Innovative Entwicklungen bei Luft-/Wasser-Wärmepumpen - Luft-/Wasser-Wärmepumpen prädestiniert für den Einsatz im Gebäudebestand

In der Altbau-Modernisierung haben es Luft-/Wasser-Wärmepumpen schwerer als ihre Konkurrenten mit erd- und wassergebundenen Wärmequellen, denn meis­tens sind keine Fußboden- oder andere Flächenheizungen vorhanden und nur aufwendig nachzurüsten. Mit der Dämmung der Fassade und weiteren Maßnahmen wie Fensteraustausch, Abdichtung der Gebäudehülle und Nachrüstung einer Lüftungsanlage lässt sich die notwendige Vorlauftemperatur des Heizsystems zwar absenken, in den meisten Fällen liegt sie aber trotzdem höher als bei Heizsystemen im Neubau. Erschwerend kommt hinzu, dass die Wärmepumpe die höhere Vorlauftemperatur auch bei tiefen Minusgraden der Außenluft erreichen muss, was einen relativ hohen Temperaturhub und damit eine niedrigere Arbeitszahl zur Folge hat.

Für hohe Vorlauftemperatur
Um höhere Vorlauftemperaturen erreichen zu können, arbeiten viele Hersteller in ihren Wärmepumpen seit einiger Zeit mit der „Enhanced Vapourized Injection“-Technik (EVI). Bei diesem auch als Dampfzwischeneinspritzung bekannten Prozess wird ein Teil des Kältemittels nach seiner Verflüssigung erneut verdampft und in den Verdichter eingespritzt. Für einen noch größeren Temperaturhub (max. 30°C bis 65°C) bietet der Markt mittlerweile Wärmepumpen mit Verdichtern, die nicht nur dampfförmiges, sondern sogar flüssiges Kältemittel nutzen können.
Verdichter sind häufig über einen Inverter drehzahlgeregelt, sodass sie sich besonders effizient im modulierenden Teillastbetrieb nutzen lassen, was sich in einer besonders hohen JAZ niederschlagen dürfte. „Darauf aufbauend“, so Entwicklungsleiter Bühring vom Heizungsbauer Viessmann, „haben wir in einem über drei Jahre dauernden Entwicklungsprojekt eine komplett neue Luft-/Wasser-Wärmepumpe entwickelt. In diesem Projekt haben wir besonders hohen Wert auf die maximal erreichbare Effizienz des Kältekreises und auf einen extrem leisen Betrieb im Vergleich zum Stand der Technik gelegt.“
Neben dem Verdichter haben Bühring und sein Entwicklungsteam weitere neuartige Komponenten in ihrer neuen Luft-/Wasser-Wärmepumpe verbaut: einen Kältemittelsammler, der den sonst üblichen Zwischenwärmetauscher und das zweite Expansionsventil ersetzt, und eine im Sammler integrierte Schaltung zur geregelten Flüssigeinspritzung des Kältemittels in den Verdichter. Eine zusätzliche Regelung für die Kältemitteltemperaturen im Bereich von Verdampfer und Verflüssiger (mit Biflow-Expansionsventil) erhöht die Effizienz der Wärmepumpe. „Hierdurch konnten wir die Arbeitszahl der Wärmepumpe bei A7/W35 (Außentemperatur 7°C, Vorlauftemperatur 35°C) auf 5,0 steigern, bei A2/W35 hat sie immerhin noch den Wert 3,9“, kommentierte Bühring diese technische Neuheit.

