IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 07/2001, Seite 112 ff.
Eneriesparen mit der gasbetriebenen Wärmepumpe
Ein Evolutionssprung in der Heizungstechnik
Dipl.-Ing. Christian Schwarz*
Die Technik der Wärmeerzeugung für Zentralheizungsanlagen wurde seit den 60er-Jahren kontinuierlich verbessert. Motor dieser Entwicklung war insbesondere in den 70er und 80er-Jahren die Abhängigkeit von Energie-Importen. Ziel der Entwicklung war die Reduzierung des Energieverbrauchs und damit die Verringerung der Abhängigkeit von Energie-Importen bzw. die Einsparung von Betriebskosten.
Heute sind die Niedertemperatur- und die Brennwerttechnik in Deutschland Stand der Technik. Die Brennwerttechnik gewinnt dabei mit dem steigenden Umweltbewusstsein gegenüber der Niedertemperaturtechnik weiter an Bedeutung. Sie entwickelt sich zur Standardlösung. Mit der Brennwerttechnik und Norm-Nutzungsgraden von bis zu 109% ist das technische Potenzial der konventionellen Feuerungstechnik erschöpft.
| Bild 1: Entwicklung der Heiztechnik. |
Mit der gasbetriebenen Wärmepumpe Loganova GWP geht Buderus einen Schritt weiter. Mit ihr werden bezogen auf HI Wirkungsgrade von bis zu 1,5 bzw. Jahresnutzungsgrade bis zu 130% erreicht. Diese hohe Effizienz wird durch die Gewinnung von in der Umwelt gespeicherter solarer Energie ermöglicht. So kann der Gasverbrauch bei der Wohnraumbeheizung im Vergleich zur Brennwerttechnik um bis zu 25% verringert werden. Buderus setzt damit einen neuen Meilenstein in der Heiztechnik: Betriebskosten sparen zum Wohle der Umwelt (Bild 1).
Wärme die aus der Kälte kommt
Eine Wärmepumpe arbeitet nach dem gleichen Grundprinzip wie ein Kühlschrank. Im Kühlschrank wird dem Kühlgut Wärme entzogen. Die Antriebsenergie und die dem Kühlgut entzogene Energie werden als Abwärme an der Rückseite des Kühlschranks an den Raum "ungenutzt" abgegeben.
Wärmepumpen kehren den Nutzen um. Sie entziehen der Umwelt Energie. Diese Umweltwärme und die für den Kühlprozess notwendige Antriebsenergie werden dem Heizsystem für die Wärmeversorgung zur Verfügung gestellt. Das Besondere an der Loganova GWP ist, dass dieser "Kühlschrank" durch Wärmezufuhr mittels Erdgas angetrieben wird (Bild 2).
| Bild 2: Das reine Wärmepumpen-Aggregat. |
Durch die Nutzung der Umweltenergie und durch den Brennstoff Erdgas trägt die Loganova GWP zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes bei. Sie leistet damit einen wertvollen Beitrag zum Schutz unserer Umwelt und gegen die globale Erwärmung durch den Treibhauseffekt.
Woher kommt die Umweltwärme?
Mögliche Wärmequellen sind z.B. das Erdreich oder die Außenluft. Die Umweltwärme wird mittels eines Solekreislaufs in die Wärmepumpe im Verdampfer eingekoppelt. Der Solekreis besteht aus einem geschlossenen Rohrsystem, in dem ein Wärmeträger (Sole) zirkuliert.
Die Wärmequelle führt der "kalten" Sole die Umweltwärme zu und erwärmt ihn. Der Sole wiederum wird diese Energie in der Wärmepumpe entzogen; sie wird gekühlt. Die kalte Sole wird schließlich wieder zur Wärmequelle geleitet. Der Kreislauf ist somit geschlossen.
| Bild 3: Thermodynamischer Kreisprozess. |
Am einfachsten kann die Außenluft als Wärmequelle erschlossen werden. Noch bei Außentemperaturen von -10°C gewinnt das Wärmepumpen-Aggregat Umweltwärme. Hierfür wird ein Rippenrohr-Wärmetauscher als Luftkollektor eingesetzt, der zum Beispiel auf einem Schräg- oder einem Flachdach montiert wird (Bild 4). Von weitem betrachtet sieht er einem konventionellen Solar-Flachkollektor sehr ähnlich. Er entzieht jedoch hauptsächlich der Außenluft Energie. Die direkte Nutzung der Solarstrahlung spielt hingegen eine untergeordnete Rolle.
