Effizienter durch Leistungsregelung

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• Die Effizienz von Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Ein/Aus-Regelung wird durch die Charakteristik drehzahlkonstanter Verdichter beschränkt.
• Die Leistungsregelung des Verdichters und des ­Ventilators ermöglicht über die Anpassung von ­erzeugter und erforderlicher Heizleistung eine markante Steigerung der Jahresarbeitszahl.
• Tests an einer Prototyp-Luft/Wasser-Wärmepumpe zeigen, dass durch die kontinuierliche Leistungsregelung ähnlich hohe Jahresarbeitszahlen wie bei einer Sole/Wasser-Wärmepumpe erreichbar sind.

Luft/Wasser-Wärmepumpen (L/W-WP) sind heute ein weitverbreitetes System zur Bereitstellung von Heizenergie, mithin weil sie einfach zu installieren und zu betreiben sind. Im Hinblick auf die nachhaltige Entwicklung ist ihre Effizienzsteigerung von großem Interesse. Verschiedene sich ergänzende Studien des Bundesamtes für Energie (BFE, Schweiz) belegen, dass L/W-WP noch ein großes Potenzial zur Einsparung von Primärenergie haben. Fortschritte in der Verdichter- und Ventilatortechnik eröffnen neue Möglichkeiten für die Prozessführung und dadurch markante Effizienzsteigerungen. Dabei bieten sich besonders zwei Maßnahmen an: Einerseits die kontinuierliche Leistungsregelung von Verdichter und Ventilator und andererseits die konsequente Verwendung der Abtauung mit Ventilatornachlauf.

Ungünstige Betriebscharakteristik von L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung

Mit steigender Umgebungstemperatur nimmt für die Raumheizung die erforderliche Heizleistung ab. Demgegenüber ist das Verhalten von L/W-WP mit drehzahlkonstantem Verdichter konträr: Mit sinkender Heizlast und Heiztemperatur steigen die erzeugte Heizleistung und die Heiztemperatur Abb.: 3. Das bedingt, dass solche L/W-WP-Konzepte im Taktbetrieb arbeiten (Ein/Aus-Regelung). Die Temperaturgefälle für die Wärmeübertragung im Verdampfer und im Kondensator sowie die Diskrepanz zwischen erforderlicher und erzeugter Heiztemperatur steigen dabei mit zunehmender Umgebungstemperatur an. Das führt unweigerlich zu schlechten Teillastwirkungsgraden und verringert die Jahresarbeitszahl.

Theoretische und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die mäßig gute Effizienz von L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung insbesondere aus der Charakteristik des drehzahlkonstanten Verdichters resultiert. Mit zunehmender Umgebungstemperatur steigt zwar die Leistungszahl (COP, Coefficient of Performance) – im Gegensatz dazu nimmt die exergetische Effizienz jedoch ab Abb.: 4. Die Thermodynamik des Heizens würde dagegen einen Anstieg des exergetischen Wirkungsgrades erlauben.

Um eine markante Effizienzsteigerung zu erreichen, müssen die Regelstrategie des Heizsystems und im speziellen der Wärmepumpe geändert werden. Durch die kontinuierliche Anpassung der erzeugten an die erforderliche Heizleistung können der COP und die Jahresarbeitszahl gegenüber der Ein/Aus-Regelung erheblich verbessert werden.

