Großwärmepumpen: bivalent effizienter

Kompakt informieren

• In der Industrie gibt es vielfältige Einsatzmöglichkeiten für Wärmepumpen, insbesondere wenn Anwärm- und Abkühlprozesse mit nur einem System abgedeckt werden können. Hier lohnt sich häufig auch der Einsatz natürlicher Kältemittel.
• Komplexe Systeme mit mehreren Quellen erfordern eine übergeordnete und vorausschauende Regelung der Wärmepumpe sowie der Energienutzungs- und -gewinnungsanlagen.
• Bei größeren Leistungen lassen sich Wärmepumpen häufig mit deutlich besserer Wirtschaftlichkeit betreiben, wenn Spitzenleistungen oder Teilleistungen mit höherem Temperaturbedarf durch andere Wärmeerzeuger abgedeckt werden.

Der Begriff Großwärmepumpe ist in der Branche nicht eindeutig definiert. Während manche Hersteller ab etwa 100 kW Heizleistung von einer Großwärmepumpe sprechen, definieren andere „Groß“ eher nach der Komplexität der Anwendung, der Anzahl der versorgten Objekte oder nach dem Temperaturhub.

Ein besonders interessantes Marktsegment entwickelt sich für Wärmepumpen in der Industrie. Dort werden rund 66 % des gesamten Endenergieeinsatzes in Prozesswärme umgesetzt, Größenordnung: rund 722 Mrd. kWh. Besonders wirtschaftlich für die Industrie ist die Wärmepumpe, wenn dadurch Anwärm- und Abkühlprozesse mit nur noch einem System abgedeckt werden können. Sehr effektiv arbeiten Wärmepumpen stets, wenn in einem Gebäude gleichzeitig Heiz- und Kühlbedarf besteht, wie beispielsweise in Hotels, Krankenhäusern und Rundfunkanstalten.

Wärme und Kälte gleichzeitig nutzen

Wärmepumpen für Großbauten, Industrieprozesse sowie für Fern- und Nahwärmeanlagen sind in Deutschland bislang eher die Ausnahme. Dies hängt in erster Linie mit dem noch fehlenden Know-how bei Planern zusammen, aber auch mit dem bisher eingeschränkten Angebot an Wärmepumpen mit höheren Leistungen und höheren Endtemperaturen.

Martin Reder, Ochsner Wärmepumpen, Haag, Österreich, sieht die künftigen Einsatzmöglichkeiten von leistungsstarken Wärmepumpen Abb. 2 in erster Linie in Bürogebäuden, Wohnbauten, Verwaltungsgebäuden, Bildungsstätten, Krankenhäusern, Supermärkten, Lagerhallen und in der industriellen Fertigung. Aber auch bei Fern- und Nahwärmeanlagen könne es sinnvoll sein, Großwärmepumpen zur Grundlastabdeckung sowie zur Nutzung von Stromüberschüssen aus erneuerbaren Energien und zur Stromnetzstabilisierung einzusetzen.

Wichtig sei es, die Wärmepumpe technisch auf das Temperaturniveau der Wärmequelle beziehungsweise der Abwärmetemperatur eines Prozesses abzustimmen, denn nur so könnten maximale Leistungszahlen erreicht werden. Ochsner unterscheidet:

• Niedertemperatur-Abwärme (bis 30 °C), beispielsweise aus mechanischen Prozessen sowie Kühlprozessen in der Chemie, Pharma- und Lebensmittelindustrie und
• Mitteltemperatur-Abwärme (35 bis 55 °C), vor allem von Heizwerken, Fernwärmenetzen und chemischen Prozessen.

Je nach Wahl des Kältemittelverdichters (Schraube, Turbo) und des Kältemittels können Heiztemperaturen von 55 bis 65 °C, bei einstufigen Hochtemperaturausführungen bis zu 98 °C, bei zweistufigen Maschinen sogar über 98 °C erreicht werden. Als Beispiele für ausgeführte Großwärmepumpenanlagen nennt Martin Reder:

