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Die Autarkie macht‘s - Wirtschaftliche Betriebsweise mit Erdwärmepumpen

Mit dem Einsatz einer Erdwärmepumpe lässt sich generell eine energieeffiziente Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung realisieren. Die Voraussetzung zur Auswahl der Wärmepumpenanlage und ihrer Komponenten beinhaltet allerdings, dass bereits in der Entwurfsphase der Gebäudeheizung und der Wärmepumpenauswahl eine wirtschaftliche und energetische Gesamtbilanz durchgeführt wird.

Sole/Wasser-Wärmepumpe „Alpha Innotec-SWC-100-H“. Bild: Alpha Innotec

Sole/Wasser-Wärmepumpe 5 bis 20 kW von Bartl Wärmepumpen. Bild: Bartl

Sole/Wasser-Wärmepumpe „Sensotherm BSW-K“ August-Brötje . Bild: Brötje

Luft/Wasser-Wärmepumpe vom Typ „WWK 300“ von Stiebel Eltron. Bild: Stiebel-Eltron

Tabelle 1: Sole/Wasser-Wärmepumpe für Ein- und Zweifamilienhäuser.

Tabelle 2: Wasser/Wasser-Wärmepumpe (Wärmequelle/Heizmedium).

Tabelle 3: Erdgebundene Wärmepumpen für kleine bis mittlere Wohnanlagen, Bürogebäude und Gewerbebetriebe.

 

Im Bereich der oberflächennahen Geothermie werden Sole/Wasser- und Wasser/Wasser- Wärmepumpen eingesetzt, die die Enthalpie des Erdreichs als Wärmequelle nutzen. Diese Wärmepumpen koppeln die Erdwärme über Erdreichsonden, Erdreichkollektoren oder Förderbrunnen aus. Zur Planung und Dimensionierung des Wärmepumpensystems muss der Fachplaner oder Solarteur die Konzipierung der Wärmepumpe in Verbindung mit den Erdsonden, thermischen Brunnenanlagen oder mit dem oberflächennahen Kollektorsystem untersuchen.
Für die effiziente Nutzung der Erdwärme zu Heiz- und Kühlzwecken ist jedoch nicht nur die Kenntnis der Heizungstechnik, sondern auch die Beurteilung der Geologie des Erdreichs (z.B. Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes) entscheidend. Aus diesem Grund muss bereits in der Vorplanung eine eingehende Beurteilung der Erdwärmequelle durchgeführt werden, die neben der Geologie auch die örtlichen Auflagen und Bohrgenehmigungen, Referenzbohrungen, Bohrarbeiten, Bohrtiefe etc. abklärt.

Steigerung der Energieeffizienz

Um die Leistungszahl einer Erdwärmepumpe zu erhöhen gilt es primär, die Komponenten des Wärmepumpenkreislaufs zu optimieren. Zu diesem Zweck warten die Wärmepumpenhersteller laufend mit neuen Innovationen auf. Die Entwicklungsarbeiten erstrecken sich primär auf den Bereich der Thermodynamik, Verdichter- und Wärmeübertragertechnik sowie auf die Steuerungs- und Regelungstechnologie. Ein kurzer Überblick:

  • Wärmeübertrager: Die Erdwärmepumpen der zweiten Generation (ab 1990) werden zunehmend mit kompakten Plattenwärmeübertragern ausgeführt, die auf der „kalten“ als auch auf der „warmen“ Seite integriert werden.
  • Expansionsventil: Eine weitere Optimierung zur Leistungsanhebung der Erdwärmepumpen erfolgt durch die thermodynamische Drosselung bzw. Entspannung mithilfe eines Expansionsventils.
  • Verdichtertechnologie: Wärmepumpen mit Scrollverdichter-Technologie sind nicht nur kompakter konstruiert, sondern erreichen bei einer längeren Lebenszeit auch deutlich höhere Leistungszahlen. Die Scrollverdichter sind einfach konstruiert und enthalten keine Ventile. Der Wärmepumpenbetrieb ist laufruhiger und hinsichtlich der hohen Heizkreis-Vorlauftemperaturen ideal für den Einsatz zur Altbausanierung.
  • Kältemittel: Aufgrund des FCKW-Verbots (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) werden heute Kältemittelgemische wie R404A und R407C verwendet. Von einigen Produktherstellern wird auch das Hochdruckkältemittel R410A eingesetzt, das aber im natürlichen Kältemittel, Kohlendioxid (CO2), einen großen Konkurrenten findet. Durch den Einsatz von CO2 und seinen thermodynamischen besseren Eigenschaften wird ein Wärmepumpenbetrieb mit hohen Vorlauftemperaturen möglich. CO2 ist chemisch inaktiv und daher nicht brennbar bzw. giftig, muss nicht entsorgt werden und ist zudem sehr preiswert. Der Einsatz von CO2 erfordert jedoch ein Verdichter- und Kreislaufsystem, das für  hohen Drücke geeignet ist. Somit bietet sich für diese Wärmepumpen insbesondere im Bereich der Bestandsbauten (Modernisierungen, Sanierungen, Renovierungen, Erweiterungen) ein erheblicher Absatzmarkt an.
  • Drehzahlregelung: Die Wärmepumpenhersteller haben auch im Bereich der Antriebstechnologie etliche Innovationen vorzuweisen. Im Bereich der Drehzahlregelungen, z.B. mithilfe eines Frequenzumformers (Inverter),  lassen sich die Leistung der Verdichter, Pumpen und Ventilatoren dem tatsächlichen Bedarf anpassen.

