Technik Erd- und Umweltwärme

Entwicklungshistorie

Das Prinzip der Kältemaschine (Joule-Thomson-Effekt) war seit Mitte des 19. Jahrhunderts bekannt und fand zum Ende des Jahrhunderts zunehmend Verbreitung in der Bierherstellung, nachdem Carl von Linde 1871 die erste Kühlmaschine präsentierte. Die „umgekehrte“ Nutzung als Wärmepumpe begann erst in den 1930er Jahren. Dabei war die Schweiz ein Vorreiterland, da es arm an Rohstoffen war, aber Strom aus Wasserkraft hatte. So wurden zwischen 1938 und 1945 von Schweizer Firmen 35 WP gebaut und installiert, wobei zumeist Gewässer als Umweltwärmequelle genutzt wurden. 1938 wurde im Züricher Rathaus eine WP installiert, die sowohl zum Heizen als auch Kühlung eingesetzt wurde und bis zum Jahr 2001 mit zwei Revisionen in Betrieb war. Seitdem wird sie nur noch einmal pro Woche eine Stunde betrieben, um sie „fit“ zu halten. 1942 wurde ebenso in Zürich eine WP-Anlage mit insgesamt 5.860 kW gebaut, die in ein Wärmenetz einspeiste.

Nach dem 2. Weltkrieg konnten WP in Europa zunächst nicht an die ersten Erfolge vor allem in der Schweiz anknüpfen und führen rund drei Jahrzehnte lang ein Nischendasein. In Deutschland kamen WP in dieser Zeit nur sporadisch zum Einsatz. Die 1960er bis Anfang der 1970er Jahre waren die große Zeit der Ölheizungen, da die Ölpreise fielen. Folglich waren WP gar nicht wirtschaftlich zu betreiben und eine Nachfrage in Deutschland und Europa war nur für einzelne Sonderanwendungen vorhanden. Ganz anders entwickelten sich dagegen die kombinierten Geräte zur Raumkühlung und Heizung, die sich vor allem in den USA und Japan seit den 1950er Jahren durchsetzten und zur technischen Weiterentwicklung der WP beitrugen. In Europa waren die bei Ölheizungen üblichen Vorlauftemperaturen von 80° Celsius auch viel höher, als bei WP es möglich war, so dass die Heizkörper auch praktisch für WP nicht geeignet waren, abgesehen von der daraus resultierenden niedrigen Jahresarbeitszahl und hohem Strombedarf.

Funktion

Funktionsprinzip der Wärmepumpe. Quelle BWP

Die Nutzung von oberflächennaher Geothermie und Umweltwärme (Luft, Gewässer, Abwasser) erfordert wegen des geringen Temperaturniveaus der jeweiligen Wärmemedien während der Hauptheizzeit im Winterhalbjahr die Verwendung von sogenannten Wärmepumpen (WP).

Die WP funktioniert im Prinzip genauso wie ein Kühlschrank, in dem einem Medium (Grund-/Fluss-/Abwasser, Luft oder Erdreich) Wärme entzogen wird und diese durch weitere Zufuhr von - in der Regel elektrischer - Energie diese auf das für den Heizzweck benötigte Temperaturniveau anhebt (pumpt). Je größer die Differenz zwischen der Temperatur des Wärmemediums und der benötigten Vorlauftemperatur in Heizkreislauf, um so mehr Energie muss zusätzlich in Form von mechanischer Arbeit (Elektrische Kompressions-Wärmepumpe) oder Wärme (Gas-Wärmepumpe) zugeführt werden. Folglich sind geringe Temperaturdifferenzen die beste Voraussetzung für einen hohen Anteil erneuerbarer Wärme bzw. Jahresarbeitszahl. Diese Voraussetzung ist vor allem beim Einsatz von Fußboden- oder Wandflächenheizungen gegeben, die mit Vorlauftemperaturen im Bereich von 20 bis 30 Grad arbeiten.

Für den effektiven Einsatz einer Wärmepumpe im Sinne der beabsichtigten Zielerreichung (Verminderung des Primärenergieverbrauchs) ist neben der optimalen Einstellung der Wärmepumpe auch die Betrachtung des Gesamtsystems aus Anlage und Gebäudehülle von zentraler Bedeutung. Eine Untersuchung von 112 Wärmepumpenanlagen zu Heizzwecken zeigte deutlich, dass der alleinige Vergleich der Effizienz von Wärmepumpen (= Jahresarbeitszahl) ohne Berücksichtigung der Einsatzrandbedingungen keine eindeutige Bewertung des Gesamtsystems erlaubt. Der Wärmebedarf des Gebäudes ist ein wesentlicher Faktor in Beurteilung, ob eine WP auch effektiv arbeiten kann. Effektiv eingesetzt ist eine WP nur dann, wenn der Heizenergieverbrauch deutlich über dem Primärenergieverbrauch (über dem Strom-/Erdgasbedarf) liegt. Somit steht vor dem Einsatz einer Wärmepumpe die Senkung des Energiebedarfs des Gebäudes an erster Stelle.

