Größer, heißer, smarter

Hauswärmepumpen sind am Markt inzwischen fest etabliert. Brancheninsider gehen davon aus, dass durch das erweiterte Angebot an standardisierten sogenannten Rumpfwärmepumpen, also in hohen Stückzahlen vorgefertigten Kältemodulen ein Beispiel ist das A+++ Refrigerant Modul Heating von Emerson Climate Technologies der Markt für preisgünstige Standard-Hauswärmepumpen weiter wachsen wird.

Auffallend ist die Abkehr von Kaska­denlösungen aus Wärmepumpen kleiner Leistung zugunsten leistungsstärkerer Wärmepumpeneinheiten mit einem oder ­mehreren Verdichtern und mehrstufigen Leistungsregelungen. Als Vorteil werden die bessere Wirtschaftlichkeit sowie die höhere Effizienz größerer Wärmepumpen­aggregate genannt. Die schweizerische CTA AG, Münsingen, stellt beispielsweise in ihrer Eco-Baureihe die kompakte All-in-One-Wärmepumpe Optipro mit zwei Verdichtern und zwei getrennten Kältekreisläufen mit Wärmeleistungen von 100 bis 230 kW bereit. Der Hersteller Smartheat, Güstrow, stellte in Nürnberg eine 280-kW-Wärmepumpe der Serie Titan vor, die mit einem mehrfach regelbaren Bitzer-Schraubenverdichter arbeitet. Auch dort hieß es, dass eine Großwärmepumpe effizienter arbeite als mehrere kleine Wärmepumpen in Kaskade.

Mit steigenden Leistungsgrößen wächst bei den Herstellern allerdings auch die Sorge über die richtige Auslegung und Inbetriebnahme von Wärmepumpen. Ein Hersteller dazu: Wir legen großen Wert darauf, dass unsere Wärmepumpen durch unseren Werkskundendienst oder durch von uns geprüfte Fachhandwerker in Betrieb genommen werden. SHK-Handwerker ohne ausreichende Wärmepumpenkenntnisse gehen ein hohes Risiko ein. Typisch sind hohe Ausfallraten in den ersten drei Monaten nach der Inbetriebnahme.

Heizen, Kühlen und TrinkwasserErwärmung mit einem System

Dass sich das Angebot an Wärmepumpen in den nächsten Jahren stark verändern wird, zeigt die Markteinführung der AxAir-Energiestation von Walter Meier. Die Kombination aus Heizen, Kühlen und Trinkwassererwärmung (TWE) in einem System dürfte den künftigen An­forderungen an Gebäude mit gleich­zeitigem Heiz- und Kühlbedarf sehr nahe- kommen, zumal die neue AxAir-Baureihe Heizleistungen von 39 bis 252 kW (bezogen auf 35 °C Heizungsvorlauftemperatur und 0 °C Soletemperatur) und Kühlleistungen von 42 bis 278 kW (bezogen auf 7 / 12 °C Kaltwassertemperatur und 30 / 35 °C Soletemperatur) abdeckt. Trinkwarmwasser kann auf bis zu 65 °C aufgeheizt werden, Heizwasser auf bis zu 60 °C. Die Zukunftssicherheit der Energiestation wird durch den Einsatz des Kältemittels R 290 (Propan) unterstrichen, ebenso durch das ambitionierte integrierte Regelungs- und Steuerungssystem, das auch die Leistungszahlen (EER, COP, EPS) mitschreibt und visualisiert.

Großwärmepumpe für bis zu 90 °C

Für eine Überraschung sorgte auf dem Stand von Emerson Climate Technologies die 500-kW-Großwärmepumpe Neatpump, die laut dem Hersteller zuverlässig heißes Wasser mit 90 °C erzeugt. Die von Star Refrigeration gebaute Wärmepumpe arbeitet mit einem Einschraubenverdichter Vilter VSSH und dem Kältemittel Ammoniak. Besonders hervorgehoben wird die Null-Emissions-Lösung beim Betrieb des Aggregats mit Strom aus erneuerbaren Energien, da in diesem Fall die mit dem Kältemittel NH3 arbeitende Wärmepumpe (GWP-Wert = Null) bei Öko- und Green-Building-Zertifizierungen als 100-prozentig emissionsfrei eingestuft werden kann. Dieses grüne Alleinstellungsmerkmal eröffnet neue Märkte, insbesondere im CO₂-zertifizierten industriellen Bereich sowie bei Fernwärmesystemen.

