In der Ankengasse 2 im schweizerischen Wetzikon steht im alten Heizungskeller eine neue Wärmepumpe mit Luft als Energiequelle. Sie ersetzt die ausrangierte Ölheizung. Mit deren hohen Vorlauftemperaturen kann sie wirtschaftlich freilich nicht mithalten. Im Winter liefert sie deshalb maximal 40 °C. Im Sommer schaltet sie zudem nicht aus, sie drosselt lediglich auf 17 bis 19 °C herunter. Jetzt um zu kühlen. Beide Temperaturen genügen für die vorgesehene Aufgabe, denn das jeweilige Defizit zu behaglich warmen oder kalten Zimmern steuern die Peltier-Elemente in den Klimakonvektoren, gegen die die Handwerker die Heizkörper tauschten, bei. Sie fungieren als zweite Stufe der Niedertemperatur-Wärmepumpenanlage.
Hohes Lob aus berufenem Munde
Das klingt sehr aufwendig, ist es aber nicht. Details dazu gleich. Zuvor eine schwergewichtige Referenz. Als der emeritierte Rektor der Universität Essen und ehedem Leiter des Instituts für Angewandte Thermodynamik und Klimatechnik, Professor Dr.-Ing. Fritz Steimle, von dem System hörte, sagte er nur: Wenn tatsächlich das Peltier-Element ein Epsilon von 5 oder 6 hat, ist das System eine ganz tolle Sache. Mit einem Heizstab im Raumgerät würde die Wärmepumpe im Heizungskeller in ihrem COP um einige Kommastellen verlieren. Wenn dagegen der Epsilon- oder COP-Wert das hält, was Ihnen der Hersteller gesagt hat, ist das etwas wirklich Gutes. Der Berichterstatter hatte den Klimatechnik-Papst im Unruhestand angerufen und nach seiner Meinung gefragt.
Wovon ist die Rede? In Cham nahe Zug in der Schweiz wurde vor vier Jahren die Firma Air-On AG gegründet. Physiker und Ingenieure, finanziert durch strategisch ausgerichtete private Investoren, verfolgen dort ein ehrgeiziges Ziel, nämlich für sich und gleichzeitig auch für die Umwelt Gewinne einzufahren. Mit dieser Zielsetzung wurde das Air-On-System bis zur Marktreife entwickelt. Zur Beschreibung des Schemas genügen wenige Sätze. Eine zentrale konventionelle Wärmepumpe im Heizungskeller gleichgültig welcher Marke liefert ausschließlich Niedertemperatur bis maximal 40 °C an alle Räume im Hotel, im Büro, im Altersheim, Mehrfamilienhaus usw. Genügt diese Vorlauftemperatur nicht zur komfortablen Temperierung des Wohn-, Schlaf- oder Arbeitszimmers, ergänzt das Peltier-Element im Klimakonvektor das fehlende Defizit. Zielgruppe ist in erster Linie der riesige Gebäudebestand ohne Flächenheizung.
Sparsam: dezentraler Peltier-Effekt
Die besondere Intelligenz des Verfahrens ist bereits angedeutet. Als erste Stufe im Heizungskeller reicht eine bekannte Luft/Wasser-Wärmepumpe aus, die ausschließlich Niedertemperatur mit hohem Wirkungsgrad bereitstellt. Die zweite Stufe, das Air-On-Gerät im Raum, heizt dezentral nach. Es muss also nicht der gesamte Heizkreislauf auf zum Beispiel 60 °C hochgefahren werden, weil das Rentnerpaar im dritten Stock, das als einzige Bewohner tagsüber das Zehnfamilienhaus nicht verlässt, mehr als eine Wärmegrundlast will so sieht ja vielerorts die Praxis aus. Im klassischen Fall ohne Air-On würde zwangsläufig die Wärmepumpe in ihrer Jahresarbeitszahl in die Knie gehen. Darum argumentieren die Air-On-Initiatoren sinngemäß: Belassen wirs zentral bei Niedertemperatur und pumpen die nur dort, wo gewünscht, dezentral auf ein höheres Temperaturniveau hoch.