Leistungsregelung des Verdichters ist der Schlüssel zur Effizienzsteigerung

Hauptziel des laufenden BFE-Forschungsprojektes „Effiziente Luft/Wasser-Wärmepumpen durch kontinuierliche Leistungsregelung“ ist es, allgemeingültige Auslegungs- und Planungsgrundlagen für die Realisierung effizienter, betriebssicherer und wirtschaftlicher L/W-WP mit kontinuierlicher Leistungsregelung zu erarbeiten. Mittels Simulationen und Experimenten wurde eine Regelung konzipiert und ent­wickelt, die in Abhängigkeit des Umgebungszustands und des Heizbedarfs des Gebäudes den Kältemitteldurchsatz und die Ventilatordrehzahl regelt, das jeweils optimale Abtauverfahren (Prozessumkehr, Ventilatornachlauf) auswählt und die Abtauung zum bestmöglichen Zeitpunkt einleitet bzw. abbricht. Dazu wurde ein Prototyp einer leistungsgeregelten L/W-WP entwickelt und getestet. Mit dem Projekt sollen Komponenten- und Anlagenherstellern, Planern und Installateuren neue Impulse für die Weiterentwicklung und Effizienzsteigerung von Heizsystemen mit L/W-WP gegeben werden.

Das theoretische Potenzial der Leistungsregelung wurde im BFE-Projekt „WEXA: Exergie-Analyse zur Effizienzsteigerung von Luft/Wasser-Wärmepumpen“ detailliert untersucht. Damit die Temperaturgefälle für die Wärmeübertragung bei Teillast (also bei steigender Umgebungstemperatur) abnehmen statt zuzunehmen, muss die L/W-WP kontinuierlich in Betrieb sein – außer für notwendige Abtauprozesse. Für die bedarfsgerechte Anpassung der Heizleistung muss der umgewälzte Kältemittelmassenstrom geregelt werden.

Allein die kontinuierliche Leistungsregelung des Verdichters erreicht gegenüber der Ein/Aus-Regelung deutlich bessere Leistungszahlen. Die besten COP-Werte lassen sich durch die simultane Leistungsregelung von Verdichter und Ventilator erzielen Abb.: 7. Theoretische Untersuchungen (ohne Berücksichtigung der mechanischen und elektrischen Antriebsverluste von Verdichter und Ventilator) zeigen, dass die Jahresarbeitszahl im Vergleich zur Ein/Aus-Regelung ungefähr verdoppelt werden kann. Ein weiterer Vorteil der kontinuierlichen Leistungsregelung ist, dass die Eis- und Frostbildung deutlich reduziert wird und erst bei tieferen Umgebungstemperaturen einsetzt.

Die Untersuchungen zeigen, dass bei L/W-WP mit kontinuierlicher Leistungsregelung das Teillastverhalten des Ventilators und insbesondere des Verdichters einen großen Einfluss auf die erreichbare Jahresarbeitszahl hat. Eine zwingende Voraussetzung dafür ist der Einsatz von Verdichtern und Ventilatoren mit geeignetem Teillastverhalten, großen zulässigen Regelbereichen und hohen Teillast-Wirkungsgraden.

Experimenteller Nachweis der markanten Effizienzsteigerung

Zur Überprüfung der konzipierten Regelstrategien wurde ein Prototyp einer leistungsgeregelten L/W-WP realisiert. Parallel dazu wurde für die experimentelle Untersuchung von L/W-WP eine Luftaufbereitungsanlage entwickelt und aufgebaut. Die Luftaufbereitungsanlage besteht aus zwei Kreisläufen (Primär- und Sekundärkreislauf) und ermöglicht dadurch eine hohe Dynamik und äußerst stabile Prüfbedingungen. Die resultierenden Abweichungen des Luftzustands vom Sollwert sind deutlich geringer als die in der Prüfnorm EN 14511 spezifizierten. Abb.: 1 und Abb.: 2 zeigen den Aufbau des Prüfstands mit dem Wärmepumpen-Prototyp im Labor der Hochschule Luzern.

In den Experimenten wurden verschiedene Regelstrategien untersucht, z.B. die alleinige Leistungsregelung des Verdichters oder die simultane Leistungsregelung von Verdichter und Ventilator. Hier wird aufgrund des deutlich höheren Effizienzsteigerungspotenzials nur auf die simultane Regelung des Verdichters und des Ventilators eingegangen. Die experimentellen Untersuchungen erfolgten für zwei verschiedene Heizkurven: Eine typische Heizkurve eines Gebäudes im Minergie-Standard Abb.: 5 mit tiefen Heizwassertemperaturen und einer tiefen Heizgrenze sowie eine Heizkurve eines hochwertig sanierten Altbaus Abb.: 6 mit höheren Heizwassertemperaturen und einer höheren Heizgrenze. Untersucht wurde jeweils der monovalente Betrieb (Auslegungspunkt der Wärmepumpe bei –10 °C Umgebungstemperatur).

