Wärmepumpen bieten viele Vorteile für die Bewohner eines Hauses: Zuerst geben sie das gute Gefühl, erneuerbare Energien zu nutzen. Dann lassen sich Betriebskosten sparen. Weiterhin gibt es kaum eine Heizung, die so wenig Aufmerksamkeit benötigt, und schließlich ist bei entsprechender apparativer Ausführung der Wärmepumpe auch noch die Raumkühlung möglich.
Ein Problempunkt hingegen ist die Warmwasserbereitung. Doch auch dieses Problem lässt sich durch eine technische Modifikation lösen. Der einfache Wärmepumpenprozess arbeitet mit niedrigen Vorlauftemperaturen wie 35°C sehr effizient. Das reicht gut für die Flächenheizung, für eine heiße Dusche ist das aber zu wenig. Damit eine herkömmliche Wärmepumpe Temperaturen von rund 50°C erreicht, muss sie den Betriebsdruck erhöhen. Damit steigt nicht nur der Stromverbrauch, sondern auch die Belastung für den Kompressor und damit seine Lautstärke. Entsprechend erhöht sich der Verschleiß. Mit der Heißgasladetechnik lassen sich diese Nachteile überwinden.
Der Wärmepumpenprozess im T,h-Diagramm
Die Temperaturverläufe innerhalb des Wärmepumpenprozesses sind im T,h-Diagramm dargestellt. T steht für die Temperatur in Kelvin und h ist die spezifische Enthalpie des Kältemittels in kJ/kg K, also der Energieinhalt oder das Potenzial, Wärme abzugeben oder Arbeit zu verrichten. Im Diagramm sind keine Zahlenwerte angegeben, diese würden für jedes Kältemittel und alle Drucklagen anders aussehen. Bei Temperaturen und Enthalpien innerhalb der gekrümmten Linie liegt das Kältemittel zweiphasig vor, rechts davon als Gas und links als Flüssigkeit. Bei hohen Temperaturen ist das Kältemittel überkritisch. Das heißt, dass sich das Gas auch mit beliebig hohen Drücken nicht mehr kondensieren lässt – so wie wir es von Luft bei gemäßigten Umgebungstemperaturen gewohnt sind.
Beim Wärmepumpenprozess starten wir bei Punkt 5. Hier liegt das Kältemittel flüssig unter hohem Druck vor und strömt in die Drossel ein. Beim Drosselvorgang (5–6) bleibt die Enthalpie konstant. Der Druck sinkt, wobei ein Teil des flüssigen Kältemittels mehr oder weniger schlagartig verdampft. Für das Verdampfen ist Wärme erforderlich, die der Kältemittelstrom dem eigenen Energieinhalt entnimmt, was zu einer starken Abkühlung führt. Der niedrige Druck und die zugehörige Verdampfungstemperatur sind so gewählt, dass das Kältemittel von der Sole Wärme aufnehmen kann, was zur vollständigen Verdampfung und danach noch zu einer kleinen Überhitzung führt (6–7). Es schließt sich beim Heißgasprozess eine weitere Überhitzung des Dampfs durch einen internen Wärmeübertrager an (7–1), was später zu einer höheren Heißgastemperatur führt. Der überhitzte Dampf strömt nun in den Kompressor, der den Druck auf das obere Level erhöht. Dabei steigt auch die Temperatur des Kältemitteldampfs stark an (1–2).
Zwischen den Punkten 2 und 3 lässt sich nun Wärme auf einem wesentlich höheren Temperaturniveau als im Zweiphasengebiet (3–4) aus dem Prozess auskoppeln und zur Warmwassererzeugung nutzen. Dies ist der sogenannte Heißgasbereich. Kurz nach Punkt 3 erreicht das Kältemittel wieder das Zweiphasengebiet im Diagramm und kondensiert bei konstanter Temperatur vollständig bis Punkt 4. Temperatur und der zugehörige Druck sind hier so zu wählen, dass die Kondensationswärme an das Heizwasser übertragen werden kann, also dass sich z.B. für die Flächenheizung eine Vorlauftemperatur von 35°C einstellt.
Zwischen den Punkten 4 und 5 findet noch eine weitere Unterkühlung des nunmehr flüssigen Kältemittels mit dem Heizungsrücklauf statt. Der Nutzen davon ist im Diagramm nachzuvollziehen, denn je weiter der Punkt 5 nach links wandert, umso geringer ist der Dampfanteil nach der Drossel an Punkt 6. So lässt sich auf dem niedrigen Drucklevel mehr kostenlose Umweltenergie bei gleichem Aufwand für die Kompression gewinnen.
Ergänzend ist noch anzuführen, dass das Diagramm für Reinstoffe als Kältemittel gilt. Hier gibt es einen festen Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur bei der Verdampfung bzw. der Kondensation: Bei gegebenem Druck bleibt die Temperatur so lange konstant, bis das Kältemittel vollständig verdampft oder kondensiert ist. Anders ist es bei den heute verwendeten, umweltfreundlichen Kältemittelgemischen. Hier hat man während der Verdampfung eine Temperaturzunahme, den sogenannten Temperaturgleit, zu berücksichtigen, der meistens in Größenordnungen von 4 bis 8K liegt. Bei der Kondensation ist der Effekt entsprechend umgekehrt zu berücksichtigen. Das macht die Diagramme und Berechnungen für die Auslegungen etwas komplizierter.