In Norwegen werden Neatpumps bereits in einem 15-MW-Fernwärmesystem eingesetzt,um 90 °C heißes Wasser aus Nordseewasser zu gewinnen. Der COP soll bei über 3 liegen. Interessant ist, dass die Maschine auch als Booster zur Rückkühlung der Kondensatorwärme vorhandener Kälteanlagen genutzt werden kann.Der Leistungsbereich der einstufigen Ma-schine reicht von 380 kW bis 2600 kW, der der zweistufigen Maschine bis 6 MW. In der Funktion Kältemaschine kann die Neatpump-Kaltwasser mit + 4 °C bzw. eine Glykol-Wasser-Lösung mit 8 °C bereitstellen, als Wärmepumpe steht Heißwasser mit 80 °C bzw. mit 90 °C bei zweistufigem Betrieb zur Verfügung.

Großwärmepumpe mit CO₂ als Kältemittel

Es ist noch nicht lange her, da galt die Frage nach der künftigen Rolle des Kältemittels CO₂ und den dazu passenden Kälteverdichtern auf einschlägigen Veranstaltungen noch als politisch unkorrekt. Bekannte Verdich­terhersteller dementierten jeglichesGerücht, sie würden an CO₂-Verdichtern arbeiten. Inzwischen hat der Markt entschieden, welche Kältemittel langfristig tragbar sind und welche nicht. Davon profitiert auch die Thermea Energiesysteme GmbH, Freital, Spezialistin für Hochtemperatur-Wärmepumpen mit dem Kältemittel CO₂.

Solche Wärmepumpen sind wie geschaffen für Anwärm- und Abkühlprozesse in der Industrie, aber auch als Ersatz für konventionelle Heizkessel. Immerhin schafft die Thermea-Maschine in der Wärmepumpenversion bis zu 90 °C Vorlauftemperatur; bei gleichzeitigem Heizen und Kühlen 90 °C auf der warmen Seite und bis zu 10 °C auf der kalten. Da es sich um ein natürliches Kältemittel handelt, schneidet die Maschine bei Green-Building-Zertifizierungen oder Öko-Audits besonders günstig ab. Bei den von Thermea ausgewiesenen Referenzanlagen geht es fast immer darum, Wärme und Kälte gleichzeitig zu nutzen. Ideal seien Schlachthöfe, Rechenzentren, Hotels, Rundfunkgebäude, Bürogebäude oder Hochschulen. Die Baureihe umfasst elf Leistungsstufen und reicht von 43 bis 1 000 kW. Welchen Stellenwert künftig Hochtemperatur-Wärmepumpen, die mit natürlichen Kältemitteln arbeiten, einnehmen werden, verdeutlicht die Beteiligung der Dürr AG, Bietigheim-Bissingen, und der Robert Bosch GmbH, Gerlingen, am Unternehmen Thermea.

Japan forciert HochtemperaturIndustriewärmepumpe

Einen Vorgeschmack, welches Entwicklungspotenzial bei der Wärmepumpe noch zu erwarten ist, bekamen die Teilnehmer des IEA-Industriewärmepumpen-Symposiums am Vortag der Chillventa. Eindeutige Triebkraft für noch höhere Temperaturen sind die Temperaturerfordernisse der Industrie mit ihren spezifischen Erwärmungs- und Abkühlprozessen.

