Technik Erd- und Umweltwärme

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Inhaltsverzeichnis

Entwicklungshistorie

Das Prinzip der Kältemaschine (Joule-Thomson-Effekt) war seit Mitte des 19. Jahrhunderts bekannt und fand zum Ende des Jahrhunderts zunehmend Verbreitung in der Bierherstellung, nachdem Carl von Linde 1871 die erste Kühlmaschine präsentierte. Die „umgekehrte“ Nutzung als Wärmepumpe begann erst in den 1930er Jahren. Dabei war die Schweiz ein Vorreiterland, da es arm an Rohstoffen war, aber Strom aus Wasserkraft hatte. So wurden zwischen 1938 und 1945 von Schweizer Firmen 35 WP gebaut und installiert, wobei zumeist Gewässer als Umweltwärmequelle genutzt wurden[1]. 1938 wurde im Züricher Rathaus eine WP installiert, die sowohl zum Heizen als auch Kühlung eingesetzt wurde und bis zum Jahr 2001 mit zwei Revisionen in Betrieb war, bevor eine neue WP die Arbeit übernahm. Seitdem wird sie nur noch einmal pro Woche eine Stunde betrieben, um sie „fit“ zu halten. 1942 wurde ebenso in Zürich eine WP-Anlage mit insgesamt 5.860 kW gebaut, die in ein Wärmenetz einspeiste.[1]

Nach dem 2. Weltkrieg konnten WP in Europa zunächst nicht an die ersten Erfolge vor allem in der Schweiz anknüpfen und führen rund drei Jahrzehnte mehr oder weniger ein Nischendasein. In Deutschland kamen WP in dieser Zeit nur sporadisch zum Einsatz. Die 1960er bis Anfang der 1970er Jahre waren die große Zeit der Ölheizungen, da die Ölpreise immer niedriger wurden und Ölheizkessel deutlich kostengünstige in der Anschaffung waren, als Wärmepumpen. Im Vergleich waren WP nicht wirtschaftlich zu betreiben und eine Nachfrage in Deutschland und Europa war nur für einzelne Sonderanwendungen[2] vorhanden. Ganz anders entwickelten sich dagegen global die Nachfrage nach den kombinierten Luft-WP zur Raumkühlung und Heizung, die sich vor allem in den USA und Japan seit den 1950er Jahren durchsetzten und zur technischen Weiterentwicklung der WP beitrugen.[1] 1945 begann in den USA die Entwicklung der erdgekoppelten Wärmepumpe. In Indianapolis wurde das Haus von Robert C. Webber, einem Mitarbeiter der Indianapolis Power & Light Co., mit einer Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen ausgerüstet. Als Wärmequelle wurden Kupferrohre in drei Kreisen mit zusammen 152 m Länge in bis zu 2 m tiefen Gräben verlegt. Die Wärmepumpe speiste über ein Gebläse eine der damals schon in den USA verbreiteten Warmluftheizungen.In Kanada ist die erste erdgekoppelte Wärmepumpe in einem Versuchshaus der University of Toronto im Jahr 1949 dokumentiert.[3]

In Europa hatten sich zentrale Ölheizungen durchgesetzt, die mit sehr hohen Vorlauftemperaturen von 80° Celsius arbeiteten und auf die die Heizkörper abgestimmt waren. Die WP liefert üblicherweise nur Vorlauftemperaturen von 55 - 60°, so dass eine Umrüstung im Gebäudebestand in der Regel nicht wirtschaftlich ist, da die Heizkörperflächen entsprechend größer dimensioniert werden müssen.

Funktion

Funktionsprinzip der Wärmepumpe. Quelle BWP

Die Nutzung von oberflächennaher Geothermie und Umweltwärme (Luft, Gewässer, Abwasser) erfordert wegen des geringen Temperaturniveaus der jeweiligen Wärmemedien während der Hauptheizzeit im Winterhalbjahr die Verwendung von sogenannten Wärmepumpen (WP).

