebäudehülle eine größere Bedeutung zu. In nach dem Passivhauskonzept errichteten Gebäuden geht der Trend von Heizanlagen sehr kleiner Leistung bis hin zum gänzlichen Verzicht auf stationäre Heizsysteme. Sogenannte Lüftungs-Kompaktaggregate sind bereits am Markt erhältlich und vereinigen Luft/Luft-Wärmetauscher für die Wärmerückgewinnung aus der Abluft, Zuluft-Erwärmung über Nachheizregister, Warmwasserspeicher und Klein-Wärmepumpe in einer industriell gefertigten Funktionseinheit. Die Wärmepumpe führt ihre Wärme dem Warmwasserspeicher bzw. der Zuluft zu. Im Rahmen des BMWi-Leitprojektes "Neue Gesamtenergieversorgungskonzepte für Gebäude" (NEGEV) werden zur Zeit Prototypen von Lüftungs-Kompaktgeräten mit integrierter AbluftWärmepumpe entwickelt und erprobt, die neben der Lüftung auch die Brauchwasser-Erwärmung, Heizung, Kühlung sowie die Stromproduktion übernehmen. Abb 3 Lüftungskompaktgerät mit integrierter Abluft-Wärmepumpe (Foto: Maico GmbH) Neue Wärmepumpen-Konzepte Zur Verringerung der Verluste in Wärmepumpen-Kreisprozessen ist es einerseits nötig, deren bestimmende interne Einflüsse - relative Leistungszahl in [%] d.h. die Effizienz der jeweiligen Wärmepumpen-Schaltung entsprechend dem verwendeten Kältemittel - zu untersuchen. Andererseits bestimmen äußere Abb 4 Vergleich der relativen LeistungsFaktoren wie Wärmequelle zahlen für die Warmwasserbereitung und Wärmesenke die Ver180 dampfungs- bzw. KondensaWärmequelltemperatur 0°C Spreizung Wärmequellkreis 3 K 160 tionstemperaturen. Die WWB: 55 / 25°C Technische Universität Dres140 den hat in experimentellen 120 Untersuchungen mit zwei optimierten Wärmepumpen100 Schaltungen zum Teil deutli80 che Leistungszahlsteigerungen erreicht. 60 ■ Die Kombi-WärmeHeizung + WWB nur WWB 40 Heizkreis: 35 / 30°C pumpe Leistungsanteil WWB: 45% Dieses Konzept untermin. Sauggas20 überhitzung 10 K scheidet sich von her0 kömmlichen Wärmepumpen Sommerbetrieb Winterbetrieb durch die temperaturgestufte Zweikreis-WP Basis-WP Auskopplung der Wärme. 2 Abb 2 Detailansicht der WärmepumpenVersuchsanlage der TU Dresden ■ überdimensionierte Hilfsantriebe ▼ ▼ Optimierung der Wärmeversorgung BINE projektinfo 14/01 Im Ergebnis erhöht sich die nutzbare Heizleistung bei unveränderter Antriebsleistung und damit die Leistungszahl des Prozesses. Die Verluste bei der Wärmeübertragung auf das Nutzmedium und bei der Drosselentspannung des Kältemittels werden deutlich verringert, die insgesamt einzusetzende Antriebsenergie reduziert. Bei der KombiWärmepumpe lassen sich für die Warmwasserbereitung Leistungszahlsteigerungen von rund 20% erzielen. Hier liegt der eigentliche Vorteil. Denn für die Warmwasserbereitung sind - u.a. aus Hygienegründen (Legionellen) - Temperaturen von über 50°C erforderlich. ■ Die Zweikreis-Wärmepumpe Die Zweikreis-Wärmepumpe eignet sich für Heizungsvorlauftemperaturen unter 40°C. Ideal sind Fußbodenheizungen z.B. mit Auslegungstemperaturen von 35/30°C. Gegenüber herkömmlichen Wärmepumpen sind z.B. für die Warmwasserbereitung Innere Wärmeübertragung ▼ Die innere Wärmeübertragung vom Kondensat auf das Sauggas bewirkt eine Vergrößerung der nutzbaren Heizleistung. Sie bietet damit ein zusätzliches Potenzial zur Effizienzsteigerung für herkömmliche wie für optimierte Wärmepumpen-Schaltungen. die Leistungszahlen um ca. 10% im Vergleich zur Basis-Wärmepumpe. Daneben ermöglicht die ZweikreisWärmepumpe die Bereitstellung hoher Temperaturen in einem