Gasmotorische Klimaanlagen/Wärmepumpen

15.12.2009 | Veröffentlicht in Ausgabe 12-2009

Bild 1: Gasmotor-Klimaanlage/Wärmepumpe, Kältemittel-Kühlwasser-Kreislauf im Heizbetrieb [1]

Im Unterschied zu der in Deutschland bekannten klassischen Gasmotor-Wärmepumpe, die ausschließlich Heizung und Warmwasserbereitung abdeckt, umfasst die in Japan entwickelte gasmotorische Klimaanlage namhafter Hersteller wie AISIN und SANYO als wesentlichen Bestandteil auch die Kühlung und Entfeuchtung der Raumluft. Sie wird als Luft-Kältemittel-System (VRF-Anlage mit Luft/Luft-Wärmepumpenfunktion) und/oder Luft/Wasser-System (Luft/Wasser-Wärmepumpen-Schaltung für Warm- und Kaltwasserbereitung) eingesetzt. Nachfolgend werden deren Vorzüge und ihr Einsatzprofil dargestellt.

Die Einführung dieser Systeme am deutschen respektive europäischen Markt erfolgte in den Jahren 2003/2004. Seither wurden in Europa ca. 2900 Außeneinheiten, davon in Deutschland ca. 250 bis 280 Stück, eingesetzt. Zum Vergleich: Weltweit werden ca. 600000 Systeme (Stand 2009) betrieben!

Die gasmotorisch betriebene Klimaanlage, die den Luft-Kältemittel-Anlagen zuzuordnen ist, eignet sich hervorragend für Neubau und Nachrüstung der Klimatisierung von Verkaufsflächen, Bürogebäuden, Autohäusern, Hotels, Banken und Schulen. Weitere Einsatzfelder sind Kliniken, Industrie und Gewerbe. Kühl- und Heizbedarf sowie Warm- und Kaltwasserbereitung können hierbei mit einem System ganzjährig sichergestellt werden. Der Verdichterantrieb mit Gasmotor ermöglicht im Kühl- und Heizbetrieb eine sehr gute Primärenergieausnutzung durch Abwärmeauskopplung in die Hochtemperaturschiene. Gleichzeitig werden Energiekosten und CO₂-Emission im Vergleich zu konventionellen Anlagen deutlich reduziert.

Das aktuelle Geräteprogramm umfasst 2- und 3-Rohrsysteme in einem Leistungsspektrum von 22 bis 142 kW Nennkühl- und 25 bis 160 kW Nennheizleistung. Leistungen über 70 kW werden hierbei durch Verbundschaltungen realisiert. Darüber hinaus sind weltweit erstmals auch Außeneinheiten mit Generator (Kraft-Wärme-Kopplung) im Leistungsbereich von 56 bis 127 kW Nennkühl- und 63 bis 143 kW Nennheizleistung lieferbar. Die elektrische Leistung des Gleichstrom-Generators beträgt hierbei 2 bis 8,5 kW. Es gibt auch Bestrebungen, im Wärmepumpenbetrieb neben der Wärmequelle Außenluft die Erdwärmenutzung über Sonden einzubeziehen.

Weitergehende Ausführungen findet man in [3] und Herstellerunterlagen.

Funktionsprinzip

Das Anlagenschema (Bild 1) zeigt das Funktionsprinzip der Gasmotor-Klimaanlage/WP für den Heizfall.

Für Gas-VRF-Systeme ist kennzeichnend, dass im Heizbetrieb neben der Energiequelle Außenluft bei niedrigen Temperaturen die Motor- und Abgasabwärme genutzt wird.

Gaswärmepumpe (Außeneinheit): Als Antriebsaggregate werden Otto-Motoren mit einem Drehzahlbereich zwischen 800 und 2200 1/min eingesetzt. Sie treiben offene Drehkolben- oder Scrollverdichter an. Je Außeneinheiten-Modul werden ein bis vier Verdichter über Riementrieb von der Kurbelwelle angetrieben. Die Leistungsanpassung erfolgt also immer mittels Drehzahlregelung und bei mehreren Verdichtern zusätzlich durch Verdichterabschaltung (Leistungsstufung).

