Bei der Bereitstellung von Wärme zur Warmwassererzeugung erfüllen Wärmepumpen hohe Anforderungen an Wirtschaftlichkeit und Komfort, energetische Standards sowie gesetzliche Vorgaben. Vorteile bestehen vor allem dann, wenn als Energiequelle die Umgebungsluft genutzt wird. Denn im Gegensatz zu Sole / Wasser- oder Wasser / Wasser-Wärmepumpen entfallen bei der Luft / Wasser-Variante generell aufwendige und kostspielige Erdkollektoren oder Erdbohrungen – samt der damit verbundenen, notwendigen Genehmigungen.
Bild: Mitsubishi Electric
Wenn der Warmwasserbedarf besonders hoch ist
Für Luft / Wasser-Wärmepumpen ist die Warmwasserbereitung neben der Raumwärme ein wichtiger Anwendungsfall. Die Herausforderung liegt hierbei im Temperatureinsatzfeld. Während Wärmepumpen den Warmwasserbedarf im Ein- und Zweifamilienhaus problemlos bedienen können, muss bei größeren Gebäuden eine Speicher-Solltemperatur von mindestens 60 °C bereitgestellt werden.
Für Anwendungen mit besonders hohem Warmwasserbedarf – beispielsweise in Mehrfamilienhäusern, Hotels, Sportstätten, Schwimmbädern oder Senioren-Anlagen – steht deshalb eine Heißwasser-Wärmepumpe auf Basis des Kältemittels R 744 (CO2) von Mitsubishi Electric für die effiziente Bereitstellung von Trinkwarmwasser zur Wahl.
Warum CO2?
Aus welchem Grund wird überhaupt ein alternatives Kältemittel in der Wärmepumpe zur Warmwassererzeugung eingesetzt? Jedes Kältemittel bietet Vorteile, die je nach Anwendung genutzt werden können. Sind bei einer Wärmepumpen-Kaskade lange Rohrleitungen zu den Innenmodulen zu überwinden (> 30 m), ist das Kältemittel R 744 am besten geeignet, diese Anwendung zu realisieren. Heißwasser-Wärmepumpen mit CO2 als natürlichem Kältemittel haben zudem ein niedriges Treibhauspotenzial.
CO2-Heißwasser-Wärmepumpen gelten als eine besonders energieeffiziente Lösung für die Warmwassererzeugung. Das liegt daran, dass CO2 das für die Warmwasserbereitung erforderliche Temperatureinsatzfeld deutlich effizienter abbilden kann als herkömmliche Kältemittel. Insbesondere als Ergänzung zu einer Wärmepumpen-Kaskade, oder einer Klimaanlage als VRF- oder Hybrid-VRF-System ermöglicht die QAHV-Wärmepumpe von Mitsubishi Electric eine deutliche Steigerung der Gesamt-System-Effizienz. Beispielsweise in Hotels ist das ein weit verbreitetes Anlagenkonzept.
Bild: Mitsubishi Electric
Warmwasserversorgung mit der
QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe.
Warmwasserbereitung mit der CO₂-Heißwasser-Wärmepumpe
Die Bereitstellung des Warmwasserbedarfs mit der CO2-Wärmepumpe lässt sich deutlich effizienter gestalten als mit einer Wärmeerzeugung über Heiz-Wärmepumpen. Aber warum ist das so? Hier kommt es insbesondere auf die Kältemittelverdichter und ihre Abstimmung auf das jeweils eingesetzte Kältemittel an.
Bei der Heißwasser-Wärmepumpe QAHV kommt dementsprechend eine speziell für den Einsatz von CO2 als Kältemittel entwickelte Verdichtertechnik zur Effizienzsteigerung zum Einsatz. Für hohe Warmwasserleistungen bei bestmöglicher Effizienz ist das 40 kW-Monoblock-Gerät mit einem invertergeregelten Scroll-Verdichters für R 744 mit Flash-Injection ausgestattet.
Um eine niedrige Rücklauftemperatur zu erreichen, ist das System hydraulisch entsprechend den Herstellerangaben auszulegen. Je geringer die Rücklauftemperatur ist, desto effizienter kann das System betrieben werden. Die QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe ist in der Lage, selbst bei Außentemperaturen von - 3 °C, die volle Heizleistung zu erbringen. Darüber hinaus sind die Geräte bei Umgebungstemperaturen von bis zu - 25 °C funktionsfähig und kann dann noch 90 °C heißes Wasser liefern, sodass ein weiterer Wärmeerzeuger auch bei sehr tiefen Außentemperaturen nicht erforderlich ist. Die monovalente Warmwasserbereitung ist mit diesem System zur Außenaufstellung also möglich. Zudem ist die Wärmepumpe mit einem gemessenen Schalldruckpegel von 56 dB(A) in einem Abstand von 1 m vor dem Gerät und in 1,5 m Höhe leise.