• Stadtwerke Amstetten (Niederösterreich): Heiz-/Kühlleistung: 228 / 186 kW; Wärmequelle Abwasser mit 15 °C, Jahresarbeitszahl 5,6 bei 45 °C Vorlauftemperatur; Betriebskosteneinsparung gegenüber bisheriger Wärmeerzeugung mit Gas-Heizkessel 72 %, <b>Abb. 3</b>
• IKEA Berlin-Lichtenberg: 3 × 500 kW Heizleistung; Besonderheit: Rückkühlung im Sommer über das Abwassernetz (Druckleitung): Wärmequelle Abwasser mit 10 °C, Vorlauftemperatur: 40 °C
• Zentrale der Vattenfall Europe AG in Hamburg: 2 Wärmepumpen à 350 kW Heizleistung; Wärmequelle: EDV-Abwärme; gleichzeitige Nutzung von Wärme und Kälte mit einer Leistungszahl von COP_Heiz von 4,46 und COP_Kühl von 3,38
• Powertower der Energie AG in Linz: 900 lfdm. Fundamentpfähle als Energiequelle; 2 Grundwasserförderpumpen, 46 Erdsonden mit je 150 m Tiefe; Heizleistung 337 kW; die Jahresarbeitszahl liegt über 5

Reder ist überzeugt, dass bei einer optimalen Gebäudeplanung und Systemabstimmung künftig auf separate Wärme- und Kälteerzeuger verzichtet werden kann. Dazu müssten allerdings vom Bauherrn sehr konkrete Vorgaben über die Auslegungskriterien gemacht werden.

Mit CO₂-Hochtemperatur-WP kühlen

Wenn bei Wärmepumpenanlagen große Temperaturhübe notwendig beziehungsweise sinnvoll sind, kommt das Kältemittel Kohlendioxid (CO₂) ins Spiel. Aus Sicht von Jan Hübner, Thermea Energiesysteme, Ottendorf-Okrilla, führt die neue F-Gase-Verordnung künftig zu einer weiteren Verschiebung des Kältemitteleinsatzes von den „Synthetischen“ zu den „Natürlichen“. Vorteil von CO₂ als Kältemittel ist der extreme Temperaturhub bei Heiz- und Prozesstemperaturen auf bis zu 110 °C auf der warmen und auf bis zu – 10 °C auf der kalten Seite. Im reinen Heizbetrieb sind Leistungszahlen um 4,3 und im reinen Kühlbetrieb von 3,5 erreichbar.

Besonders prädestiniert sei die CO₂-Hochtemperaturwärmepumpe als Ersatz für Heizkessel in konventionellen Heizsystemen, da mit dieser Bauart Vorlauftemperaturen von über 80 °C erreicht werden können. Beim Südwestrundfunk (SWR) in Baden-Baden installierte Thermea beispielsweise eine CO₂-Wärmepumpe Abb. 4 für die Grundlastversorgung, die gleichzeitig eine Heizleistung von 311 kW (bei 80/40 °C) und eine Kälteleistung von 200 kW (bei 12/6 °C) mit einem Gesamt-COP von 4,6 liefert Abb. 5. Bezogen auf die Heizarbeit der Wärmepumpe konnten dadurch die Heizkosten um 34 % gesenkt werden, berichtet Hübner.

In der Fachhochschule Soest wird eine CO₂-Wärmepumpe (Heizleistung 45 kW bei 80/40 °C, Kälteleistung 30 kW bei 21/10 °C) dazu genutzt, aus der Abwärme von RLT-Anlagen und von Kleinkälteanlagen der Mensa sowohl Heizwärme für die Warmwasserheizung und die Trinkwassererwärmung als auch Kaltwasser für die RLT-Anlagen zur Verfügung zu stellen. Die Auslegung der Wärmepumpe ist so bemessen, dass die ansonsten fernwärmeversorgte Mensa außerhalb der Heizperiode komplett durch die Wärmepumpe versorgt wird und die Nahwärmeversorgung in dieser Zeit stillgelegt werden kann. Hübner betont, dass die Bestandsanlage in der Mensa für eine konventionelle Wärmepumpe eigentlich ungeeignet war.

Natürliche Kältemittel bevorzugen

Wann immer möglich, sollten bei industriellen Wärmepumpenprozessen natürliche Kältemittel wie Ammoniak (NH₃ bzw. R 717) oder Kohlendioxid (CO₂ bzw. R 744) zum Einsatz kommen. Wolfgang Sandkötter, GEA Refrigeration, Berlin, nennt als Gründe die Umweltverträglichkeit, die niedrigen Kosten für diese Kältemittel sowie die höheren Leistungszahlen gegenüber synthetischen Kältemitteln. Wichtig sei es, die richtige Auswahl des Kältemittelverdichters unter Einbeziehung der Wärme-/Kälteleistung der Wärmepumpe und des Einsatzortes (Gewerbe, Industrie) zu treffen.

