Schon heute überzeugen Wärmepumpen als multifunktionale Technologie im Alt- und Neubau wie auch in industriellen Anwendungen, betonte Karl-Heinz Stawiarski, Geschäftsführer des BWP. Allerdings laste auf Luft/Wasser-Wärmepumpen vielfach ein negatives Image als Energiefresser trotz des großen Marktpotenzials. Die Hochschule Luzern erarbeitet zurzeit mit den Projektpartnern von Emerson Climate Technologies GmbH und Ziehl-Abegg Schweiz AG in einem vom schweizerischen Bundesamt für Energie (BFE) geförderten Forschungsprojekt breit anwendbare Auslegungs- und Planungsgrundlagen für effiziente, betriebssichere und wirtschaftliche Luft/Wasser-Wärmepumpen mit kontinuierlicher Leistungsregelung. Das Projekt liefert beeindruckende Ergebnisse. Diese nehmen wir als Anlass, um ein Zeichen für das enorme Leistungsvermögen der Luft/Wasser-Wärmepumpe zu setzen, so Stawiarski weiter.
Bei Ein/Aus-geregelten Luft/Wasser-Wärmepumpen hängt die Effizienz vor allem von der ungünstigen Betriebscharakteristik ab, welche aus den Eigenschaften des drehzahlkonstanten Kompressors resultiert. Mit steigender Umgebungstemperatur nimmt die erzeugte Heizleistung zu stark ab, die Temperaturdifferenzen in Verdampfer und Kondensator erhöhen sich und die Effizienz sinkt. Um eine deutliche Effizienzsteigerung zu erreichen, muss die Regelstrategie der Wärmepumpe so geändert werden, dass die erzeugte Heizleistung kontinuierlich an die erforderliche Heizleistung angepasst wird. Die Forscher entwickelten durch Simulationen und Experimente eine Regelung, die je nach Umgebungszustand und Heizbedarf des Gebäudes den Kältemitteldurchsatz und die Ventilatordrehzahl regelt, das jeweils optimale Abtauverfahren (Prozessumkehr, Ventilatornachlauf) auswählt und die Abtauung zum optimalen Zeitpunkt einleitet beziehungsweise beendet.
Erste Testergebnisse mit dem Prototyp einer nach diesem Verfahren leistungsgeregelten Luft/Wasser-Wärmepumpe zeigen nun, dass die kontinuierliche Anpassung der erzeugten an die erforderliche Heizleistung tatsächlich die Effizienz auffällig steigert und zwar um 20 bis 50 Prozent im Vergleich zu Ein/Aus-geregelten Anlagen. Voraussetzung dafür ist der Einsatz von Kompressoren und Ventilatoren mit geeignetem Teillastverhalten, weiten zulässigen Regelbereichen und hohen Teillast-Wirkungsgraden.
Je höher die Effizienz von Wärmepumpen, desto geringer der Primärenergieverbrauch und die CO2-Bilanz. Hocheffiziente Wärmepumpen sind damit ökologisch zukunftsweisend und helfen zudem, Heizkosten zu sparen. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes sind phänomenal. Das zeigt einmal mehr, wie wichtig es ist, in die weitere Forschung und Entwicklung dieser zukunftsweisenden Technologie zu investieren, resümiert Stawiarski.
Inverter-Scroll für Wärmepumpen
Mit dem neuen ZHW-Verdichter entwickelte Emerson Climate Technologies den ersten drehzahlgeregelten CopelandScrollVerdichter mit Inverter. Besonders für die Wärmequelle Luft bieten sich Wärmepumpen-Herstellern damit neue Möglichkeiten der Effizienzsteigerung. Zum Einsatz kommt eine neue Motorentechnologie.
Die Ergebnisse stimmen zuversichtlich: Nachdem Emerson Climate Technologies im August 2008 Industriepartner der Hochschule Luzern (HSLU) wurde, bestätigten zahlreiche Labormessungen die Potenziale des drehzahlregelbaren CopelandScroll-Verdichters. Das vom Bundesamt für Energie geförderte Projekt Effiziente Luft/Wasser-Wärmepumpen durch kontinuierliche Leistungsregelung fordert Benchmark-Technologie. Eingesetzt in einem optimierten Gesamtsystem und betrieben mit intelligenten Regelstrategien konnten die Forscher der HSLU bestätigen, dass die Jahresarbeitszahlen heutiger Luft/Wasser-Wärmepumpen, abhängig vom Anwendungsfall, zwischen 20 und 50 Prozent gesteigert werden können. Der überwiegende Anteil daran wird durch eine optimierte Verdichtertechnologie ermöglicht.