Die WP funktioniert im Prinzip genauso wie ein Kühlschrank[4], in dem einem Medium (Grund-/Fluss-/Abwasser, Luft oder Erdreich) Wärme entzogen wird und diese durch weitere Zufuhr von - in der Regel elektrischer - Energie diese auf das für den Heizzweck benötigte Temperaturniveau anhebt (pumpt). Je größer die Differenz zwischen der Temperatur des Wärmemediums und der benötigten Vorlauftemperatur in Heizkreislauf, um so mehr Energie muss zusätzlich in Form von mechanischer Arbeit (Elektrische Kompressions-Wärmepumpe) oder Wärme (Gas-Wärmepumpe) zugeführt werden. Folglich sind geringe Temperaturdifferenzen die beste Voraussetzung für einen hohen Anteil erneuerbarer Wärme bzw. Jahresarbeitszahl. Diese Voraussetzung ist vor allem beim Einsatz von Fußboden- oder Wandflächenheizungen gegeben, die mit Vorlauftemperaturen im Bereich von 20 bis 30 Grad arbeiten.

Insbesondere die kostengünstigeren Luft-Wärmepumpen dominieren mittlerweile innerhalb des Wärmepumpensegments. Ihr Marktanteil lag im Jahr 2012 bei rund 63 %.[5] Neben dem deutlich günstigeren Preis dürfte auch die teilweise schwierige Genehmigung von Erdbohrungen dafür verantwortlich sein. Aus Sicht der Effizienz ist dieser Trend zu Luft-WP weniger günstig, denn Luft/Wasser-Wärmepumpen erreichten in der Praxis mit einer durchschnittlichen Arbeitszahl von 2,9 eine deutlich geringere Effizienz als Erdwärmepumpen mit einer durchschnittlichen Arbeitszahl von 3,9, d.h. sie benötigten für die gleiche Vorlauftemperatur des Heizwasser mehr (bislang im Winter weitgehend konventionell erzeugten) Grundlaststrom.[6] Ökologisch, d.h. primärenergetisch vorteilhaft gelten Wärmepumpen ab einer Jahresarbeitszahl von größer 3,3. Mit zunehmenden Anteil erneuerbarer Energien im Strommix (vor allem in der Heizperiode), kann dieser Wert in Zukunft immer niedriger ausfallen.

Noch höhere Praxis-Jahresarbeitszahlen von deutlich über 5[7]lassen sich bei der Kombination einer Wärmepumpe mit einer solarthermischen Anlage erzielen. Hierfür gibt es mehrere Varianten der Einbindung:

  • Nur Trinkwassererwärmung.
  • Einspeisung der Solarwärme in das Erdreich.
  • Zweite Wärmequelle neben dem Erdreich oder der Außenluft.
  • Alleinige Wärmequelle für die WP.

Besonders hohe Arbeitszahlen von 7 bis 8 werden erreicht, wenn statt einer Tiefensonde oder Kollektorfeld ein spezieller Erdwärmespeicher eingebunden wird. Dieser wird über die Solarthermieanlage bei Sonneneinstrahlung ganzjährig beladen und hat so im Winter ein deutlich höheres Temperaturniveau als die Umgebungsluft oder auch normale Erdwärme.[8] Die Einbindung der Solarthermie auf der Wärmequellenseite stellt jedoch hohe Anforderungen an die Regelung. Der Vergleich der verschiedenen Anlagenkonzepte hinsichtlich JAZ ist jedoch schwierig und Bestandteil eines noch laufenden europäischen Forschungsprojekts "Solar and Heat Pump Systems" der Internationalen Energie Agentur (IEA). In dem Vorhaben sollen u.a. Methoden und Bewertungsgrößen für die Systembewertung erarbeitet werden.

Wärmepumpen haben - ausgehend von rund 1 % im Jahr 2000 - bei in Neubauten (insbesondere Ein- und Zweifamilienhäuser) installierten Heizungenanlagen ihren Marktanteil auf rund ein Viertel erhöhen können, und liegen damit deutlich vor den Holzheizungen mit rund 6 % (Stand 2012).[9]

Elektrisch/mechanisch angetriebene Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen

Die elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe (siehe Grafik) stellt die am meisten verbreitete WP-Variante dar. Dabei wird eine Flüssigkeit unter variablem Druck im einem Kreisprozess betrieben. Dieses Fluid (z. B. Propan, Kohlendioxid) ist so beschaffen, dass es bei niedrigem Druck auch bei deutlichen Minustemperaturen leicht verdampft (Verdampfen) und der Umgebung dabei Wärme entzieht. Nachfolgend wird der Dampf durch einen elektrisch angetriebenen Kompressor (Verdichten) auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau (Energiezufuhr) gebracht. Danach wird die aufgenommene Energie des Trägermediums über einen Wärmetauscher (Verflüssigen) abgeben, wobei das Medium wieder kondensiert. Über eine nachgeschaltete Drossel (Entspannen) wird der Druck wieder abgesenkt und der Prozess kann von vorn beginnen. Je nach verwendetem Fluid sind die Drücke unterschiedlich und werden weiter so ausgewählt, dass das Medium im verdampften bzw. verflüssigten Zustand genügend Abstand zu den jeweiligen Temperaturen der Wärmequelle bzw. –senke hält.