Schallleistungspegel von maximal 50 bis 54 dB(A)
Die Anforderungen an den Lärmschutz im Umfeld von Luft-/Wasser-Wärmepumpen sind gestiegen. Sie sind für die Hersteller oftmals eine große Herausforderung, der sich wiederum auch Viessmann bei der Entwicklung der „Vitocal 300-A“, so die Bezeichnung der neuen Wärmepumpe, gestellt hat. Mit Erfolg, wie der niedrige Schallleistungspegel von maximal 50 bis 54 dB(A) zeigt. Erreicht haben die Techniker diesen Wert mit einem völlig neuen Prinzip der Luftführung: Der Kältekreis ist doppelt körperschallentkoppelt gelagert und hermetisch dicht eingekapselt. Um diesen Maschinenraum und um den Ventilator herum wird die Luft als vollständiger, runder Mantelstrom herumgeführt und isoliert alle internen Komponenten akus­tisch von der Außenwelt. Dank dieser Ausgestaltung der Luftführung lässt sich die Luft-/Wasser-Wärmepumpe in bestehenden Wohngebieten mit einem Abstand von nur fünf Metern zum Schlafzimmerfenster des Nachbarn aufstellen. Die neue Wärmepumpe ist mittlerweile unter der Bezeichnung „Vitocal 300-A“ im Produktverzeichnis von Viessmann zu finden.

Hybrid-WP als Kompaktgerät
Viele potenzielle Käufer von Wärmepumpen zeigen sich zunehmend durch die kontinuierlich steigenden Strompreise verunsichert und scheuen vor einer Kaufentscheidung zurück. Diese Zurückhaltung ist auch an den seit geraumer Zeit kaum steigenden Absatzzahlen abzulesen. Das verbliebene Wachstum ist sicher zu einem nicht unerheblichen Teil Käufern zu verdanken, die bei ihren Investitionsentscheidungen in erster Linie die ökologischen Vorteile einer Wärmepumpe im Auge haben. Wer dann Verbrauchsspitzen bei der Wohnraumbeheizung abdecken muss, was mit der Luft-/Wasser-Wärmepumpe an sehr kalten Tagen nicht unbegrenzt möglich ist, wird als zusätzlichen Wärmeerzeuger einen Gaskessel mitsamt einer intelligenten Regelung installieren lassen und die Wärmepumpe bivalent betreiben.
Eine Weiterentwicklung solcher bivalenter Heizungsanlagen sind Hybrid-Wärmepumpen, eine Kombination aus Wärmepumpe und Gaskessel, von denen sich Viessmanns Chefentwickler Bühring nachhaltige Vorteile verspricht. Eine Hybridwärmepumpe mit einer guten Regelung gebe dem Anlagenbetreiber die Sicherheit, in den nächsten 15 bis 20 Jahren zu jeder Zeit die jeweils preislich günstigere Endenergie, sei es Gas oder Strom, nutzen zu können, unabhängig davon, wie sich der Gas- und Strompreis in den nächsten Jahren entwickele. Bühring wies ferner auf eine Option hin, die nach seiner Meinung schon bald Realität werden dürfte: Energieversorgern käme es entgegen, wenn sie – das Einverständnis des Kunden vorausgesetzt – im Winter bei Windstille und fehlendem Sonnenschein elektrische Verbraucher vom Netz nehmen könnten, auch über einen längeren Zeitraum, um ihre Stromnetze zu entlasten. Hybrid-Wärmepumpen würden dann Energie aus dem Gasnetz beziehen. Die Kooperation des Kunden dürften die Energieversorger mit besonders günstigen Stromtarifen honorieren.
Heizungsbauer Viessmann hat mit seiner Hybrid-Wärmepumpe eine typische Versorgungssituation untersucht sowie Kosten und Effizienz berechnet, wie Bühring berichtete. Er schickte voraus, dass sich bei der Hybrid-Wärmepumpe die folgenden zwei Betriebsweisen unterscheiden lassen:

• Der primärenergetisch optimierte Betrieb: Ihn wählt der Anlagenbetreiber, wenn die Gaszelle die Leistung der Wärmepumpe ergänzt.
• Der ökonomisch optimierte Betrieb: Hierfür gibt der Anlagenbetreiber den Gas- und den Strompreis ein. Ein Regler errechnet daraus und aus den Daten der Wärmeerzeuger, der Wärmequelle und des Heizsystems die mögliche Effizienz der beiden Wärmeerzeuger. Der Regler startet dann den Wärmeerzeuger mit den geringsten Kosten. Wenn die Wärmepumpe im optimalen Betriebszustand nicht die ganze Heizlast abdeckt, wird die Gaszelle bivalent-parallel in Reihe nachgeschaltet und modulierend auf die geforderte Vorlauftemperatur geregelt.

