Basiswissen Klempnergie

In Zeiten teurer und knapper fossiler Energieträger rücken regenerative Energiesysteme trotz relativ hoher Anschaffungskosten zunehmend in den Blickpunkt der Haustechniker. Speziell die Nutzung von Umweltwärme hat ein hohes Potenzial, den fossilen Energieverbrauch in Gebäuden drastisch zu reduzieren. Im Zuge der Klimadebatte genügt dem auch der Gesetzgeber: Das im Januar in Kraft getretene Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz - EEWärmeG) schreibt deren Nutzung in allen neuen Gebäuden zwingend vor. Dieses Gesetz wird durch ein Förderprogramm begleitet, das Investitionen in Umweltquellen im Neu- und Altbaubereich bezuschusst. Dieser Zwang, Erneuerbare Energien in Gebäuden zu nutzen, bietet auch für Klempner wirtschaftlich interessante Perspektiven.

Im Frühjahr 2008 wurden vielversprechende Ergebnisse wissenschaftlicher Untersuchungen an Wärmepumpensystemen veröffentlicht, deren Quellkomponente klempnertechnisch hergestellte Metalldach-Absorber sind. Diese eigentlich leistungsschwachen und für andere Anwendungsgebiete nur bedingt geeigneten Kollektoren können erstaunliche Beiträge zur Effizienzsteigerung von Wärmepumpensystemen leisten. Richtig eingesetzt, erreichen die jährlichen solaren Erträge der einfachen Metalldach-Absorber circa 550 kWh/m². Das sind die üblichen Erträge verglaster Hochleistungskollektoren!

Eine wichtige Voraussetzung, um diese positiven Ansätze wirtschaftlich zu nutzen, ist ein gutes Verständnis für das Verhalten und die Arbeitsweise von Wärmepumpen in haustechnischen Systemen. Der folgende zweiteilige Beitrag verschafft dazu einen wichtigen Überblick und zeigt auf, in welchen Bereichen Potential für das Voranbringen von Klempnergie verborgen liegt.

Die Technik der Wärmepumpe und die Bedeutung der Quellentemperatur

Die Umwelt stellt auch in unseren Breiten Wärmeenergie im Überfluss zur Verfügung. Allerdings liegt das mittlere Temperaturniveau der Atmosphäre und der oberen Bodenschichten während der Heizperiode je nach Ort zwischen 5-7°C. Zur Wohnbehaglichkeit sind allerdings Raumtemperaturen von mindestens 18°C erforderlich. Der stark schwankende Unterschied zwischen Außen- und Raumtemperatur muss jederzeit überbrückt werden.

Genau dies ist Funktion der Wärmepumpe. Kurz gesagt: Sie drückt Wärmeenergie von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein der Nutzung angepasstes höheres Temperaturniveau. Drücken ist dabei absolut wörtlich gemeint. In der Wärmepumpe arbeitet ein Kompressor, der durch einen Elektromotor angetrieben wird. Die benötigte Hilfsenergie ist Strom.

Die elektrisch betriebene Kompressionswärmepumpe kompensiert die Ineffizienz der Stromerzeugung in Kraftwerken durch Nutzung eines hohen Anteils Umweltenergie. Erzielt sie Arbeitszahlen> über 2,5, erreicht sie gegenüber Heizöl- und Erdgas-Heizungen eine positive CO₂- Bilanz. Mit zunehmendem Ausbau erneuerbarer Energien im Netz verbessert sich die Energie- und Umweltbilanz von Wärmepumpen automatisch. Selbstverständlich kann jede Wärmepumpe auch mit Strom aus Wind- und Wasserkraftanlagen oder regenerativ befeuerten Blockheizkraftwerken betrieben werden. Auf diese Weise ist die Beheizung der Gebäude auf einfachste Art nahezu CO₂-frei und klimaneutral zu gestalten! Die Möglichkeit, Strom aus erneuerbaren Energiequellen vom Erzeuger direkt zu beziehen, wird in der Neufassung des EEG 2009 ausdrücklich beschrieben. Die Nutzung des Stroms aus einer eigenen Solaranlage wird sogar mit 25,01 € ct pro kWh bezuschusst!

Funktionsweise der Wärmepumpe?