zweiten Heizkreis. Dazu wird die Wärme besonders effizient vom Kondensat auf den vom Verdichter angesaugten Dampf - das Sauggas - übertragen. Abb 5 Konzept der Zweikreis-Wärmepumpe WWB WÜ 5 WÜ 4 WÜ 3 WÜ 2 V1 EV M Der Wärmeübertrager WÜ 3 dient der Warmwasserbereitung, WÜ 5 gleichzeitig zur Heizung. Im inneren Wärmeübertrager WÜ 2 wird die maximal mögliche Wärmeleistung vom Kondensat auf das Sauggas übertragen (WÜ 4 der Versuchsanlage ist nicht in Betrieb). WÜ 1 Anwendungseffekte ■ Warmwasserbereitung Auf die Dauer der Speicherbeladung und die Effizienz der Kombi- wie der ZweikreisWärmepumpe haben die Bedingungen der Warmwasserbereitung entscheidenden Einfluss. An der TU Dresden wurde deshalb insbesondere das Zusammenspiel zwischen der Zweikreis-Wärmepumpe und dem Warmwasserspeicher untersucht. Für den Winterbetrieb ist die Beladung mit einer konstanten Vorlauftemperatur von z.B. 55°C die vorteilhafteste Lösung. Demgegenüber ist die Heizleistung im Sommer deutlich weniger stark vom Speicherladezustand abhängig. ■ Anforderungen an WarmwasserSpeicher In der Regel wird Warmwasser über einen Pufferspeicher bereitgehalten. Die Heizungsumwälzpumpe übernimmt im Sommerfall - wenn kein Heizwärmebedarf besteht und die Warmwasserbereitung nicht im Parallelbetrieb erfolgen kann - die Beladung des Speichers. Der Warmwasserspeicher ist erforderlich, da die Wärmepumpe nicht nach der Warmwasser-Leistung ausgelegt werden kann. Die hohen Lastspitzen - z.B. beim Duschen - sind durch die geringen Heizleistungen in energieeffizienten Gebäuden nicht abzudecken. Der EntladeWärmetauscher des Speichers muss eine ausreichend große Wärmeübertragerfläche haben, damit jederzeit zufriedenstellende Warmwassertemperaturen realisiert werden können. Der Belade-Wärmetauscher sollte weit in den Eintrittsbereich des Kaltwassers hinuntergezogen werden, um niedrige Rücklauftemperaturen zu ermöglichen. Denn diese sind entscheidend für die Speicherladezeiten. Durch die Anwendung des Speicherladeprinzips kann bei sachgerechter Systemauslegung die Effizienz der Warmwasserbereitung durch Wärmepumpen generell erhöht werden. Eine Beladung durch die Zwei- kreis-Wärmepumpe mit konstanter Vorlauftemperatur hat den Vorteil, dass sofort wieder Wasser bei gewünschter Vorlauftemperatur zur Verfügung steht. Die Speicherbeladung mit gleitender Vorlauftemperatur erfordert einen deutlich geringeren Aufwand. Der Preis dafür sind spürbare Komforteinbußen, denn es muss zuerst der gesamte Speicher aufgeladen werden, damit Wasser bei gewünschter Temperatur entnommen werden kann. ■ Direkte Warmwasserbereitung Die direkte Warmwasserbereitung gewährleistet - quasi im Durchlauferhitzer-Prinzip - die direkte Wärmeübertragung vom Kältemittel auf das Trinkwasser. Bei gleicher Kältemitteltemperatur sind somit höhere Warmwassertemperaturen zu erzielen. Das Gesamtsystem wird einfacher und kostengünstiger. Aus Sicherheitsgründen ist die direkte Warmwasserbereitung bei der Verwendung brennbarer Kältemittel jedoch nur eingeschränkt realisierbar. Die neue DIN EN 1717 enthält zulässige Höchstmengen für alle relevanten Kältemittel. Unabhängig davon besteht die erhöhte Gefahr der Verkalkung des Wärmeübertragers des zweiten Heizkreises auf Grund der hohen Temperaturen bei Durchströmung mit kalkreichem Trinkwasser. ■ Kombination von zwei Heizkreisen Bei der Kombination einer Fußbodenheizung mit einem Konvektor/RadiatorenHeizkreis muss für diesen ein