Hohe Temperaturen meistern

Mit der Heißgasauskopplung nach dem Verdichtungsprozess werden die hohen Temperaturen des Heißgases ohne Einbußen bei der Anlageneffizienz zur Warmwassererzeugung nutzbar gemacht. Eine neue Produktserie von Stiebel Eltron ermöglicht so Temperaturen über 70 °C.

Der Energiestandard von Gebäuden verbessert sich seit vielen Jahren, was zu einer stetigen Reduzierung des Wärmebedarfs einerseits wie auch zu einer Senkung der für die Beheizung notwendigen Systemtemperaturen andererseits führt. Damit rückt jedoch die Warmwasserbereitung in vielen Projekten zunehmend in den Fokus: Das hohe notwendige Temperaturniveau stellt auf niedrige Vorlauftemperaturen optimierte Wärmeerzeuger wie die Wärmepumpe vor Herausforderungen. Oft fällt die Effizienz der Warmwasserbereitung gegenüber der im Heizungsbetrieb deutlich ab. Die Auskopplung von Heißgas für die Warmwasserbereitung ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Effizienz der Warmwasserbereitung.

Thermodynamische Prozesse

Zum Verständnis der Heißgasauskopplung hilft zuerst der Blick auf die thermodynamische Funktionsweise von Wärmepumpen. Diese basiert, wie in Bild 1 dargestellt, auf einem linkslaufenden Clausius-Rankine-Kreisprozess: Im Verdampfer wird durch Wärmeübertragung aus der Umwelt auf niedrigem Druck- und Temperaturniveau ein flüssiges Kältemittel verdampft (4 – 5). Nach der vollständigen Verdampfung erhitzt sich das Kältemittel im Verdampfer über seine Verdampfungstemperatur hinaus (5 – 1) und gelangt im überhitzten Zustand zum Verdichter. Im Verdichter wird das gasförmige Kältemittel verdichtet – die Temperatur steigt weiter bis zur Heißgastemperatur (1 – 2). Im weiteren Prozess erfolgt zunächst eine Wärmeabgabe bis zum Erreichen der Kondensationstemperatur (2 – 2‘). Unter weiterer Wärmeabgabe kondensiert das Kältemittel schließlich im Kondensator (Verflüssiger) und erwärmt dabei eine Wärmesenke – beispielsweise Wasser in einem Heizungssystem (2 – 3). Nach vollständiger Kondensation kühlt sich das Kältemittel weiter ab – dieser Vorgang wird als Unterkühlung (3 – 3‘) bezeichnet – und gelangt schließlich zum Expansionsventil, an dem das Kältemittel durch eine lokale Querschnittsverjüngung auf seinen Ursprungsdruck entspannt wird (3‘ – 4).

Der reale Prozess in einer Wärmepumpe unterscheidet sich in zahlreichen Punkten vom idealen Carnot-Kreisprozess. Neben zu berücksichtigenden Druckverlusten erfolgt die in Prozessschritt (1 – 2) dargestellte Verdichtung des Kältemittels auf eine Verdichtungsendtemperatur, die deutlich oberhalb der Kondensationstemperatur (2‘ – 3) liegt. Je nach Kältemittel können Heißgastemperaturen von bis zu 125 °C erreicht werden. Da die Wärmeabgabe – in der Regel an das Wasser des Heizungssystems – typischerweise auf dem Niveau der Kondensationstemperatur (2‘ – 3) erfolgt, bleiben die thermodynamisch wertvollen Temperaturen des in jedem Verdichtungsprozess entstehenden Heißgases bei den meisten Wärmepumpen ungenutzt.

Heißgasauskopplung zur Warmwasserbereitung

Für die Warmwasserbereitung existieren deutlich höhere Temperaturanforderungen als für die Heizung. Die gängigen Normen fordern am Austritt des Warmwassererzeugers dauerhaft Temperaturen von über 60 °C, wofür Kondensationstemperaturen im Kältekreislauf von 65 °C und höher notwendig sind. Aufgrund der deutlich unterschiedlichen Temperaturanforderungen von Heizung und Warmwasserbereitung sieht die Steuerung von Wärmepumpen zwei unterschiedliche Betriebsmodi für diese beiden Anwendungsfälle vor. Die Leistungszahl der Warmwasserbereitung ist angesichts des größeren Temperaturhubs zwischen Wärmequelle und Systemtemperatur üblicherweise geringer als jene der Heizwärmeerzeugung.