Das Marktpotenzial für Hochtemperatur-Wärmepumpen ist riesig. Rund 65 Prozent der von der deutschen Industrie genutzten Endenergie wird als Prozesswärme eingesetzt. Etwa 25 Prozent davon könnte durch Wärmepumpen bereitgestellt werden. Nach Berechnungen des Instituts für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendungder Universität Stuttgart besteht bei der deutschen Industrie für eine Nutztemperatur bis 70 °C ein Wärmebedarf von 64 Mrd. kWh pro Jahr, für eine Nutztemperatur bis 100 °C ein Wärmebedarf von 110 Mrd. kWh pro Jahr. Fachleute sind sich einig darüber, dass das Potenzial für Industriewärmepumpen bei Weitem noch nicht ausgeschöpft ist. Allerdings scheinen in Deutschland entsprechende Hochtemperatur-Komponenten für Wärmepumpentemperaturen über 90 °C noch in der Entwicklung zu sein.

Offensichtlich ist die japanische Kälteindustrie hier schon ein Schritt weiter. Auf dem IEA-Industriewärmepumpen-Symposium erklärte Dr. Choyu Watanabe vom Central Research Institute of Electric Power Industry (CRIEPI), Tokyo, welche Anstrengungen derzeit in Japan unternommen werden, um den Wirkungsbereich von Hochtemperatur-Wärmepumpen auszuweiten. Primär gelte es, die in industriellen Prozessen eingesetzten elektrischen Nachwärmer in Ferndampfnetzen durch dezentral aufgestellte Hochtemperatur-Wärmepumpen zu ersetzen. Im Fokus lägen dabei insbesondere Prozesse mit Trocknung (Luft, Güter), Sterilisation, Erhitzen und Reinigen. Wichtig für eine möglichst hohe Effizienz der Wärmepumpe seien Koppelprozesse mit gleichzeitigem Heizen und Kühlen sowie die Nutzung von Abwärme mit vergleichsweise hoher Temperatur, um mittels Hochtemperatur-Wärmepumpe Heißwasser oder Dampf zu generieren.

Gängige Praxis sei mittlerweile die Erzeugung von Heißwasser von bis zu 90 °C mittels CO₂-Wärmepumpe über einen transkritischen Kälteprozess. Voraussetzung für den Einsatz von CO₂ sei, dass das zu erwärmende Medium eine möglichst niedrige Temperatur aufweist. Eine solche Wärmepumpe wird bereits von Mayekawa-Mycom zur Trinkwassererwärmung oder zur Erzeugung von Prozesswärme mit Temperaturen von bis zu 90 °C angeboten. Die Leistungszahl des 74-kW-Gerätes soll bei 4,2 liegen.

Eine ebenfalls mit dem Kältemittel CO₂ arbeitende Wasser/Luft-Wärmepumpe Leistungszahl 3,7 liefert Prozessluft mit 100 °C (Ausgangstemperatur 20 °C). Die Verflüssigung des Kältemittels erfolgt mittels Grauwasser bei etwa 20 °C. Die Wärmeleistung des Aggregats beträgt 110 kW.

In Nürnberg zeigte Mycom die Hochtemperatur-Wärmepumpe Mayekawa plus Heat zur direkten Nutzung der Kondensatorwärme aus bestehenden Kälteanlagen in einem separaten Wärmepumpenprozess. Der NH3-Hochdruckverdichter (50 bar) ist in der Lage, bis zu 85 °C heißes Wasser mit einem COP von 4,8 zu erzeugen.

Speziell für die Kühlung von Bohr- und Schneidöl sowie für die Reinigung von industriell hergestellten Werkstücken ist die Wärmepumpe der Zeneral Heat Pump Industry, Nagoya, Japan, entwickelt worden. Das Gerät ist in der Lage, die Temperatur der Waschflüssigkeit auf 60 °C zu halten und die Bohr-/Schneidölemulsion auf 20 °C zu begrenzen. Bei gleichzeitigem Heizen der Waschanlage und Kühlen des Schneidöls erreiche die Anlage einen COP von etwa 5,0. Die Primärenergieeinsparung gegenüber konventionellen Lösungen soll bei 73 Prozent liegen.

