Gute Marktaussichten für GWP - Gaswärmepumpen (GWP) für Ein- und Mehrfamilienhäuser und Kleingewerbe

Die Rahmenbedingungen zur Investition einer Gaswärmepumpe und zur Reduzierung der Betriebskosten sind derzeit besonders günstig. Andererseits ist der Heizwärmebedarf in modernen Gebäuden sowie nach einer durchgeführten Gebäudesanierung aufgrund der besseren Bauphysik bei gleichzeitig steigendem Kühlbedarf gesunken. Dieses wirkt sich insbesondere für den Betrieb einer Gaswärmepumpe (Heizen/Kühlen) positiv aus. Die aktuellen Marktergebnisse der Produkthersteller von GWP liegt im Segment des Leistungsbereichs bis 20 kW mit Kühloptionen.
Zudem bietet die EnEV beim Einsatz einer GWP etliche Vorteile sowie einen zusätzlichen Freiraum zur Erreichung der erforderlichen Energieeffizienz. Insofern kann der Fachplaner und der Wärmepumpeneigner den Einsatz einer GWP den sonst erforderlichen und teuren Wärmedämmmaßnahmen vorziehen.
Die GWP (Kompressions- sowie auch Sorptionswärmepumpen) haben den Vorteil zu verzeichnen, dass sie für die erforderliche Antriebsarbeit den Primärenergieträger Gas verwenden. Die Verluste, die mit der Umwandlung von Primärenergie in elektrischen Strom verbunden sind, fließen daher nicht in die Energiebilanz ein. Zur Bereitstellung von 100% Heizenergie benötigt die Gas-Kompresssionswärmepumpe lediglich 67% Primärenergie, bei der Gas-Sorptionswärmepumpe sind dieses 80% und bei der Elektro-Kompresssionswärmepumpe schlagen 84% zu Buche. Der reduzierte Primärenergieverbrauch hat zur Folge, dass auch die CO2-Schadstoffemissionen um ca. 20% reduziert werden.
Nachfolgend ein kleiner Überblick über die Systemvarianten.

Elektro-Kompressionswärmepumpen
Die Zentralkomponente bildet hierbei der Kompressor mit dem Elektromotor. In modernen Wärmepumpen werden zwei elektrisch angetriebene Verdichterprinzipien angewandt: zum einen der Hubkolbenkompressor und zum anderen der Scrollkompressor (Spiralverdichter).

Gasmotorwärmepumpen
Beim Einsatz einer GWP ist u.a. entscheidend, dass ein Teil des Wärmeprozesses direkt mit Primärenergie angetrieben gedeckt wird. Zudem nutzt die mit dem Verbrennungsmotor angetriebene GWP einen erheblichen Teil effizient und ressourcenschonend mit Umweltenergie, um ein Gebäude zu heizen bzw. auch zu kühlen. Die gasmotorisch angetriebene Wärmepumpen nutzen als Antriebsenergie in der Regel den Primärenergieträger Erdgas. Zusätzlich wird Umweltwärme genutzt. Die Geräte können auch ohne Einschränkungen mit Bioerdgas, d.h. ein auf Erdgasqualität veredeltes Biogas, oder mit Flüssiggas betrieben werden.
Die Gasmotorwärmepumpen vereint die Vorzüge einer Wärmepumpe in Kombination mit der Brennwerttechnologie, sodass monovalent der Wärmebedarf bis zu Außentemperaturen von -20°C, aber im Umkehrschluss auch der Kühlbedarf eines Gebäudes gedeckt werden kann. Bezogen auf die Primärenergieaufnahme durch Erdgas werden hier Leistungszahlen bis 1,4 im Heizbetrieb und 1,1 im Kühlbetrieb erreicht. Die hohen Leistungszahlen und die langen Serviceintervalle (für Gasmotor erst nach 10000 h) führen zu einem äußerst ökologischen Betrieb.
Gasmotorwärmepumpen für Heizungsanlagen lassen sich bei diesen Optionen in jedem Fall monovalent betreiben, was sich zudem vorteilhaft auf die Investitionskosten und die Energieeffizienz auswirkt. Analog zu den Sorptionsvarianten lassen sich Gas-Kompressionswärmepumpen, ausgeführt als „Gasklimageräte“, auch zur Gebäudeklimatisierung einsetzen.

