Gas- und Gasmotorwärmepumpen: Absorptions- und Adsorptionswärmepumpen, Diffusions-/Absorptionswärmepumpe, Vuilleumier-Wärmepumpe, Kompressionswärmepumpe mit Gasmotor.

Absorptions- und Adsorptionswärmepumpe, Diffusions-/Absorptionswärmepumpe, Zeolith-Gas-WP; Vuilleumier-Wärmepumpe, Gasmotor-Wärmepumpe; Gasklimageräte; Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung.

Gas- Wärmepumpen

Technologien und Hauptmerkmale

Für die notwendige Antriebsarbeit wird der Primärenergieträger Gas verwendet statt Sekundärenergie Strom. Daraus resultieren vorwiegend auch die erreichbaren Energieeinsparungen.

Es können die unterschiedlichsten Wärmequellen verwendet werden:

- Umwelt

(z. B. Umgebungsluft, direkte und diffuse Strahlung, oberflächennahes Erdreich, Grundwasser und Uferfiltrat)

- Geothermie

(z. B. Thermalquellen, div. Schichtenwässer etc.

Abwärme

(z. B. Prozessabwärme, Kühlkreisläufe, Abwasser und Abluft)

1. Kompressions-WP mit Gasmotor

Der Kompressor (mechanischer Verdichter) wird statt E-Motor über einen z. B. mit Erd- oder Flüssiggas betriebenen Gasmotor angetrieben.

(wird auch als gasmotorische Kompressions-WP oder Gasmotor-WP bezeichnet)

2. Sorptions-WP

Die Funktion des Kompressors übernimmt hier ein thermischer Verdichter als Ab- oder Adsorber, der in d. R. ^+++über einen Gasbrenner erwärmt wird.

Die Gas-WP der Typen Zeolith, Diffusions-Absorption und Vuilleumier nutzen einen thermischen Verdichter, also ein Medium, das sich bei Erwärmung ausdehnt und dabei Druck erzeugt.

In thermischen Verdichtern werden Kältemittel eingesetzt, die die schon bei niedrigen Temperaturen und unter geringen Druck verdampfen.

Entwicklungsstand für den kleinen Leistungsbereich

Schwer tun sich in der Entwicklung immer noch die verschiedenen Formen der Gaswärmepumpen für Ein- und Zweifamilienhäuser, die mit wenigen Ausnahmen bis 2011 über einen Prototyp- oder Feldversuch-Status noch nicht hinausgekommen sind.

Ganz im Gegensatz zu den elektrischen Kompressions-WP, die vor allem auch durch "besondere Förderung" der mächtigen Elektroenergie-Erzeuger-Lobby, die sich hier in den letzten Jahren mit einer teuren Werbestrategie für Elektro-WP so richtig ins Zeug gelegt hat (...ein Schelm, der Böses dabei denkt).

Politisch und physikalisch müssten Gaswärmepumpen eigentlich die Heiztechnik revolutionieren:

1. Sie passen genau in Klimadebatte und EnEV hinein, weil Sie dank ihrer Arbeitszahl der Umwelt viel Gutes tun.

Mit ihren totalen Nutzenergiefaktor 1,5-1,7 liegen sie theoretisch mindesten um 20-30% besser als die elektrische Kompressions-Wärmepumpe.

2. Sie entsprechen mehr den Vorstellungen der Hardliner unter den Ökologen, die jedwedes Heizen mit Strom verwerfen.

Die Aggregate dürften in jedem Fall auch mit Biogas klarkommen, was bei der Brennstoffzelle nicht gesichert scheint.

Probleme

Knackpunkt für die Einführung in die Heiztechnik für Ein- und Zweifamilienhäuser sind z. Z. noch die sehr hohen Kosten infolge der umfangreichen und sehr sensiblen Technik im Prototyp-Status.

Anwendung und Einsatz

Gebäudeheizung, WW-Bereitung,

Kühlung und Entfeuchtung.

Am effizientesten mit Nutzung aller vier Funktionen gleichzeitig.

Einsatz bisher überwiegend in Gewerbe-, Industrie und Verwaltungsgebäuden sowie in Hotels, Kaufhäusern, Krankenhäusern und Schwimmbädern.

Zukünftig durch die Entwicklung kleinerer Anlagen auch vermehrt in Ein- und Zweifamilienhäusern.

