Aktuell sind bisher insgesamt 24 Anlagen dieser Art europaweit im Einsatz. Durch den Einsatz von wassersparenden Techniken und effizienten Reinigungsmitteln wird der Wasserverbrauch reduziert und die Umwelt geschont.
Die Anwendungsfelder von Wärmepumpen in Gewerbe und Industrie zur Erzeugung von Prozesswärme oder heißem Wasser sind vielfältig. Wesentliche Faktoren zum Einsatz von Wärmepumpen sind die Erschließung der Energiequelle, der Wirkungsgrad sowie das erforderliche Temperaturniveau. Heißwasser-Wärmepumpen auf Basis des natürlichen Kältemittels R 744 (CO2) stellen eine besonders energieeffiziente Lösung für die Warmwassererzeugung dar, wie das Beispiel des Waschanlagen-Herstellers Ehrle zeigt.
Ehrle ist ein Hersteller und Anbieter von Lösungen rund um die Fahrzeugwäsche und Reinigungstechnik. Ein Geschäftsbereich sind SB-Waschanlagen für eine gründliche und schonende Autowäsche. Die SB-Waschanlagen des Herstellers gelten als umwelt- und ressourcenschonend, denn durch den Einsatz von wassersparenden Techniken und effizienten Reinigungsmitteln wird der Wasserverbrauch reduziert und die Umwelt geschont.
Um eine gründliche Reinigung der Fahrzeuge zu erreichen, ohne dabei Kompromisse bei der Qualität einzugehen, ist Wärme eine wichtige Komponente. Dies geht zurück auf den sogenannten Sinnerschen Kreis, nach dem die vier Faktoren Chemie, Mechanik, Temperatur und Zeit den Erfolg eines Reinigungsvorganges bestimmen.
Das heißt, um chemische Zusatzmittel auf ein Minimum zu reduzieren, Zeit zu sparen und effektiv zu sein, sollte eine Fahrzeugwäsche mit möglichst heißem Wasser erfolgen, um die Waschqualität zu erhöhen. Die Warmwassererzeugung benötigt – insbesondere bei einem höheren Temperatureinsatzfeld – viel Energie, die über unterschiedliche Energieträger abgebildet werden kann.
Abkehr von fossilen Energieträgern
Fossile Energieträger stellen vor dem Hintergrund der aktuellen Situation und der Preisentwicklung der letzten Jahre keine geeignete Wahl zur nachhaltigen und effizienten Warmwassererzeugung mehr dar. Deutlich umweltschonender und wirtschaftlicher ist es hingegen, die in der Außenluft enthaltene Energie zu nutzen. Luft/Wasser-Wärmepumpen sind hierfür eine Alternative zu klassischen Wärmeerzeugern.
Die von der Luft/Wasser-Wärmepumpe aufgenommene Umweltwärme wird auf ein in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierendes Kältemittel übertragen. Im Kältemittelverdichter wird der Druck erhöht, das Temperaturniveau steigt an, und über einen Wärmeübertrager erfolgt die Energieübertragung vom Kältemittel auf das Brauchwarmwasser.
Um die Abkehr von fossilen Brennstoffen für die Warmwasserbereitung nachhaltig umzusetzen und gleichzeitig leistungsfähige Anlagen mit niedrigen Betriebskosten zu erhalten, bietet die Wärmeerzeugung mit Luft/Wasser-Wärmepumpen Vorteile. Wird die Wärmepumpe dabei auch noch von mit einer Photovoltaik-Anlage gewonnenem Strom betrieben, ist eine komplett klimaneutrale Wärmeerzeugung möglich. Dies sieht das Konzept des CarWash Technik-Containers von Ehrle mit HeatStorage vor.