Bei den meisten Wärmepumpen erfolgt die gesamte Wärmeabgabe in den Prozessschritten 2 – 2‘ und 2‘ – 3 über einen gemeinsamen Wärmtauscher. Bei der Heißgasauskopplung hingegen werden die in jedem Verdichtungsprozess entstehenden hohen Heißgastemperaturen einer energetisch sinnvollen Nutzung auf hohem Temperaturniveau zugeführt – der Warmwasserbereitung. Dazu wird dem Verdichter ein zusätzlicher Wärmetauscher nachgeschaltet, über den das Heißgas geführt und bei Temperaturen von mindestens 65 °C ausgekoppelt wird, bevor es zum Kondensator gelangt. Dies entspricht dem Prozessschritt (2 – 2`) in Bild 1. Über diesen Wärmetauscher erfolgt die Beladung eines Durchlaufspeichers in der oberen Temperaturschicht (Speicherdom, siehe Bild 2). Insgesamt werden je nach Quellen- und Kondensationstemperatur bis zu 35 % der Energie im gasförmigen Kältemittel zur Warmwasserbereitung genutzt. Die verbleibende Energie gelangt anschließend mit dem abgekühlten, aber noch gasförmigen Kältemittel zum Kondensator, an dem es unter Abgabe seiner Restwärme vollständig kondensiert (2‘ – 3). Durch die Heißgasauskopplung wird die Kondensationstemperatur im Kältekreis nicht verändert, sodass sich das Temperaturniveau der Heizwärmeerzeugung nicht wesentlich verändert. Aufgrund der geringeren verbleibenden Wärmemenge sowie der geringeren durchschnittlichen Temperatur verringern sich Leistung und Leistungszahl für den Heizungsbetrieb nur minimal. Dies wird zudem noch dadurch aufgewogen, dass die Laufzeit in der Warmwasserbereitung mit hohen Temperaturen deutlich sinkt und sich damit die Gesamteffizienz der Wärmepumpe erhöht. Durch die ruhigere Betriebsweise vermindert sich auch der Verschleiß des Verdichters, womit die Lebensdauer der Wärmepumpe steigt. Eine optimale Abstimmung der Komponenten untereinander sowie der Regelung des Kältekreises gewährleistet, dass hohe Heißgastemperaturen ohne Beeinträchtigungen im regulären Heizungs- oder Warmwasserbetrieb bereitgestellt werden können.

Mit der drehzahlgeregelten „WPE-I H 400“ bietet Stiebel Eltron eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Heißgasauskopplung an. Die Maschinen sind in vier Leistungsgrößen von 33 bis 87 kW erhältlich und können in Kaskaden von bis zu 16 Geräten verbaut werden – damit sind Leistungen von bis zu 1400 kW erreichbar. Die Heißgasauskopplung kann wunschweise aktiviert werden und ermöglicht die Nutzung von Heißgasen mit bis zu 125 °C. Dadurch können insbesondere in der Heizperiode ohne Zusatzheizung Temperaturen von über 70 °C im oberen Speicherbereich erzielt werden. In den Sommermonaten kann durch einen aktiven Kühlbetrieb die hohe Effizienz der Warmwasserbereitung aufrechterhalten werden. Auch heizungsseitig können hohe Temperaturanforderungen von bis zu 65 °C erfüllt werden, womit sich die „WPE-I H 400 Premium“ ideal für die Sanierung von Mehrfamilienhäusern eignet.

Zweites Umschaltventil ermöglicht vollständige Speicher-Durchladung

Bei der Installation wird ein Durchlaufspeicher zur Warmwasserbereitung wie gewohnt an Heizungsvor- und -rücklauf der Wärmepumpe angeschlossen. Dazu werden die Anschlussstutzen im mittleren Bereich des Speichers verwendet. Zusätzlich wird der Heißgas-Wärmetauscher über eine 28-mm-Rohrleitung an den oberen Anschlussstutzen des Durchlaufspeichers angeschlossen. Der Volumenstrom auf der Heißgasleitung wird über ein Strangregulierventil eingestellt.