Kompressionswärmepumpen bestehen aus vier Bauteilen, die nach und nach von einem Betriebsmittel, dem sogenannten Kältemittel durchströmt werden. Das Kältemittel ist eine Flüssigkeit, die bei niedrigen Temperaturen verdampft. Ein geeignetes Kältemittel ist beispielsweise Propangas (Kältemittelbezeichnung: R290): Es verdampft bei Normaldruck bei circa -42°C. Der Verdampfer ist ein Wärmetauscher in dem das Kältemittel bei niedrigen Temperaturen verdampft wird. Dieser Vorgang verbraucht viel Energie, die der Umwelt (Quelle) entzogen wird. Wir erinnern uns an den Physikunterricht: Änderungen des Aggregatzustandes sind mit Energiesprüngen verbunden. Beispiel: Die Erwärmung eines Kilogramms Wasser von 0° auf 100 °C verbraucht die Energie von circa 116 Wh oder 419 kJ (J=Joule). Bei weiterer Energiezufuhr und normalem Druck ändert Wasser seinen Aggregatzustand: Es verdampft. Die Temperatur bleibt dabei solange bei 100°C stehen, bis alles Wasser verdampft ist. Dieser Vorgang verbraucht jedoch ein Vielfaches an Energie, circa 630 Wh oder 2.260 kJ pro Kilogramm Wasser. Gleiches passiert mit dem Kältemittel bei niedrigeren Verdampfungstemperaturen.

1. Der Verdichter ist ein Kompressor, der das Kältemittelgas so lange komprimiert, bis die gewünschte Vorlauftemperatur des Heizwassers erreicht ist. Die Antriebsenergie für den Kompressormotor ist üblicherweise Strom. Die Erwärmung von Gasen durch Kompression ist ein physikalisches Gesetz: Bei Gasen ist das Verhältnis von Druck, Volumen und Temperatur konstant. Die Folge: Alle Gase erhöhen bei gleichbleibendem Volumen (V) ihre Temperatur (T), wenn sie unter Druck (p) gesetzt werden (Formel: p x V / T = Konstant). Wir kennen diesen Effekt von der Fahrrad-Luftpumpe: Der Druckzylinder und die Umgebung um das Ventil werden warm. Die für die Kompression zugeführte Muskelenergie wird zum größten Teil in Wärme umgewandelt.

2. Im Verflüssiger, einem weiteren Wärmetauscher, gibt das dampfförmige, heiße Kältemittel seine Energie an das kühlere Heizwasser ab. Dabei kondensiert es teilweise. Hier beginnt der umgekehrte Vorgang: Die vorher zugeführte Verdampfungswärme wird wieder frei.

3. Das Expansionsventil entspannt das abgekühlte gasförmige Kältemittel. Dabei fällt es vollständig in seinen ursprünglich flüssig-kalten Zustand zurück. Es fließt zum Verdampfer, wo es wieder verdampfen kann. Die gesamte aufgenommene Energie, also sowohl die Umweltwärme, als auch die zugeführte Antriebsenergie der Druckerhöhung geht als Wärme auf den Heizkreislauf über. Der Prozess kann von vorne beginnen.

Welche Betriebsbedingungen sind für hohe Arbeitszahlen erforderlich?

Der Stromverbrauch ist also vom Temperaturunterschied zwischen der Umweltquelle und der Heizungsvorlauftemperatur abhängig. Je kleiner der Unterschied, je geringer ist der Stromver brauch. Dies lässt sich in der Praxis durch zwei Maßnahmen verwirklichen:

1. Niedrige Nutzungstemperaturen: Heizungs-Vorlauftemperaturen von 35 bis 40°C erfordern bei der Wärmeübergabe an den Raum entweder große Flächen oder hohe Volumenströme. Vorteilhaft ist eine Flächenheizung (Fußboden-, Wand- und Deckenheizungen) mit hohem Strahlungsanteil. Dadurch können die Raumluft-Temperaturen ohne Komfortverlust relativ niedrig liegen. Bei der Altbausanierung kann der Einbau spezieller Konvektionsheizkörper sinnvoll sein. Kleine Ventilatoren in den Heizkörpern erzeugen relativ hohe Luftvolumenströme. Dabei ist allerdings aus Behaglichkeitsgründen eine geringfügig höhere Raumtemperatur erforderlich.

2. Hohe Quellentemperaturen: Moderne Sole-Wasser-Heizungswärmepumpen sind je nach Kältemittel auf Temperaturspektren von circa -12°C bis 25°C ausgelegt. Je näher die Quellentemperatur bei 25°C liegt, desto effektiver arbeitet das System. Höhere Temperaturen können in der Regel von handelsüblichen Sole-Wasser-Wärmepumpen nicht mehr verarbeitet werden.