Leistungsangabe und Leistungszahl
Um die Qualität einer Wärmepumpe und das Preis-Leistungsverhältnis beurteilen zu können, müssen die Leistungsangaben auch stets Aussagen zur Art der Wärmeträgermedien machen sowie die Werte der Wärmequelleneintritts- und der Wärmesenkenaustrittstemperatur enthalten. Die Kennzeichnung des Wärmeträgermediums erfolgt mittels Großbuchstaben für englische Begriffe, wie B für Brine (Sole), W für Water und A für Air. Wenn z.B. eine Heizleistung in Kombination mit B0/W35 angegeben wird, dann bezieht sich diese Angabe auf die europäische Prüfnorm EN 14511 bei einer Sole-Eintrittstemperatur von 0°C und einer Heizwasser-Austritts­temperatur von 35°C.

Jahresarbeitszahl (JAZ):
Die JAZ eignet sich zur energetischen Beurteilung der gesamten Wärmepumpenanlage und kann insofern auch als Anlagennutzungsgrad betrachtet werden, da hier sämtliche Hilfsenergien der Wärmepumpe, wie z.B. Sole- und Heizungspumpe bzw. die Stillstandsverluste der Heizungsanlage mit berücksichtigt werden. Zur Beurteilung der JAZ genügt nicht allein der Verweis auf die technischen Angaben des Produktherstellers dieser Wärmepumpe, denn die Ausführungsbedingungen für das Gesamtsystem sind für das Erreichen der realistischen Energieeinsparung (Primärenergie) wesentlich mit verantwortlich. Grundsätzlich wird die JAZ nicht als Momentaufnahme eines Betriebszustandes der Wärmepumpe unter genormten Randbedingungen ermittelt, sondern ist abhängig von mehreren Einflussfaktoren, die sich aus der Wärmequelle und der Wärmeverteilung (Wärmenutzung) ergeben. Die Energieeffizienz einer Wärmepumpenanlage wird beeinflusst von:

  • Wärmequellen-, Heizungsvorlauf- und Außentemperatur  sowie der Temperaturdifferenz zwischen dem Heizungsvor- und -rücklauf,
  • Energieverbräuche für die Hilfsantriebe,
  • Betriebsweise der Wärmepumpe (monovalent, bivalent parallel, etc.) und deren Effizienz.

Die Einflüsse auf die JAZ sind bereits zum Zeitpunkt der Planungsphase vielfältig und müssen unbedingt als komplexe Randbedingungen beachtet werden. Eine Reduzierung der Jahresarbeitszahl kann sich allein aufgrund einer falschen Dimensionierung und fehlerhafter Installation ergeben. Die Größenordnung der JAZ ist u.a. auch von der Gebäudebauphysik (Wärmedämmung), der Gebäudeausrichtung, Klimazone und der sich daraus ergebenden Heizlastberechnung, Nutzerverhalten sowie von der zu überwindenden Temperaturdifferenz zwischen der Energiequelle (Luft, Wasser, Erdreich) und Energiesenke (Heizsystem) abhängig. Die Werte steigen u.a. mit einer hohen Wärmequellentemperatur und niedrigen Vorlauftemperaturen im Heizungssystem. Letztlich wird die JAZ auch noch durch die systemtechnische Abstimmung der Komponenten (Hydraulik, Regelung, etc.), dem Anteil der Warmwasserbereitung am Gesamtwärmebedarf und durch das Nutzungsverhalten beeinflusst.