Als zweite Stufe entschieden sie sich für ein Peltier-Element, das nichts anderes als eine thermoelektrische Wärmepumpe ist. Mobile 12-oder 24-Volt-Kühlschränke für Caravans und Boote basieren heute schon zum Teil auf diesem Prinzip: Verbindet man zwei entsprechend gewählte elektrisch leitende Materialien mit unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften jeweils an den beiden Enden und legt man zusätzlich eine Spannung an, transportiert der fließende Strom Wärme vom einen Ende zum andern. Im Gegensatz zu den meisten physikalischen Reaktionen, die in der Regel einen Ausgleich anstreben, bemüht sich der Peltier-Effekt scheinbar um Disharmonie: Die eine Verbindungsstelle kühlt aus, die andere erwärmt sich. Strom plus Kalorienentzug der Kaltseite stehen mithin als thermische Energie zur Verfügung.
Umweltwärme von der ersten Stufe
Ein Epsilon von 5 drückt die gepumpte Wärme im Verhältnis zum Stromeinsatz aus. Den zurzeit besten Wirkungsgrad erzielen Halbleiter. Air-On benutzt Peltier-Elemente, mit denen ein Epsilon oder COP von tatsächlich 5 und mehr im realen Einsatz möglich ist, so die Aussage in Zug. Man sei sogar nahe daran, bald einen mittleren COP von 7 oder 8 präsentieren zu können.
Im Falle des Air-On-Geräts dient als Umweltwärmequelle der Vorlauf aus der ersten Stufe. Die erste Stufe muss in dieser Kombination etwas mehr leisten, muss noch mehr Umweltwärme aufsaugen, um damit über den Vorlauf die Kaltseite der zweiten Stufe zu versorgen. Bei korrekt ausgelegter erster Stufe leide darunter aber laut Anbieter nicht der Gesamt-COP.
Die im Altbau Ankengasse 2 installierten Konvektoren belassen es indes nicht beim Nachheizen. Das wäre zu wenig. Hochleistung-Niedertemperaturradiatoren, wie sie die Industrie heute im Programm führt, gestatten ebenfalls den Wärmepumpeneinbau in Gebäuden ohne Fußbodenheizung. Allerdings mit einigen Abstrichen an der Effizienz, weil bei Außentemperaturen von 10 °C höhere Vorlauftemperaturen und jetzt im gesamten Heizungskreislauf erforderlich sind. Dies gilt aber nur für 10 oder 15 Prozent der Jahresheizarbeit. Dieser bescheidene Anteil alleine rechtfertigt noch nicht eine doch relativ umfangreiche Technik.
Bauliche Maßnahmen
Die Air-On-Konvektoren können deshalb weit mehr. Im Prinzip handelt es sich um aktive, umfassende Raumklimagestalter. Das heißt, die Einheiten temperieren, be- und entlüften, be- und entfeuchten und regeln darüber hinaus über eine CO2-Messung die notwendige Luftwechselrate. Sie tun das vorrangig im Altbau, wo sie den Heizkörper ersetzen. Wobei ersetzen angesichts der Vielfalt der Einflussnahme auf das Raumklima nicht den Punkt trifft. Insofern stehen die Geräte nicht im Wettbewerb mit den Hochleistungs-Niedertemperaturkonvektoren. Diese Alternativen konditionieren nicht alle drei Schlüsselparameter des Raumklimas (CO2-Konzentration, Luftfeuchte und Temperatur). Das macht nur das Air-On-Gerät.