Ganzjährliche Effizienz

Aus der Grafik wird ersichtlich, dass die Heizleistung und damit höchsten Anforderungen an die Umweltquelle bei geringen Außentemperaturen am größten sind. Unglücklicherweise ist das dann der Fall, wenn auch das natürliche Energieangebot am geringsten ist. Fehlende Umweltleistung wird mit hohem Stromverbrauch ausgeglichen. Entsprechend niedrig ist dann die Leistungszahl (COP).

Für die Wirtschaftlichkeit und Klimabilanz von Wärmepumpensystemen ist allein die Jahresarbeitszahl (JAZ) entscheidend. Wichtig für die Bewertung eines Wärmepumpensystems sind daher nicht etwa hohe Leistungszahlen bei guten Bedingungen, sondern ein ganzjährig gutes Verhältnis von eingesetzter elektrischer Energie zur erzeugten Wärme. Dabei werden der bezogene Strom sowohl für den Wärmepumpenverdichter als auch für die Förderpumpe, beziehungsweise den Ventilator für die Umweltquelle bilanziert. Dafür ist die erzeugte Wärmemenge durch einen Wärmemengenzähler auf der Heizungsseite der Wärmepumpe zu dokumentieren. Zudem ist jedes Wärmepumpensystem mit einem separaten Stromzähler auszustatten. Die einfache Division der abgelesenen Kilowattstunden auf dem Wärmemengenzähler und dem Stromzähler liefert die Jahresarbeitszahl.

Als Faustregel gilt, dass bei konventionellem Strombezug Jahresarbeitszahlen über 3,3 vorteilhaft gegenüber der Wärmeerzeugung mit fossilen Energieträgern (z.B. Brennwerttechnik) sind. Jahresarbeitszahlen über 4,0 können als gut bezeichnet werden. In sehr guten Systemen werden JAZ von 5,0 und mehr erreicht. Da das Wärmeverteilsystem in Gebäuden immer auf die höchste Heizlast bei -14°C ausgelegt werden muss, ist die Umweltquelle der entscheidende Faktor. Sie sollte ganzjährig Wärme mit möglichst hohen Temperaturen liefern, die von der Wärmepumpe genutzt werden können.

Neu!

Der auf https://www.baumetall.de/ neu eingerichtete Online-Bereich Klempnergie ergänzt mit wertvollen Hintergrundinformationen zwingend erforderliches Basiswissen. Wie Wärmepumpentechnik, gepaart mit Klempnertechnik komplette Wohngebäude beheizt, schilderten die bereits erschienenen BAUMETALL-Artikel „Energie Report“ und „Nie wieder Heizöl kaufen“. Auch diese Beiträge stehen im neuen Online-Bereich Klempnergie zum Gratis-Download bereit.

Teil 2 erscheint in BAUMETALL-Ausgabe 7 und beschäftigt sich mit der Gestaltung effektiver klempnertechnischer Umweltquellen für Wärmepumpensysteme.

* Markus Patschke ist Klempnermeister und Energieberater sowie Geschäftsführer des Beratungsbüros 3E Consult in Nordkirchen

Zur Herstellung einer Kilowattstunde (kWh) elektrischen Stroms werden heute in Deutschland durchschnittlich mehr als 2,5 kWh Primärenergie eingesetzt! In älteren Braunkohle- oder anderen Kraftwerken mit fossil-atomarer Technik sind es sogar über 3,3 kWh. Die Stromerzeugung in Großkraftwerken ist die ineffizienteste Art der Energieumwandlung.

• Jede kWh Strom erzeugt zudem 625 g CO₂. (Vgl. Erdgas: 251g, Heizöl: 313g)
• Fossile und atomare Energieträger müssen importiert werden, sind endlich, werden knapp und verteuern sich.
• Jede kWh konventionellen Stroms erzeugt etwa zwei kWh ungenutzten Energieabfall, der die Flüsse aufheizt oder über Kühltürme an die Umwelt abgegeben werden muss!
• Letzteres ist in Zeiten teurer Primärenergieträger und Klimaerwärmung ein absurder Luxus an Verschwendung. Ganz anders ist es, wenn Strom durch regenerative Energieträger erzeugt wird:
• Die Primärenergieträger stehen unendlich zur Verfügung.
• Es wird nur der Strom eingespeist, der genutzt oder gespeichert werden kann.
• Der eingespeiste Strom wird zum allergrößten Teil genutzt.
• Es entstehen keine Klimagase und kein energetischer Abfall.
• Strom aus Sonnen-, Wind- und Wasserkraftwerken muss nicht importiert werden und ist langfristig preisstabil.

Wärmepumpen werden durch die Nutzung verschiedener Umweltquellen unterschieden.

• Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen Grundwasser mit gleichbleibender Temperatur von circa 10°C als Quelle. Das Grundwasser wird gefördert und über Verdampfer geleitet.
• Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen als Quelle das Erdreich, das durch bis zu 100 m tiefe Erdsonden oder flächig verlegte Erdabsorber erschlossen wird. Der Erschließungskreislauf wird durch ein Glycol-Wassergemisch (Sole) durchflossen.
• Direktverdampfungs-Wärmepumpen leiten das Kältemittel direkt durch Erdkollektoren, wo es verdampft. Ein Verdampfer ist nicht erforderlich.
• Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen die Umgebungsluft als Quelle. Die Luft wird von Ventilatoren über den Verdampfer geleitet.
• Abluft-Wärmepumpen recyceln die Abwärme der Abluft von Lüftungsanlagen zur Warmwasserbereitung.

Die Wärmepumpe holt sich die zur Verdampfung des Kältemittels benötigte Umweltenergie um jeden Preis. Die nutzbare, bzw. speicherbare Wärmeenergie ist das Produkt aus der Masse eines Mediums, seiner spezifischen Wärmekapazität und des Temperaturunterschieds zu seiner Umgebung. Da Masse und Wärmekapazität konstant sind, heißt das, dass die Verdampfungstemperatur soweit absinkt, bis ausreichend Umweltenergie zur Verdampfung zufließen kann. Das geschieht so lange, bis eine Systemgrenze (Siedepunkt des Kältemittels bei Normaldruck, vereister Kondensator) erreicht ist. Je kälter jedoch das Kältemittel ist, je stärker muss es später komprimiert werden, um die erforderliche Heizungs- Vorlauftemperatur zu erreichen. Die Temperaturerhöhung durch Kompression erfordert Strom.

Die Effizienz einer Wärmepumpe (ε), die Leistungszahl (COP) wird durch das Verhältnis der erzeugten Heizwärme (qW) zum eingesetzten Strom (qEl) ausgedrückt (Formel: ε = qW/qEl). Sie kann jedoch auch durch die sogenannte Carnotsche Arbeitszahl (β) ausgedrückt werden. Diese ist das Verhältnis der Vorlauftemperatur des Heizungssystems zum Temperaturunterschied zwischen der höchsten Systemtemperatur am Verflüssiger und der Quellentemperatur am Verdampfer. Die Formel β = TV / (T_max-T_min) drückt die höchst mögliche Effizienz eines Wärmesystems aus. In der Praxis muss sie mit dem Maschinen-Wirkungsgrad (η) der Wärmepumpe multipliziert werden. Dabei erhalten wir folgende Formel, mit der die Effekte des Einflusses der Systemtemperaturen gut gezeigt werden können.

Formel 1:

ε = η . T_V / (T_max-T_min)

mit

ε Leistungszahl der Wärmepumpe

η Maschinenwirkungsgrad der Wärmepumpe*

T_V absolute Vorlauftemperatur des Heizungssystems in Kelvin**

T_max Höchste Systemtemperatur (≈ Vorlauftemperatur) in K

T_min Niedrigste Systemtemperatur (≈ Quellentemperatur) in K

** (K =° C + 273)

* Abschätzung des Maschinenwirkungsgrades:

Jeder Wärmepumpen-Hersteller gibt im Produktdatenblatt einen gemessenen COP bei bestimmten Betriebszuständen an. COP (B0/W35) = 4,4 bedeutet, dass bei einer Quellentemperatur von 0°C und einer Vorlauftemperatur von 35°C aus einem Teil Strom 4,4 Teile Wärme erzeugt werden. Wird Formel 1 umgestellt, ergibt sich:

η = ε . (T_max – T_min) / T_max

Beispiel

η = 4,4 . (308K – 273K) / 308K = 0,50

ε Leistungszahl der Wärmepumpe

η 0,50

T_V 35°C

T_max 35+273K = 308K

T_min A) 273+0°C B) 273+10°C

εA) = 0,5 . 308K / (308K-273K) = 4,40

Ein Teil Strom erzeugt 4,4 Teile Wärme

εB) = 0,5 . 308K / (308K-283K) = 6,16

Ein Teil Strom erzeugt 6,16 Teile Wärme

Fazit:

Es wird sichtbar, dass die Quellentemperatur einen hohen Einfluss auf die Effizienz des Wärmepumpensystems hat. Wer jetzt noch die Vorlauftemperatur variiert, stellt schnell fest: Die Erhöhung der Quellentemperatur bringt größere Vorteile als die Senkung der Vorlauftemperatur.