Der von Buderus angebotene Luftkollektor ist auf die Loganova GWP abgestimmt. Größere Planungen oder Genehmigungen für die Installation und den Betrieb der Anlage sind nicht erforderlich.
Alternativ zur Außenluft kann selbstverständlich auch das Erdreich mit Hilfe von Erdwärmesonden oder Erdreichkollektoren als Wärmequelle genutzt werden. Diese aus energetischen Gründen optimale Wärmequelle bedarf zur Erschließung jedoch einen höheren Aufwand.
| Bild 4: Luftkollektor aus einer Feldtestanlage. |
Auf Herz und Nieren geprüft
Buderus ist der erste Hersteller, der diese Technologie in einer Großserienfertigung auf die Bedürfnisse der Heiztechnik angepasst hat. In einem Feldtest wurde die Technologie gemeinsam mit der Gasversorgungswirtschaft in Deutschland und den Niederlanden in nahezu 100 Anlagen getestet. Dabei zeigte sich die Praxistauglichkeit der Technologie und des Gerätekonzepts.
Ein wesentlicher Vorteil der Loganova GWP ist, dass das Wärmepumpen-Aggregat praktisch verschleißfrei und sehr geräuscharm arbeitet. Dies liegt daran, dass der auf Dichte- und Konzentrationsunterschieden beruhende Naturumlauf bewegliche Teile im Aggregat überflüssig macht. Nur am Brenner sind bewegliche Teile. Das Aggregat selbst ist vollständig verschweißt und damit hermetisch dicht. Daher sind zusätzliche Wartungen für das Wärmepumpen-Aggregat nicht erforderlich.
Einsatzbereiche
Die Loganova GWP ist ein mit Erdgas angetriebener Wärmeerzeuger zur Wohnraumbeheizung und Trinkwassererwärmung. Dabei steckt unter der Verkleidung ein Brennwertgerät als Spitzenlastkessel (Bild 5).
Mit dem Wärmepumpen-Aggregat wird der größte Teil des Wärmebedarfs zur Wohnraumbeheizung abgedeckt. Der Brennwertkessel kommt nur zum Einsatz zur Trinkwassererwärmung oder als zusätzlicher Wärmeerzeuger, falls die Wärmeleistung der Wärmepumpe nicht mehr ausreicht. Die Kombination der beiden Wärmeerzeuger ermöglicht eine Trinkwassererwärmung ohne eine zeitliche Unterbrechung der Wohnraumbeheizung.
| Bild 5: Gerätekonzept |
Die gasbetriebene Wärmepumpe wird in zwei Ausführungen erhältlich sein. Im Neubau kommt die Loganova GWP 102-11 (3,6 kW DAWP/max. Heizleistung 11 kW) zum Einsatz. Die Wärmeleistung des Spitzenlastkessels ist auf die Trinkwassererwärmung ausgelegt. Im heutigen Wohnungsbau kann bei einem Wärmebedarf von ca. 10 kW bis zu 80% der Heizarbeit für die Wohnraumbeheizung vom Wärmepumpen-Aggregat abgedeckt werden. Der Spitzenlastkessel deckt dann den restlichen Heizwärmebedarf und die Trinkwassererwärmung ab. Die Kombination aus Wärmepumpen-Aggregat und Spitzenlastkessel führt damit bei der Wohnraumbeheizung zu einer Energieeinsparung im Vergleich zur Brennwerttechnik von bis zu 25%!
Für den Gebäudebestand oder für Zweifamilienhäuser wurde die Loganova GWP 102-19 (3,6 kW DAWP/max. Heizleistung 19 kW) konzipiert. Bei einem Heizwärmebedarf von 15 kW kann das Wärmepumpen-Aggregat immerhin noch mehr als 60% der Heizarbeit leisten. Damit sind Energieeinsparungen bei der Wohnraumbeheizung von 10% gegenüber der Brennwerttechnik möglich. Vergleicht man die Loganova GWP mit einer bestehenden Anlage aus den 80er-Jahren, so erzielt man sogar Einsparungen von bis zu 40%.