Die Regelung ermöglicht zusätzlich ein intelligentes Speichermanagement durch Steuerung der Durchladung mit Heißgas. Dazu werden zwischen den Heißgas- und Warmwasser-Rohrleitungen zwei weitere Umschaltventile installiert (Bild 2), sodass zusätzlich auch eine Heißgas-Beladung im mittleren Bereich des Durchlaufspeichers möglich wird. Sobald im oberen Bereich des Speichers ein definiertes Temperaturniveau von beispielsweise 68 °C erreicht wird, beginnt die Durchladung des gesamten Speichers über die Anschlussstutzen im mittleren Bereich. Damit kann die Temperaturschichtung im Speicher auf die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden.

Heißgasauskopplung im Feldtest

In einem mehrwöchigen Feldtest wurde die Heißgasauskopplung (HGA) unter praktischen Bedingungen untersucht. Eine Kaskade aus einer „WPE-I 59 H 400“ und einer „WPE-I 44 H 400“ versorgt eines der Verwaltungsgebäude am Hauptsitz von Stiebel Eltron in Holzminden. Neben einem Pufferspeicher „SBP 1000 E“ wurde auch ein Durchlaufspeicher „SBS 1001 W“ installiert. In dem Gebäude werden nur geringe Mengen Warmwasser benötigt, so dass die Warmwasserbereitung dezentral erfolgt und nicht für den Feldtest geeignet war. Für den Feldtest wurde daher der Warmwasserbedarf eines Mehrfamilienhauses mit zehn Wohneinheiten und dem Norm-Zapfprofil eines Drei-Personen-Haushaltes mit Bad und Dusche (DIN EN 15450 Tab. E.4) über zeitgesteuerte Volumenstromregler und eine Hebeanlage simuliert.

Im Feldtest bestätigen sich die hohen Temperaturen, die durch die Heißgasauskopplung möglich sind. Während die „WPE-I 59 H 400“ den SBS-Speicher ohne Heißgasauskopplung auf 62° C erwärmt, werden mit Heißgasauskopplung knapp 75 °C im Speicherdom erreicht. Über die Umschaltventile zur Durchladung des Speichers kann die Temperaturschichtung sehr gut gesteuert werden (Bild 3). Je höher die Umschalttemperatur gewählt wird, desto höher ist die Temperatur im oberen Speicherbereich. Umgekehrt lassen sich durch niedrigere Umschalttemperaturen wie beispielsweise 68 °C höhere Temperaturen in der Speichermitte bei etwas niedrigeren Absolut-Temperaturen im Speicherdom erzielen.

Planungshinweise

• Die Heißgasauskopplung lässt sich optimal durch Warmwasser-Durchlaufspeicher (Typ SBS) nutzen. Diese werden unten regulär in der Warmwasserbereitung beladen. Die Beladung mit Heißgas erfolgt im oberen Bereich. Für die Auslegung des Speichers sind die Auslegungstabellen zu berücksichtigen.
• Der Volumenstroms auf der Heißgasleitung wird über ein Strangregulierventil eingestellt.
• Es sollte aufgrund hoher möglicher Zapftemperaturen ein Verbrühungsschutz vorgesehen werden.
• Der Anteil der Heißgasauskopplung ist umso höher, je größer der Temperaturhub der Wärmepumpe im regulären Betriebsmodus ist. Das heißt, dass hohe Heißgasanteile bei niedrigen Quellentemperaturen und hohen Vorlauftemperaturen erzielt werden können.
• Auf die direktelektrische Deckung von Zirkulationsverlusten kann verzichtet werden.
• Die Mehrkosten für die Nutzung der Heißgasauskopplung sind überschaubar: ‹ 10 % der Anlagenkosten.