Zylinderkopf und Brennraum des Motors wurden für die Gasverbrennung optimiert. Die elektronische Zündung passt den Zündzeitpunkt automatisch an die Gasqualität, Erdgas H und L oder Flüssiggas, an. Ein Hybrid-Wärmeübertrager (Verdampfer) führt im Heizbetrieb bei t_a > 0 °C die Verdampfungswärme aus der Außenluft (Umweltwärme) zu. Außerdem wird bei Bedarf überschüssige Motor- und Abgaswärme über den Kühlwasser-Kreislauf an die Umgebung abgegeben.

Bei niedrigen Außentemperaturen wird im Heizbetrieb die Verdampfung und Überhitzung des Kältemittels von einem zusätzlichen Plattenwärmeübertrager übernommen. Daher kann man selbst bei Außentemperaturen bis 20 °C immer noch die Nennheizleistung (bezogen auf +7 °C) abrufen. Die dafür erforderliche Energie wird aus dem Kühlwasser-Kreislauf bereitgestellt. Über den Plattenwärmeübertrager kann im Heiz- und Kühlbetrieb Warmwasser (Vorlauf ≤ 75 °C) in die Hochtemperaturschiene ausgekoppelt werden.

Heizsystem im Gebäude (Inneneinheiten): In der VRF-Standardausführung können bis zu 63 Inneneinheiten je Kältekreis für die Heizung (und/oder Kühlung) von Luft angeschlossen werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Wasser-Wärmeübertrager zuzuschalten bzw. separat (Luft/Wasser-WP) zu betreiben.

Besondere Bedeutung für die Energieeffizienz der gasmotorischen Klimaanlage/Gasmotor-Wärmepumpe hat die Nutzung der Motor- und Abgasabwärme, nach Möglichkeit über den gesamten Betriebszyklus. Bild 2 zeigt diesen Sachverhalt unter Einbeziehung der Jahresarbeitszahlen verschiedener Systeme.

Die Nutzung der Abwärme bewirkt also eine signifikante Erhöhung der Energieeffizienz und damit der Attraktivität des Systems.

Eine weitere Verbesserung des Primärenergie-Nutzungsgrades ergibt sich durch die Kopplung von Klimatisierung und Stromerzeugung. Dazu werden gasmotorische Außeneinheiten mit einem Generator ausgerüstet, der ca. 4 kW elektrische Leistung liefern kann (Bild 3).

Auslegungsvarianten

Bild 4 zeigt einen Überblick möglicher Einsatzbereiche gasmotorischer Klimasysteme. Neben der Standardlösung, dem Gas-VRF-System, gibt es weitere interessante Anlagenkonzepte.

So kann durch die Kopplung einer gasbetriebenen Außeneinheit mit einem Wasser-Wärmeübertrager eine Luft-Kältemittel-Anlage (VRF) parallel zu einer Luft-Wasser-Anlage betrieben werden (Bild 5). Mit diesem Mischsystem sind vor allem bei Modernisierungsmaßnahmen vielfältige Lösungen denkbar.

Mittels Hydraulikstation ist aber auch eine reine Luft-Wasser-Anlage realisierbar, also ein Kaltwassersatz zum Kühlen und Heizen (u.a. für Sole-Betrieb bis 15 °C). Der Nennleistungsbereich der verfügbaren Umformer liegt bei 22 bis 68 kW (Kühlen) und 25 bis 80 kW (Heizen). Eingeschlossen ist hierbei auch das Einbinden externer Wasser-Kühl- und Heizregister von Lüftungsgeräten.

Eine weitere, spezielle Ausrüstungsvariante der Außeneinheiten erlaubt darüber hinaus die Brauchwasserbereitung parallel zum Kühl- und Heizbetrieb. Durch einen zusätzlichen Wärmeübertrager in der Außeneinheit wird in diesem Fall die im Kühl- bzw. Heizprozess nicht nutzbare Motor- und Abgasabwärme einer bauseitigen Warmwasserbereitung zugeführt und nicht als Energieverlust über den luftgekühlten Verflüssiger der Außeneinheit an die Umgebung abgegeben.