Eine besondere Herausforderung sieht Sandkötter in der Regelung und Steuerung von Großwärmepumpen, die gleichzeitig respektive wahlweise heizen und kühlen. Arbeite das Aggregat als Kältemaschine, sei die kalte Seite zweckbestimmt regelbar, die warme Seite dagegen standortabhängig zu regeln. Arbeite das Aggregat als Wärmepumpe, sei es umgekehrt.

In der Funktion als Kälteanlage müsse der Kühlwasserstrom eher groß, die Kühlwassererwärmung aber möglichst klein bei etwa 5 K gehalten werden. Dasselbe Aggregat in der Funktion als Wärmepumpe müsse mit eher kleinem Warmwasserstrom, jedoch größerer Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf betrieben werden. Eine grundlegende Anforderung an die Wärmepumpe sei die Einkopplung der Wärme aus dem Wärmepumpenprozess in die Heizungsanlage auf dem höchstmöglichen Temperaturniveau (Exergie-Erhalt).

Besonders prädestiniert seien Wärmepumpen in der Lebensmittelindustrie, da dort Aufheiz- und Abkühlprozesse zeitgleich oder kaskadiert ablaufen. Beispielsweise werde bei der Geflügelverarbeitung bei 38 °C (Körpertemperatur) geschlachtet, das Schlachtgut dann in 52 °C warmem Wasser ausgenommen und gewaschen und dann unmittelbar auf + 2 °C abgekühlt und gelagert. Noch größer sind die Temperatursprünge bei der Herstellung von Tiefkühlgemüse, zum Beispiel bei Erbsen. Die Umgebungstemperatur am Produkteingang liege bei 20 °C, blanchiert werde bei 80 °C. Danach werden die Erbsen bei – 18 °C gefrostet und bei – 22 °C gelagert.

Durch die Kaskadierung der Erwärmungs- und Abkühlprozesse in der Lebensmittelindustrie könne sowohl auf den bisher üblichen Heizkessel als auch auf den klassischen Kältemittelverflüssiger (Wärmeabgabe an die Umgebung) verzichtet werden. In einem konkreten Fall (Müller Milch) konnte durch den Wärme-Kälte-Wärmepumpen-Verbund über 20 % an Strom, mehr als 80 % an Erdgas und über 50 % an (Kühl-)Wasser eingespart werden; insgesamt konnten so die Betriebskosten um rund 260 000 Euro/a gesenkt werden.

Ein wichtiges Marktsegment für Großwärmepumpen mit großem Temperaturhub sieht Sandkötter in der Nutzung industrieller Abwärme für Fernwärmeanlagen, wie sie beispielsweise schon in Norwegen üblich sind Abb. 6. Selbst kaltes Fjordwasser eigne sich als Wärmequelle für Fernwärmeanbieter, sofern gleichzeitig auch die kalte Seite der Wärmepumpe genutzt werden kann.

Trend zu Multiquellenlösungen

Die Effizienz einer Wärmepumpenanlage hängt in sehr hohem Maße vom Zusammenspiel der Energiezentrale, der Energieverteilung, der Energiegewinnung und der Energienutzung ab Abb. 7. Die zur Uponor-Gruppe gehörende Zent-Frenger Energy Solution, Heppenheim, strebt deshalb gegenüber Bauherren eine Komplettlösung aus einer Hand an. Nur so könne eine Anlage optimiert geplant und betrieben werden, betont Frank Stolper, Leiter Kompetenzzentrum Großwärmepumpen von Zent-Frenger. Als eines der wenigen Unternehmen am Markt bietet Zent-Frenger Großwärmepumpen mit integrierter Energiezentrale, Heiz-/Kühldecken, Betonkerntemperierung sowie Erdsonden und Grundwasserbrunnen an.

Eine wichtige Rolle für einen dauerhaft effizienten Betrieb mit nachhaltiger Bewirtschaftung des geothermischen Sondenfelds beziehungsweise des Grundwasserbrunnens sei die intelligente Regelung von Wärmepumpen sowie der Energienutzungs- und Energiegewinnungsanlagen. Moderne Regler seien heute in der Lage, Wärmepumpen COP-optimiert nach vorgegebenen, mit dem Kunden abgestimmten Sollwerten zu fahren. Wegen des trägen Verhaltens von Gebäuden beziehungsweise von thermoaktivierten Bauteilen werde es immer wichtiger, Online-Wetterdaten in die Regelungsstrategie zu integrieren und tagesabhängige Spitzenlasten aus dem Nutzerverhalten frühzeitig zu erkennen.