Der Einsatz eines Trinkwarmwasserspeichers ist bei diesem System obligatorisch. Je nach Anlagenarchitektur ist die Baugröße eines solchen Trinkwarmwasserspeichers individuell auszulegen und beginnt mit einem Fassungsvermögen von 500 l. Um den optimalen Betrieb des Hochleistungs-Wärmeübertragers (doppelwandiger Wärmeübertrager) dauerhaft zu erreichen, lässt sich dies am besten mit einer Wasseraufbereitungsarmatur mit Entkalkungsfunktion realisieren.
Mit einer QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe lässt sich z. B. ein Hotel mit höherem Warmwasser-Komfortbedarf und 90 Zimmern gut abgedecken. Bei Mehrfamilienhäusern könnte der Bedarf von rund 80 Wohneinheiten mit einer QAHV-Kaskade realisiert werden. Auch eine noch wesentlich höhere Wärmeanforderung, z. B. für ein Krankenhaus oder ein Wellness- / Spa-Bad, ist mit der CO2-Wärmepumpe bedienbar.
Bild: Mitsubishi Electric
Bild: Mitsubishi Electric
Kaskadierung bis 640 KW Heizleistung
Für einen besonders hohen Warmwasserbedarf besteht auch die Möglichkeit, die CO2-Wärmepumpe zu kaskadieren. Mit dem M-Net Kommunikations-Bua von Mitsubishi Electric lassen sich – gegebenenfalls auch nachträglich – bis zu 16 CO2-Wärmepumpen zu einer Kaskade zusammenschließen. Regelungstechnisch kann die Wärmepumpe QAHV über eine Kabelfernbedienung PAR-MAA-31 von Mitsubishi Electric gesteuert werden. Möglich ist auch eine Anbindung an ein Zentralfernbedienungssystem AE 200 des Herstellers. Eine Einbindung in eine übergeordnete GLT ist bei diesem System ebenfalls jederzeit ohne größeren Aufwand realisierbar.
In einer Anlagenarchitektur mit bis zu 640 kW Heizleistung muss die Großanlage mit einer Speicherbatterie hydraulisch abgeglichen werden. Bei der Kaskadierung werden die Geräte regelungstechnisch miteinander verbunden, so dass sie in den Heizbetrieb gehen, sobald ein Eingangssignal eingeht. Da die Heißwasser-Wärmepumpe 90 °C warmes Wasser zur Verfügung stellt, wird die Mindesttemperatur für die normgerechte Trinkwarmwasserbereitung automatisch erfüllt. Um Projekte dieser Größenordnungen mit einer ausreichenden Temperasturreserve auszustatten, beträgt die empfohlene Speicher-Solltemperatur 65 °C. Damit können die Anforderungen an die Trinkwasserhygiene erfüllt werden.
Bild: Mitsubishi Electric
Fazit
Luft / Wasser-Wärmepumpen gehört die Zukunft, wenn es um die emissionsarme Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser geht. Ihre einfache Installation und Bedienung sowie die Möglichkeit, den erforderlichen Antriebstrom vollständig aus regenerativen Energiequellen zu nutzen, macht diese Technik attraktiv. Für größere Leistungsanforderungen können mehrere Wärmepumpen als Kaskade verschaltet werden.
Für den hohen und sehr hohen Warmwasserbedarf – etwa in den Bereichen Hotel, Sportanlagen, Gewerbe oder im Gesundheitswesen – ist es jedoch sinnvoll, Wärmeerzeugung und Trinkwarmwassererwärmung voneinander zu trennen. Für die separate Warmwasserbereitung ist das Kältemittel CO2 besser geeignet, da es das für die Trinkwarmwasserbereitung erforderliche Temperatureinsatzfeld deutlich effizienter abbilden kann. Gleichzeitig ist CO2 ein natürliches Kältemittel, das keine Schädigung der Ozonschicht verursacht und ein niedriges Treibhauspotenzial hat.
Mit der Heißwasser-Wärmepumpe QAHV steht eine Lösung bereit, die mit 40 kW Heizleistung Warmwasser von bis zu 90 °C bei Außentemperaturen von bis zu - 25 °C erzeugen kann. Damit ist ein monovalenter Betrieb ohne zusätzlichen Warmwassererzeuger möglich. Bei höheren Leistungsanforderungen ist eine Kaskadierung von bis zu 16 Außengeräten realisierbar. ■
Bild: Mitsubishi Electric / Schellhorn
