Thema: Energienutzung mit Wärmepumpen

Wärmepumpen als Effizienz-Maschinen

Mit richtig dimensionierten Wärmepumpen lässt sich die Energieeffizienz bei der Wärme- und Kälteversorgung deutlich steigern.

Beispiele für deren Einsatz und Tipps zur richtigen Dimensionierung wurden kürzlich auf einer Tagung von BHKW-Consult in Fürth vorgestellt. „Es ist erschreckend, wie viele Fehler bei der Installation gemacht werden“, fasste Thomas Kramer vom Freiburger Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) seine Erfahrungen mit elektrisch angetriebenen Wärmepumpen-Anlagen zusammen. Das ISE hatte zwei große Monitoring-Projekte wissenschaftlich begleitet, eine Untersuchung der Eon Energie AG mit 80 Wärmepumpen in nicht modernisierten Bestandsgebäuden (die Wärmepumpen ersetzten nur den Ölkessel), und eine mit 110 Aggregaten in neuen Einfamilienhäusern. Am letzten Monitoring-Projekt waren sieben Wärmepumpen-Hersteller und zwei Energieversorger beteiligt. Ermitteln wollte man jeweils die Jahresarbeitszahlen im alltäglichen Betrieb.

Diese Arbeitszahlen sind mit 3,8 im Durchschnitt am besten bei Neubauten, in denen Wärmepumpen eingesetzt werden, die das Erdreich als Wärmequelle nutzen (Sole/Wasser-Wärmepumpen). Auch im Altbaubestand erreicht man mit diesen Aggregaten nach der ISE-Untersuchung noch Werte von 3,34. Auch Wärmepumpen, die Grundwasser nutzen und im Neubau eingesetzt sind, erreichen durchschnittliche Werte von 3,47; hier könnte die Energieausbeute besser sein, wenn die Brunnenpumpe nicht meist überdimensioniert wäre, stellte Kramer fest.

Für das EEWärmeG nicht gut genug

Nicht so gut funktionieren Aggregate, die Luft als Wärmequelle nutzen. Sind sie im Neubau eingesetzt, erreichen sie durchschnittlich noch eine Arbeitszahl von 3, im Gebäudebestand nur noch von 2,58. Berücksichtigt man den Gesamtwirkungsgrad bei der Stromerzeugung, dann sparen elektrisch angetriebene Wärmepumpen mit Arbeitszahlen von 3 oder schlechter keine Primärenergie mehr ein. Im Erneuerbare Energien Wärmegesetz (EEWärmeG) ist deswegen auch festgelegt, dass Umweltwärme dann die gesetzlichen Anforderungen erfüllt, wenn bei elektrisch angetriebene Wärmepumpen Jahresarbeitszahlen von mindestens 3,5 erreicht werden. Wird auch das Brauchwasser durch die Wärmepumpen geheizt, muss die Arbeitszahl mindestens 3,3 betragen, erläuterte Markus Gailfuß von BHKW-Consult die Details des Gesetzes, das erneuerbare Energien stärker in den Markt für Gebäudebeheizung bringen soll. Für ISE-Wissenschaftler Kramer zeigen die ersten Zwischenergebnisse der Messungen, dass Sole/Wasser-Wärmepumpen die Forderungen des EEWärmeG erfüllen können, die Luftanlagen aber zumeist nicht.

Die schlechten Arbeitszahlen der Wärmepumpen liegen meist an der Ausführung der Anlagen und an der Regelung. Oft fand Kramer falsch eingestellte Heizkurven, oft sind die Volumenströme auf der Primär- wie Sekundärseite falsch eingeregelt, Umwälzpumpen, zudem noch nicht besonders effektive, laufen im Dauerbetrieb statt zeitlich gesteuert und außerdem sind die Anlagen oft in ein nicht optimiertes Regelsystem eingebunden, stellten die Wissenschaftler des ISE fest.

Die untersuchten Wärmepumpen waren alle von einem Elektromotor angetrieben. Bisher gibt es im kleinen Leistungsbereich für die Beheizung von Einfamilienhäusern noch keine mit Erdgas angetriebene Aggregate, obwohl sie wegen der fehlenden Umwandlungsverluste bei der Stromproduktion gesamtenergetische Vorteile hätten. „Die Gaswirtschaft hat die Entwicklung verschlafen und sich auf dem Brennwertkessel ausgeruht“, stellte selbstkritisch Rolf Albus von Eon Ruhrgas auf der Veranstaltung in Fürth fest. Mittlerweile sind die Erdgas-Wärmepumpen auch für den Hausgebrauch in der Entwicklung (größere Aggregate gibt es schon länger) und werden im Labor und in der Praxis erprobt.

Unterschiedliche Kreislauf-Konstruktionen

Aktiv auf diesem Markt sind die Geräte-Anbieter Vaillant, Bosch, Viessmann und das italienische Unternehmen Robur. Die drei deutschen Hersteller bieten Geräte mit unter 10 kW Leistung an (Viessmann ab Herbst 2009), Robur hat Geräte zwischen 15 und 40 kW Leistung entwickelt. Die Geräte sind Absorptions-Wärmepumpen mit unterschiedlich konstruierten Kreisläufen; bei dem Aggregat von Bosch kann ein zusätzlicher Brenner Heizleistung bereitstellen, die Wärmepumpe von Vaillant kann die thermische Energie aus einem Solarkollektor mit in das System einbinden.