Durch Entscheidungen, wie aktives Kühlen (über Kühlmodus oder Wärmepumpe) oder passives Kühlen (über das freie Kühlpotenzial der Wärmequellen) sei die Regelungsstrategie zunehmend von den komplexen Rahmenbedingungen der Anlagen abhängig. Beispielsweise auch davon, ob der Kunde Sollwertverschiebungen zugunsten einer längeren Naturalkühlung zulässt. Ideal sei es, wenn in einem Gebäude ein gleichzeitiger Bedarf an Heiz- und Kühllast vorliege; dann müssten die Energieströme oft nur innerhalb des Gebäudes „verschoben“ werden.

Ein oft unterschätzter Punkt beim Betrieb von Wärmepumpenanlagen sei die Einhaltung behördlicher Vorgaben, wie beispielsweise die zulässige Energieentnahme im Untergrund sowie die wasserrechtlichen Belange bei Brunnenanlagen. Insgesamt müsse den Wärmequellentemperaturen und dem Regenerationsstatus von Erdwärmesonden mehr Beachtung geschenkt werden, so Stolper, auch im Hinblick auf den Trend, durch die Nutzung saisonal unterschiedlicher Wärmequellen die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe zu verbessern und gleichzeitig die Sondenfelder zu regenerieren.

Vorstellbar sei auch die Einbindung von Eisspeichern und Rückkühlern sowie von Fernwärmerückläufen in das Wärmequellenkonzept. Wichtig sei es, die Wärmepumpe so zu konstruieren, dass sie mit unterschiedlichen Quellentemperaturen zurechtkomme, das heißt, multiquellenfähig ist. Dem monovalenten Betrieb von Großwärmepumpen im Gebäudebereich steht Stolper jedoch eher skeptisch gegenüber: „Alles mit Geothermie abzudecken ist meist unwirtschaftlich. Oft sind bivalente Lösungen mit Erdgas wirtschaftlicher.“ Abb. 1

Hohe JAZ durch bivalente Konzepte

Wer Wärmepumpen-Heizungsanlagen COP-orientiert plant und betreiben will, kommt bei größeren Anlagen nicht umhin, sich für eine bivalente Lösung mit separater Trinkwassererwärmungsanlage zu entscheiden. Am Beispiel des BRK-Pflegehauses „von Lepel-Gnitz“, Fürstenfeldbruck, verdeutlichte Manfred Gerngroß, Produktmanager Wärmepumpen bei Hoval, Aschheim, die Vorteile bivalenter Heizungsanlagen.

Insbesondere die Trinkwasserverordnung mit vorgegebener Warmwassertemperatur von über 60 °C durch den Bezug der allgemein anerkannten Regeln der Technik führte beim BRK-Pflegehaus zu einem hybriden Heizsystem, bestehend aus Gas-Brennwertheizkessel und Grundwasser/Wasser-Wärmepumpe mit einem Bivalenzpunkt bei – 7 °C Außentemperatur. Aufgrund des niedrigen Temperaturhubs der Wärmepumpe (Fußbodenheizung 40/35 °C) sowie der getrennt arbeitenden Trinkwassererwärmung werde eine gemessene Jahresarbeitszahl von 4,87 erreicht, so Gerngroß.

Eine wichtige Energiequelle für Wärmepumpen sieht Gerngroß in der Nutzung von Anergie (nicht mehr arbeitsfähige Energie) in Form von Rücklaufwärme aus Fernwärmesystemen, von Solarwärme und gewerblicher oder industrieller Abwärme. Auch hier sei es in vielen Fällen sinnvoll, bivalente Anlagen zu installieren, da das Anergie-Angebot temperatur- und mengenmäßig oft variiere.

Bei entsprechender Auslegung der Wärmepumpe könnten bei der Nutzung von Anergie hohe Arbeitszahlen erreicht werden. Vorstellbar sei in einem solchen Fall auch eine Kombination aus BHKW, Wärmepumpe und Brennwertheizkessel, da dann der Wärmepumpe auch die Wärmequelle Abgas zu Verfügung stehe. Eine solche Anlage wurde bei der Liechtensteinischen Gasversorgung im Objekt Triesen sehr erfolgreich umgesetzt Abb. 8. Die Gesamteffizienz der Anlage wurde durch die Abgaswärmenutzung mittels Wärmepumpe nochmals wesentlich erhöht.