Leistungszahl (COP - Coefficient of Performance):
Die COP einer Wärmepumpe ist ein wichtiger Qualitätsparameter, um eine Vergleichbarkeit zwischen unterschiedlichen Produktherstellern aufzeigen zu können. Der COP-Wert gibt das Verhältnis von abgegebener Heizleistung zur zugeführten Antriebsleistung an.
Per Definition kennzeichnet die Leis­tungszahl im  Heizbetrieb das Verhältnis der Heizleistung zur effektiven elektrischen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe bei konstant gehaltenen Randbedingungen. Die Feststellung der COP erfolgt als Momentaufnahme und betrachtet die Effizienz der Wärmepumpe nur bei einem bestimmten Betriebspunkt, z.B. bei Sole/Wasser 0°/35°C (B0/W35) mit B für Brine (Sole) und W für Water (Wasser).
Die mittlere COP wird durch Division der während der Prüfdauer gewonnenen Heizwärme durch die entsprechend aufgewendete elektrische Energie ermittelt. Die Leistungszahl gibt andererseits keine Auskunft darüber, wie sich die Verbrauchskos­ten der Wärmepumpe über einen längeren Zeitabschnitt gestalten werden. Die COP-Werte geben einen Anhaltspunkt über die Effizienz der Wärmepumpe und sollten sowohl bei Volllast- als auch bei Teillast verglichen werden.

