1852 fand der Ire William Thomson heraus, dass die Kältemaschine noch eine weitere Funktion hat: Die Erzeugung von Wärme, welche man auch zum Heizen nutzen kann. Die Wärmepumpe war somit geboren. Jedoch dauerte es einige Jahre, bis man erkannt und auch bewiesen hatte, dass eine motorbetriebene Wärmepumpe weniger Energie verbraucht als eine direkte Heizanlage (William Thomson in seiner Publikation „Heating Machine“).
In den USA hat man bereits seit 1920 damit begonnen, Klimaanlagen so zu bauen, dass diese auch heizen konnten. 1938 wurde dann die erste größere Wärmepumpenanlage in Betrieb genommen. In Europa beschäftigte man sich erst aufgrund der Versorgungsknappheit von Brennstoffen nach dem Ersten Weltkrieg weiter mit dem Thema Wärmepumpen.
Wärmepumpen früher und jetzt
Schlagworte wie Energieeffizienz, SCOP- und SEER-Wert, ErP-Richtlinie, EU-Verordnung 813/2013 spielen eine wichtige Rolle bei den Wärmepumpen von morgen. Aber auch weite Einsatzgrenzen spielen eine immer wichtigere Rolle. Begonnen hat es mit der Standard-Wärmepumpe, welche einen Einsatzbereich bis 10 °C hatte und Warmwassertemperaturen von bis zu 54 °C erreichen konnte. Hierbei musste man jedoch an kalten Wintertagen bivalent fahren, also einen elektrisch betriebenen Heizstab einsetzen.
Dies gilt beispielsweise im Allgäu, wo im Winter sehr niedrige Außentemperaturen vorkommen – Temperaturen von 18 °C und tiefer kommen dort nicht nur an einem Tag im Jahr vor. Daher muss das Gebäude mit einem zusätzlichen Heizungssystem ausgestattet sein, beispielsweise mit einer zusätzlichen Gastherme, einem Ölbrenner oder einer Elektroheizung mit Heizstäben. Dies bedeutet zusätzliche Investitionskosten für das Zweitheizungssystem und für die Installation.
Wärmepumpen mit optimiertem Kältekreislauf
Hier hatte die Wärmepumpe in der Vergangenheit also Defizite, an denen die Hersteller viele Jahre arbeiteten. Ergebnis waren Hocheffizienzwärmepumpen, deren Einsatzbereich auf 15 °C Außentemperatur und Wassertemperaturen bis 55 °C erweitert wurden. Solche Wärmepumpen haben einen optimierten Kältekreislauf. Nach der Verflüssigung wird Flüssigkeit entnommen und in den Verdichter eingespritzt. Dadurch wird dort die Temperatur von beispielsweise kritischen 120 °C auf 90 °C reduziert. Bei niedrigen Temperaturen können auch höhere Wassertemperaturen gefahren werden, ohne dass es zu einem Verdichterschaden kommt.
Wärmepumpen mit Economizer
Diese Wärmepumpen deckten bereits die meisten Einsatzanforderungen ab, jedoch ging die Entwicklungsarbeit weiter. Mit der Wärmepumpe Zeta REV HPXT von BlueBox gelang es, die Einsatzgrenzen nochmals deutlich zu erweitern: Es sind nun Außentemperaturen bis 20 °C oder Wassertemperaturen bis 65 °C möglich. Dies ermöglicht einen monovalenten Betrieb der Wärmepumpe, dadurch entfallen die Kosten für ein weiteres Heizsystem für die kalten Wintermonate.
Um dieses Ergebnis zu realisieren, waren diverse Modifikationen der Wärmepumpentechnik notwendig. So wurde für mehr Verdampfungsenergie ein Economizer (zusätzlicher Plattenwärmeübertrager) in den Kältekreislauf integriert, damit der Verdichter durch die Einspritzung noch schneller heruntergekühlt wird und sich der Einsatzbereich erweitert.
Vereisungsschutz und längere Abtauzyklen
Im Bereich des Plattenwärmeübertragers gab es in der Vergangenheit eine Schwachstelle: das Vereisen am Wärmeübertrager. Um dies zu vermeiden, hat BlueBox einen speziellen Vereisungsschutz entwickelt. Dafür ist im unteren Teil des Wärmeübertragers eine Heißgasleitung verlegt. Das Heißgas wird mit einer Temperatur von ca. 80 bis 100 °C aus dem Verdichtungsprozess entnommen und wieder eingespritzt. Durch diese Implementierung wird die besonders starke Eisbildung im unteren Bereich der Register vermieden und die Abtauzeiten verringert beziehungsweise die Effizienz der Wärmepumpe gesteigert. Zudem unterstützt die bedarfsgerechte Aktivierung des Vereisungschutzes erst um den Gefrierpunkt herum die Gesamteffizienz des Heizbetriebes.
Eine weitere negative, aber notwendige Begleiterscheinung des Wärmepumpenbetriebs ist die erforderliche Abtauung. Diese kann an sehr kalten Wintertagen mehrere Minuten pro Stunde andauern. Auch an dieser Problematik hat BlueBox gearbeitet und eine besondere Funktion geschaffen, die den Abtauvorgang beschleunigt. Dazu werden am Ende des Abtauprozesses die Ventilatoren des Gerätes in umgedrehter Richtung gestartet. Dadurch wird das Restwasser des Abtauvorganges aus dem Register geblasen und kann somit nicht wieder anfrieren. Auf diese Weise werden die Zeiten zwischen den Abtauzyklen verlängert und die Effizienz weiter verbessert.
Weitere innovative Details
Früher war es nicht vorstellbar, dass man eine Wärmepumpe von überall aus steuern kann. Heutzutage kann man mit einem entsprechenden Internetzugang weltweit auf das System zugreifen. Wärmepumpen sind dafür mit einem Regelsystem ausgerüstet, das über eine USB-Schnittstelle sowie einen Ethernet-Anschluss mit integriertem Web-Server verfügt. Zudem gibt es zahlreiche Optionen für die modernen Wärmepumpen, beispielsweise EC-Ventilatoren, Pufferspeicher und geregelte Verbraucherpumpen. Letztere sind fast bei allen Wärmepumpen von BlueBox umschaltbar, sodass im Sommer Kaltwasser zur Kühlung erzeugt werden kann.
André Schulz,
Head of Technology Business Area Cooling der Swegon Germany GmbH, Garching-Hochbrück