Komponenten von elektrisch/mechanisch angetriebenen Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen

  • Der Kompressor bei mechanisch/elektrisch angetriebenen Wärmepumpen/Kältemaschinen kann ein Kolben-, Rollkolben-, Schrauben-, Scroll- oder Turbo-Kompressor sein. Er saugt den Kältemitteldampf aus dem Verdampfer an und verdichtet ihn auf einen höheren Druck, wobei gleichzeitig ein Temperaturanstieg erfolgt.
Lange Zeit waren bei kleinen WP bis etwa 100 kW Kolbenkompressoren üblich. Diese wurden durch Scrollverdichter abgelöst, da diese bei Kombination mit einer Leistungselektronik eine Drehzahlregelung und damit Leistungsanpassung an den Bedarf bei einem hohen COP ermöglichen. Das Takten der WP entfällt damit und die Lebensdauer der Anlage erhöht sich. Wärmepumpen oberhalb von 100 kW nutzen in der Regel Schrauben- oder Turbokompressoren.
  • Im Verdampfer wird die Wärme von der Wärmequelle an das Kältemittel übertragen, wobei es seinen Aggregatszustand von flüssig in gasförmig ändert.
  • Über den Kondensator gibt das heiße Kältemittelgas seine Wärme an das Heizwasser oder Luft ab und kondensiert dabei wieder.
  • Anschließend wird das kondensierte Kältemittel im Expansionsorgan (Drossel, Expansionsventil) entspannt, d.h. der Flüssigkeitsdruck wird so reduziert, dass nachfolgend wieder eine Verdampfung möglich ist.
  • Der gesamte Kreisprozeß benötigt ein Kältemittel, das in seinen physikalischen Eigenschaften für das gewünschte Ergebnis und Temperaturniveau (Wärme oder Kälte) am besten geeignet ist. In der Vergangenheit wurden ozonschädigende Flourchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) verwendet, die in den 1990er Jahren durch Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) abgelöst wurden (z. B. R134a, R407C, R404A) Die Aggregate mußten dazu technisch nicht geändert werden mussten, d.h. auch Bestandsaggregate konnten umgestellt werden. FKWschädigen zwar nicht mehr die Ozonschicht, sind jedoch Treibhausgase. Weitere Kältemittel mit geringer Verbreitung sind die brennbaren Gase Propan/Propen oder CO2.
  • Die Steuerungselektronik sorgt bei heutigen Wärmepumpen für eine optimale Betriebsführung und Anpassung der WP-Leistung an den Wärmebedarf.

Bei den sogenannten Split-Geräten ist der Kreisprozess in zwei Geräteeinheiten aufgeteilt: In der Außeneinheit sind in der Regel der Verdampfer, der Verdichter und das Expansionsventil plus Ventilator untergebracht. Die Inneneinheit beinhaltet den Verflüssiger sowie die Umwälzpumpe, die Hydraulik, das Ausdehnungsgefäß und die elektronische Steuerung.

Thermisch angetriebene Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen

Bei relativ neuen Technik der thermischen angetriebenen Gas-Wärmepumpe werden zur Gewinnung der Erd- oder Umgebungswärme verschiedene Verfahren eingesetzt (Funktionsvideo zu den verschiedenen Verfahren):

