IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 20/2004, Seite 40 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Mehr Gewinn aus der Wärmepumpe

Optimierung von Brauchwasser- und Heizbetrieb mit Mischverteiler

Mit einem speziellen Mehrwegemischer lässt sich die Leistungszahl von Wärmepumpen deutlich anheben. Die besondere hydraulische Schaltung ermöglicht zudem einen Parallelbetrieb von Heizung und Brauchwassererwärmung. Dadurch verlieren - gegenüber der klassischen Vorrangschaltung - die beheizten Räume nur unwesentlich an Temperatur, wenn der Warmwasser-Speicher aufgeladen wird.

Der Gewinn bringende Kunstgriff ist nichts weiter als praktizierte Thermodynamik. Doch zunächst einmal einige theoretische Grundlagen: Der Siedepunkt und damit auch der Kondensationspunkt eines Kältemittels lassen sich über die Temperatur des zweiten Mediums, das durch den Wärmetauscher strömt (zum Beispiel Heizungswasser) festlegen. Denn diese Temperatur bestimmt den Druck im Kältemittelkreis und der Druck wiederum den Siedepunkt. Beispielsweise verdampft Wasser bei 100C, wenn ein atmosphärischer Druck von ca. 1,0 bar herrscht. Je geringer nun der Druck ist, desto früher verdampft das Wasser. Die gleichen physikalischen Gesetze gelten für Kältemittel. Damit der Kältemitteldampf relativ früh kondensiert, muss lediglich im Kondensator (Verflüssiger) mithilfe von kälterem Heizungswasser der Druck reduziert werden. Niedrigere Drücke bedeuten weniger Arbeit für den Kompressor, mithin weniger Stromaufnahme.

Oder sagen wir es so: Eine Wärmepumpe arbeitet umso effizienter, je niedriger die Mitteltemperatur zwischen dem Heizungsvorlauf und dem Heizungsrücklauf ist. Diese Mitteltemperatur bestimmt das angesprochene Druckniveau im Kältemittelkreis. Der Kompressor (Verdichter) hat die Aufgabe, den Kältemitteldampf zu komprimieren und sorgt zugleich für die Umwälzung des Kältemittels.

 

Bild 1: Der Mehrwegemischer "RendeMix" als Zweikreislösung. Bild: HG Baunach

Wichtig ist in diesem Zusammenhang zu wissen, dass der Kältemitteldampf, der vom Verdichter zum Kondensator strömt (um dort den größten Teil seines Wärmeinhalts an den Heizkreis zu übergeben), überhitzt ist. Im Kompressor hat er sich durch die thermodynamischen Abläufe mit einer höheren Temperatur (über 100C) beladen, als zur Beibehaltung des gasähnlichen Zustands notwendig wäre. Im Verflüssiger kühlt deshalb zunächst der Kältemitteldampf ohne Phasenwechsel ab, bevor er ab seinem zugeordneten Taupunkt kondensiert und dabei die Verflüssigungswärme an den Vorlauf übergibt. Die neue Schaltung bezieht nun genau diese Abkühlungsphase mehr als in der Vergangenheit in den Heizkreis ein.

Leider hohe Brauchwassertemperatur

Betrachten wir die Verhältnisse in der Praxis: Eine eventuell verlangte hohe Temperatur im Heizkreis setzt wie geschildert eine hohe Verflüssigungstemperatur voraus, damit gleichfalls einen hohen Verflüssigungsdruck und als unmittelbare Folge mehr Verdichtungsarbeit für den Kompressor. Zwangsläufig sinkt der COP*, die Leistungszahl. In den meisten Fällen kommt man aber an dieser Situation nicht vorbei. Die Ursache dafür ist die Brauchwasserbereitung, die eine Temperatur von mindestens 55C verlangt. Installationstechnisch sieht das so aus, dass ein Zwischenkreis den Kondensator mit dem Wärmetauscher des Warmwasserspeichers verbindet und dieser Kanal die Umwelt- plus Kompressorenergie hinüber in den beispielsweise 200-Liter-Speicher lenkt.