Speicher installiert werden. Der Speicherladekreis erfordert ein Regelventil zur Einstellung der außentemperaturabhängigen Vorlauftemperatur. Für den Konvektor/RadiatorenHeizkreis selbst sollte eine drehzahlgeregelte Pumpe zum Einsatz kommen, um auch bei teilweise abgesperrten Heizkörpern die Rücklauftemperaturen niedrig zu halten. Hier ist ein hydraulischer Abgleich besonders wichtig. ■ Einfluss der Heizlast Bei außentemperaturgeführter Heizungsregelung ist die im Heiznetz erforderliche Temperatur veränderlich mit der Heizlast. Bei der Versorgung zweier unterschiedlich temperierter Heizkreise mit der ZweikreisWärmepumpe ändern sich die Leistungen in beiden Heizkreisen relativ wenig. Als Führungsgröße für die Steuerung der Wärmepumpe ist die Temperatur im Heizkreis 1 ausreichend. Die höhere Verdampfungsleistung und die niedrigere Antriebsleistung bewirken eine höhere Leistungszahl der Wärmepumpe im Teillastbereich der Heizung. Die Leistungszahl erhöht sich bei Halbierung der Heizlast um ca. 12%. Abb 6 Einfluss der Heizlast auf die Leistungszahl der ZweikreisWärmepumpe 6 5 Leistungszahl [-] ▼ im Winterbetrieb nur 40% der Antriebsleistung erforderlich; im Sommerbetrieb ca. 80%. Im reinen Heizbetrieb erhöhen sich Auslegungsbedingungen: Heizkreis 1: 35/30°C Heizkreis 2: 80/35°C Wärmequelltemperatur: 0°C 4 3 2 1 0 100% Heizlast 50% ■ Verlustanalyse Betrachtet man die einzelnen Wärmepumpen-Komponenten, so treten die größten Verluste an nutzbarer Energie (Exergie) im Verdichter auf, vor allem resultierend aus den Umwandlungsverlusten im Elektromotor. Entspannungsventil und Verdampfer sind weitere große Verlustquellen. Dagegen haben die untersuchten Wärmepumpen-Schaltungen sehr unterschiedliche Auswirkungen auf die Wärmeübertrager. Keine Rolle spielen Verluste an Druck- und Saugleitungen. BINE projektinfo 14/01 3 Für eine effiziente Anpassung erdgekoppelter Wärmepumpen an die Dynamik der Wärmebedarfsdeckung in energieeffizienten Gebäuden müssen eine Vielzahl von Einzelmaßnahmen in Betracht gezogen werden. Ihr Erfolg ist stark von den Anwendungsbedingungen abhängig: vom Wärmebedarf für Heizung und Warmwasser, dem Wärmepumpen-Konzept, der Wahl des Kältemittels etc. Ein hohes Potential liegt in der Systemgestaltung. Denn den Standard-Wärmepumpentyp für dieses Anwendungsfeld gibt es nicht. Neu entwickelte Wärmepumpen-Konstruktionen – insbesondere die ZweikreisWärmepumpe - werden in Kürze in Feldtests für den Betrieb erprobt. So eignet sich die Kombi-Wärmepumpe besonders für Heizungsvorlauftemperaturen über 40°C. Die Leistungszahlen lassen sich für die reine Warmwasserbereitung um ca. 20% steigern. Die Zweikreis-Wärmepumpe ist hingegen ideal für Fußbodenheizungen mit Auslegungstemperaturen von z.B. 35/30°C geeignet. Sie ermöglicht die effiziente Bereitstellung hoher Temperaturen in einem zweiten Heizkreis. Im reinen Heizbetrieb lassen sich um ca. 10% höhere Leistungszahlen im Vergleich zu herkömmlichen Wärmepumpen erreichen. Um besser auf Leistungs- und Lastspitzen reagieren zu können, erfordert die Nutzung der Wärmepumpe für die Warmwasserbereitung eine sorgfältige Auslegung sowie Feinabstimmung hinsichtlich Fahrweise, Beladung und Regelung. PROJEKTADRESSEN • Technische Universität Dresden Institut für Energietechnik Prof. Dr.-Ing. Joachim Zschernig Mommsenstr. 13 01062 Dresden • Buderus Heiztechnik GmbH Entwicklung TE Dr. H.