Heißgas aus dem Kältekreis nutzen
Der Anteil von Heißgas beträgt je nach Prozessbedingungen 10 bis 15 %. Üblicherweise wird die hohe Temperatur des Heißgases im Kondensator des Kältekreises jedoch nur für die Erreichung der benötigten Vorlauftemperatur auf der Heizungsseite reduziert. Die Techniker von IDM haben vor rund 15 Jahren einen zusätzlichen Wärmeübertrager in die Geräte integriert, der diese höhere Temperatur für die Warmwasserbereitung nutzt. Diese Variante wurde in den folgenden Jahren immer weiter optimiert und verfeinert. Auf diese Weise erreicht das Heizungswasser Temperaturen bis 60°C und wird in den obersten Bereich des Pufferspeichers geschichtet. Das gasförmige Kältemittel strömt weiter in den Kondensator und erwärmt den Großteil des Heizungswassers auf die gewünschte Vorlauftemperatur – ideal zwischen 30°C und 35°C. Von außen sichtbar ist lediglich eine zweite Vorlaufleitung von der Wärmepumpe in den Pufferspeicher – die HGL-Leitung.
Damit lassen sich während der gesamten Heizungsperiode immer hohe Temperaturen für die Warmwasserbereitung nutzen und der Kompressor muss in dieser Zeit nie hohen Druck aushalten. Das verringert natürlich die Belastung für das gesamte System und erhöht die Lebensdauer des Kompressors. Darüber hinaus arbeitet ein Kompressor im optimalen Betrieb auch deutlich ruhiger als unter hohem Druck. Die Wärmepumpen von IDM werden heute zu über 95 % mit der HGL-Technik ausgeliefert.
Durchlaufprinzip sorgt für Hygiene bei Warmwasser
Die HGL-Leitung koppelt die Wärme vom Heißgas in den oberen Bereich des Pufferspeichers ein. Dort ist auch der Einspeisepunkt für die Frischwassertechnik, die IDM seit 25 Jahren anwendet und die ebenfalls von der Heißgasladetechnik profitiert. Der Pufferspeicher wird von oben nach unten Schicht für Schicht erwärmt. Bei Warmwasserbedarf wird der Speicher nun von unten nach oben wieder entladen: Außerhalb des Pufferbehälters ist ein Frischwassermodul mit Plattenwärmetauscher und drehzahlgeregelter Ladepumpe montiert. Sobald der Warmwasserhahn betätigt wird, strömt frisches Leitungswasser durch den Plattenwärmetauscher. Ein dort montierter Strömungsschalter setzt die drehzahlgeregelte Pumpe in Gang und sorgt für rasche Erwärmung des Wassers ebenso wie für kontrollierte Einschichtung des kalten Rücklaufs in den Speicher. Vorteile: Die kontrollierte Entladung sorgt für die optimale Ausnutzung der gespeicherten Energie. Der außenliegende Plattenwärmetauscher selbst speichert so wenig Wasser, dass Bakterien gar keine gesundheitsgefährdende Menge erreichen können.
Auch Betriebskosten lassen sich deutlich senken
Bemerkenswert ist auch die Energieeinsparung, die mit der Heißgasladetechnik erzielt werden kann. Verglichen wurden Werte am Beispiel eines Hauses in Lienz in Osttirol. Dabei wurden vier verschiedene Wärmepumpentypen (Luft/Wasser-HGL, Luft/Wasser-Standard, Sole/Wasser-HGL, Sole/Wasser-Standard) verglichen. Das Musterhaus hat einen Normwärmebedarf von 8,0kW, interne und solare Gewinne von insgesamt 8500 kWh/a. Die Raumtemperatur wurde einheitlich mit 20°C veranschlagt, die Vorlauftemperatur auf 35°C bei einer Rücklauftemperatur von 28°C. Der Warmwasserbedarf wurde mit 200 l/d festgelegt bei einer Warmwassertemperatur von 53°C bei Kaltwassereintritt mit 10°C.
Die Sole/Wasser-Wärmepumpen nutzen jeweils zwei Sonden à 78m Länge, bei den Luft/Wasser-Wärmepumpen ist der Bivalenzpunkt mit –5°C festgelegt. Bei dieser Temperatur schaltet der E-Heizstab ein, dessen Stromverbrauch selbstverständlich mitgerechnet wird. Die Ergebnisse sind eindeutig: Die HGL-Technik reduziert den Stromverbrauch um 528 kWh/a (Luft/Wasser) beziehungsweise 1024 kWh/a (Sole/Wasser). Die herkömmliche Sole/Wasser-Wärmepumpe hatte sogar einen höheren Stromverbrauch als die vergleichbare Luft/Wasser-Wärmepumpe mit HGL-Technik. Gemeinsam mit dem höheren Warmwasserkomfort und mit der höheren Betriebssicherheit der Wärmepumpe sind das Argumente, die überzeugen.
INFO
Nutzen der Heißgastechnik
Längere Lebensdauer des Kompressors und damit der Wärmepumpe
Ruhiger Betrieb, weil der Kompressor nicht unter Hochdruck arbeiten muss
Hoher Warmwasserkomfort
Um etwa 10 bis 20 % reduzierte Betriebskosten
Die Software Terra Opt, mit der sich die Vorteile der HGL-Technik im konkreten Einzelfall für die Kundenpräsentation errechnen lassen, finden Sie unter
Autor
Andreas Bachler ist Technischer Leiter bei der IDM Energiesysteme GmbH, A-9971 Matrei in Osttirol, Telefon (00 43) 48 75-61 72, paul.hysek@idm-energie.at, https://www.idm-energie.at/de/