Insbesondere die kostengünstigeren Luft-Wärmepumpen dominieren mittlerweile innerhalb des Wärmepumpensegments. Ihr Marktanteil lag im Jahr 2012 bei rund 63 %. Neben den günstigeren Preis dürfte auch die teilweise schwierige Genehmigung von Erdbohrungen dafür verantwortlich sein. Aus Sicht der Effizienz ist dieser Trend zu Luft-WP weniger günstig, denn Luft/Wasser-Wärmepumpen erreichten in der Praxis mit einer durchschnittlichen Arbeitszahl von 2,9 eine deutlich geringere Effizienz als Erdwärmepumpen mit einer durchschnittlichen Arbeitszahl von 3,9, d.h. sie benötigten für die gleiche Vorlauftemperatur des Heizwasser mehr (bislang im Winter weitgehend konventionell erzeugten) Grundlaststrom. Ökologisch, d.h. primärenergetisch vorteilhaft gelten Wärmepumpen ab einer Jahresarbeitszahl von größer 3,3. Mit zunehmenden Anteil erneuerbarer Energien im Strommix (vor allem in der Heizperiode), kann dieser Wert in Zukunft immer niedriger ausfallen.

Wesentlich höhere Arbeitszahlen von 5 bis 6 lassen sich bei der Kombination einer Wärmepumpe mit einer solarthermischen Anlage erzielen, weil im Winter bei Sonneneinstrahlung über die Solarwärme die Temperatur im Erdreich wieder angehoben werden kann. Noch höhere Arbeitszahlen von 7 bis 8 sind möglich, wenn statt einer Tiefensonde oder Kollektorfeld ein spezieller Erdwärmespeicher eingebunden wird. Dieser wird über die Solarthermieanlage bei Sonneneinstrahlung ganzjährig beladen und hat so im Winter ein deutlich höheres Temperaturniveau als die Umgebungsluft oder auch normale Erdwärme.

Insgesamt haben Wärmepumpen bei den in Neubauten (zumeist Ein- und Zweifamilienhäuser) installierten Heizungenanlagen bereits einen Marktanteil von über 25% erreicht (Stand 2011).

Elektrisch/mechanisch angetriebene Wärmepumpen

Die elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe (siehe Grafik) stellt die am meisten verbreitete WP-Variante dar. Dabei wird eine Flüssigkeit unter variablem Druck im einem Kreisprozess betrieben. Dieses Fluid (z. B. Propan, Kohlendioxid) ist so beschaffen, dass es bei niedrigem Druck auch bei deutlichen Minustemperaturen leicht verdampft (Verdampfen) und der Umgebung dabei Wärme entzieht. Nachfolgend wird der Dampf durch einen elektrisch angetriebenen Kompressor (Verdichten) auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau (Energiezufuhr) gebracht. Danach wird die aufgenommene Energie des Trägermediums über einen Wärmetauscher (Verflüssigen) abgeben, wobei das Medium wieder kondensiert. Über eine nachgeschaltete Drossel (Entspannen) wird der Druck wieder abgesenkt und der Prozess kann von vorn beginnen. Je nach verwendetem Fluid sind die Drücke unterschiedlich und werden weiter so ausgewählt, dass das Medium im verdampften bzw. verflüssigten Zustand genügend Abstand zu den jeweiligen Temperaturen der Wärmequelle bzw. –senke hält.

Komponenten von elektrisch/mechanisch angetriebenen Wärmepumpen

• Der Kompressor bei mechanisch/elektrisch angetriebenen Wärmepumpen/Kältemaschinen kann ein Kolben-, Rollkolben-, Schrauben-, Scrull- oder Turbo-Kompressor sein. Er saugt den Kältemitteldampf aus dem Verdampfer an und verdichtet ihn auf einen höheren Druck, wobei gleichzeitig ein Temperaturanstieg erfolgt. Weit verbreitet sind Kolbenkompressoren.

• Im Verdampfer wird die Wärme von der Wärmequelle an das Kältemittel übertragen, wobei es seinen Aggregatszustand von flüssig in gasförmig ändert.

• Über den Kondensator gibt das heiße Kältemittelgas seine Wärme an das Heizwasser oder Luft ab und kondensiert dabei wieder.

• Anschließend wird das kondensierte Kältemittel im Expansionsorgan (Drossel, Expansionsventil) entspannt, d.h. der Flüssigkeitsdruck wird so reduziert, dass nachfolgend wieder eine Verdampfung möglich ist.

• Der gesamte Kreisprozeß benötigt ein Kältemittel, das in seinen physikalischen Eigenschaften für das gewünschte Ergebnis und Temperaturniveau (Wärme oder Kälte) am besten geeignet ist.

• Die Steuerungselektronik sorgt bei heutigen Wärmepumpen für eine optimale Betriebsführung.