Klimaschonende Autowäsche mit Wärmepumpe
Der Technik-Container besteht im Prinzip aus einem Technik-Modul. Pro Technik-Modul kommen eine oder zwei in Kaskade geschaltete QAHV-Heißwasser-Wärmepumpen auf Basis des Kältemittels CO2 von Mitsubishi Electric mit jeweils 40 kW Nennwärmeleistung zum Einsatz. Im Technik-Modul sind alle Baugruppen und Komponenten montiert. Von dort aus findet die Speisung und die Infrastruktur für die Waschplätze statt.
Das Kältemittel CO2 kann ein höheres Temperaturniveau deutlich effizienter abbilden.
Die vier Grundbestandteile der Wärmepumpenanlage bestehen aus Heißwasser-Wärmepumpen, den Brauchwasserspeichern, der bauseitigen Steuerung und, sofern es der Anwender wünscht, einer Photovoltaik-Anlage auf dem Dach der Waschstation, die eine vollständige Versorgung der gesamten Anlage mit regenerativ erzeugtem Strom ermöglicht.
Das Konzept ist mit leichten Modifikationen immer gleich: Die HeatStorage Wärmepumpenanlage ist auf dem Dach des Technik-Containers installiert. Das System wurde den Herstellerangaben entsprechend für diese spezifische Anwendung hydraulisch ausgelegt. Um das gewünschte Temperaturniveau und eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen, speisen die beiden Luft/Wasser-Wärmepumpen zwischen zwei und vier interne Warmwasserspeicheranlagen mit jeweils 1000 l Fassungsvermögen. In dieser Konfiguration wird bis zu 85 °C heißes Wasser bei einer Außentemperatur von bis zu -3 °C mit einem COP (Coeffizient of Performance) bis zu 3 erzeugt. Das heißt, mit einem kW elektrischer Energie werden 3,6 kW Wärmeleistung bereitgestellt.
CO₂-Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung
Bei der QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe kommt eine spezielle Verdichtertechnik mit CO2 als natürlichem Kältemittel zum Einsatz. Für die Warmwasserbereitung ist das Kältemittel CO2 besonders gut geeignet, da es das für die Trinkwarmwasserbereitung erforderliche Temperatureinsatzfeld deutlich effizienter abbilden kann als herkömmliche Kältemittel. Gleichzeitig ist CO2 ein natürliches Kältemittel, das keine Schädigung der Ozonschicht verursacht und ein niedriges Treibhauspotenzial aufweist. Die Heißwasser-Wärmepumpen nutzt CO2 als natürliches Kältemittel, das ein Treibhauspotenzial mit einem GWP-Wert (Global Warming Potential) von lediglich 1 hat und deshalb als besonders umweltschonend gilt
Der Betrieb der Wärmepumpen erfolgt in zwei Stufen, abhängig von der Stromerzeugung der PV-Anlage.
Für hohe Warmwasserleistungen und Effizienz sind die 40 kW-Monoblock-Geräte mit der aktuellen Generation eines invertergeregelten Scroll-Verdichters für R744 mit Flash-Injection ausgestattet. Die Wärmepumpen können damit auch bei Außentemperaturen von -3°C die volle Heizleistung erbringen. Darüber hinaus sind die Geräte noch bei Umgebungstemperaturen von bis zu -25°C funktionsfähig und in der Lage, bis zu 90°C heißes Wasser zu liefern, sodass ein weiterer Wärmeerzeuger auch bei sehr tiefen Außentemperaturen nicht erforderlich ist. Die monovalente Warmwasserbereitung ist mit diesem System zur Außenaufstellung also möglich.
Zusätzlich steht in diesem Objekt eine Fotovoltaik-Installation (PV) auf dem Dach der CarWash Bay zur Verfügung, die die Erzeugung des Warmwassers durch die Wärmepumpen 24 h pro Tag unterstützt. Bei Einsatz einer PV-Anlage in Verbindung mit Wärmepumpen wird zuerst die Wärmepumpe mit der elektrischen PV-Energie angetrieben. Das warme Wasser wird gespeichert. Final werden dann auch noch Batteriespeicher betrieben. Erst wenn die Batteriespeicher ihre maximale Ladekapazität erreicht haben, erfolgt die Einspeisung des PV-Stromes in das Stromnetz.