Abb.: 8 zeigt die gemäß der Heizkurve „Minergie-Standard“ erforderliche Heizleistung und die mit dem L/W-WP-Prototyp erzeugte Heizleistung in Funktion der Umgebungstemperatur. Wird der L/W-WP-Prototyp so geregelt, dass die Effizienz stets maximal ist, kann die erzeugte Heizleistung für Umgebungstemperaturen zwischen –10 °C und 2 °C kontinuierlich der erforderlichen Heizleistung angepasst werden. Dazu wird die Drehzahl des Verdichters von 100 % (7000 min^-1 bei Volllast) bei –10 °C auf rund 28 % bei 2 °C Umgebungstemperatur reduziert. Gleichzeitig wird die Ventilatordrehzahl mit steigender Umgebungstemperatur von –10 °C bis 2 °C linear reduziert.

Für Umgebungstemperaturen über 2 °C werden sowohl die Verdichter- als auch die Ventilatordrehzahl nicht weiter reduziert, da die Effi­zienz der Wärmepumpe sonst abnehmen würde. Die L/W-WP wird bei Umgebungstemperaturen oberhalb 2 °C bei stark reduzierter Leistung (Verdichterdrehzahl 28 %) mit Ein/Aus-Regelung betrieben. Dies hat zur Folge, dass die erzeugte Heizleistung oberhalb 2 °C Umgebungstemperatur leicht ansteigt (Betriebscharakteristik von L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung).

Abb.: 9 zeigt die gemäß der Heizkurve „sanierter Altbau“ erforderliche Heizleistung und die erzeugte Heizleistung als Funktion der Umgebungstemperatur. Für diese Heizkurve gelingt die kontinuierliche Anpassung der erzeugten an die erforderliche Heizleistung für Umgebungstemperaturen zwischen –10 °C und 6 °C. Um bestmögliche Leistungszahlen zu erreichen, muss die L/W-WP bei Umgebungstemperaturen oberhalb 6° C bei reduzierter Leistung (Verdichterdrehzahl 28 %) mit Ein/Aus-Regelung betrieben werden.

Die mit dem L/W-WP-Prototyp erreichbaren Leistungszahlen (mit Berücksichtigung der Ventilatorleistung) für die Heizkurve „Minergie-Standard“ sind in Abb.: 10 dargestellt. Mit Leistungsregelung nimmt die Leistungszahl von 2,6 bei –10 °C auf 6,9 bei 10 °C Umgebungstemperatur zu. Der Prototyp wurde zusätzlich mit einem nicht-regelbaren Scroll-Kompressor ausgestattet. Mit diesem Verdichter wurde die Wärmepumpe für die Heizkurve „Minergie-Standard“ im Ein/Aus-Betrieb experimentell untersucht (Verdichter und Ventilator unter Volllast). Die resultierenden Leistungszahlen sind ebenfalls in Abb.: 10 dargestellt. Die Leistungszahlen im leistungsgeregelten Betrieb ­liegen bei tiefen Umgebungstemperaturen ­unterhalb denen im Ein/Aus-Betrieb, werden aber mit steigender Umgebungstemperatur gegenüber der Ein/Aus-Regelung zunehmend besser. Bei 10 °C Umgebungstemperatur ist die im leistungsgeregelten Betrieb erreichbare Leistungszahl rund 36 % höher als bei der Ein/Aus-Regelung.