Die gasmotorischen Außeneinheiten können aber auch über einen R410A-Kältekreis die komplette Energieversorgung der Wärmeübertrager in RLT-Geräten übernehmen. Die erforderliche Kühl- und Heizleistung kann hierbei stufenlos über das gleiche Register bereitgestellt werden. Die DDC der gasmotorischen Außeneinheit kann die komplette Steuerung, Regelung und Überwachung der RLT-Anlage übernehmen. Ein großer Vorteil dieser Bauart ist, dass z.B. bei Dachaufstellung der RLT-Zentrale keine Frostschutzmaßnahmen erforderlich sind. Das erhöht die Betriebssicherheit und den Wirkungsgrad gegenüber konventionellen Lösungen wesentlich (Bild 7).

Energieeffizienz und Umweltaspekt

Als Luft/Luft- oder Luft/Wasser-Wärmepumpe stellt die Gasmotor-Klimaanlage eine konstant hohe Heizleistung (= Nennleistung) bis 20 °C Außentemperatur bereit. Mit abnehmender Energiedichte der Energiequelle Außenluft nimmt hierbei der Einfluss der Abwärme zu. Über die gesamte Heizperiode ergeben sich so z.B. Primärenergie-Nutzungszahlen (Jahres-Heizzahlen) von 1,15 bis 1,3. Zum Vergleich: Brennwertkessel liegen etwa bei 0,95 bis 1,05.

Damit unterscheidet sie sich wesentlich von allen elektrisch angetriebenen Außenluft-Wärmepumpen, die ja bekanntermaßen bei Temperaturen <0 °C eine abfallende Heizleistung verzeichnen.

Aufgrund dieser quasi-außentemperaturunabhängigen Arbeitsweise ist der direkte Energiekosten-Vergleich u.a. mit konventioneller Heizungstechnik möglich. Diesbezügliche Kostenrichtwerte für alle gängigen RLT-Anlagen zeigt Tabelle 1.

Da die gasmotorische Wärmepumpe aber auch noch eine Kühlfunktion bietet, sind die Vorteile offenkundig. Bei Ausführung als 3-Rohr-System kann die Systemeffizienz durch zeitgleiche Heizung und Kühlung nochmals deutlich erhöht werden. Ein weiterer Vorzug gasbefeuerter Systeme ist die deutliche Reduzierung der Emission von Kohlendioxid, Stickoxiden und Schwefeldioxid. Aufgrund der besseren Primärenergienutzung von Erdgas verringert sich die CO₂-Emission der Gas-WP nochmals um ca. 25 % zum Brennwertkessel.

Zusammenfassung

Signifikante Energieeinsparung und CO₂-Reduzierung!

Klimatisierung ist nicht mehr von Strom-Anschlusswerten bzw. Strom-Anschlussbedingungen abhängig!

Multivalenter Betrieb: Heizen, Kühlen, Entfeuchten Warm- und Kaltwasserbereitung!

Bereitstellung von Heiz- und Kühlleistung für bauseitige Nur-Luft- und Luft-Wasser-Anlagen!

Die gasmotorisch betriebene Klimaanlage eignet sich zur Beheizung (Außenluft-WP), Kühlung/Entfeuchtung sowie Warmwasserbereitung für mittlere und große Gebäude. Sie ermöglicht die Entlastung des Stromnetzes und stellt auch bei niedrigen Außentemperaturen eine konstant hohe Heizleistung bereit. Neuere Lösungen mit Generator bzw. BHKW-Ausführung erweitern das Anwendungsfeld. Damit hebt sich die gasmotorische Klimaanlage/Wärmepumpe von allen elektrisch betriebenen Systemen ab.

Im WP-Heizbetrieb erreicht sie eine bessere Primärenergienutzung als die Erdgas-Brennwerttechnik und liefert dadurch einen deutlichen Beitrag zur Schadstoff-Reduzierung. Vieles was bisher nur elektrisch ging, geht jetzt auch mit Gas! -

Quellen

[1] Werksunterlagen Eschenfelder KKU GmbH, Marl

[2] Werksunterlagen Kaut GmbH + Co., Wuppertal

[3] Trogisch, A.: Planungshilfen Lüftungstechnik, 3. Auflage, C. F. Müller Verlag, Heidelberg 2009

Als Vortrag gehalten anlässlich der 8. KK-Fachtagung am 26. 5. 2009 im Steigenberger Hotel Metropolitan in Frankfurt am Main.