Für die folgenden Berechnungen wurde ein modernisiertes Gebäude mit einer Heizlast von 14 kW bei -10°C Außentemperatur und einer optimierten Radiatorheizung mit 45°C Vorlauftemperatur angenommen. Die Ergebnisse der gemessenen und berechneten Werte zeigen Folgendes (siehe Grafik): Die Wärmepumpe wird ab einer Temperatur über -7°C in optimierter Teillast betrieben (blaue Kurve). Ab 4°C ist es dann effizienter, auf monovalenten Betrieb umzuschalten. Bei einem Gaspreis von 7 Cent und einem Wärmepumpen-Stromtarif von 19 Cent ist der Wärmepreis bei einer Außentemperatur von -6°C bei beiden Erzeugern gleich. Zwischen -6°C und +3°C sind beide Wärmeerzeuger bivalent-parallel in Betrieb. Die Wärmepumpe deckt 84% der Heizwärme, die Gaszelle die restlichen 16%. Zeitvariable Tarife oder verbilligter Nachtstrom sind hierbei nicht berücksichtigt.
In einer weiteren Berechnung gingen die Entwickler davon aus, dass der Energieversorger keinen speziellen Wärmepumpen-Stromtarif gewährt und der Kunde einen Strompreis von 24 Cent bezahlen muss. Dann liefert die elektrisch betriebene Wärmepumpe „nur“ noch 62% der Heizwärme. Der bivalent-parallele Betrieb beschränkt sich auf den Temperaturbereich von 1 bis 3°C, was aber immer noch 27,5% der gesamten Heizwärme ausmacht, die zu 4/5 von der Wärmepumpe gedeckt wird. Durch die Verschiebung des Außentemperaturprofils während der Nutzung der Wärmepumpe steigt deren JAZ auf 4,33. Trotz des höheren Strompreises und des höheren Anteils der Gas-Heizwärme beträgt die Energiekosteneinsparung immer noch 13%. „Die Berechnungen zeigen“, so Bühring zum Schluss, „dass unsere Hybrid-Wärmepumpe hocheffizient ist und langfristig die Möglichkeit bietet, immer automatisch den günstigeren der zur Verfügung stehenden Energieträger zu nutzen.“

Mit JAZ von 2,15 ökologisch besser als Gaskessel
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) führt schon seit dem Jahre 2005 im Rahmen mehrerer Projekte Untersuchungen an bestehenden Wärmepumpenanlagen durch. Vorrangiges Ziel ist es, deren Effizienz und Betriebsverhalten zu ermitteln und zu dokumentieren. Marek Miara, Teamleiter „Wärmepumpen“ am Fraunhofer ISE, berichtete den Teilnehmern des OTTI-Fachforums über die Ergebnisse, die das Abschneiden von Luft-/Wasser-Wärmepumpen im Projekt „Wärmepumpen im Bestand“ betreffen. Messungen an 34 Anlagen zeigten Arbeitszahlen zwischen 2,1 und 3,4; der Mittelwert lag bei 2,6. Diese Durchschnittsarbeitszahl sei zwar deutlich niedriger als der bei Sole-/Wasser-Wärmepumpen ermittelte Wert (3,3 im Bestandsbau). Man habe dann aber die vermessenen Luft-/Wasser-Wärmepumpen hinsichtlich der Gesamtemission von Treibhausgasen mit Gas- und Ölheizungssystemen ver­glichen und festgestellt, dass ein Gaskessel bei einem Jahresnutzungsgrad von 90% rund 37% mehr CO2 emittiere als eine Luft-/Wasser-Wärmepumpe mit einer Arbeitszahl von 3,4. Auf der anderen Seite dürfe die Arbeitszahl bis zu einem Wert von 2,15 absacken, bevor die Bilanz ins Negative ginge. Bei einem Vergleich mit einem Ölkessel würden die Wärmepumpen noch besser abschneiden. „Die Luft-/Wasser-Wärmepumpe steht aufgrund der ihr häufig nachgesagten geringen Effizienz anhaltend in der Kritik“, hatte Miara zu Beginn seines Referats geklagt. Bei der Betrachtung der Ökobilanz sieht er die Sache dann doch positiver: „Ab einer Arbeitszahl von 2,15 ist die Luft-/Wasser-Wärmepumpe dem Gaskessel ökologisch überlegen.“