Gas Heat Pump (GHP)
Die Gas Heat Pump (GHP) mit Heiz- und Kühlfunktion (Gasklimageräte) wird in der Systemvariante eines VRF (Varible Refrigant Flow) oder in Wassersystemen eingesetzt und ermöglicht eine monovalente Raumheizung im Leistungsbereich von 14 bis 56 kW mit zusätzlicher Raumkühloption. Die Gasklimageräte tragen dazu bei, die Umwelt zu entlasten, erhöhen nicht den Strombedarf in den kritischen Sommermonaten und sparen im Heizfall letztlich durch den Wärmepumpeneffekt noch Energie. Gegenüber einem Wärmeerzeuger in Kombination mit Kaltwasser reduziert ein Gasklimagerät im Heizfall zudem aufgrund der hohen Leistungszahl (elektromotorischer Verdichter) die CO2-Schadstoffemissionen um ca. 30%.

Thermische Gaswärmepumpen (Sorptionswärmepumpen)
Bei den Sorptionsprozessen handelt es sich um reversibel (umkehrbare) Vorgänge, die innerhalb der Ab- und Adsorptionswärmepumpen sehr energieeffizient ablaufen. Die GWP mit thermischer Verdichtung haben den technischen Vorteil, dass nur wenig systembedingte mechanische Bauteile enthalten sind. Daraus folgt ein geräuscharmer Betrieb und eine höhere Lebensdauer. Da die Antriebsenergie über den Gasbrenner erfolgt, lassen sich die Temperaturen auf der Kondensatorseite problemlos auf  ein hohes Niveau anheben. Insofern können Gas-Sorptionswärmepumpen sehr effizient thermische Energie mit Heizungsvorlauftemperaturen bis zu 65°C liefern.

Als Wärmequellen können folgende Varianten genutzt werden:

• Externe Wärmequellen (Umweltwärmequellen)
• Außenluft; Temperaturniveau  -20 bis 25°C,
• diffuse und globale Strahlung (Solarthermieabsorber), Temperaturniveau >20°C,
• Oberflächennahe Geothermie (Erdreich unter Terrain); Temperaturniveau  -5 bis 10°C,
• Grundwasser; Temperaturniveau  8 bis 12°C,
• Oberflächenwasser; Temperaturniveau 2 bis 15°C.

Interne Wärmequellen (Umweltwärmequellen)

• Fortluft; Temperaturniveau  20 bis 30°C,
• Abwärme aus Abwasser und Abluft; Temperaturniveau  20 bis 35°C,
• Abwärme (Kühlwasser aus technischen Prozessen); Temperaturniveau  20 bis 50°C.

Die Gaswärmepumpen lassen sich je nach wirtschaftlichem Anspruch sowie in Abhängigkeit vom Temperaturniveau der Wärmequelle und dem bauspezifischen  Regelverhalten sinnvoll in den Betriebsvarianten monovalent, bivalent und multivalent einsetzen.