140 °C mit Wasser als Kältemittel

Einen Ausblick auf Entwicklungen bei Groß- und Hochtemperaturwärmepumpen gab Sigurd Schiller von Johnson Controls Systems & Services, Mannheim. Derzeit laufen bereits Feldtests mit Hochtemperaturwärmepumpen mit dem Ziel, Heißwasser mit 70 °C (Kältemittel R 134a), 105 °C (Kältemittel R 245a) und 140 °C (Kältemittel R 718 bzw. Wasser) zu erzeugen. Für die „Wassermaschine“ hat der JCI-Unternehmensteil Sabroe / York einen ölfrei arbeitenden, magnetgelagerten zweistufigen Turboverdichter mit 600 kW Heizleistung entwickelt Abb. 9.

Schiller stellte in seinem Vortrag eher unorthodoxe Lösungen vor, beispielsweise die direkte Einbindung einer NH₃-Wärmepumpe in den Verflüssigerkreis einer bestehenden NH₃-Kälteanlage eines Lebensmittellogistikzentrums. Schiller empfiehlt in solchen Fällen, die Wärmepumpe nur auf die Grundlast auszulegen, den Temperaturhub zu begrenzen und somit den COP zu optimieren. Im dem Logistikzentrum konnte dadurch ein COP_Heiz von 6,4 erreicht werden.

Auch beim Kreiskrankenhaus Freiberg favorisierte JCI eine hybride Lösung, eine Kombination aus BHKW und Wärmepumpe Abb. 10, die nachträglich in das vorhandene Energiekonzept integriert wurde. Das Besondere an dieser Anlage ist die Nutzung von Grubenwasser aus einem alten Silberbergwerk als Wärmequelle. Dieses steht ganzjährig mit 12 bis 14 °C in einer Menge von 25 l/s zur Verfügung, auch zur Naturalkühlung. Durch die Nachrüstung von BHKW und Wärmepumpe konnten die Wärmeerzeugungskosten des Krankenhauses von 71 Euro/MWh auf 57 Euro/MWh vermindert werden. Die Betriebskosteneinsparung liegt bei 312 000 Euro/a.

Hohe Warmwassertemperaturen

Bei der Nachrüstung einer CO₂-Wärmepumpe im Schlachthof Zürich zur Bereitstellung von Heißwasser mit 90 °C für Raumheizung, Warmwasser und Lufterhitzer spielte das Hydraulikkonzept zum Einsammeln von Niedertemperaturwärme sowie die gesicherte kaskadierte Abkühlung des Heißwassers eine entscheidende Rolle. So war es notwendig, die Hydraulik der Lufterhitzer so zu ändern, dass der Rücklauf möglichst stark auskühlt (Drosselschaltung).

Als Wärmequellen für die 237 kW_el-CO₂-Wärmepumpe dienen die Abwärme eines Flotationsbeckens (120 kW), einer Drucklufterzeugungsanlage (40 kW) und einer Kälteanlage (650 kW). Wichtig sei es, so Kurt Weis, W & Partner Fachkoordination, Schlieren / Schweiz, die Anlage regelungstechnisch einfach zu gestalten. Besondere Beachtung müsse der Leistungsregelung des Gaskühlers der CO₂-Wärmepumpe geschenkt werden, da ein hoher COP nur mit kleinen Durchflussmengen und schnellen Stellantrieben erreicht werden könne. Wichtig sei auch, die Rücklauftemperatur aus dem Heizsystem möglichst unter 20 °C abzukühlen. Durch den Einbau der CO₂-Wärmepumpe spart der Betreiber nachweislich rund 37 % Energie ein; die Zielvorgabe war eine Einsparung von 30 %.

Geheimniskrämerei um Betriebsdaten

Dass kleinere Wärmepumpenaggregate in eingebautem Zustand oft nicht die vom Hersteller genannten Effizienzwerte liefern, ist in der Branche kein Geheimnis. Dass speziell geplante Großwärmepumpen bei der Überprüfung ihrer tatsächlichen Effizienz nur mäßige Ergebnisse liefern, die sogar unter denen von Hauswärmepumpen liegen, ist eher befremdlich. Umso erstaunlicher ist es, dass die Betriebsdaten von Großwärmepumpen in vielen Fällen weder vom Regler mitgeschrieben noch zur Effizienzverbesserung herangezogen werden, so zumindest das Ergebnis der Studie „Feldmonitoring und Analysen an Großwärmepumpen“ von Hubacher Engineering, Engelburg / Schweiz, im Auftrag des Bundesamtes für Energie (BFE), Bern / Schweiz.