Luft-/Wasser-Wärmepumpen der nächsten Generation
Man müsse vermehrt auch bestehende Gebäude im urbanen Raum mit Wärmepumpensystemen nachrüsten, um die klimapolitischen Ziele der EU erreichen zu können, betonte Michael Monsberger vom AIT Austrian Institute of Technology GmbH in seinem Vortrag zum Projekt „Green Heat Pump“. Dabei bringt die Entwicklung einer Wärmepumpe für den Nachrüstmarkt in Städten besondere Herausforderungen mit sich:

• Da es in bestehenden städtischen Gebieten kaum Platz für die Einbringung von Erdwärmesonden oder Erdreichkollektoren gibt, sind Luft-/Wasser-Wärmepumpen erste Wahl.
• Die Wärmepumpe sollte sich mit bestehenden Wärmeverteilsystemen und infolgedessen mit hohen Vorlauftemperaturen betreiben lassen.
• Die Installations- und Betriebskosten müssen attraktiv sein und einen klaren Nutzen in Form von Primärenergieeinsparungen haben.
• Die eingesetzten Kältemittel dürfen die Umwelt nicht oder nur minimal belas­ten.
• Der Geräuschpegel muss so niedrig wie möglich sein. Gerade in dichtbebauten Wohnsiedlungen ist dieses Kriterium äußerst wichtig.

Das „Green Heat Pump“-Projekt hat sich die Entwicklung der nächsten Generation von Wärmepumpen für den Einsatz im innerstädtischen Gebäudebestand zur Aufgabe gemacht hat. Es würden sowohl auf der Komponenten- als auch auf der Geräte- und Systemebene innovative Ansätze verfolgt, wie Monsberger den Teilnehmern des OTTI-Fachforums berichtete. Man wolle eine höhere Effizienz erreichen, alternative Kältemittel mit geringem Treibhauspotenzial einsetzen und neue intelligente Systeme schaffen.
Die Koordination des Projekts liegt in den Händen des AIT, Unterstützung kommt von zwei Forschungs- und mehreren Industriepartnern sowie von der European Heat Pump Association. Projektkoordinator Michael Monsberger schildert den geplanten Ablauf: „Die Forschungsinstitute werden Know-how im Bereich Wärmepumpen-Design erarbeiten und zeigen, wie sich die weiterentwickelten Komponenten in ein intelligentes Gesamtsystem integrieren lassen. Die Industriepartner sollen die Forschungsergebnisse in neue Einzelkomponenten umsetzen. Die European Heat Pump Association ist für die Verbreitung der Ergebnisse verantwortlich und fungiert als unabhängige neutrale Schnittstelle zwischen dem Konsortium, Wärmepumpenherstellern, Endverbrauchern und politischen Entscheidungsträgern.
Für die Ebene mit den Komponenten Kompressor, Verdampfer, Kondensator Ventilator und Kältemittel konnte Monsberger bereits erste Ergebnisse melden: Basierend auf einer Lebenszyklusanalyse hat Forschungspartner KTH (Royal Institut of Technology) aus Schweden Kältemittel mit einem GWP (Global Warming Potential) von weniger als 150 untersucht. In die engere Auswahl für die weitere Entwicklung kamen die natürlichen Kältemittel Propan (R290) und Propen (R1270) sowie die synthetischen R152a und R1234yf. Beim Verdampfer galten zahlreiche Untersuchungen den Problemen Eisbildung und Abtauen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen können jetzt Lamellen mit dem besten Anti-Vereisungs- und Abtauverhalten ausgewählt werden. Detailliertere Informationen zum „Green Heat Pump“-Projekt, zu den einzelnen Arbeitspaketen und zum Projektfortschritt sind auf der
Website www.greenhp.eu zu finden.

Autor: Wilhelm Wilming