In Abb.: 11 sind die resultierenden Leistungszahlen des L/W-WP-Prototyps im leistungsgeregelten Betrieb (mit Berücksichtigung der Ventilatorleistung) für die Heizkurve „sanierter Altbau“ dargestellt. Die Leistungszahl steigt von 2,4 bei –6 °C auf 8,0 bei 15 °C Umgebungstemperatur. Diese Werte liegen deutlich über denjenigen von L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung. Abb.: 11 zeigt zum Vergleich zusätzlich die Leistungszahl einer L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung, welche im Rahmen eines früheren Projektes gemessen wurde (BFE-Forschungsprojekt LOREF: Luftkühler-Optimierung mit Reduktion von Eis- und Frostbildung) Die Leistungszahl der leistungsgeregelten Wärmepumpe ist bei 15 °C Umgebungstemperatur doppelt so hoch wie die der Wärmepumpe mit Ein/Aus-Regelung.

In Abb.: 12 sind die erreichbaren Jahresarbeitszahlen des leistungsgeregelten L/W-WP-Prototyps, des L/W-WP-Prototyps im Ein/Aus-Betrieb sowie der L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung, welche im Rahmen des Projektes LOREF untersucht wurde, für die Heizkurven „Minergie-Standard“ und „sanierter Altbau“ zusammengefasst. Die Berechnung der Jahresarbeitszahl nach der Methode von v. Böckh erfolgte für die Summenhäufigkeitsverteilung der Umgebungstemperaturen von Zürich. Bei dieser Methode wird der Einfluss der Eis- und Frostbildung und der damit notwendigen periodischen Abtauungen nicht berücksichtigt. Die für die Heizkurve „sanierter Altbau“ resultierenden Leistungszahlen des L/W-WP-Prototyps sowie der L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung bei –10 °C Umgebungstemperatur wurden für die Berechnung der Jahresarbeitszahlen extrapoliert.

Der leistungsgeregelte L/W-WP-Prototyp erreicht sehr hohe Jahresarbeitszahlen, welche mit 5,0 für die Heizkurve „Minergie-Standard“ und 4,9 für die Heizkurve „sanierter Altbau“ im Bereich von Sole/Wasser-Wärmepumpen liegen.

Schlussfolgerungen und Ausblick

Ursache für die mäßig gute Effizienz von L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung ist die ungünstige­Betriebscharakteristik, die aus der Charakteristik des drehzahlkonstanten Verdichters resultiert. Durch die kontinuierliche Anpassung der Heizleistung an die Heizlast lässt sich die Effi­zienz von L/W-WP markant steigern. Erforderlich sind dafür Verdichter und Ventilatoren mit geeignetem Teillastverhalten, großen Regelbereichen und hohen Teillast-Wirkungsgraden.

Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen bestätigen das Potenzial der Leistungsregelung eindrücklich. Bei der Verwendung des leistungsgeregelten L/W-WP-Prototyps in einem sanierten Altbau kann die Jahresarbeitszahl im Vergleich zur L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung um rund 58 % verbessert werden. In einem Gebäude mit Minergie-Standard kann die Jahresarbeitszahl gegenüber guten L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung um rund 20 % erhöht werden. Das Forschungsprojekt belegt damit, dass durch die kontinuierliche Leistungsregelung von L/W-WP Effizienzsteigerungen von 20 bis 50 % erreichbar sind und soll ein Anstoß für die Entwicklung solcher Wärmepumpen sein.

Zusätzliches Potenzial für Effizienzsteigerungen bietet die Abtauung mit Ventilatornachlauf. Die Idee ist, dass bei geeigneten Bedingungen mit Umgebungsluft abgetaut wird. Der Schlüssel dazu liegt im Zustand der Umgebungsluft: Neben der Lufttemperatur spielt die Luftfeuchtigkeit eine bedeutende Rolle und muss zwingend berücksichtigt werden. Zur Ausnutzung dieses Potenzials wird im nächsten Schritt eine praxisreife Abtauregelung entwickelt, die in der Lage ist, den optimalen Abtauzeitpunkt zu erkennen, das momentan am besten geeignete Abtauverfahren (Prozessumkehr oder Ventilatornachlauf) einzuleiten und die Abtauung zum optimalen Zeitpunkt zu beenden.

