Wärmepumpenheizungen -

Aufgaben für die Zukunft

Prof. Dr. H. J. Laue Teil 1

Das Umweltbewußtsein auf dem Energiesektor hat sich in den vergangenen Jahrzehnten in Deutschland bei weiten Teilen der Bevölkerung erfreulich entwickelt. Besondere Aufmerksamkeit muß dabei den CO₂-Emissionen bei der Verbrennung der fossilen Brennstoffe Kohle, Öl und Gas gewidmet werden, denen die Wissenschaftler einen Anteil von ca. 50% am zusätzlichen Treibhauseffekt und den damit verbundenen möglichen Klimaveränderungen zurechnen.

Die Bundesregierung hat sich deshalb zum Ziel gesetzt, die CO₂-Emissionen in Deutschland bis zum Jahr 2005 um 25 bis 30%, bezogen auf das Jahr 1987, zu reduzieren.

Der Raum- und Prozeßwärmesektor, mit einem Anteil von ca. 60% am gesamten Endenergieverbrauch und einem fossilen Brennstoffanteil von 85%, ist dabei für die notwendigen Reduzierungsmaßnahmen von besonderer Bedeutung.

In den privaten Haushalten entfallen nahezu 90% des benötigten Endenergiebedarfs auf die Bereiche Raumwärme und Warmwasser, die in den alten Bundesländern überwiegend mit Heizöl oder Gas, in den neuen Bundesländern bisher vor allem mit Kohle, heute in zunehmendem Maß mit Gas gedeckt werden.

Bild 1: Prinzip der Kompressions-Wärmepumpe.

Das thermodynamische Heizen mit Wärmepumpen, eine ausgereifte und vielfältig erprobte Technik, bietet dabei eine wesentliche Möglichkeit, durch die Nutzung von Umgebungs- und Abwärme zu einer Senkung des fossilen Energieverbrauchs bei der Wärmeerzeugung und damit zur Minderung der CO₂-Emissionen beim Heizen und Kühlen von Gebäuden sowie in den vielfältigen wärmeintensiven industriellen Prozessen beizutragen.

Thermodynamisches Heizen mit Wärmepumpen

Der Kreisprozeß einer Wärmepumpe (Bild 1) entspricht thermodynamisch dem eines Kühlschrankes, wobei die Wärmezufuhr im Verdampfer (Umweltwärme, Abwärme) sowie die Wärmeabgabe im Verflüssiger (Nutzwärme) in der Regel auf einem höheren Temperaturniveau erfolgen und die Wärme, nicht die Kälte genutzt wird. Dabei wird das Arbeitsmittel, auch Kältemittel genannt, eine schon bei niedrigen Temperaturen siedende Flüssigkeit, in einem Kreislauf geführt und dabei nacheinander verdampft, verdichtet, verflüssigt und entspannt. Dabei sollte nicht unerwähnt bleiben, daß dieses hervorragende thermodynamische Verfahren an der Kälteerzeugung im häuslichen Bereich zu nahezu 100% beteiligt ist, an der Erzeugung von Raumwärme dagegen in Deutschland zu weniger als 2%.

Gleichung 1:

Mit einer Wärmepumpe kann somit die Wärme der sonst nicht nutzbaren Wärmequellen Umgebungsluft, Grundwasser, Erdreich, aber auch Abwärme durch Zufuhr mechanischer Energie aufgewertet und auf eine höhere, nutzbare Temperatur gebracht werden. Bei der Kompressionswärmepumpe wird die Antriebsenergie des Verdichters durch einen Elektro- oder einen Verbrennungsmotor erzeugt. Bei der Absorptionswärmepumpe wird der mechanische Verdichter durch einen thermischen Verdichter, einen Lösungsmittelkreislauf ersetzt. Absorptionswärmepumpen, die von allen thermischen Wärmequellen angetrieben werden können, bieten vor allem bei der Nutzung von Abwärme hoher Temperatur Vorteile.

Der Wirkungsgrad einer elektrischen Wärmepumpe wird durch die in Gleichung 1 definierten Kennziffern "Leistungszahl" und "Arbeitszahl" beschrieben.

Eine Arbeitszahl = 3 bedeutet, daß im Verlauf einer Heizperiode aus einer Einheit Antriebsenergie und zwei Einheiten kostenloser Umweltenergie drei Einheiten Nutzwärme bereitgestellt werden. Für eine hohe Arbeitszahl ist gemäß Bild 2 eine möglichst geringe Differenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der Heizungsvorlauftemperatur erforderlich. Die über das ganze Jahr weitgehend konstanten Wärmequellen Abwärme, Grundwasser, Erdwärme, aber auch Massivabsorber, in Kombination mit einer Niedrigtemperatur-Fußbodenheizung bieten also die besten Voraussetzungen für eine hohe Arbeitszahl und damit geringen Energieverbrauch.