Dampferzeugung bis 165 °C

Zentrale Dampfnetze gelten als wahre Energieschleudern. Wo immer möglich, werden diese zurückgebaut oder durch dezentrale Dampferzeuger ersetzt. In Japan ging ein Konsortium der Unternehmen Kobe Steel, Tokyo Electric Power, Chubu Electric Power und The Kansai Electric Power in der Dampferzeugung für industrielle Prozesse neue Wege und entwickelte zwei Wärmepumpenaggregate, die aus Prozessabwärme von 35 bis 65 °C bzw. 70 °C gesättigten Dampf mit Temperaturen von 120 bzw. 165 °C produzieren. Die beiden von Kobe Steel unter der Marke Kobelco produzierten Aggregate sind so kompakt gebaut, dass sie prozessnah installiert werden können und damit zentrale Dampfversorger ersetzen.

Die Kobelco Steam Glow Heat Pump SGH 120 kommt auf einen COP von 3,2 bei einer Abwärmetemperatur von 65 °C. Die Wärmepumpe SGH 165 benötigt Abwärme mit etwa 70 °C, um eine Temperatur von 165 °C mit einem COP von 2,5 zu erreichen. Die Energieeinsparungen gegenüber einer zentralen Versorgung mit Dampf (gasgefeuerter Dampfkessel) werden mit fast 60 Prozent angegeben, die Betriebskosteneinsparungen sollen bei rund 55 Prozent liegen. Über die Wirtschaftlichkeit wurden keinen Angaben gemacht.

Als Kältemittel wird HFC 245 fa eingesetzt, eine Pentafluorpropan-Verbindung, die unter dem Namen Genetron R 245 fa von Honeywell am Markt angeboten wird. Als Kälteprozess wählten die Japaner den linksläufigen, zweistufigen Rankine-Prozess. Bevorzugte Einsatzgebiete der dezentralen Wärmepumpen-Dampferzeuger ist die Sterilisierung von Nahrungsmitteln und Getränken, die Aufkonzentration von Flüssigkeiten und Säften, Trocknungsprozesse und die Destillation von Alkohol. Kobe Steel hat bereits im Mai 2011 mit der Vermarktung der Kobelco-Wärmepumpen-Dampferzeuger begonnen.

Großer Bedarf an HochtemperaturIndustriewärmepumpen

In Europa wurde die Rolle der Industriewärmepumpe offenbar lange Zeit sowohl von den potenziellen Anwendern als auch von den Herstellern unterschätzt. Die wesentlichen Hemmnisse, die einem breiten Einsatz von Groß- und Hochtemperaturwärmepumpen entgegenstehen, sind fehlendes Know-how, Zweifel an der Zuverlässigkeit, aber auch fehlende Informationen über den Stand der Technik. Jochen Lambauer vom Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), Universität Stuttgart, ist überzeugt, dass Hochtemperatur-Wärmepumpen künftig in der Industrie eine maßgebliche Rolle spielen werden. Allerdings sei noch erhebliche Entwicklungsarbeit zu leisten. Das technische Potenzial für Industriewärmepumpen liege in Deutschland bei rund 75 TWh/a mit Schwerpunkt auf den Branchen Nahrungsmittel, Chemie, Maschinenbau und Automobilindustrie.

Besonders hohe Prozesstemperaturen werden in der Nahrungsmittelindustrie, der Papierindustrie und der Chemischen Industrie benötigt. Durch die Ausweitung des Temperaturspektrums der Wärmepumpe von 80 auf 140 °C Vorlauftemperatur erhöhe sich das Potenzial für die Industriewärmepumpe bezogen auf Deutschland von 75 auf 166 TWh/a. Für höhere Vorlauftemperaturen als 100 °C seien zweistufige Kälteprozesse notwendig, z. B. mit dem Kältemittel R 134 a in der ersten Stufe und Öko 1 in der zweiten Stufe.

Temperaturen von 160 °C zu erreichen, sei jedoch immer noch eine Herausforderung, da hierfür spezielle Schraubenverdichter notwendig seien. Unabhängig vom Temperaturspektrum sei es wichtig, Erwärmungs- und Abkühlprozesse zu koppeln. Heiz-/Kühl-Wärmepumpen mit einem Temperaturniveau unter 70 °C könnten einen COP von durchschnittlich 7,7 erreichen, so die Recherchen im Rahmen der Annex-35-Aktivitäten. Bei Holztrocknungsanlagen könne man trotz hoher Vorlauftemperaturen (90 bis 120 °C) und einer Abwärmetemperatur (Wärmequelle) von 50 bis 60 °C mit einem COP von 5 rechnen.