Auszug der Produkthersteller
Alpha-Innotec, 95359 Kasendorf, hat die „Professionell“-Serie erweitert. Die Sole/Wasser-Wärmepumpe erreicht eine COP von 4,8 und ist in den Leistungsgrößen von 37 bis 69 kW erhältlich.
Die Sole/Wasser-Wärmepumpen von Bartl Wärmepumpen Vertriebs GmbH, 70499 Stuttgart-Weilimdorf, mit einer Leis­tung von 5 bis 20 kW und hohen Leistungszahlen eignen sich für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern. Die Aggregate zeichnen sich zudem mit sehr geringen Abmessungen und einem äußerst geräuscharmen Betrieb (Hochleistungsscrollverdichter) aus. Der Wärmepumpenhersteller bietet zudem die Sole/Wasser-Wärmepumpen im Leistungsbereich von 20 bis 100 kW für Mehrfamilienhäuser und kleinere Gewerbebetriebe an.
Die Sole/Wasser-Wärmepumpe „SensoTherm BSW“ von August-Brötje, 26180 Rastede, wird als Kompaktaggregat in acht Baugrößen im Leistungsbereich von 6 bis 21 kW hergestellt. Nach DIN EN 14511 liegt der COP-Wert zwischen 4,4 und 4,6 (B0/W35). Die Wasser/Wasser-Wärmepumpe „SensoTherm BSW“ wird als Kompaktaggregate in acht Baugrößen im Leis­tungsbereich von 6 bis 21 kW hergestellt. Nach DIN EN 14511 liegt der COP-Wert zwischen 5,5 und 6,4 (W10/W35).
Glen Dimplex Deutschland, 95326 Kulmbach, hat das Sortiment hocheffizienter Wärmepumpen erweitert. Die neue Sole-/Wasser-Wärmepumpe „SI 14TU“ und die leistungsstarke Wasser-/Wasser-Wärmepumpe „WI 14TU“ erreichen eine maximale Vorlauftemperatur von 62°C. Die Wärmepumpen werden mit neu entwickelten Verdichtern und elektronischem Expansionsventil bestückt, mit dem die optimale Kühlmittelmenge in den Verdichterkreislauf eingespritzt wird. Die „SI 14TU“ und „WI 14TU“ werden zudem mit dem erweiterten „Economizer“ elektronisch gesteuert und erreichen daher hohe Jahresarbeitszahlen.
IDM Energiesysteme, 9971 Matrei/Osttirol (A), hat für Wohnobjekte und Gewerbe die neue Produktreihe „Terra SW Twin“ entwickelt, die aufgrund der erreichbaren Leistungswerte und Energieeffizienz mit dem „ehpa-Gütesiegel“ zertifiziert wurden. Die Geräte erreichen mit ihrer kompakten und niedrigen Bauweise Heizleistungen bis 42 kW und mehr, wobei sich die Wärmepumpenanlage in Kaskadenschaltung bis zu einer Leistung von 100 kW zusammenstellen lässt. Insofern weist z.B. die „Terra SW 22-42 Twin“ im Volllastbetrieb bei S0/W 35 eine Leistungszahl von 4,96 auf, die im Teilleistungsbereich auf über 5,0 ansteigen kann.
Die Erdwärmepumpen „Terra SW Twin“ können zur Warmwasserbereitung bis 62°C optional mit einer „HGÜ“-Technik (Heißgas-Wärmegewinnung) von IDM ausgerüstet werden. Hierbei wird die Wärmeenthalpie des Heißgases an einen zusätzlichen Wärmeübertrager abgegeben und damit der obere Speicherbereich auf  ca. 60°C aufgeheizt. Die Wärmepumpe kann bei dieser Kombination über die Wintermonate im unteren Speicherbereich niedrige Temperaturen, z.B. für Flächenheizungen, und gleichzeitig im oberen Speicherbereich den Warmwasserbedarf auf 60°C erwärmen.
Die Besonderheit der beiden neuen Erdwärmepumpenserien liegt in deren Einsatz mit je zwei Kompressoren, wobei sich die Leistung in der Übergangszeit auf 50% anpasst und sich daher auch ein verbrauchsgünstigerer Betrieb einstellt. Zudem lassen sich bis zu fünf „Terra SW Twin-Aggregate“ in Kaskade verschalten. Der integrierte Wärmepumpenregler „Navigator“ bietet zur individuellen Steuerung umfangreiche Steuerungen, individuell Internet oder über Fernzugriff (Smartphone, SmartWEB, et.), an. Aufgrund der integrierten Erfassung der Wärmemengen wird der Einsatz von zusätzlichen Durchflusszählern überflüssig.
Junkers-Bosch Thermotechnik, 73243 Wernau, hat mit der „Supraeco STE-1“ und „Supraeco STM-1“ zwei neue Sole/Wasser-Wärmepumpen im Leistungsbereich von 6 bis 17 kW entwickelt. Die Erdwärmepumpe der Serie „STE-1“ wurde speziell zur Beheizung von Ein- und Mehrfamiliengebäude für die Wärmeträgerpaare Sole/Wasser als auch für Wasser/Wasser konzipiert. Bei diesen Modellen handelt es sich um optimierte Weiterentwicklungen der bestehenden Produkte mit erhöhter Energieeffizienz. Nach Herstellerangaben erreicht die „Supraeco STE-1“ auf Basis der EN 14511 bei 0/35°C nun eine Leis­tungszahl von 4,8 während die „SupraecoSTM-1“ eine COP von 4,7 erwirtschaftet. Die neuen Erdwärmepumpen sind gegenüber den Vorgängermodellen mit Umwälzpumpen der Effizienzklasse A ausgerüstet und mit der neuen „DPC“-Regelung (Dynamic Pump Control) ausgerüstet. Aufgrund dieser Differenztemperaturregelung entfällt nicht nur die manuelle Voreinstellung der Heizkreispumpe, sondern die Wärmepumpe arbeitet auch stets im optimalen Bereich.