Freilich setzt die Umrüstung einige Umbaumaßnahmen voraus, Fassadendurchbrüche und Stromanschlüsse etwa. Ein beschränkter Wartungsaufwand (Filterwechsel) schließt sich an. Das Peltier-Element hingegen arbeitet ohne bewegte Teile, ohne Kompressor und ohne Kältemittel. Von Seiten der elektrothermischen Wärmepumpe erhöhen sich die Serviceleistungen nicht.
Unten im Keller sollte lediglich eine reversible Wärmepumpe die veraltete Öl- oder Gasheizung ersetzen. Reversibel, damit die Air-On-Geräte im Bedarfsfall die Räume kühlen und aktiv entfeuchten können. Auch hierzu ist das Peltier-Element in der Lage.
Konkurrenz für Luft- und Klimatechnik
Generell gilt: Je geringer der Temperaturhub, desto energieeffizienter das gesamte System. Die Grenze zieht jene Spreizung im oder am Peltier-Element, die ein Epsilon von 4 oder 5 und eines nahen Tages vielleicht von 6 und 7 anbietet. Nach diesem optimalen Temperaturhub richtet sich die Aufteilung des Gesamthubs auf beide Stufen. Bewahrheiten sich Epsilon-Werte von 5 und mehr in der Praxis bei einem Hub von 20 K, dürfte dieses Verfahren die Modernisierung anspruchsvoller Altbauten im Wohn-, Hotel-, Büro-, Kultur- und Sozialbereich regelrecht revolutionieren.
Selbst die konventionelle Klimatechnik für den Neubau wird sich wohl wappnen müssen; im Minimum die Lufttechnik. Mithilfe eines CO2-Sensors wird unter anderem die bedarfsorientierte Wohnraumbelüftung kontrolliert. Der CO2-Sensor misst permanent die Raumluftqualität und schaltet je nach Zustand die Zu- und Abluftlüfter ein oder aus natürlich nur in Abstimmung mit dem Feuchte- und Temperatursensor, der indirekt für trockene Luft und Schimmelpilz freie Wände sorgt. Als aktiver Lufttrockner dient die kalte Seite des Peltier-Elements, welche die Feuchte auskondensiert.
Hohe Professionalität
Soll sagen, im Vergleich zur zentralen An-lage mit einer kostspieligen Luft-Kanalverlegung, mit entsprechenden brandschutztechnischen Maßnamen, mit Steigleitungen von einer zentralen Aufbereitung ausgehend und anderen Unzulänglichkeiten hat die dezentrale Raumklimatisierung und -lüftung mit dem Air-On-Systemansatz auf dem Papier die besseren Karten in der Hand.
Kostenmäßig, das versicherten die Verantwortlichen in Cham, will man in jedem Fall im Rahmen der Investitionen für eine kontrollierte Wohnraumbe- und -entlüftung bleiben. Kostenneutralität zur konventionellen Erneuerung von Heizkörpern plus Lüftungseinbau steht demnach ganz oben auf dem Katalog der Vorgaben für die Entwickler.
Die Heizleistung gibt der Hersteller mit 500 W an, die Kühlleistung mit 300 W. Im Herbst soll das Gerät serienreif und lieferfähig sein. Forschung und Entwicklung glätten im Moment nur noch einige Unebenheiten, hieß es bei einem Besuch in Cham. Die Arbeiten dort wie auch die Ausstattung der Labore und Versuchseinrichtungen strahlten hohe Professionalität aus. Man darf glauben, dass notwendige weitere Investitionen konsequent erfolgen, bis das erste serienmäßige Air-On-Gerät die Umwelt gleichermaßen schont wie es die Raumluft konditioniert. -
Die Investoren
Hinter dem Projekt stehen finanzkräftige Investoren. Das Schweizer Wirtschaftsmagazin „Bilanz“ hatte kürzlich Namen genannt: „Karl Nicklaus stieg bei der Firma Air-On in Cham ein. Da tüfteln Techniker an Prototypen eines neuartigen Be- und Entlüftungssystems, das nach Sanierungen von Altbauten optimale Luftzirkulation in Gebäuden gewährleisten soll. Sogenannte Minergietechnik beschert bisweilen in renovierten Gemäuern gesundheitsgefährdende Nebenwirkungen wie Schimmel, weil Kunststofffenster absolut luftdicht sind.“ Karl Nicklaus gehört zu den reichsten Schweizern.