Interessant sei die Anwendung der Hochtemperatur-Wärmepumpe in der Metallindustrie, beispielsweise um Dreh-, Schneid- und Frästeile zu reinigen, da dort Temperaturen von bis zu 140 °C benötigt werden und an gleicher Stelle Wärmequellen von 60 bis 80 °C zur Verfügung stehen. Mit dem Bau einer Demonstrationsanlage erhofft man sich mehr belastbare Werte über Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen. Partner im Hochtemperatur-Wärmepumpen-Projekt der IEA sind die Firmen Combitherm, Emerson Climate Technologies, Ochsner und Thermea.

Die aktuelle Situation der Industriewärmepumpe in Europa bezogen auf erreichbare Vorlauftemperaturen sieht Jochen Lambauer so:

• unter 80 °C: Standard-Wärmepumpe, am Markt erhältlich
• bis 100 °C: erste Aggregate erhältlich
• bis 140 °C: in naher Zukunft erhältlich
• bis 160 °C: die Suche nach geeigneten Kältemitteln hält an

Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit von Hochtemperatur-Wärmepumpen ist nach den jetzigen Erkenntnissen eine maximale Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke und Wärmequelle von 50 K sowie hohe Jahresbetriebsstunden.

Fazit

Die Hauswärmepumpe wird zum Massenprodukt, insbesondere durch das wachsende Angebot an vorgefertigten, standardisierten Kältemodulen. Nach Ansicht von Marktkennern wird dadurch das Angebot an Hocheffizienz-Hauswärmepumpen weiter wachsen. Aktuell geht der Trend zu größeren Wärmepumpenleistungen; Kaskadenlösungen sind eher rückläufig. Groß- und Hochtemperatur-Wärmepumpen spielen in Zukunft in der Industrie eine wichtige Rolle; insbesondere für Koppelprozesse mit gleichzeitigem Heizen und Kühlen, und zwar möglichst dezentralisiert und produktionsnah. Ob die industriellen Anwender in Europa bereit sind, auf konventionelle Dampferzeuger zugunsten von dampferzeugenden Wärmepumpen zu verzichten, darf zum jetzigen Zeitpunkt in Frage gestellt werden. Japanische Unternehmen zeigen mit der 165-°C-Wärmepumpe Pioniergeist. Der Wettbewerb bei den Hochtemperatur-Wärmepumpen ist damit eröffnet. -

Schweden zählt zu den reifen Wärmepumpenländern, also zu den Musterländern. Erdgekoppelte Wärmepumpen kommen in Schweden bereits seit über 25 Jahren zum Einsatz. Der Markt gilt als stabil und etabliert, wenngleich steigende Kosten für Sondenbohrungen dafür sorgen, dass vermehrt hocheffiziente Luft/Wasser-Wärmepumpen installiert werden. Doch auch nach 25-jähriger Erfahrung mit Wärmepumpen gibt es Probleme im Betrieb, wie eine Auswertung der Versicherungsfälle mit Grundwasser-Wärmepumpen zeigt: 21916 Schadensfälle in den Jahren 1999 bis 2009 verursachten demnach Kosten in Höhe von 31 Millionen US-$, das sind durchschnittlich rund 1400 US-$ pro Schaden. Auffallend bei allen Wärmepumpenbauarten ist die hohe Schadenshäufigkeit des Verdichters, gefolgt vom Regelungssystem. Bei der Grundwasser-Wärmepumpe klemmt zudem öfters mal das Regelungsventil, dagegen fallen bei Luft/Luft-Wärmepumpen-Schadensfällen häufiger die Ventilatoren aus.