Danksagung der Autoren

Das Projektteam bedankt sich beim Bundesamt für Energie BFE für die finanzielle Unterstützung und bei Projektpartnern Emerson Climate Technologies GmbH (Berlin) und Ziehl-Abegg Schweiz AG (Spreitenbach) für die wertvollen Inputs und die Unterstützung mit modernsten Produkten und Technologien.

Mehr Infos zum Thema im TGAdossier Wärmepumpe: Auf https://www.tga-fachplaner.de/ einfach Webcode Webcode 718 eingeben.

Hochschule Luzern – Technik & Architektur, CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik, CH-6048 Horw, https://www.hslu.ch/de-ch/technik-architektur/ueber-uns/organisation/kompetenzzentren-und-forschungsgruppen/technik/thermische-energiesysteme-und-verfahrenstechnik/?sourceurl=/tevt, beat.wellig@hslu.ch

Lukas Gasser Technik & Architektur, CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik, CH-6048 Horw, https://www.hslu.ch/de-ch/technik-architektur/ueber-uns/organisation/kompetenzzentren-und-forschungsgruppen/technik/thermische-energiesysteme-und-verfahrenstechnik/?sourceurl=/tevt, lukas.gasser@hslu.ch

Wärmepumpen sind im Wärmemarkt die Messlatte.

Luft/Wasser-Wärmepumpen (L/W-WP) konnten in den letzten Jahren in Deutschland deutlich Marktanteile gewinnen. Günstige Installationskosten und die einfache Quellenerschließung machen das System für Neubau und Modernisierung attraktiv. 2009 lag der Marktanteil von L/W-WP bei fast 45 %. Eine weitere Steigerung in den nächsten Jahren ist zu erwarten. Insbesondere wenn die Energieeffizienz markant gesteigert wird.

Gleichzeitig sind L/W-WP in mehrerer Hinsicht „Sorgenkinder“. Zum einen weil aus der Praxis geringere Jahresarbeitszahlen als prognostiziert gemeldet werden. Dies hat mehrere Ursachen, beispielsweise mangelnde Planung und Ausführung; aber auch das tendenziell zu optimistische Kurzverfahren von VDI 4650 für L/W-WP Webcode 281131. Eine genaue Betrachtung der Feldergebnisse verdeutlicht jedoch, dass L/W-WP bei richtiger Planung, Einregulierung und bei passendem Wärmeabgabesystem schon heute sehr gute Jahresarbeitszahlen erreichen. „Sorgenkind“ sind L/W-WP auch für die Gaswirtschaft. Sie verliert an die Technik schnell Marktanteile Webcode 250048. Ebenso fürchten die Hersteller von kleinen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) und die Entwickler von Brennstoffzellen-Heizgeräten den Wettbewerb mit innovativen L/W-WP Webcode 281152. Längst sind Elektro-Wärmepumpen im Wärmemarkt die Messlatte.

Die signifikante Senkung des Primärenergieverbrauchs von L/W-WP könnte in Zukunft aber nicht nur von ihrer eigenen Effizienzsteigerung, sondern auch vom Energieversorgungskonzept abhängen. Mittelfristig bieten sich hier vor allem Erdgas, Biogas und aus überschüssigem Wind- und Photovoltaikstrom synthetisch erzeugtes Methangas Webcode 278458 an, das in hocheffizienten Gaskraftwerken verstromt wird. Mit sinkendem Primärenergiefaktor des Stroms verringern sich die einer Wärmepumpe anzurechnenden CO₂-Emissionen und das CO₂-Anrechnungspotenzial der Klein-KWK.

Jochen Vorländer, Chefredakteur TGA Fachplaner