Bild 2: Leistungszahl in Abhängigkeit von Temperaturunterschied e = 0,5 · e_C bezogen auf T_O = 273 K.

Die in Bild 3 zusammengefaßten vielfältigen Wärmequellen für Wärmepumpen verdeutlichen das große Potential dieser erneuerbaren Energie.

Zum Heizen von Ein- und Zweifamilienhäusern sind die Wärmequellen Erdreich, Grundwasser und Umgebungsluft von besonderer Bedeutung. Mit den Wärmequellen Erdreich und Grundwasser kann die Wärmepumpe als alleiniger Wärmeerzeuger den gesamten Wärmebedarf des Gebäudes decken (monovalentes System). Die Nutzung der Wärmequelle Umgebungsluft wird in der Regel mit einem weiteren Wärmeerzeuger kombiniert (bivalentes System).

Bild 3: Wärmequellen für Wärmepumpen.

Entwicklung der Haustechnik

Für die zukünftige Minderung des Primärenergieverbrauchs und der CO₂-Emissionen wird der Gebäudesektor eine entscheidende Rolle spielen, geht man davon aus, daß etwa 30% der benötigten Primärenergie in Deutschland auf die Raumheizung entfallen.

Bei der Energieeinsparung kommt der Bauphysik mit der Reduzierung der Transmissions- und Lüftungswärmeverluste entsprechend den Forderungen der jeweils gültigen Wärmeschutzverordnung besondere Bedeutung zu. Aber auch die Wärmepumpe kann dazu einen wichtigen Beitrag leisten.

Bild 4 zeigt den Heizwärmebedarf des gegenwärtigen Gebäudebestandes, der mit jeweils 10 Mio. Ein- bzw. Mehrfamilienhäusern für zukünftige Energieeinsparmaßnahmen von ausschlaggebender Bedeutung ist sowie von Neubauten, die der Wärmeschutzverordnung 1982 bzw. 1995 entsprechen. Darüber hinaus plant die Bundesregierung für 1997 bis 1999 eine weitere Minderung des Heizwärmebedarfs, der dem heute bekannten "Niedrigenergiehaus" entsprechen soll.

Für den vorhandenen Gebäudebestand ist der Einsatz von bivalenten Luft/Wasser-Wärmepumpen zum Ersatz bzw. zur Ergänzung der vorhandenen Heizungsanlage in den meisten Fällen technisch möglich, womit beachtliche Minderungen des Primärenergiebedarfs und der CO₂-Emissionen zu erreichen sind. Bei den gegenwärtigen Energiepreisen bieten bivalente Wärmepumpensysteme im Vergleich zu konventionellen Heizungsanlagen dem Kunden jedoch in den meisten Fällen keine Kostenvorteile. Mit den Förderprogrammen des Bundesministeriums für Wirtschaft (BMWi), der Landesregierungen, vor allem Bayern und Brandenburg sowie der Energieversorgungsunternehmen [1], jedoch mit zum Teil sehr hohen Leistungsanforderungen vor allem an bivalente Anlagen, kann schon heute mit dieser Technik die geforderte Minderung der CO₂-Emissionen im Gebäudebestand unter wirtschaftlichen Bedingungen erreicht werden, da sinnvolle Wärmedämmungsmaßnahmen aus verschiedenen Gründen nicht durchführbar sind.

Bild 4: Jahresheizwärmeverbrauch des Gebäudebestandes und max. Jahresheizwärmebedarf nach der Wärmeschutzverordnung 1982 und 1995.

Mit der neuen Wärmeschutzverordnung verbessern sich vor allem auf dem Neubausektor mit jährlich jeweils 200000 Wohnungseinheiten sowohl in Ein- als auch in Mehrfamilienhäusern die Marktchancen der monovalenten Wärmepumpen. Auf Grund des geringen Heizwärmebedarfes liegen unter Berücksichtigung aller Kostenfaktoren die Investitionskosten in der gleichen Größenordnung wie bei Brennstoffheizungen, während die Betriebskosten und damit die Gesamtkosten wesentlich niedriger sind.

Die Bestrebungen der Bundesregierung in Richtung "Niedrigenergiehaus" werden langfristig die wirtschaftlichen Einsatzmöglichkeiten der Wärmepumpe noch weiter verbessern. Der geringe, mittlere Jahresheizwärmebedarf von 50 kWh/m²a ist nach dem heutigen Stand mit konventionellen Heizungssystemen nur bedingt realisierbar, da es Anlagen mit derartig kleinen Leistungen bisher nicht gibt und im Gegensatz zur Wärmepumpe die Investitionskosten bei abnehmender Leistungsgröße nicht mehr verringert werden können. Auch für den Gasversorger ist der geringe Energiebedarf aus wirtschaftlichen Gründen praktisch nicht mehr zu rechtfertigen.