Keine Angst vor der Technik
Die Loganova GWP wird genauso wie ein Brennwertkessel in die Heizungsanlage eingebunden. Spezielle Kenntnisse über den Wärmepumpenprozess sind nicht erforderlich. Ein Pufferspeicher ist nicht notwendig. Die Vorlauftemperatur sollte insbesondere bei Neuanlagen 60°C nicht überschreiten. Als Abgassystem kommt das Kunststoffsystem aus dem Bereich der wandhängenden Brennwertgeräte zum Einsatz. Alle wesentlichen Anlagenkomponenten - von der Heizkreispumpe bis zum Ausdehnungsgefäß - sind bereits im Gerät integriert. Dies ermöglicht eine platzsparende und sehr saubere Installation. Der einzige Unterschied zu einer Brennwertanlage besteht im zusätzlichen Solekreis. Bei der Installation eines Luftkollektors zur Nutzung der Außenluft als Wärmequelle ist der Aufwand mit der Installation eines Solarkollektors vergleichbar.
Zusammenfassung
Die Loganova GWP ist ein innovativer Wärmeerzeuger und hat den Durchbruch zu einer Serienproduktion geschafft. Sie wird ab der zweiten Jahreshälfte 2001 verfügbar sein. Mit ihr ist es möglich, bis zu 25% Erdgas bei der Wohnraumbeheizung einzusparen und stellt damit eine besonders umweltschonende Technologie für Ein- und Zweifamilienhäusern (ob Neu- oder Altbau) dar. Ohne bewegliche Teile arbeitet das Wärmepumpen-Aggregat besonders geräuscharm und ist praktisch verschleißfrei.
Der Kreislauf beginnt. . .
Es handelt sich bei dem Wärmepumpen-Aggregat um eine Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe (DAWP) mit Ammoniak, Wasser und Helium als Arbeitsmedien (Bild 3). Das Wärmepumpen-Aggregat benötigt keine mechanische Pumpe oder Kompressoren. Stattdessen setzt sich der DAWP-Prozess bei Wärmezufuhr selbstständig in Bewegung. Die Arbeitsmedien zirkulieren im Gerät aufgrund der sich durch Wärmezufuhr automatisch einstellenden Dichte- und Konzentrationsunterschiede.
Beim Kreisprozess verdunstet das Kältemittel Ammoniak im Verdampfer und diffundiert in eine Heliumatmosphäre. Dabei nimmt das Kältemittel Energie aus der Umwelt auf. Das Dampfgemisch aus Ammoniak und Helium strömt nach dem Verdampfer in einen Absorber. Im Absorber wird das Kältemittel wieder vom Helium getrennt. Dies geschieht, indem eine wässrige Lösung in den Absorber geleitet wird. Das Kältemittel ist sehr gut wasserlöslich und wird daher vom Wasser absorbiert (aufgenommen). Die dabei frei werdende Energie wird dem Heizsystem zur Verfügung gestellt. Das vom Kältemittel gereinigte Helium wird wieder in den Verdampfer geleitet, wo es erneut Kältemittel aufnimmt. Die im Absorber mit Kältemittel angereicherte wässrige Lösung fließt in einen Austreiber. An dieser Stelle tritt der Gasgebläsebrenner in Aktion. Über den Brenner wird Wärme in den Austreiber eingekoppelt. Das Kältemittel verdampft, während die verbleibende wässrige Lösung in den Absorber zurückgeleitet wird. Im Absorber wird die wässrige Lösung erneut mit Kältemittel angereichert. Der aus dem Austreiber aufsteigende Kältemitteldampf wird im Kondensator verflüssigt. Auch die frei werdende Kondensationswärme wird an das Heizsystem abgeführt. Das Kondensat gelangt anschließend in den Verdampfer, wo es erneut verdunstet und Umweltwärme aufnimmt. Der Kreislauf ist geschlossen.
Internetinformationen: |
* Dipl.-Ing. Christian Schwarz, Produktmanagement bei Buderus Heiztechnik GmbH, Wetzlar
B i l d e r : Buderus Heiztechnik GmbH, Wetzlar
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