Für Fritz Steimle hängen Chancen und Akzeptanz im Markt unter anderem vom Peltier-Element ab: „Ein COP von 5, der wäre sehr gut. Der ist aber auch eine große Herausforderung.“ Diese Herausforderung, sagen die Schweizer, hätten sie bereits bestanden.
Einige wesentliche Merkmale
Die dezentralen Air-On-Geräte erlauben in Gebäuden ohne Bodenheizung den Einsatz einer zentralen Grundlast-Wärmepumpe mit niedrigen Vorlauftemperaturen (bis zu 40 °C). Die interne thermoelektrische Wärmepumpe (Peltier-Element) im Klimakonvektor liefert die Spitzenlast. Diese Wärmepumpe ist geräuschlos und kommt ohne Kältemittel und ohne Kompressor aus. Jedes Gerät stellt im Mittel 500 W Heiz- und 300 W Kühlleistung zur Verfügung. Diese Werte basieren auf einem COP von 5 der verwendeten Peltier-Elemente (nach Aussage Air-On). Inwieweit in den thermoelektrischen Wärmepumpen noch Entwicklungspotenzial steckt, muss die Zeit zeigen. Nach Aussagen der Air-On AG dürften theoretisch auch höhere COP erreichbar sein.
Generell gilt für Peltier-Elemente, dass sie sich mit einem relativ geringen Temperaturunterschied zwischen der warmen und der kalten Seite begnügen müssen, um wirtschaftlich betrieben zu werden. Ein ΔT von zum Beispiel 60 °C, wie es Kompressionswärmepumpen erlauben, gestattet der Peltier-Effekt nicht. Das ist die Krux an der Geschichte: Kleiner Temperaturunterschied hoher Wirkungsgrad, großer Temperaturunterschied kleiner Wirkungsgrad. Deshalb kann das Peltier-Element zurzeit nur als zweite Stufe einer Kompressionswärmepumpe eingesetzt werden.
A) Technik
1. Einbindung erneuerbarer Energien
2. Integration von Raumklimatisierung + Belüftung
3. Sanfte Kühlung
4. Wegen Niedertemperatur guter COP der 1. Stufe
5. Nachheizen ausschließlich dezentral in 2. Stufe der WP
6. Wenig bewegliche Teile
7. Einfachheit (Planung, Installation, Bedienung)
8. Zentrale Steuerbarkeit (Busanbindung)
B) Bauliche Seite
1. Keine Kanäle in der Wohnung
2. Nutzung des bestehenden Heizungs-Rohrleitungssystems
3. 2-Leitersystem zum Heizen und Kühlen statt 4-Leitersystem
4. Warmluftzufuhr unter Fenster (kein Zug durch Kaltluftabfall)
5. EnEV-orientiert. Interessant ist in diesem Zusammenhang die Bewertung nach EnEV. Welche Aufwandszahlen billigt sie der Air-On-Technik mit zentraler Niedertemperatur und dezentraler Nacherwärmung zu beziehungsweise welche bauphysikalischen Einsparungen gestattet sie bei Einbau energieeffizienter Wärmepumpen-Klimakonvektoren?
C) Raumhygiene
1. Besseres Raumklima (Feuchte, Temperatur, CO2)
2. Vermeidung von Schimmelpilz
3. Feinstaub- und Allergenereduktion
4. Individuelle Luftparametrierung dank Dezentralität
5. Bedarfsorientierte, geregelte Luftwechselrate
Bernd Genath
freier Fachjournalist, Düssseldorf