Für Häuser mit derartig niedrigem Heizenergiebedarf, die durch Öffnen der Fenster nicht mehr energetisch sinnvoll belüftet werden können, ist die Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung als optimale Lösung anzusehen. Andererseits benötigen auch Niedrigenergiehäuser noch eine Zusatzheizung geringer Leistung. Für eine zentrale Wärmeversorgung erweisen sich neben einer Gasbrennwertheizung mit zentraler Abluftanlage folgende Wärmepumpensysteme als energetisch besonders günstig:

Wärmepumpe mit Erdreich oder Luft als Wärmequelle mit zentraler Abluftanlage
Wärmepumpe zur Wärmerückgewinnung und Heizung mit zentraler Lüftungsanlage
(Luftheizsystem)

Eine Verbesserung der Leistungszahl der Wärmepumpe mit Luft als Wärmequelle bietet der zusätzliche Einbau eines Erdwärmetauschers, der in das Fundament des Hauses verlegt werden kann und durch den im Bedarfsfall die Außenluft ins Haus geleitet wird. Dabei findet im Winter ein deutlicher Energiegewinn und im Sommer ein besonders angenehmer Kühleffekt statt.

Einen für die Zukunft besonders interessanten Einsatzbereich bietet die Abwärmenutzung, die zwar in ihrem Planungsaufwand heute noch von den Standardlösungen abweicht, aber aus energetischen, wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Gesichtspunkten nicht länger als Nischenlösung behandelt werden sollte. Überall dort, wo Abwärme und Abluft auf niedriger Temperatur anfällt, kann sie mit der Wärmepumpe auf ein höheres, für Heizzwecke und Prozeßwärme nutzbares Niveau gebracht werden.

Aus der Vielzahl praktischer Erfahrungen sei hier nur die Nutzung der Abwärme - "kalte Fernwärme" - des Braunkohlekraftwerks Arzberg/Oberfranken und des Kernkraftwerks Gundremmingen genannt [2]. Mehrjährige Messungen in einem Einfamilienhaus in Arzberg ergaben eine mittlere Jahresarbeitszahl von nahezu 3,4 oder 40% Primärenergieeinsparung und 50% weniger CO₂-Emissionen im Vergleich zu einer Ölheizung.

Als Beispiel der industriellen Abwärmenutzung sei das Projekt der Elektrizitätswerke Minden-Ravensberg GmbH (EMR) und der Weberei C.A. Delius & Söhne erwähnt. Dabei wird die Abwärme der Produktionsprozesse über eine Kaltwasser-Nahwärmeversorgung zur Raumheizung und Warmwasseraufbereitung mit dezentral betriebenen Elektrowärmepumpen für das Neubaugebiet "Stiegelpotte" mit insgesamt 140 Wohneinheiten genutzt [3]. Für die eingesetzten Wasser-/Wasser-Wärmepumpen konnte für die Heizperiode 1994/95 eine mittlere Jahresarbeitszahl von 4,9 für die ersten 55 Wohneinheiten ermittelt werden. Bei einem durchschnittlichen Wärmebedarf von 50,3 W/m² wurde im Vergleich zu einem Gas-Niedertemperaturkessel eine Primärenergieeinsparung auf 56% und eine CO²-Emissionsminderung auf 44% ermittelt.

Bild 5: Vergleich der Leistungszahlen von R 290 (mit und ohne Drehzahlreglung) und R 502.

Weitere erfolgreiche Beispiele der Wärmerückgewinnung sowie kombinierte Geothermie- bzw. Solarkollektorensysteme mit Wärmepumpen sind in einer Zusammenstellung des Informationszentrums Wärmepumpen und Kältetechnik (IZW) [4] und im Arbeitsordner Wärmepumpen des Initiativkreises WärmePumpe (IWP) und der Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendung (HEA) [5] veröffentlicht.

Technische Entwicklung

Die Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe hängen heute und in der Zukunft vor allem von einer optimierten Auslegung, Regelung und Betrieb des Gesamtsystems von der Wärmequelle bis zur Nutzwärme ab, verdeutlicht durch eine möglichst hohe Jahresarbeitszahl. Das heißt jedoch auch, daß durch technische Verbesserungen eine Erhöhung der Leistungszahl der Wärmepumpe angestrebt werden muß.

Für den möglichen zukünftigen Einsatz wirtschaftlicher monovalenter Luft-/Wasser-Wärmepumpen in bestehenden Gebäuden sind, neben der bereits erwähnten Nutzung von Abluft mit ganzjähriger Verfügbarkeit und dem Einsatz intelligenter Regelung, u.a. die Entwicklung von drehzahlgeregelten Verdichtern, zweistufigen Systemen und die Verwendung von Propan als Kältemittel von Bedeutung. Bild 5 zeigt als Beispiel die mit Drehzahlregelung bzw. Propan erreichbaren Verbesserungen der Leistungszahlen bis zu 30%, aber auch die Erbringung der notwendigen Heizleistungen bei Außentemperaturen unter -10°C [6].

(Fortsetzung folgt)

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