Die genannten Aggregate wurden in Feldtests erprobt und sollen jetzt auf dem Markt eingeführt werden, erläuterte Albus. Die „Initiative Gaswärmepumpe“ zu der sich die genannten Hersteller und mehrere Gasversorger zusammengeschlossen haben, will für Tests und Markteinführung insgesamt 15 Mio. Euro ausgeben. Die Preise für die Geräte stehen noch nicht fest.

Die Gaswärmepumpen, auch die für den größeren Leistungsbereich, arbeiten in der Regel als Absorptions-Maschinen, also mit einem Wärmeträger-Kreislauf, bei dem das Kältemittel (beispielsweise Ammoniak) aus einer Absorptionsflüssigkeit (etwa Wasser) durch Wärme ausgetrieben, dann abgekühlt und verflüssigt und nach einer Druckreduzierung wieder verdampft und in der Flüssigkeit gelöst wird. Um damit 100 kWh Heizwärme bereitzustellen, sind 76 kWh Erdgas als Primärenergie und 25 kWh Umweltwärme nötig, erläuterte Albus. Bei der mit einem Elektromotor angetriebenen Wärmepumpe werden aus der gleichen Primärenergie-Menge zunächst 28 kWh elektrische Energie, die zusammen mit 72 kWh Umweltwärme dann wieder 100 kWh Heizwärme ergeben. Der geringere Einsatz der Umweltwärme bei den Gasgeräten hat den Vorteil, dass die Wärmetauscher, etwa die Erdsonden, kleiner ausgelegt werden können. Das spart Investitionskosten, betonten mehrere Referenten in Fürth.

Kälte und Wärme gleichzeitig nutzen

Große Einspar-Effekte sind möglich, wenn es gelingt, mit der Wärmepumpe gleichzeitig zu kühlen und zu heizen. Helmut Kaumeier von Erdgas Schwaben stellte auf der Fürther Tagung ein von seinem Unternehmen realisiertes Projekt vor, bei dem eine Absorptionswärmepumpe in einer Metzgerei eingesetzt ist. Aus 100 % Gas (25,7 kW) entstehen so 73 % (18,7 kW) Kälte für die Kühlräume und 164 % (42 kW) Nutzwärme; mit dieser werden nahe gelegene Mietwohnungen beheizt. Die neue Kälteversorgung für die Metzgerei hat laut Kaumeier gegenüber der alten Anlage den Vorteil, dass sich an den Kühlauslässen kein Eis mehr bildet. Damit bleibe mehr Feuchtigkeit im Kühlraum und auch in der Wurst. Diese Qualitätsverbesserung gefalle dem Metzger so gut, das er das Wärmepumpen-Konzept einem Kollegen weiter empfohlen habe.

Wenn man keine Möglichkeit hat, Wärme und Kälte gleichzeitig zu verwenden, bietet sich die Integration eines Wärmespeichers in das Gesamtsystem an. Alexander von Rohr vom Anlagenbauer Isocal stellte in Fürth eine Entwicklung seines Unternehmens vor, bei der Gaswärmepumpen mit einem Eisspeicher kombiniert werden; der ist so groß, dass er sich für den Ausgleich von jahreszeitlichen Bedarfsschwankungen eignet.

Der saisonale Speicher besteht aus einem unterirdischen Beton-Behälter, der mit Wasser gefüllt ist. Ein großes Volumen erlaubt es, auch bei geringem Temperaturniveau viel Wärme zu speichern. Der geringe Temperaturunterschied zum Erdreich verringert die Wärmeverluste, erläuterte von Rohr: Im Sommer wie im Winter herrschen zwischen Speicher und Erdreich jeweils rund 10 K Temperaturunterschied, wenn die Erdreich-Temperatur 10 °C beträgt und der Speicher im Sommer 20 °C warm und im Winter durchschnittlich 0 °C kalt ist. Im Winter wird von der Wärmepumpe solange Energie aus dem Speicher entnommen, bis das Wasser zu Eis gefriert. Im Sommer könne dieses Eis nahezu ohne energetischen Zusatzaufwand zum Kühlen der Gebäude genutzt werden. Das System, das bisher vor allen Dingen in Büro- und Produktionsgebäuden aber auch in Hotels eingesetzt ist, will der Anbieter jetzt auch für kleinere Leistungsbereiche umsetzen. Geplant ist, damit auch Einfamilienhäuser effizient mit Energie zu versorgen, berichtete von Rohr.

Der Veranstalter BHKW-Consult wiederholt die Tagung „Innovativer Einsatz von Wärmepumpen“ in leicht modifizierter Form am 17. Juni in Hannover; am Tag zuvor stehen am gleichen Ort „Innovative Mini-BHKW“ auf dem Programm.

Autor: Armin Müller