Peter Hubacher, bekannt als Schweizer Wärmepumpendoktor, hat für die Studie bei 35 Anlagenbetreibern angefragt und letztendlich 20 Anlagen vor Ort überprüft und dabei die wichtigsten Daten dokumentiert. Obwohl gerade Großwärmepumpen in einem erheblichen Maße zur CO₂-Reduktion beitragen könnten – was ja auch Hersteller und Branchenverbände immer wieder hervorheben – war das Ergebnis der Untersuchung eher enttäuschend. Ein Resultat vorweg: Kleinwärmepumpen arbeiten bedeutend effizienter als Großwärmepumpen.

Obwohl gerade bei Großwärmepumpen die Anlagenparameter und Energieverbräuche von Reglern oder von der Gebäudeleittechnik ohne großen Aufwand mitgeschrieben werden könnten, hatten Hubacher und sein Team erhebliche Probleme bei der Datenbeschaffung. Hubacher: „Oft hat man uns Daten zunächst versprochen, aber dann nicht geliefert. Insgesamt gab es viel Geheimniskrämerei um die Betriebsdaten und Anlagenparameter von Großwärmepumpenanlagen.“

Erstaunlich sei, dass bei vielen Anlagenbesitzern weder ausreichende Unterlagen über ihre Wärmepumpenanlagen noch Verbrauchs- und Effizienzdaten vorlägen. Viele der zur Verfügung gestellten Daten seien unklar und unlogisch gewesen und mussten deshalb aufwendig nachrecherchiert werden. Einige Ergebnisse der Studie:

• Anlagen mit Erdwärmesonden lieferten Spitzenwerte sowohl bei der Jahresarbeitszahl des Aggregates als auch der Gesamtanlage
• Wärmepumpenanlagen mit Grundwasser als Wärmequelle haben eine gute Geräte-Jahresarbeitszahl, aber eine schlechte Anlagen-Jahresarbeitszahl
• besonders ausgeprägt ist die schlechte Anlagen-Jahresarbeitszahl bei der Nutzung der Wärmequelle Abwasser

Als Grund für das schlechte Abschneiden wird der hohe Stromanteil der Nebenantriebe, insbesondere von Pumpen, angegeben. Hubacher: „Viele Pumpen laufen mit konstanter Drehzahl, auch wenn die Wärmepumpe im Teillastbereich arbeitet.“ Bemerkenswert ist die große Bandbreite der gemessenen Jahresarbeitszahlen: Das Minimum beim Aggregat „Wärmepumpe“ lag bei 2,33 und das der Anlage bei nur 1,88. Im Mittel wurden 3,51 beziehungsweise 2,89 gemessen. Die Maximalwerte lagen bei 4,83 beziehungsweise 4,33.

Besonders gravierend waren die Effizienzunterschiede bei Großwärmepumpenanlagen für Ein-Objekt-Anlagen und Großwärmepumpen, die über ein Nahwärmesystem mehrere Gebäude mit Wärme versorgen. Bei Ein-Objekt-Anlagen lag der Mittelwert der Jahresarbeitszahl bei 3,87 und bei Nahwärme-versorgten Liegenschaften nur bei 2,52. Die Ursache für das schlechte Abschneiden der Nahwärmeanlagen liegt einerseits an den Wärmeübertragern in den Unterstationen (Verschlechterung der Jahresarbeitszahl bei einer Grädigkeit von 3 K von etwa 7,5 %) sowie in der Art der Trinkwassererwärmung (zentral in Ein-Objekt-Anlagen und dezentral in den Nahwärmeanlagen).

Auf der Basis der gemessenen Ergebnisse an Großwärmepumpen zieht Hubacher Engineering folgendes Resümee:

• Großwärmepumpen müssen nach einem sehr genau erarbeiteten Konzept geplant werden
• bei einem Nahwärmeverbund müssen die Verteilleitungen kurz gehalten werden
• die zentrale Trinkwassererwärmung über Nahwärmenetze mit zentralen Wärmepumpen hat erhebliche energetische Nachteile
• auf Wärmeübertrager zur Systemtrennung sollte man – wann immer möglich – verzichten
• bivalente Anlagen mit Gas-Brennwertheizkessel sind wirtschaftlicher als monovalente Großwärmepumpen; der Heizkessel (leistungsreguliert) sollte jedoch nur für die Nacherwärmung des Vorlaufs der Wärmepumpe eingesetzt werden

Das Hubacher-Team schlägt außerdem eine neue Definition für „Großwärmepumpen“ vor:

• Großwärmepumpen sind nicht (primär) über die Leistung – beispielsweise ab 100 kW – zu definieren, sondern über ihre Komplexität
• die Trennlinie zur „Kleinwärmepumpe“ geht nicht entlang der Wärmeleistung, sondern entlang der angeschlossenen Objekte (Ein-Objekt-Wärmepumpe / Mehr-Objekt-Wärmepumpe)