-B. Grabenhenrich Justus-Kilian-Straße 1 35457 Lollar • DREWAG Stadtwerke Dresden GmbH HA Wärme Dr. Rutger Kretschmer 01065 Dresden ▼ ▼ Die geschilderten Optimierungsmaßnahmen bieten Herstellern eine Vielzahl von Hinweisen für die Konfektionierung der Anlagen. Dies ist notwendig, um die Einbindung der Wärmepumpe durch den Installateur möglichst einfach zu gestalten, ohne die Leistungsfähigkeit des Systems unnötig einzuschränken. Andererseits muss eine sorgfältige Auslegung aller Komponenten sowie die Einregelung des Gesamtsystems durch den HLK-Planer gewährleistet sein. Schließlich bietet das Zusammenspiel von Anlagen-Konfektionierung und individueller, gebäudebezogener Planung den beteiligten Architekten und Bauherren eine fundierte Entscheidungsmöglichkeit für die Wahl der passenden Versorgungslösung. ERGÄNZENDE INFORMATIONEN Literatur • Preußer, S. (Bearb.); Zschernig, J.: Wärmepumpenanlagen mit fortschrittlicher interner und externer Kreisprozeßgestaltung. Teil A – Fachbericht. Abschlussbericht zum BMWi-Forschungsvorhaben 0327217/9. Hrsg.: Technische Universität Dresden. Institut für Energietechnik. 31. Mai 2001. 144 S. u. 3 Anl. • Klingner, S.; Zschernig, J.: Effizient gestalteter Wärmepumpenprozess für die kombinierte Trink- und Heizwassererwärmung. BMFT-Forschungsvorhaben 0329867. Hrsg.: Technische Universität Dresden. Institut für Energietechnik. ca. 1996. 15 Bl. • Kruse, H. / Heidelck, R.: Heizen mit Wärmepumpen. BINE-Informationspaket. TÜV-Verlag, erscheint im I. Quartal 2002. ISBN 3-8249-0641-4 • Schulz, W. (Bearb.); Gregorzewski, A. (Mitarb.); Münch, D. (Mitarb.) u.a.: Energieeinsparung im Wohnungsneubau. Teil 2 Kosten-Nutzen-Verhältnisse bei Investitionen in elektrische Wärmepumpenheizungen und in Wärmerückgewinnungsanlagen sowie Vergleich dieser Systeme mit Wärmeschutzmaßnahmen und thermischen Solaranlagen. Hrsg.: Bremer Energie-Institut. Sept. 1998. 118 S. Service • Weitere Projekt-Infos zum Thema “Wärmepumpe“ sowie ergänzende Informationen wie Literatur, Adressen, Ansprechpartner und Internet-Links sind abrufbar unter www.bine.info, „Service/InfoPlus“. 4 BINE projektinfo 14/01 ■ Förderung Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) 11019 Berlin Projektträger Jülich (PTJ) des BMWi Forschungszentrum Jülich GmbH Dr. Claus Börner 52425 Jülich ■ Förderkennzeichen 0327217 IMPRESSUM ■ ISSN 0937 – 8367 ■ Herausgeber Fachinformationszentrum Karlsruhe, Gesellschaft für wissenschaftlich-technische Information mbH 76344 Eggenstein-Leopoldshafen ■ Nachdruck Nachdruck des Textes nur zulässig bei vollständiger Quellenangabe und gegen Zusendung eines Belegexemplares; Nachdruck der Abbildungen nur mit Zustimmung der jeweils Berechtigten. ■ Redaktion Uwe Friedrich BINE – INFORMATIONEN UND IDEEN ZU ENERGIE & UMWELT BINE ist ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderter Informationsdienst. BINE informiert über neue Energietechniken und deren Anwendung in Wohnungsbau, Industrie, Gewerbe und Kommunen. BINE bietet Ihnen folgende kostenfreie Informationsreihen ■ Projekt-Infos ■ Profi-Infos ■ basisEnergie Nehmen Sie mit uns Kontakt auf, wenn Sie vertiefende Informationen, spezielle Auskünfte, Adressen etc. benötigen, oder wenn Sie allgemeine Informationen über neue Energietechniken wünschen BINE Informationsdienst Fachinformationszentrum Karlsruhe Büro Bonn Mechenstr. 57 53129 Bonn Fon: Fax: 0228 / 9 23 79-0 0228 / 9 23 79-29 eMail: [email protected] Internet: www.bine.info eden design, bonn ▼ PROJEKTORGANISATION Fazit