Thermisch angetriebene Wärmepumpen

Bei relativ neuen Technik der thermischen angetriebenen Gas-Wärmepumpe werden zur Gewinnung der Erd- oder Umgebungswärme verschiedene Verfahren eingesetzt (Funktionsvideo zu den verschiedenen Verfahren):

• Gasmotorisch angetriebene Wärmepumpe. Hierbei wird der Kompressor nicht elektrisch, sondern durch einen Gas-(Otto)-motor angetrieben. Die Abwärme des Gasmotors wird wie beim Blockheizkraftwerk genutzt.
• Absorptionswärmepumpe, wie sie beispielsweise auch bei Camping-Kühlgeräten oder der solaren Kühlung eingesetzt werden. Der Kühleffekt beruht darauf, dass sich einer Flüssigkeit ein weiterer Stoff löst und dabei Wärme aus dem Kühlkreislauf entzieht. Um die Stoffe wieder zu trennen, muss extern wieder Wärme zuführt werden. Strom wird noch für die Umwälzpumpe benötigt.
• Bei der Adsorptionswärmepumpe wird Wasserdampf an der porösen Oberfläche eines Adsorbens (z.B. Zeolith, Silikagel) angelagert. Dabei wird Wärme freigesetzt, die bei der Wärmepumpe genutzt wird. Der Wasserdampf wird über Wärmezufuhr aus einer solarthermischen Anlage erzeugt. Das im Zeolith angelagerte Wasser wird durch extern zugeführte Wärme (Gasbrenner) wieder getrocknet. Die beiden Phasen der Wärmefreisetzung aus Adsorption und Trocknungsprozess wechseln sich ab.

Gas-Wärmepumpen kann man als eine Art effizienzgesteigerten Brennwertkessel ansehen, da hier ein Teil des Gases durch Umweltwärme ersetzt wird. Sie steigert die Effizienz des Brennwertkessels um 20 bis 30 %, d.h. der Primärenergiebedarf an Gas reduziert sich um 20 bis 30 %. Gegenüber elektrischen Kompressions-WP hat sie den Vorteil, dass weniger mit Umwandlungsverlusten erzeugter Strom benötigt wird und sie somit primärenergetisch im Vorteil ist, insbesondere wenn Bio- oder Holzgas genutzt werden kann.

Effizienz von Wärmpeumpen - Jahresarbeitszahl/Heizzahl

Dreh- und Angelpunkt der wirtschaftlichen und technischen Beurteilung einer Wärmepumpe sind die Leistungszahl (coefficient of performance COP) und die Arbeitszahl. Der erste Wert gibt die Effizienz eines Wärmepumpeaggregats unter exakt definierten Bedingungen nach EN 14511 an und ermöglicht so den Vergleich verschiedener WP untereinander. In der Praxis relevanter ist bei elektrisch angetriebenen Wärmepumpen die Arbeitszahl der individuell unterschiedlichen Wärmepumpen-Heizungsanlagen vor Ort über einen bestimmten Zeitraum, in der Regel ein Jahr. Dieser Wert gibt das Verhältnis der eingesetzten elektischen Energie zur abgegebenen Wärme an. Dabei haben viele Faktoren, wie Art der Wärmequelle, Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Heizungsvorlauf, Temperaturspreizung im Heizungssystem erheblichen Einfluss auf die Performance der WP-Anlage.

In der Regel wird ein Jahr als Betrachtungszeitraum gewählt, d.h. die Jahresarbeitszahl (JAZ). Bei einer JAZ von 4 werden bei einer eingesetzten kWh Strom vier kWh Wärme abgegeben. Ein hohe JAZ wird bei einer geringen Differenz der Temperatur von Wärmequelle und Vorlauftemperatur im Heizungssystem erreicht. Bei aktuellen WP-Anlagen haben Feldtests JAZ zwischen 2 und 5 je nach Wärmequelle ergeben. Der untere Wert betrifft Außenluft-WP in Altbauten, während der obere Wert bei Erdreich-WP in Neubauten erreicht werden kann.

Bei Absorptionswärmepumpen und verbrennungsmotorisch angetriebenen Wärmepumpen wird die Heizzahl angegeben. Dafür wird die abgegebene Nutzenergie ins Verhältnis zum Energieinhalt der eingesetzten Energieträger (Diesel, Benzin, Erdgas) gesetzt. Die Jahresheizzahl liegt typischerweise zwischen 1,2 und 1,6.

Quellen und weiterführende Hinweise

Fachbücher

Martin Kaltschmidt, Ernst Huenges, Helmut Wolff (Hrsg.): Energie aus Erdwärme. Geologie, Technik und Energiewirtschaft. Spektrum Akademischer Verlag 2001.

Marek Miara u.a.: Wärmepumpen Heizen - Kühlen - Umweltenergie nutzen BINE Informationsdienst. Fraunhofer IRB Verlag. Stuttgart 2013.

Fußnoten