An dieser Stelle kommt nun der Mehrwegemischer "RendeMix" der HG Baunach GmbH & Co. KG** aus Hückelhoven ins Spiel. Bei einer Anlage, bestehend aus beispielsweise einem Warmwasserspeicher und einer Fußbodenheizung, fängt der Mehrwegemischer den immer noch hochtemperaturigen Rücklauf hinter dem Warmwasserspeicher ab und leitet ihn zunächst in die Fußbodenheizung, bevor er ihn zurück in den Kondensator schickt. Durch diese Reihenschaltung reduziert sich unter anderem der spezifische Volumenstrom gegenüber den konventionellen Zweikreisschaltungen. Genau genommen mischt der "RendeMix" aus dem Rücklauf der Fußbodenheizung und dem Rücklauf des Speicher-Zwischenkreises gradgenau den Vorlauf für die Fußbodenheizung. Für den Wärmepumpenprozess entscheidend ist die kalte Rücklauftemperatur von jetzt vielleicht nur noch 35C anstatt der konventionellen Temperatur (ohne "RendeMix") von beispielsweise 50C. Der niedrigere Wert sorgt natürlich auch für veränderte Temperaturverhältnisse im Verflüssiger, denn dessen mittlere Plattentemperatur sinkt jetzt zwangsläufig ab, etwa von 50 auf 45C. Das heißt als Konsequenz: Das Kältemittel muss nicht mehr ganz so hoch verdichtet werden, da es jetzt bereits bei niedrigeren Temperaturen und Drücken kondensiert. Die Funktion des Mischverteilers in Kombination mit Wärmepumpen ist gewährleistet, wenn der Mindestvolumenstrom durch ein Überströmventil abgesichert ist und kein Pufferspeicher eingesetzt wird.

 

Bild 2: Dreikreisanlage: Funktionsprinzip des Mehrwegemischers in einer Wärmepumpenheizung mit parallelem Brauchwasserbetrieb. Der Rücklauf des Brauchwasserbereiters zirkuliert zunächst durch den Hochtemperaturkreis, zum Beispiel dem Radiatorenkreis, danach durch die Fußbodenheizung und erst dann mit niedrigsten Temperaturen zurück zum Verflüssiger der Wärmepumpe. Warmwassererzeuger, Radiatoren und Fußbodenheizung nehmen in dem gezeichneten Beispiel jeweils ein Drittel der gelieferten Wärme ab. Deshalb strömt in diesem Fall kein Rücklaufwasser über die Ausgleichsstrecke Qa (=0).
Bild: HG Baunach

Kalter Rücklauf als Plus

Falls jetzt die Frage auftauchen sollte, woher die relativ hohe Temperatur zum Warmwasserspeicher von über 50C kommt, lautet die Antwort: Durch die Abkühlstrecke des überhitzten Dampfes im Kondensator. Das Kältemittel verlässt mit ca. 90 bis ca. 100C den Kompressor. Das Heizkreis-Rücklaufwasser stößt im Verflüssiger auf diese beispielsweise 95C und entwärmt zunächst den Kältemittelstrom, der aber in dieser ersten Phase wegen seiner Überhitzung (weit über den Taupunkt hinaus), seinen Aggregatzustand nicht wechselt. Erst ab einer zum Druck zugehörigen Verflüssigungstemperatur (im Falle des integrierten Mehrwegemischers) von beispielsweise nur noch ca. 45C (Messung Nr. 8, Tabelle 1) setzt die Kondensation ein und damit die vollständige Umweltwärmeübergabe an den Vorlauf. Also wird der Rücklauf sozusagen in zwei Schritten auf die Vorlauftemperatur von beispielsweise 50C angehoben: in Schritt 1 von 28,5C über die Kondensationswärme des Kältemittels auf fast Kondensationstemperatur tc von 45C und in Schritt 2 in der Heißgasstrecke des Verflüssigers von der 70-gradigen Übertemperatur des Heizgases auf die 50C Vorlauftemperatur.

Durch die Erhöhung der Spreizung zwischen Vorlauf Speicher und Rücklauf Fußbodenheizung auf rund 22 K (anstelle der rund 7 K bei Ausführungen ohne Rendemix) verbessert sich die Leistungszahl der Wärmepumpe um 13%.

 

Bild 3: Mehrwege-Mischverteiler (Bildmitte) in einer Hausanlage mit Radiatoren, Fußbodenheizung, Wärmepumpe und Speicher.

Drei Vorteile

Die Integration des Mehrwegemischers zahlt sich somit in dreierlei Hinsicht aus:

Erstens: Sole-Wasser-Wärmepumpen oder Wasser-Wasser-Wärmepumpen, die sowohl heizen als auch den Brauchwasserbereiter ansteuern, fahren während der Trinkwassererwärmung mit einem COP von 3,23 statt 2,78, wenn, wie gerade geschildert, bei konstanter Vorlauftemperatur von 50C die Heizkreis-Rücklauftemperatur nicht nur um rund 7 K, sondern um 21,5 K fällt.