Steuerungstechnik für noch mehr Effizienz
Um eine optimale Effizienz des Gesamtsystems zu erzielen, ist die Wärmepumpen-Anlage mit einem intelligenten Steuerungsprogramm ausgestattet. Dabei wird die Einstrahlungsdichte der Sonne gemessen und je nach Strahlungsintensität werden die Wärmepumpen in zwei unterschiedlichen Leistungsstufen betrieben.
Ist die Strahlungsdichte geringer, erfolgt der Betrieb der Wärmepumpen in der Leistungsstufe 1. Sobald die Strahlungsintensität der Sonne auf einen festgelegten Wert ansteigt, wird die 2. Stufe der Wärmepumpe aktiviert, um so eine möglichst hohe Ausbeute des regenerativ erzeugten Stroms bzw. des Wirkungsgrads der Gesamtanlage zu erzielen. Auf diese Weise ermöglichen die Wasch-Anlagen eine CO2-neutrale Autowäsche, ohne auf den Einsatz fossiler Energieträger angewiesen zu sein.
Für eine gründliche Fahrzeugreinigung ist Wärme eine sehr wichtige Komponente.
Regelungstechnisch werden die QAHV-Heißwasser-Wärmepumpen standardmäßig über Kabelfernbedienungen PAR-MAA-31 gesteuert. Darüber hinaus hat der Waschanlagen-Hersteller die Heißwasser-Wärmepumpen direkt in seine bauseitige Regelungstechnik integriert. Dadurch erreicht der Betreiber eine bedarfsgerechte Warmwasserbereitung, die sich den jeweiligen Anforderungen des Waschbetriebs vor Ort anpasst und die regenerativ erzeugten PV-Strom gut nutzt.
Auch ein Jahresmonitoring ist hier integriert, um eine wirtschaftliche Betriebsweise zu ermöglichen. Nach aktuellem Stand wird sich die Investition in die CO2-Luft/Wasser-Wärmepumpen innerhalb von sieben Jahren amortisieren, trotz des relativ hohen Energiebedarfs von SB-Autowaschanlagen.
Fazit
Der Hersteller von SB-Autowaschanlagen suchte nach einer klimaschonenden, zukunftssicheren und wirtschaftlichen Lösung für seine Anwendung, die ganzjährig einen besonders hohen Warmwasserbedarf erfordert. Die QAHV-Heißwasser-Wärmepumpen auf Basis des natürlichen Kältemittels CO2 decken dieses Anforderungsprofil ab.
Denn zum einen hat das Kältemittel CO2 ein sehr niedriges Treibhauspotenzial von 1 und ist damit besonders klimaschonend. Zum anderen kommen die Luft/Wasser-Wärmepumpen ohne fossile Energieträger aus und können – wie in diesem Projekt realisiert – mit regenerativ erzeugtem PV-Strom betrieben werden. Besonders wirtschaftlich sind die Heißwasser-Wärmepumpen zudem, weil sich mit CO2 als Kältemittel das für die Warmwasserbereitung erforderliche Temperatureinsatzfeld deutlich effizienter abbilden lässt als mit herkömmlichen Kältemitteln.
Mit der QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe lässt sich mit 40 kW Heizleistung Warmwasser von bis zu 90°C bei Außentemperaturen von bis zu -25°C erzeugen. Damit ist ein monovalenter Betrieb ohne zusätzlichen Warmwassererzeuger möglich. Bei höheren Leistungsanforderungen ist eine Kaskadierung von bis zu 16 Geräten realisierbar. ■
Um das gewünschte Temperaturniveau und eine hohe Effizienz zu erreichen, speisen die beiden Luft / Wasser-Wärmepumpen vier interne Warmwasserspeicheranlagen mit jeweils 1000 l.
Schematischer Aufbau einer Warmwasserversorgung mit der QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe.
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