Sicherheit bei Wärmepumpen (Teil 3)

Die Jahresarbeitszahlen werden direkt zur Festlegung der Kennzeichnungsklasse einer Wärmepumpe verwendet. Dieser Koeffizient hängt nicht nur von der Leistung der Einheit ab, sondern auch von der Gebäudecharakteristik und der Klimazone, in der sich das Gebäude befindet. Alle diese Aspekte werden von der EN 14825 berücksichtigt, die in der Richtlinie zur umweltgerechten Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte genutzt wird. Bei dieser Norm werden drei unterschiedliche Klimazonen zum Heizen berücksichtigt: wärmere,durchschnittliche und kältere. Es gibt drei Referenzstädte für die Klimata beim Heizen: Helsinki für die kältere Zone, Straßburg für die durchschnittliche Zone und Athen für die wärmere Zone. Jede Zone legt eine Mindestaußentemperatur und ein Jahresprofil fest, wie in Bild 1 dargestellt.

Die Norm definiert auch abhängig von den Anwendungen vier unterschiedliche Anforderungen für die Wassertemperatur (Bild 2).

Alte Heizkörper – sehr hohe Temperatur – Wasserauslegungstemperatur: 65 °C

Heizkörper – hohe Temperatur – Wasserauslegungstemperatur: 55 °C

Gebläsekonvektoren/Tieftemperaturheizkörper – mittlere Temperatur – Wasserauslegungstemperatur: 45 °C

Fußbodenheizung – Tieftemperatur – Wasserauslegungstemperatur: 35 °C

Darüber hinaus werden bei der Berechnung der Jahresarbeitszahlen auch Stand-by-Verluste und Eigenverbrauch berücksichtigt. Für den Kennzeichnungsprozess wurde lediglich das durchschnittliche als das typischste Klima ausgewählt. Die Einheit kann als betreibbar sowohl bei hohen (55 °C) als auch tiefen (35 °C) Temperaturen oder auch nur bei Tieftemperaturen deklariert werden. Bild 3 zeigt unterschiedliche Niveaus der Primär-energieeffizienz (%), die ein Wärmegeräterzielen muss. In der Richtlinie zur umweltgerechten Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte ist ein Energiefaktor von 2,5 als repräsentativ ausge- wählt für die durchschnittliche Effizienz der Energieumwandlung in Europa. Daraus folgt für eine Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 3,00 beispielsweise % = 120 Prozent. Das entspricht der Effizienzklasse A+“. Eine Einheit mit niedriger Wassertemperatur mit derselben Jahresarbeitszahl erhält die Kennzeichnung A“.

Das Kennzeichnungsschema führt eine Methode ein, die den Verbrauchern einen direkten Vergleich der unterschiedlichen Produkte und Technologien ermöglicht. Durch dieses Schema wird ein klarer Leistungsvergleich über einen Vergleich des Primärenergieverbrauchsfaktors (%) er-möglicht.

In dieser Simulation wurde ein Luft-zu-Wasser-System mit verschiedenen Verdichtern analysiert. In der Simulation wurden die folgenden Copeland-Scrollverdichter verwendet:

ZP – Verdichter mit fester Drehzahl, optimiert für Klimatisierung

ZH*P – Verdichter mit fester Drehzahl, optimiert für Wärmetechnik

ZHI*P – Verdichter mit fester Drehzahl, optimiert für Wärmetechnik mit Dampfeinspritzung

XHV – Verdichter mit Drehzahlregelung, optimiert für Wärmetechnik

ZHW – Verdichter mit Drehzahlregelung, optimiert für Wärmetechnik mit Dampfeinspritzung

All diese Verdichter verwenden R 410 A als Kältemittel. Es gibt verschiedene Hypothesen zu Verdichtereinheiten mit fester Drehzahl bzw. mit Kapazitätssteuerung.

Die Mindestaußentemperatur des durchschnittlichen europäischen Klimas beträgt 10 °C und hat ein definiertes Stundenprofil. Über dieses Profil lässt sich zusammen mit der Heizlast (linear von Maximum bei 10 °C und Null bei 16 °C) die vom Gebäude benötigte Menge an Wärmeenergie ermitteln. Bild 4 und 5 zeigen eine grafische Darstellung.

Die Temperatur des Wasserstroms wird auch in Abhängigkeit von der Außentemperatur berechnet (kompensiertes Profil). Dieses kann zusammen mit der Umgebungstemperatur in Betriebspunkte des Verdichters übertragen werden (Bild 6 und 7).

EN 14825 legt spezifische Bedingungen fest, bei denen ein Wärmepumpensystem zur Berechnung der Leistungszahl getestet werden muss. Diese Tests und die Informationen zur Gebäudelast werden anschließend zur Berechnung der Gesamtjahresarbeitszahl der Einheit zusammengefasst.

Zusammenfassung

Zum Vergleich sind auch Gas-Heizkessel dargestellt. Der Primärenergiefaktor für Gas ist dabei auf 1,0 festgelegt. Es zeigt sich, dass die höchsten, zum Erlangen der Kennzeichnung A++ geforderten Effizienzen nur durch die Wärmepumpentechnologie erreicht werden können (Bild 8). Mit fossilen Brennstoffen angetriebene Generatoren hingegen erreichen nur Werte unter 100 Prozent.

Schlussfolgerungen

Bei konventionellen Verbrennungssystemen wird aus fossilen Brennstoffen wie Öl oder Gas in einem Direktverbrennungsprozess die nötige Wärme für die Raumheizung und die Brauchwasserversorgung gewonnen. Die von hocheffizienten Wärmepumpen verbrauchte elektrische Energie hingegen macht nur einen Bruchteil des fossilen Brennstoffs aus, der zur Erzeugung derselben Wärmemenge benötigt wird. Selbst wenn Verluste bei der elektrischen Stromerzeugung in Kauf genommen werden müssen, verbrauchen Wärmepumpen weniger Primärenergie als Geräte, die Wärme durch Verbrennung erzeugen. Auf die Wärmetechnik spezialisierte Verdichter mit Drehzahlregelung erreichen im Vergleich zu anderen Scroll-Optimierungen die höchste Leistung bei Luft-zu-Wasser-Anwendungen. Emerson Climate Technologies hat eine Vielzahl von Lösungen im Bereich dieser Systeme entwickelt, die Qualität, Robustheit, Zuverlässigkeit und hohe Effizienz bieten.