TWK-Symposium Großwärmepumpen - Großes Potenzial für Optimierungen und Verbesserungen

Rund 66 % des Endenergieeinsatzes der Industrie erfolgt im Bereich der Prozesswärme, konkret sind es 2.623 PJ, ein unvorstellbar großes Potenzial für Wärmepumpenanwendungen. Wenn man bedenkt, dass viele industrielle Wärmeprozesse unmittelbar mit Abkühlvorgängen verbunden sind, fragt man sich, warum Wärmepumpen dort nicht häufiger eingesetzt werden. Immerhin sind bei gleichzeitigem Heizen und Kühlen Leistungszahlen von 8 und höher erreichbar.
Ein Beispiel für den Verbund von kälte- und heiztechnischen Anlagen ist die Hamburger Zentrale der Vattenfall Europe AG. Dort wird die Abwärme der hausinternen EDV- und Serverräume für die Beheizung des Gebäudes mit 50 000 m2 Geschossfläche genutzt. Ochsner lieferte dazu zwei Wasser-Wasser-Wärmepumpen mit je 330 kW Heizleistung.
Besonders interessant für den Sanierungsmarkt sind Hochtemperatur-Wärmepumpen mit CO2 als Kältemittel. Damit lassen sich vergleichsweise hohe Heiztemperaturen erreichen und konventionelle Heizkessel ersetzen. Eine Musteranlage dieser Art steht beim Südwestrundfunk (SWR) in Baden-Baden. Die CO2-Kältemaschine mit Hochtemperatur-Wärmenutzung, Fabrikat Thermea, arbeitet auf der Heizseite mit 80/40 °C bei einer Wärmeleistung von 311 kW. Gleichzeitig liefert die Maschine Kaltwasser von 12/6 °C mit einer Leistung von 200 kW. Der COP dieser Wärme-Kälte-Kopplung liegt bei 4,6. Mit dieser Lösung konnten die Heizkosten um 34 % reduziert werden, so Thermea. Wichtig bei Neuanlagen ist, die Temperaturhübe auf der Heiz- wie auch auf der Kühlseite möglichst gering zu halten und auf die Wärmepumpe abzustimmen, so der Tenor der Veranstaltung. Dies erfordere eine enge Abstimmung von Energienutzung, Energieverteilung und Energiegewinnung.
Als einer der wenigen Hersteller bietet die zu Uponor gehörende Zent-Frenger Energy Solution ein lösungsorientiertes Angebot aus Heiz-Kühldecken, Betonkernaktivierung, Großwärmepumpe mit Energiezentrale sowie Erdsonden oder Grundwasserbrunnen an. Zur Verbesserung der Jahresleistungszahl (JAZ) sei es wichtig, so Zent-Frenger, auch alternative Wärmequellen mit einzubinden, z. B. Eisspeicher, Rückkühler oder einen Fernwärmerücklauf. Künftig müsse die Wärmequellenregeneration und die Wärmequellenschonung stärker beachtet werden, denn nur so sei ein langfristig nachhaltiger und effizienter Wärmepumpenbetrieb gewährleistet.
Eine andere Möglichkeit, den COP der Wärmepumpe in einem Optimum zu halten, sind bivalente Wärmepumpen-/Erdgas-Heizungsanlagen. Aus Sicht von Hoval lohnt sich die Aufteilung insbesondere bei Heizungsanlagen mit hohem Warmwasserbedarf, da die Wärmepumpe für die Heizseite unter optimalen Bedingungen, d. h. niedrigen Systemtemperaturen, betrieben werden kann, die Erdgasheizung dagegen die hohen Temperaturen für die Trinkwassererwärmung (TWE) und die Spitzenlast abdeckt.
JCI stellte Lösungen vor, wie aus bestehenden gewerblichen und industriellen NH3-Kälteanlagen mittels zusätzlicher, in den Kältekreis eingebundener Wärmerückgewinner oder einer über einen Zwischenkreis integrierten Wärmepumpe das "warme Ende" der Kälteanlage für Heizzwecke genutzt werden kann. Die besten Wirkungsgrade werden allerdings bei direkter Einbindung der Wärmepumpe in den NH3-Kältekreis erreicht. Ohne die Leistung der Kälteanlage zu beeinflussen, lassen sich so Heiztemperaturen von bis zu 70 °C auskoppeln, wie am Beispiel eines Logistikzentrums gezeigt wird. Allerdings sollte auch in diesem Fall die nachgerüstete Wärmepumpe auf die Grundlast ausgelegt werden. Im konkreten Fall konnte damit ein Heiz-COP von 6,4 erreicht werden.

Feldmonitoring an Großwärmepumpen

Großwärmepumpen sind in der Regel "taylor made", also zur Anlage bzw. zum Gebäude passend konzipiert. Doch nicht immer arbeiten Wärmepumpe-Aggregate und Anlagen optimal zusammen. Dies führt zu teilweise hohen Effizienzverlusten. Ein Feldmonitoring und Analyseprojekt an 23 Großwärmepumpenanlagen durch Hubacher Engineering, Engelburg/Schweiz, ergab zusammenfassend folgendes Bild:

• starke Diskrepanz zwischen der Wärmepumpen-JAZ und der Anlagen-JAZ,
• überdurchschnittlich hoher Stromverbrauch von Grundwasser-Pumpen, der sich negativ auf die Anlagen-JAZ auswirkt,
• extrem hoher Pumpenstromverbrauch einer Abwasser-Wärmepumpe,
• signifikante JAZ-Verschlechterung bei Fern-/Nahwärme-Wärmepumpen mit Trennwärmetauschern in den einzelnen Gebäuden,
• hohe Verluste für die Wärmebereitstellung zur TWE durch Wärmepumpen im Sommerbetrieb.

Empfehlung: Verteilleitungen minimieren, Grundwasserpumpen leistungsabhängig betreiben und Systeme zur Trinkwassererwärmung sorgfältig planen. Oft sind dezentrale TWE-Lösungen oder bivalente Lösungen mit Öl-/Gasheizkesseln energetisch günstiger, insbesondere wegen der hohen Temperaturen für die Nachheizung der Zirkulation.

Empfehlung: Große Heizleistung durch mehrere Aggregate decken

Großwärmepumpen tragen maßgeblich zur CO2-Reduktion und zur Substitution fossiler Energieträger bei. Das Marktpotenzial ist riesig, die Planung solcher Anlagen jedoch anspruchsvoll. Bei derzeitigem Kenntnisstand der Planer ist es oftmals sinnvoller, große Heizleistungen durch mehrere Seriengeräte bereitzustellen, als durch eine maßgeschneiderte Wärmepumpe. Grundsätzlich arbeiten Bivalent-Anlagen wirtschaftlicher, insbesondere wenn der konventionelle Heizkessel auch die Trinkwassererwärmung übernimmt.