Einer der Gründe für die schwache Verbreitung von Großwärmepumpen ist die bisherige Begrenzung der Heizungsvorlauftemperatur auf oft 65 °C bei den meisten heute verbreiteten Techniken. Als Wärmequelle dient dabei Umgebungswärme, das heißt Grundwasser, Erdreich oder Umgebungsluft, also im Wesentlichen gespeicherte Sonnenenergie.
Nachträgliche Wärmedämmungen sind oft nicht möglich
Mit Wärmepumpen entsprechender Leistung und höheren Heizwasser-Vorlauftemperaturen könnten auch großvolumige Bauten mit Hochtemperatur-Wärmeverteilsystemen (Radiatoren für 65 bis 95 °C) auf eine erneuerbare Heizenergie umgerüstet werden. Dies ist umso wichtiger, da bei der energetischen Sanierung von Großbauten das Anbringen einer nachträglichen Wärmedämmung oft entweder nicht machbar beispielsweise wegen historischer oder Glasfassaden oder zu aufwendig wäre. In solchen Fällen muss die energetische Sanierung über eine neue Heiz- bzw. Kühltechnik erfolgen.
Technische Rahmenbedingungen
Die technische Herausforderung für Ochsner bestand nun darin, Wärmepumpen zu entwickeln, welche die geforderten hohen Heizungs-Vorlauftemperaturen bis 100 °C liefern und in bestehende Wärmeverteilsysteme mit einer Temperaturspreizung (Temperaturunterschied zwischen Vor- und Rücklauf) von 5 bis 10 °C nachgerüstet werden können. Wärmepumpen mit CO2 als Kältemittel sind als transkritische Hochdrucksysteme aufwendig und nur bei einer Temperaturspreitzung von 30 bis 50 °C wirt-schaftlich betreibbar. Zudem wollte Ochsner ungiftige und erneuerbare Sicherheitskältemittel (FKW bzw. HFC) verwenden.
Arbeitskreislauf einer konventionellen Wärmepumpe
Bei einer heute üblichen Wärmepumpe liegen in etwa die folgenden Temperaturen des Arbeitskreislaufs vor (zum Beispiel Kältemittel R 134 a):
- Verdampfung des Kältemittels während der Wärmeaufnahme von der Wärmequelle bei 4 °C. Als Wärmequelle dient 10 °C warmes Wasser.
- Verflüssigung, also Kondensation des Kältemittels und Übertragung der Wärme an das Heizsystem mit einer Vorlauftemperatur bis 65 °C.
- Kompression des Kältemittels durch den Verdichter bei 95 °C Heißgastemperatur.
- Expansion des Kältemittels über ein Expansionsventil zur erneuten Verdampfung und damit zur Wärmeaufnahme: Das Kältemittel kühlt sich von ca. 63 auf etwa 4 °C ab.
Die Temperaturen im Kreisprozess sind durch die thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels begrenzt, die Temperaturen in den Komponenten, insbesondere im Verdichter, durch deren Bauart.
Mit zwei Kreisen zu hohen Temperaturen
Die Bewältigung des für die Hochtemperatur-Wärmepumpe benötigten Temperaturhubs von beispielsweise 85 K (10 °C Grundwasser als Wärmequelle) auf 95 °C (Wärmenutzung zum Beispiel durch Heizwasser) wurde von Ochsner durch einen zweistufigen Kreisprozess gelöst.
Für die erste Stufe wurde das KältemittelR 134 a und für die zweite Stufe das Kältemittel ÖKO1 gewählt. In beiden Fällen handelt es sich um FKW-Sicherheits-Kältemittel, die unbrennbar sowie ungiftig sind und eine niedrige Drucklage aufweisen.
Technisch stellte sich die hohe Heißgastemperatur in der zweiten Stufe von bis zu 160 °C als Hauptproblem dar. Dafür musste eine besondere Verdichterkonstruktion entwickelt werden, nämlich ein Schraubenverdichter mit speziellen Anforderungen an Lager und Motorwicklung. Um die Kompressorendtemperatur zu reduzieren, ist in den Kältekreis ein spezielles Ölkühlsystem integriert. Weitere Herausforderungen waren die Optimierung der Steuerung der beiden elektronischen Expansionsventile, insbesondere die Steuerung der Anlaufphase. Hierbei waren die Systemdrücke und das Anheben des Drucks der zweiten Stufe beim Anlauf besonders zu betrachten. Die zweistufigen Wärmepumpen werden mit Leistungen von 190 bis 750 kW produziert. Die Vorlauftemperatur reicht bis ca. 100 °C bei einer Wärmequelltemperatur von etwa 10 °C. Einstufige Wärmepumpen eignen sich vor allem für Prozesse in der chemischen, Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie für die Kraftwerkstechnik, wo Temperaturen der Wärmequelle von 40 bis 50 °C vorliegen und Temperaturen der Wärmenutzung von 75 bis 95 °C gefordert werden. Die technische Auslegung erfolgt dabei jeweils für den betreffenden Einsatzfall.
Gleichzeitig heizen und kühlen
In vielen Groß- und Industriebauten wird gleichzeitig sowohl Wärme als auch Kälte benötigt. War es in der Vergangenheit üblich, für die Wärmeerzeugung einen Öl- oder Gaskessel und für die Kälteerzeugung einen Kaltwassersatz einzusetzen, kann dies mit nur einer Wärmepumpe deutlich wirtschaftlicher erfolgen.
Der COP (Coefficient of Performance) als Leistungszahl einer Wärmepumpe kann als Energiemultiplikator angesehen werden. Er drückt das Verhältnis von eingesetzter (elektrischer) Energie zu erzeugter (Wärme) Energie aus (COP 4 = 1 kWh Strom + 3 kWh aus Umgebung = 4 kWh Nutzwärme).
Bei paralleler Verwendung der Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen kann auch der Nutzen als gleichzeitiger Kälteerzeuger gerechnet werden. Dazu die folgenden Beispiele:
Bei diesen Betriebszuständen werden hohe Energieeffizienzen und damit CO2-Einsparungen erreicht.
Fazit
Durch die Hochtemperatur-Wärmepumpe von Ochsner werden neue Einsatzgebiete für den Einsatz erneuerbarer Umgebungswärme zum Heizen oder für die Nutzung von bisher verlorener Niedertemperatur erschlossen, wie sie beispielsweise in Abwässern vorliegen. Dadurch können fossile Energieträger substituiert, Treibhausgasemissionen gesenkt und ein namhafter Beitrag zur energetischen Effizienzsteigerung geleistet werden. -
Dipl.-Ing. Karl Ochsner
Geschäftsführer der Ochsner Wärmepumpen GmbH, A-Linz