  • Gasmotorisch angetriebene Wärmepumpe. Hierbei wird der Kompressor nicht elektrisch, sondern durch einen Gas-(Otto)-motor angetrieben. Die Abwärme des Gasmotors wird wie beim Blockheizkraftwerk genutzt.
  • Absorptionswärmepumpe, wie sie beispielsweise auch bei Camping-Kühlgeräten oder der solaren Kühlung eingesetzt werden. Der Kühleffekt beruht darauf, dass sich einer Flüssigkeit ein weiterer Stoff löst[10] und dabei Wärme aus dem Kühlkreislauf entzieht. Um die Stoffe wieder zu trennen, muss extern wieder Wärme zuführt werden. Strom wird noch für die Umwälzpumpe benötigt.
  • Bei der Adsorptionswärmepumpe wird Wasserdampf an der porösen Oberfläche eines Adsorbens (z.B. Zeolith, Silikagel) angelagert. Dabei wird Wärme freigesetzt, die bei der Wärmepumpe genutzt wird. Der Wasserdampf wird über Wärmezufuhr aus einer solarthermischen Anlage erzeugt.[11] Das im Zeolith angelagerte Wasser wird durch extern zugeführte Wärme (Gasbrenner) wieder getrocknet. Die beiden Phasen der Wärmefreisetzung aus Adsorption und Trocknungsprozess wechseln sich ab.

Gas-Wärmepumpen kann man als eine Art effizienzgesteigerten Brennwertkessel ansehen, da hier ein Teil des Gases durch Umweltwärme ersetzt wird. Sie steigert die Effizienz des Brennwertkessels um 20 bis 30 %, d.h. der Primärenergiebedarf an Gas reduziert sich um 20 bis 30 %. Gegenüber elektrischen Kompressions-WP hat sie den Vorteil, dass weniger mit Umwandlungsverlusten erzeugter Strom benötigt wird und sie somit primärenergetisch im Vorteil ist, insbesondere wenn Bio- oder Holzgas genutzt werden kann.

Effizienz von Wärmepumpen

Dreh- und Angelpunkt der wirtschaftlichen und technischen Beurteilung einer Wärmepumpe sind die Leistungszahl (coefficient of performance COP) und die Arbeitszahl. Der erste Wert gibt die Effizienz eines Wärmepumpeaggregats unter exakt definierten Bedingungen nach EN 14511 in einem genau definierten Betriebspunkt an und ermöglicht so den Vergleich verschiedener WP untereinander. In der Praxis bei elektrisch angetriebenen Wärmepumpen relevanter ist die Arbeitszahl der individuell unterschiedlichen Wärmepumpen-Heizungsanlagen vor Ort über einen bestimmten Zeitraum, in der Regel ein Jahr. Dieser Wert gibt das Verhältnis der eingesetzten elektischen Energie zur abgegebenen Wärme an. Dabei haben viele Faktoren, wie Art der Wärmequelle, Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Heizungsvorlauf, Temperaturspreizung im Heizungssystem erheblichen Einfluss auf die Performance der WP-Anlage.

Für den effektiven Einsatz einer Wärmepumpe im Sinne der beabsichtigten Zielerreichung (Verminderung des Primärenergieverbrauchs, Klimaschutz) ist neben der optimalen Einstellung der Wärmepumpe auch die Betrachtung des Gesamtsystems aus Anlage und Gebäudehülle von zentraler Bedeutung. Eine Untersuchung von 112 Wärmepumpenanlagen zu Heizzwecken[6] zeigte, dass der alleinige Vergleich der Effizienz von Wärmepumpen (d.h. JAZ) ohne Berücksichtigung der Einsatzrandbedingungen keine eindeutige Bewertung des Gesamtsystems erlaubt. Der Wärmebedarf des Gebäudes ist ein wesentlicher Faktor zur Beurteilung, ob eine WP auch effektiv arbeiten kann. Effektiv eingesetzt ist eine WP nur dann, wenn der Heizenergieverbrauch deutlich über dem Primärenergieverbrauch (über dem Strom-/Erdgasbedarf) liegt. Somit steht vor dem Einsatz einer Wärmepumpe die Senkung des Energiebedarfs des Gebäudes an erster Stelle.[6]

In der Regel wird ein Jahr als Betrachtungszeitraum für die Berechnung der Arbeitszahl gewählt, die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ). Bei einer JAZ von 3,0 werden bei einer eingesetzten kWh Strom insgesamt 3 kWh Wärme von der WP abgegeben. Desto höher die JAZ, umso niedriger der Stromeinsatz. Eine hohe JAZ wird vor allem bei einer geringen Temperaturdifferenz zwischen Umweltwärmequelle (Erdreich, Luft, Wasser) und der vom Heizungssystem benötigten Vorlauftemperatur erreicht. In Betrieb befindliche WP-Anlagen haben Feldtests JAZ zwischen 2 und 5 je nach Wärmequelle erreicht.[6][7] Der untere Wert betrifft Außenluft-WP in Altbauten, während der obere Wert bei Erdreich-WP in Neubauten erreicht werden kann. Vor allem Luft-WP erbringen mit Praxis-JAZ deutlich unter 3,0 in Deutschland kaum einen Klimaschutzbeitrag, weshalb auch im EEWärmeG und Marktanreizprogramm Mindest-JAZ von 3,5 gefordert werden, damit eine Wärmepumpe auch einen nennenswerten Beitrag als erneuerbare Energie zum Klimaschutz leistet.