Download des Schlussberichts „Feldmonitoring und Analysen an Grosswärmepumpen, Phase 2“: http://www.bit.ly/fm-gross-wp

Fazit

Das Marktpotenzial für Großwärmepumpen ist riesig, die Planung und Installation setzt jedoch spezielle Kenntnisse voraus. Eine COP-orientierte Auslegung der Wärmepumpe führt in den meisten Fällen zu bivalenten Anlagen, also Kombinationen aus Wärmepumpe, Gas-Brennwertheizkessel und / oder BHKW. Nicht bewährt haben sich Wärmepumpenheizungen für große Wohnanlagen mit dezentraler Trinkwassererwärmung in den einzelnen Gebäuden.

Besonders interessant für den Ersatz klassischer Heizkessel ist die CO₂-Wärmepumpe, da sie hohe Heiztemperaturen liefert. Voraussetzung für eine hohe Jahresarbeitszahl sind jedoch sehr niedrige Rücklauftemperaturen oder ein Wärme-Kälte-Verbund.

Prädestiniert für den Einsatz von Großwärmepumpen sind kaskadierte Anwärm- und Abkühlprozesse in der Industrie. Durch die gleichzeitige Nutzung der kalten und der warmen Seite der Wärmepumpe sind hohe Gesamtleistungszahlen möglich. Neue Entwicklungen lassen vermuten, dass künftig auch Heiztemperaturen von 140 °C und höher und damit auch Niederdruckdampf durch Wärmepumpen bereitgestellt werden kann.

TGA-Planer: Die Planung von Großwärmepumpen-Anlagen für Wohngebäude sowie gewerbliche und industrielle Anwendungen ist ein bisher weitgehend unbesetztes Geschäftsfeld mit großem Potenzial. TGA-Planern, die sich das erforderliche Know-how erarbeiten, sind für dessen Erschließung prädestiniert.

Anlagenbauer: Neben der prozessspezifischen Auslegung kommt bei Großwärmepumpen-Anlagen der systemübergreifenden Steuer- und Regelungstechnik eine große Bedeutung zu. Außerdem ist für eine attraktive Jahresarbeitszahl der Gesamtanlage auf stromsparende Nebenaggregate und ihre bedarfsgerechte Regelung zu achten.

Bauherren: Insbesondere, wenn gleichzeitig Wärme- und Kältebedarf vorliegt, lohnt es sich, den Einsatz von Wärmepumpen zu prüfen. Aufgrund der hohen Individualität der Anlagen, ist ein kontinuierliches Monitoring zur Betriebsoptimierung anzuraten. Weiteres Optimierungspotenzial kann durch variable Sollwerte erschlossen werden.

Deutschland ist bezüglich der Wärmepumpenanlageneffizienz anscheinend immer noch ein Entwicklungsland. Wieder einmal kommen aus der Schweiz grundsätzliche Hinweise, welche Konzepte bei Wärmepumpenanlagen zu schlechteren Leistungszahlen führen und mit welchen Anlagenkonstellationen bessere Jahresarbeitszahlen (JAZ) erreicht werden könnten. Rund 40 schweizerische Wärmepumpenfachleute aus Hochschulen, Planungsbüros und Installationsunternehmen sowie Berater aus der Energiebranche analysierten, weshalb Wärmepumpenanlagen mit zentraler Trinkwassererwärmung im COP-Ranking so schlecht abschneiden. Feldmessungen in drei mit Wärmepumpen versorgten Mehrfamilienhäusern (48 bis 73 Wohnungen) mit zentraler Trinkwassererwärmung ergaben über einen Messzeitraum von mehr als vier Wochen pro Objekt Arbeitszahlen zwischen 1,4 und 2,7.

Als Gründe für die niedrigen Arbeitszahlen nennen die Verfasser der Studie große Warmwasserverteilnetze, kleine Spreizungen im Zirkulationskreis und damit ein sehr hohes Zirkulationsvolumen sowie eine schlechte Temperaturschichtung im Speicher. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sowie eine Analyse der 15 am Markt verfügbaren Trinkwassererwärmungssysteme für Mehrfamilienhäuser bildeten die Basis für die Simulation der Energieeffizienz von Wärmepumpenanlagen mit zentraler Trinkwassererwärmung in definierten Wohnbauten mit 8, 48 und 196 Wohneinheiten.