Die hohen Temperaturen im oberen Speicherbereich eignen sich hervorragend zur Kompensation von Zirkulationsverlusten. Bei einer Zirkulationsleistung von 1750 Watt (5 K Temperaturabfall bei 5 l/min) stellt sich im oberen Speicherbereich immer noch eine mittlere Temperatur von 65 °C ein – gegenüber bis zu 70 °C ohne eine Zirkulationslast. Es existieren also ausreichende Reserven zur Deckung von höheren Zirkulationsverlusten.

Größerer Energieeintrag bei gleichbleibender Effizienz

Ein weiterer Vorteil der Heißgasauskopplung ist, dass die hohen erreichbaren Temperaturen nicht zu Lasten der Anlageneffizienz gehen. Temperaturen von mehr als 60 °C lassen sich auch mit Wärmepumpen ohne Heißgasauskopplung erzielen. Durch den größeren Temperaturhub des Verdichters bei höheren Vorlauftemperaturen verringert sich jedoch die Anlageneffizienz. So sinkt die Leistungszahl durch Anheben der Vorlauftemperatur von 60 °C auf beispielsweise 65 °C um etwa 7 %. Da Heißgas in jedem Verdichtungsprozess entsteht, verringert sich die Leistungszahl durch die Heißgasauskopplung hingegen nicht. Diesen Zusammenhang bestätigt der Feldtest ebenfalls (Bild 4). Weder im Heizungs- noch im Warmwasserbetrieb lässt sich eine Reduzierung der Anlageneffizienz durch die Auskopplung von Heißgas feststellen. Bei der Ermittlung der Anlageneffizienz zur reinen Heizwärmebereitstellung liegen die Abweichungen zwischen den Messreihen mit und ohne Heißgasauskopplung im Bereich von einem Prozentpunkt und damit im Toleranzbereich der eingesetzten Messinstrumente. Somit können durch die Heißgasauskopplung deutlich höhere Nutztemperaturen bei gleichbleibender Anlageneffizienz erzielt werden.

Einsparpotenzial durch monovalente Trinkwassererwärmung

Die gleichbleibend hohe Anlageneffizienz ist insbesondere im Hinblick auf die Deckung der Zirkulations- und Verteilverluste wichtig. Diese können in Mehrfamilienhäusern bis zu 50 % des eigentlichen Trinkwarmwasserbedarfs betragen. Der hierfür notwendige Stromverbrauch kann schnell hohe Kosten verursachen. Durch die Heißgasauskopplung werden die Zirkulations- und Verteilverluste hingegen im normalen Warmwasserbetrieb monovalent gedeckt. Bild 5 zeigt, welches Einsparpotenzial die Deckung dieser Verluste mittels Heißgasauskopplung verspricht. Für die monoenergetische Warmwasserbereitung wurde angenommen, dass die Warmwasserbereitung mit einer durchschnittlichen Leistungszahl von 3,82 (Bild 4) erfolgt, während die Zirkulations- und Verteilverluste in Höhe von rund 35 % des Warmwasserbedarfs direktelektrisch (Leistungszahl 1,00) gedeckt werden. Durch die Heißgasauskopplung entfällt die Notwendigkeit des direktelektrischen Nachheizens vollständig, sodass auch die Verluste mit der durchschnittlichen Leistungszahl der Warmwasserbereitung gedeckt werden. Hierdurch kann der Stromverbrauch für die Warmwasserbereitung um rund 42 % gesenkt werden.

Im Feldtest zeigte sich weiterhin, dass der Anteil der Heißgasauskopplung mit größer werdendem Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Wärmesenke zunimmt. So zeigte sich im Warmwasserbetrieb ein Heißgasanteil von bis zu 35 % der erzeugten Wärmemenge, während im Heizungsbetrieb lediglich 3 % Heißgas ausgekoppelt werden konnten. Ein wesentlicher Grund für die geringe Heißgasauskopplung im Heizungsbetrieb ist das hohe Temperaturniveau der Wärmequelle (Werkswasser) von im Mittel 13 °C. Es ist davon auszugehen, dass sich bei geringeren Quellentemperaturen, wie sie beispielsweise bei Erdsonden anzutreffen sind, deutlich höhere Heißgasanteile im Heizungsbetrieb einstellen.

Autor: Björn Langheim, Entwicklung Stiebel Eltron

Bilder: Stiebel Eltron