Bei Absorptionswärmepumpen und verbrennungsmotorisch angetriebenen Wärmepumpen wird die Heizzahl angegeben. Dafür wird die abgegebene Nutzenergie ins Verhältnis zum Energieinhalt der eingesetzten Energieträger (Diesel, Benzin, Erdgas) gesetzt. Die Jahresheizzahl liegt typischerweise zwischen 1,2 und 1,6. Auch bei Erdgas-Wärmepumpen zeigten Feldtests, das sie - bei Anwendung des gültigen Primärenergiefaktors - JAZ zwischen 2 und 3 erreichen, und damit ggü. Erdgas-Brennwertkesseln maximal vergleichbar oder auch schlechter abschnitten[7].

Im Rahmen der seit dem 26. September 2013 in Kraft getretenen Ökodesign-Richtlinie (ErP-Richtlinie Nr. 813/2013) für Heizgeräte wird bei elektrischen Wärmepumpen künftig der Saisonale COP (SCOP) berechnet. Im Unterschied zum COP sind hierfür mehrere realistische Messpunkte innerhalb der vier Jahreszeiten definiert worden, die in die Berechnung der Effizienzklasse einfließen. Er entspricht damit wesentlich mehr der im späteren Betrieb zu erwartenden Jahresarbeitszahl. Berücksichtigt wird dabei auch der temporär erforderliche Betrieb des Heizstabes. Ab einem SCOP von größer 3,4 wird die Energieeffizienzklasse A erreicht und größer 5,1 die höchste Klasse A+++. Zusätzlich werden in der EU drei Klimazonen unterschieden, so dass die Effizienzklasse einer Wärmepumpe sich je nach Einsatzgebiet unterscheidet.



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Quellen und weiterführende Hinweise

Fachbücher

  • Martin Kaltschmidt, Ernst Huenges, Helmut Wolff (Hrsg.): Energie aus Erdwärme. Geologie, Technik und Energiewirtschaft. Spektrum Akademischer Verlag 2001.

Fußnoten

  1. 1,0 1,1 1,2 Martin Zogg 2008: Geschichte der Wärmepumpe
  2. Wenn z. B. auch gleichzeitig eine Luftentfeuchtung gebraucht wurde (Schwimmhallen) oder Kälte (Molkereien)
  3. http://solaratlas.htwk-leipzig.de/solar_6_2.html
  4. Hierbei wird statt dem Erdreich oder Umwelt dem Kühlraum die Wärme entzogen. Das Erdreich kühlt sich durch den Wärmeentzug ebenso ab und es kann dort bei falscher Auslegung genauso zu Frost kommen.
  5. Bundesverband Wärmepumpe (BWP) Pressemitteilung vom 31.01.2013
  6. 6,0 6,1 6,2 6,3 Wärmepumpen Effizienz – Messtechnische Untersuchung von Wärmepumpenanlagen zur Analyse und Bewertung der Effizienz im realen Betrieb. Fraunhofer ISE 2011 Langfassung
  7. 7,0 7,1 7,2 Wärme aus der Umwelt auch gut für die Umwelt? Ergebnisse einer siebenjährigen Praxisuntersuchtung. Lokale Agende 21 - Gruppe Energie Lahr 2013.
  8. Entwickelt wurde diese Technik von der NNB 55 GmbH. Weitere Informationen zu dieser speziellen Technologie bei etank
  9. Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft BDEW
  10. Für Kaltwasser wird das Stoffpaar Lithiumbromid/Wasser genutzt, für Tieftemperaturkälte Ammoniak/Wasser.
  11. Wird Wasser nicht durch Zuführung von z.B. Solarwärme verdampft, kann die Verdampfungsenergie aus der Umgebung gezogen werden. Dies führt zur sog. Verdunstungskälte, die bei der Nutzung als Adsorptions-Kälteanlage genutzt wird.
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