Von den 15 am Markt befindlichen zentralen Trinkwassererwärmungssystemen wurden die vier am häufigsten eingebauten untersucht:

Warmwasser-Wärmepumpe mit klassischer Zirkulationsleitung

Warmwasser-Wärmepumpe mit Warmhaltung der Warmwasserleitung über elektrische Begleitheizung

Warmwasser-Wärmepumpe mit Zirkulationsleitung und separater Nachheizung des Zirkulationsrücklaufs über eine eigenständige Zirkulations-Wärmepumpe

zentrale Heizwärmepumpe für ein Nahwärmenetz mit dezentralen, in den einzelnen Wohngebäuden angeordneten Trinkwassererwärmern (Speichern); dabei wurden zwei Betriebsvarianten simuliert:

Variante 1: Raumheizung wird parallel zur Speicherladung betrieben

Variante 2: Raumheizung geht über die Zeitdauer der Speicherbeladung außer Betrieb

Die Ergebnisse in Kürze:

Systeme mit Warmhaltung der Warmwasserzuleitung durch Zirkulation sind im Vergleich mit den anderen Systemen am effizientesten. Voraussetzung ist jedoch eine sehr sorgfältige Planung, Installation und Inbetriebnahme des Warmwassernetzes. Wichtig ist eine saubere Temperaturschichtung im Speicher und eine Temperaturspreizung im Zirkulationskreislauf von ca. 10 K (Empfehlung: Regulierventil einbauen). Außerdem raten die Schweizer Wärmepumpenfachleute dazu, den errechneten Zirkulationsvolumenstrom nach „Swisstech 2003“ (14 W/m Wärmelast im Doppelrohr) mit dem Faktor 0,6 zu multiplizieren, um die Warmhaltung der Zirkulation durch regelmäßigen Warmwasserbezug zu berücksichtigen. Die Anlageneffizienz von System 1 lässt sich durch den Einbau einer Zirkulations-Wärmepumpe weiter verbessern. Dezidierte Zirkulations-Wärmepumpen sind jedoch noch nicht am Markt erhältlich, so die Autoren.

Systeme mit elektrischer Begleitheizung (Heizband) sind etwas weniger effizient als gut ausgelegte Zirkulationssysteme, vorausgesetzt das Heizband ist unter einer sehr guten, lückenlos angebrachten Rohrdämmung verlegt. Die Wissenschaftler sehen den Vorteil der elektrischen Begleitheizung in der einfachen Installation und Auslegung, die in der Praxis zu einer geringen Fehleranfälligkeit führt. Wichtig sei es, dass die Warmwasseraustrittstemperatur über der Warmhaltetemperatur des Heizbandes liegt, um eine elektrische Nachheizung durch das Heizband im Verteilnetz zu verhindern. In kleineren Gebäuden könne man das Heizband problemlos einsetzen, sofern die Leitungen gut gedämmt werden.

Kombinierte Systeme mit zentraler Heizungs-Wärmepumpe und dezentralen, über ein Nahwärmenetz geladenen Trinkwarmwasserspeichern schneiden in Simulation und Praxis sehr schlecht ab. Bei parallelem Betrieb von Heizung, Speicherbeladung (inklusive Nachheizung der Zirkulationsverluste) verbrauchen solche Anlagen die doppelte Menge an Antriebsenergie wie eine separate Warmwasserwärmepumpe mit Zirkulation.

Auch Variante 2 (Unterbrechung des Heizbetriebs während der Speicherladung) verbraucht 40 % mehr Antriebsenergie als eine separate Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung mit Zirkulation. In der Praxis seien noch deutlich schlechtere Wirkungsgrade anzutreffen, da Variante 2 zu einer signifikanten Überdimensionierung der Wärmepumpe führe.

Auch Variante 2 (Unterbrechung des Heizbetriebs während der Speicherladung) verbraucht 40 % mehr Antriebsenergie als eine separate Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung mit Zirkulation. In der Praxis seien noch deutlich schlechtere Wirkungsgrade anzutreffen, da Variante 2 zu einer signifikanten Überdimensionierung der Wärmepumpe führe.

Fazit der Studie: Kombinierte Heiz-/TWE-Systeme in Mehrfamilienhäusern und Wohnanlagen sind für Wärmepumpen ungeeignet.

Mehr Informationen unter: http://www.bfe.admin.ch/dokumentation/energieforschung Stichwort „Warmwasserbereitstellung“, Download des Schlussberichts „Warmwasserbereitstellung mittels Wärmepumpen in Mehrfamilienhäusern“: http://www.bit.ly/twe-wp-mfh

ist freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, wsm@tele2.de