###newpage###

Gas-Absorptionswärmepumpen
Im Gegensatz zur Kompressionswärmepumpe, in der ein mechanischer Verdichter arbeitet, enthält die Absorptionswärmepumpe einen thermischen Verdichter, in dem Kältemittel verwendet werden, die bei niedrigen Temperaturen unter geringem Druck verdampfen.
Durch die Kontinuität des Absorptionsprozesses können nach VDI 4650 Blatt 2 hohe Nutzungsgrade bis 145% (Hi) erreicht werden. Damit wird durch Einkopplung von Umweltwärme gegenüber einem modernen Gas-Brennwertgerät eine Energieeinsparung von über 40% erreicht.
Zum Funktionsprinzip: Bei den Gas-Absorptionswärmepumpen werden Kältemittel (z.B. Ammoniak) verwendet, die bereits unter niedrigen Temperaturen und geringem Druck verdampfen, wenn sie Umgebungsenergie (der Verdampfer wird mit Luft-, Erdwärme oder mit Solarthermie bzw. Abwärme gespeist) aufnehmen. Der Kältemitteldampf gelangt in den Absorber und wird dort von einem Lösungsmittel (z.B. Wasser) gelöst (absorbiert), wobei indirekt die Lösungswärme abgegeben wird. Über einen Wärmeübertrager erfolgt dann die Abnahme der Wärme in das Heizungsnetz.
Die Lösungsmittelpumpe bewirkt mit sehr geringem Energieaufwand den Transport der Stoffpaarlösung zum thermischen Verdichter. Da das Stoffpaar unterschiedliche Siedetemperaturen hat, kann im thermischen Verdichter durch Zufuhr von Wärme das gelöste Kältemittel mit der geringeren Siedetemperatur der beiden Stoffe wieder verdampfen. Der Kältemitteldampf (NH3-Dampf), der jetzt ein hohes Temperatur- und Druckniveau aufweist, gelangt in den Verflüssiger (Kondensator), verflüssigt sich und gibt die Kondensatwärme an das Heizungsnetz ab. Das flüssige Kältemittel entspannt sich über das Expansionsventil und kehrt auf das vorherige Temperatur- und Druckniveau zurück. In gleicher Weise wird mit dem Lösungsmittel im „Verdichterkreis“ verfahren. Der thermische Verdichter benutzt die Wärme aus der Gasverbrennung als Energiequelle und kann dazu aber auch andere Wärmequellen nutzen.
Ein entscheidender Vorteil der Gas-Absorptionswärmepumpe liegt in der guten Ausnutzung der Primärenergie. Zudem bedarf diese Systemvariante außer der Lösungsmittelpumpe keine beweglichen Bauteile und arbeitet daher entsprechend leise.

Diffusionsabsorptions-Wärmepumpen (DAWP)
Im Gegensatz zur Kompressions- und zur Absorptions- Wärmepumpe wird die Diffusionsabsorptions-Wärmepumpe (DAWP) nicht elektrisch mit einem Verdichter oder einer Lösungsmittelpumpe, sondern in einem thermodynamischen Umlaufprozess, der Temperatur- und Konzentrationsunterschiede von Stoffgemischen ausnutzt, wobei der Umgebung kostenlose Wärme entzogen wird. Aufgrund des natürlichen Umlaufprinzips arbeitet die DAWP praktisch geräuschlos und vibrationsfrei. Die erdgasbetriebene Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe (DAWP) erreichte einen theoretischen Prozess-Wirkungsgrad bis zu 150%.
Der Produkthersteller Bosch Thermotechnik hat zwar noch auf der ISH 2007 eine Diffusionsabsorptions-Wärmepumpe (DAWP) ausgestellt, die Testversuche und Weiterentwicklung wurden jedoch zwischenzeitlich eingestellt.
Die DAWP erreichte eine Heizleistung von 3,6 kW, wobei nur 2,4 kW an Primärenergie über einen integrierten Gasbrenner zugeführt wurde. Die Leistungszahl (COP) lag bei 1,5, daraus folgt, dass pro eingesetzter Primärenergie-Kilowattstunde zusätzlich eine halbe Kilowattstunde an Umweltenergie nutzbar gemacht wurde.
Für den Einsatz in Einfamilien- und Mehrfamilienhäuser war eine Kombination mit einem Brennwertwärmeerzeuger mit einer Leistung von 11 kW angedacht. Dieses kombinierte System würde nach dem heutigen Stand ca. 25% über dem Nutzungsgrad der momentan installierten Brennwertwärmeerzeuger liegen.