Ganzjähriger Einsatz
Der im HSLU-Projekt eingesetzte ZHW-Scrollverdichter vereint den heutigen Entwicklungsstand verschiedener Technologien. Ein neuer bürstenloser Permanentmagnetmotor mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht die Anpassung der Verdichterdrehzahl stufenlos zwischen 1 800 und 7 000 U/min. Die benötigte Heizleistung kann während der Heizperiode punktgenau verfolgt werden. Selbst der monovalente Betrieb ist bei der Wärmequelle Luft möglich, weil die von Emerson entwickelte Kältemitteldampfeinspritzung angewendet wird. Dadurch ist an den kältesten Tagen des Jahres mit einer Verdampfungstemperatur von 30 °C noch eine Verflüssigungstemperatur von annähernd 65 °C erreichbar. Anders gesagt: Selbst bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C können die benötigten Temperaturen für Warmwasser und Radiatoren noch von der Wärmepumpe bereitgestellt werden. Im Optimum liegt die Verflüssigungstemperatur sogar bei 68 °C der derzeit höchstmögliche Wert im Markt für das eingesetzte Kältemittel R 410 A. Der auf den Scroll abgestimmte Inverter erfüllt alle Vorgaben hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit oder anderer maßgeblicher Richtlinien für die Verwendung im Gebäudesektor. Den Start machen zwei Modelle: Beginnend mit dem ZHW16 und gefolgt vom ZHW08 kann in Kürze der Heizleistungsbereich zwischen 2 und 16 kW komplett abgedeckt werden.
Geräusch- und energieoptimierte Ventilatoren für Wärmepumpen
Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmepumpen beziehen ihre Energie aus der Umgebungsluft. Aufgrund der einfachen Installation, insbesondere bei bestehenden Objekten, werden diese immer beliebter. Technisch betrachtet ist diese Wärmequelle jedoch nicht unkritisch. Temperaturspreizung oder Luftfeuchtigkeit sind hier nur zwei nennenswerte Beispiele. Um dem Ziel einer hocheffizienten und geräuscharmen Wärme-pumpe näherzukommen, muss ein besonderes Augenmerk auf den Ventilator gelegt werden. Die Einbindung ins Gesamtsystem Wärmepumpe spielt eine wichtige Rolle.
Eine wesentliche Anforderung neben der Effizienz ist die Geräuscharmut. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen ist häufig der Ventilator die dominante Geräuschquelle, da der Verdichter sehr gut gekapselt werden kann. Bei modernen Ventilatoren, zum Beispiel FE2owlet und Vpro von Ziehl-Abegg, wurde die Schallleistung deutlich reduziert.
Mit dem Vpro haben die Ziehl-Abegg-Ingenieure einen innovativen Radialventilator als freilaufendes Rad entwickelt. Empfohlen wird der Radialventilator Vpro zum Einsatz in Luft/Wasser-Wärmepumpen, bei denen jeweils hohe Volumenströme mit geringem Geräuschniveau und mittleren Druckdifferenzen gefordert sind. Für Wärmepumpen mit niedrigerer Druckabsenkung sind die innovativen FE2owlet Axial-Ventilatoren geeignet.
Nicht nur innovative Aerodynamik ist erforderlich. Wesentlich für die Luftleistung und wichtig für den Gesamtwirkungsgrad ist der Antrieb. Heute stehen zwei Antriebskonzepte für Ventilatoren zur Verfügung: AC-Technologie mit Asynchronmotoren und die EC-Technologie mit elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren.
Wärmepumpen-Anlage beheizt und kühlt Tropenhaus im Zoo Zürich
Anlässlich der Informationsreise hatten die Teilnehmer auch die Gelegenheit, das erst wenige Jahre alte Tropenhaus die Nachbildung eines tropischen Regenwaldes auf Madagaskar und seine Technikzentrale zu besichtigen. Der Zoo Zürich wird über eine Fernwärmeleitung durch die zentrale Holzschnitzelheizung beheizt. Die Grundfläche des Tropenhauses beträgt 11 000 m² (ohne Restaurant, Technik und Nebenräume). Durch die Ausbaupläne des Zooareals wurde eine Vergrößerung der Heizleistung notwendig. Aufgrund des großzügigen Flächenreservoirs bietet hier die neue Wärmepumpen-Anlage (von Trane) flexibelste Ausbaumöglichkeiten und optimale Verbrauchskosten. Sie ist erst seit Oktober 2010 in Betrieb. Daher liegen noch keine endgültigen Ergebnisse vor. Es ist wahrscheinlich, dass das gesamte Tropenhaus mithilfe der Wärmepumpe beheizt und gekühlt werden kann. Die Leistung der Wärmepumpe beträgt 700 kW Wärme, 500 kW Kälte und 200 kW elektrische Leistung. Es wurden sechs Erdsonden à 250 m verlegt. Das Dach besteht aus EFTE-Folienkissen. Sie werden von warmer Luft durchströmt und sind besonders lichtdurchlässig. Damit wird den sensiblen tropischen Pflanzen eine optimale Umgebung ermöglicht. Der Dämmwert ist besser als der von Glas.