Das kompakte Gehäuse der Erdwärmepumpe „Supraeco STM-1“ vereint alle wichtigen Systemkomponenten einschließlich einem 185-l-Warmwasserspeicher. Die neuen Kompressoren und der optimierte Kältekreis sorgen für hohe COP-Werte von bis zu 4,7 (nach EN 14511). Außerdem ist die „STM-1“ mit der neuen DPC-Funktion zur Differenztemperaturregelung der Primärkreispumpe ausgestattet, mit der automatisch ein optimaler Volumenstrom in der Wärmepumpe und somit auch eine erhöhte Effizienz erreicht wird. Junkers hat ferner mit der „Supraeco T“ eine Sole/Wasser-Wärmepumpe für Mehrfamilienhäuser und Gewerbe entwickelt. Die Erdwärmepumpe „Supraeco T 330-2“ verfügt über zwei Copeland Kompressoren mit Leistungen von 22 oder 33 kW und eine COP von 4,5 und enthält für den Sole- und Heizkreis Hocheffizienzumwälzpumpen.
Der schwedische Wärmepumpenhersteller Nibe Systemtechnik, 29223 Celle, hat als einer der ersten Hersteller die Sole/Wasser-Wärmepumpen mit drehzahlgeregeltem Inverterverdichter auf den Markt gebracht. So verfügen auch die neuen Sole/Wasser-Wärmepumpen „F 1155“ und „F 1255“ über einen modulierenden Leistungsbereich zwischen 4 und 16 kW. Diese Wärmepumpen sind zudem mit frequenzgeregelten Hochleistungspumpen ausgestattet, die auch den Volumenstrom im Heiz- und Wärmequellenkreis der Leistung entsprechend anpassen. Die Wärmepumpen können mit einer Vorlauftemperatur bis zu 65°C und für Anlagen mit bis zu vier Heizkreisen sowohl in Neubauten als auch im Bestand eingesetzt werden. Die „F 1255“ erreicht einen SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) von 5,08. Mit dem serienmäßig integrierten Wärmemengenzähler wird die tatsächlich erzeugte Wärme für Heizung und Brauchwarmwasser erfasst. Aufgrund dieser technischen Innovationen übertreffen die neuen Modelle die Effizienten sämtlicher Vorgänger Wärmepumpen. Ferner bietet Nibe mit dem „Uplink“ eine internetgestützte Wärmepumpen-Fernüberwachung und -Steuerung, die auch in der Sole/Wasser-Wärmepumpe „F 1345“ enthalten ist. Mit dem Nibe „Uplink“ wird zudem nicht nur ein Überwachungs- und Komfortfeatures zur Verfügung gestellt, sondern das „Uplink“ ist auch „Smart Grid Ready“. Die Möglichkeiten, anderen Nutzern wie z.B. einem Solarteur oder Systemtechniker, den Uplinkzugang zu erlauben, erleichtert die Durchführung von Systemanalysen und Wartungsarbeiten.
Die Sole/Wasser-Wärmepumpenserie „WPF Basic“ von Stiebel-Eltron, 37603 Holzminden, wird mit integrierter Heizungsregelung, Sicherheitsventil und Heizstab in fünf Leistungsgrößen hergestellt und zeichnet sich durch ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aus. Stiebel-Eltron ergänzt das Programm der Sole/Wasser-Wärmepumpen mit dem Modell  „WPF 35“ als Zwischengröße. Es weist eine Heizleis­tung von 38 kW bei B0/W35 und eine COP von 4,73 (nach  EN 14511) auf. Die Verdichterreihe bestehend aus sechs Einzelgeräten in den Leistungsstufen 20, 27, 35, 40, 52 und 66 kW lässt sich auch in Kaskade verschalten.
Die neue Sole/Wasser-Wärmepumpe „Vitocal 350-G“ von Viessmann, 35107 Allendorf, mit 7,3 und 18,5 kW ist für Anlagen mit besonders hohem Wasserkomfort und für Vorlauftemperaturen bis zu 72°C geeignet. Bei einem höheren Leistungsbedarf kann sowohl ein Gerät gleichen
Typs als auch eine „Vitocal 300-G“ nach dem Mas­ter-Slave-Prinzip betrieben werden. Die Wärmepumpenanlage kann zudem auch mit Modulen unterschiedlicher Leistungen kombiniert werden und so exakt den Anforderungen des Gebäudes angepasst werden. Die „Vitocal 350-G“ erreicht nach EN 14511 bei B0/W35 eine COP von 4,6.
Die hohe Effizienz wird durch den Scroll-Verdichter und den Einsatz eines elektronischen Expansionsventils sowie durch das innovative „RCD“-System (Refrigerant Cycle Diagnostic) erreicht. Das „RCD“-System überwacht und regelt permanent den Kältemittelkreislauf. Durch die Verbindung aus Monitoring und der Funktion des elektronischen Expansionsventils lässt sich in jedem Betriebspunkt ein möglichst effektiver Wärmepumpenbetrieb realisieren.
Das „RCD“-System bilanziert zudem ohne Einsatz eines zusätzlichen Strom- und Wärmemengenzählers die Energieaufnahme aus dem Stromnetz sowie die Wärmeabgabe an die Heizung und Brauchwarmwasserbereitung. Dieses ist eine wichtige Voraussetzung zur finanziellen Förderung durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle. Bei der „Vitocal 350-G“ kommt die bereits bewährte Regelung „Vitronic 200“ zum Einsatz, wobei optional mit dem „TeleControl“-System auch eine Fernüberwachung der Erdwärmepumpe „Vitocal 350-G“ durchgeführt werden kann.
Die Firma Wolf, 84048 Mainburg, entwickelt und produziert seit Mai 2010 eigene Wärmepumpen. Die neuen Sole/Wasser-Wärmepumpen „BWS-1“ werden in den Leistungsbereichen zwischen 6 bis 16 kW angeboten und erreichen nach EN 14511 bei B0/W35 eine COP von 4,7. Die Erdwärmepumpen sind serienmäßig mit innovativem Wärmepumpen-Manager und WRS-Regler ausgerüstet, mit dem auch Solarkomponenten eingebunden werden können. Mit Heizungs-Vorlauftemperaturen bis zu 63°C eignet sich der Einsatz der Sole/Wasser-Wärmepumpe zur Heizung und Warmwasserversorgung.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de

 


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