Gas-Adsorptionswärmepumpen
Bei der Gas-Adsorptionstechnlogie handelt es sich um einen chemisch-physikalischen Prozess, bei dem eine Flüssigkeit an der Oberfläche eines Festkörpers (Zeolith oder Silicalgel) festgehalten wird. Die Adsorptionseigenschaften von Zeolith beruhen auf der großen inneren Oberfläche sowie auf elektrostatischen Adsorptionskräften. Zeolith (griech. Siedestein) ist ein keramikähnliches, kristallines Mineral aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid, das bei Erwärmung zu sieden beginnt und Wasserdampf abgibt. Mit Mikroporen durchsetzt, hat Zeolith eine enorme innere Oberfläche von mehreren 100 m² je Gramm. In diesen Poren kann Zeolith Wasser einschließen. Zeolith ist ungiftig, ökologisch unbedenklich und nicht brennbar.
Zum Funktionsprinzip: Durch kostenlose Solarenergie wird Wasser im Zeolithmodul verdampft und hierbei das Zeolith sehr stark erhitzt. Die freiwerdende
Adsorptionswärme kann solange zum Heizen genutzt werden bis die Poren komplett mit Wasser gefüllt und das Zeolith gesättigt ist.
Wird das Zeolith danach durch eine Wärmequelle weiter erhitzt, gibt es das in den Poren eingeschlossene Wasser als Dampf wieder frei (Desorption). In einem Wärmeübertrager wird dem Dampf in seiner Kondensationsphase zu Wasser Wärmeenergie entzogen und dem Heizkreislauf zugeführt. Nach einer Abkühlungsphase kann der Kreislauf aus Adsorption und Desorption von vorn beginnen. Da die Sorption keine chemische, sondern eine rein physikalische Reaktion ist, die Kristallstruktur des Zeoliths also unverändert bleibt, sind hier praktisch unendlich viele Zyklen der Durchfeuchtung und Trocknung möglich. Insofern kann auch unendlich viel kostenlose und ökologische Umweltwärme in das Heizsystem überführt werden.
Gegenüber konventionellen Brennwertwärmeerzeugern wird mit einer Gas-Adsorptionswärmepumpe nicht nur Brennstoff eingespart, sondern auch der Normnutzungsgrad auf bis zu 126% (Hs) erhöht und gleichzeitig die CO2-Schadstoffemissionen um ca. 20% gesenkt.

Förderung und steuerliche Einstufung
Die EU, der Bund und die Länder sowie die Kommunen und Energieversorger unterstützen die Markteinführung von umweltfreundlichen Energietechnologien. Für Maßnahmen zur Energieeinsparung, Modernisierung und Nutzung Erneuerbarer Energien kann der Bauherr etliche finanzielle Vergünstigungen in Anspruch nehmen.
Da aufgrund des direkten Einsatzes von Primärenergie (Erd- oder Flüssiggas) keine Umwandlungsverluste in der Energieerzeugung entstehen, führt dieses zu einem hohen Gesamtwirkungsgrad sowie zu einer Reduzierung der CO2-Schadstoffemissionen.
Die Gaswärmepumpen können zudem mit umfangreichen Förderprogrammen, z.B. im Rahmen des Marktanreizprogramms, gefördert werden, wenn die Jahresarbeitszahl mindestens 1,3 beträgt. Erforderlich wird ein Gas- und mindestens ein Wärmemengenzähler. Der zur Berechnung der Jahresarbeitszahl erforderliche COP-Wert (Leistungszahl) ist mit einem Prüfzertifikat eines unabhängigen Prüfinstituts nachzuweisen. Der Nachweis des EHPA Wärmepumpen-Gütesiegels wird als gleichwertiger Nachweis anerkannt.

Geringer Aufwand
Aufgrund der bisherigen Praxiserfahrungen mit GWP zeichnet sich ab, dass diese innovativen Technologien aus energetischer Sicht auch für den Einsatz in Modernisierungs- bzw. Sanierungsobjekten interessant sind. Mit relativ geringem Aufwand lässt sich die Umweltwärme zur Raumheizung und Raumkühlung sowie zur Brauchwassererwärmung nutzbar machen.
Aufgrund ihrer hohen Primärenergienutzung, der rationellen Energieverwendung sowie der CO2-Schadstoffreduzierung wird den Gaswärmepumpen tendenziell gute Marktchancen eingeräumt.

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