Die EnEV spricht von einem Primärenergiebedarf von 12,5 kWh/(m2*a) für die Warmwasserbereitung und von etwa 60 kWh/(m2*a) Primärenergie für den Heizbetrieb der Wärmepumpe. Nimmt man diese Zahlen als Maßstab, so stehen sie in einem Verhältnis von rund 1 : 5. Mit anderen Worten: 20% der Laufzeit einer Wärmepumpe entfallen auf die Warmwassererzeugung. In dieser Phase kommen die Vorteile des "RendeMix" direkt zum Tragen.

Zweitens: Nun könnte man sagen, zu 20% der Betriebszeit ein maximal 13% höherer Wirkungsgrad macht umgelegt auf die gesamte Arbeit der Wärmepumpe (Heizen plus Warmwasserbereitung) ein Plus von 2,6% Gesamt-COP aus. Stimmt und stimmt nicht. Denn es addiert sich noch ein Komfortaspekt auf, und zwar der den gleichzeitigen Betrieb von Warmwasserbereitung und Heizbetrieb über die Reihenschaltung zulässt.

Drittens: Vielfach renovieren Eigenheimbesitzer ihr Domizil so, dass sie zum Beispiel das Dachgeschoss nachträglich ausbauen und hierfür dann Radiatoren vorsehen. In diesem Fall würde die Wärmepumpe zunächst den Warmwasserspeicher und anschließend mit dessen Rücklauf die Radiatoren im Dachgeschoss ansteuern. Danach fließt der Heizkörper-Rücklauf in die Fußbodenheizung, und die erst schickt das Heizungswasser mit niedrigster Temperatur zurück zum Verflüssiger der Wärmepumpe (Bild 2).

 

Tabelle 1: Stiebel Eltron-Messungen zum Einfluss der Vorlauf/Rücklauf-Spreizung des Heizkreises auf die Leistungsziffer (COP). Mithilfe des Mehrwegemischers "RendeMix" gelingt es, den Brauchwasserrücklauf zum Vorlauf der Fußbodenheizung zu machen und so mit kältesten Rücklauftemperaturen den Verflüssiger der Wärmepumpe anzusteuern. Dadurch erhöht sich der COP-Wert konkret von 2,78 (konventionelle Schaltung, Messung 3) auf 3,23 (Messung 8). Die Spreizung klettert in diesem Fall von 7,2 K auf 21,5 K. Der Vorlauf beträgt konstant 50C. Die Mitteltemperatur aus Vor- und Rücklauf sinkt jedoch von 46,5 auf 39,25 K. Die Kondensationstemperatur tc fällt von 49,5 auf 44,8C. Das Wärmeangebot als Produkt aus Spreizung x Volumenstrom (VHZ) bleibt konstant. Die Leistungsaufnahme des Kompressors verringert sich durch den niedrigeren Druck, wodurch sich der höhere COP-Wert ergibt.

Kältemittel entscheidend

Der Holzmindener Hersteller Stiebel Eltron, der die Schaltung analysiert und Messwerte für die verschiedenen Temperaturspreizungen (Tabelle 1) zur Verfügung gestellt hat, knüpft allerdings an die Wärmepumpe eine Bedingung. Sie benötigt einen großen Gegenstrom-Wärmetauscher, beispielsweise einen Plattenwärmetauscher, damit die verlangten Temperaturverhältnisse erreicht werden. Darüber hinaus sollte die Regelung beide Temperaturen (Vorlauf- und Rücklauftemperatur) beachten. Wenn sie nur eine mittlere Systemtemperatur erfasst, kann die Hydraulik in Schieflage geraten.

Einfluss auf den Erfolg hat des Weiteren das Kältemittel. Aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften, konkret der hohen Wärmekapazität in der Gasphase, kommt R 410 A dieser besonderen Ausführungsplanung entgegen. R 407 C hinkt etwas hinterher. CO2 als Kältemittel würde R 410 A noch übertrumpfen, aber CO2 hat wohl noch mehrere Entwicklungsjahre bis zur Marktreife vor sich.

 

Internetinformationen:
www.baunach.net
www.stiebel-eltron.com
www.heizkosten-im-neubau.de


*) Der Coefficient of Performance - kurz COP - beschreibt das Verhältnis der Heizleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung einer Wärmepumpe (DIN 255-1)
**) HG Baunach GmbH & Co. KG, Rheinstraße 7, 41836 Hückelhoven, Tel.: 02433/970-210, Fax: 02433/970-219, info@baunach.net


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