Als Gegenmaßnahme empfiehlt das zuständige schwedische Forschungsinstitut Sveriges Tekniska Forsknings­institut:

• Verbesserung der fachspezifischen Kenntnisse der Installateure
• bessere Information des Endverbrauchers über die Besonderheiten des Wärmepumpenbetriebs
• leicht verständliche Betriebsanleitung
• Aufklärung des Nutzers über die Notwendigkeit einer regelmäßigen Wartung der Wärmepumpe
• Verbesserung der Produkte- und Installationsqualität / Zertifizierung
• Verbesserung der Kommunikationskette vom Hersteller bis zum Endkunden

Aus Großbritannien meldet das Department of Energy & Climate Change folgende Probleme mitWärmepumpen:

• fehlerhafte Dimensionierung der Erdsonden, des Wärmepumpengerätes, der Wärmeverteilanlage, des Warmwasserspeichers oder der Umwälzpumpe
• fehlerhafte Regelungsstrategien, zum Beispiel zu lange Enteisungsintervalle, verfrühtes Zuschalten von externen Nachheizern, selbst wenn die Wärmepumpe noch im Teillastbetrieb fährt, permanenter Betrieb der Umwälzpumpe, auch wenn kein Bedarf besteht, defekte Regelungsventile
• Leckstellen im Glykolkreislauf
• nicht ausreichende Wärmedämmung von Speicher und Rohrleitungen

Als Konsequenzen aus den Schäden fordern die Initiatoren der britischen Untersuchung eine obligatorische Wärmebedarfsberechnung für jedes mit einer Wärmepumpe zu beheizende Gebäude, eine Auslegung der Wärmepumpe auf höchstens 1 bis 3 °C sowie bei Erdwärmepumpen die Berechnung der Erdsonden. Auch gibt es Forderungen, dass die Daten der Erdsondenbohrung an die British Geological Survey weitergeleitet werden müssen. Der Referent des Vortrags, Van B. Baxter vom renommierten Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee/USA, machte keinen Hehl daraus, dass es auch in den USA Nachholbedarf bei der Verbesserung der Installationsqualität gibt. Seine Einschätzung: Die Produkte sind in Ordnung, aber die Installateure geben ein schwaches Bild ab. 30 Prozent machen einen guten Job, 30 Prozent glauben, sie machen einen guten Job und der Rest arbeitet schlecht. Ja, es ist noch ein langer Weg für die Installateure, sagt Baxter resignierend.

Der Begriff Großwärmepumpe ist in der Kälte-/Wärme­pumpenbranche nicht exakt definiert, ebenso der Begriff Industriewärmepumpe. Hersteller von Hauswärmepumpen sehen die Grenze zur Großwärmepumpe oft schon ab einer Wärmeleistung von 20 kW, andere geben 50 kW als Leistungsgrenze an. Im Marktanreiz­pro­gramm der BAFA ist generell nur von Wärmepumpen die Rede, Leistungsgrenze 100 kW. Glen Dimplex definiert Großwärmepumpen so: Wenn ein besonderer Aufwand bei der Planung und Erschließung der Wärmequelle notwendig ist, mehrere Bedürfnisse, wie Heizen, Kühlen oder Entfeuchten, mit einer Anlage gleichzeitig abgedeckt werden sollen, die Wärmepumpe in eine übergeordnete Gebäudeleittechnik integriert ist oder die Wärmepumpe zur Abwärme­nutzung in industriellen und gewerblichen Prozessen eingebunden ist. Nicht die Leistung der Wärmepumpe sei das maßgebliche Kriterium, sondern die Art und Weise, wie die Anlage errichtet wird. Allgemein habe sich jedoch eine leistungsabhängige Bezeichnung für den Begriff Großwärmepumpe durchgesetzt, die bei 100 kW thermischer Leistung liege, so Glen Dimplex. Combitherm, Hersteller von gewerblichen und industriellen Flüssigkeitskühlsätzen, definiert Großwärmepumpen beginnend bei einer Heizleistung von 2000 kW bis 50000 kW und höher, bei maximalen Heizwassertemperaturen von 75 °C. (Quelle: KKA Großkälteheft 2009, Hochtemperaturwärmepumpen, aktuelle Situation und Perspektiven)

freier Fachjournalist für Technische Gebäude­aus-rüstung, München