Förderungsbedingungen

- JAZ mindestens 1,3

- 1 Gaszähler und mindestens 1 WMZ

- COP ist mit Prüfzertifikat eines unabhängigen Prüfinstituts

nachzuweisen bzw. EHPA-WP-Gütesiegel

Mehr Infos zur Förderung unter www.energiefoerderung.info/asue

Quelle: www,asau.de

Vergleich Primärenergieeinsatz bei unterschiedlichen Heizsystemen (ohne Trinkwassererwärmung)

	Erzeuger Umwandlung von Primärenergie in Sekundärenergie			Nutzer Umwandlung von Sekundärenergie in Wärme
Heizsystem	Primärenergie- einsatz	Erzeuger- wirkungsgrad	Verluste beim Erzeuger	Heizenergie-Einsatz Sekundärenergie	Nutzungsgrad/ Leistungszahl bei Umwandlung in Heizenergie	Heizenergie An Nutzer abgegebene Endenergie
Elektroheizung	278%	Kraftwerk η=0,36	178% Abwärme u. Verteilverluste	100%	Elektroheizung η=1	100%
Öl-Niedertemperatur-Heizung	117 %	Raffinerie η=0,94	7% stoffliche Verluste	110%	Ölkessel η=91%, 10% Abgasverlust	100%
Erdgas-Brennwert-Heizung	109%	Gasversorgung η=0,94	7% stoffliche Verluste	102%	Erdgaskessel η=98%, 2% Abgasverlust	100%
Stromwärmepumpe (Kompressions-WP)	84%	Kraftwerk η=0,36	54% Abwärme u. Verteilverluste	30%	Stromwärmepumpe ε=3,3; 70% aus Umgebungswärme	100%
Gasabsorptions-wärmepumpe	80%	Gasversorgung η=0,94	5% stoffliche Verluste	75%	Absorptionswärmepumpe ξ = 1,5 / η_Aus= 0,9; 25% aus Umgebungswärme	100%
Gasmotorwärmepumpe	67%	Gasversorgung η=0,94	4% stoffliche Verluste	63%	Gaswärmepumpe 10% Abwärme ε = 3,5 / η_m= 0,3; 47% aus Umgebungswärme	100% 34% Motorwärme 66% Wärmepumpe

Hoher Primärenergieeinsatz bedeutet große CO2-Emissionen. Die Werte in der Tabelle machen deutlich, wie schwierig es für den Verbraucher ist, zwischen einem guten Umweltgewissen oder Vorteil für eigenen Geldbeutel (= Kosteneinsparung beim Energieverbrauch) zu entscheiden.

Quelle: ASUE e. V. (www.asue.de)

1. Gaswärmepumpen mit thermischen Verdichtern

1.1 Gas-Sorptionswärmepumpen/Sorptionskälteanlagen

Eine weitere Wärmepumpen-Bauart sind die Sorptions-Wärmepumpen z. B mit Erdgas etc. betriebenen thermischen Verdichtern.

Der Verdampfer wird mit Umweltenergie (Luft, Erde), Solar oder auch Abwärme gespeist.

Absorptionsprinzip

Physikalisch-chemischer Vorgang, bei dem eine Flüssigkeit oder ein Gas von einer anderen Flüssigkeit aufgenommen wird.

Beispiel Absorption:

Kohlensäure, die im Mineralwasser absorbiert (gelöst) und beim Öffnen der Flasche durch die Verringerung des Drucks wieder frei wird.

Adsorptionsprinzip

Chemisch-physikalischen Vorgang, bei dem eine Flüssigkeit an der Oberfläche eines Festkörpers festgehalten wird.

Dies geschieht unter bestimmten Bedingungen durch physikalische Einwirkungen wie Druck oder Temperatur.

Beispiel Adsorption:

Das Filtern von Gerüchen und Schadstoffen aus der Atemluft durch Aktivkohle.

Sorptionsvorgänge sind reversibel (umkehrbar).

Nach diesen Prinzipien gibt es Absorptions- und Adsorptions-WP.

Vorzüge

- Höhere Primärenergieausnutzung

für 100% Heizenergie 80% Primärenergie (Elektro-WP 84%)

- Wenig bewegte mechanische Teile, leise und hohe Lebensdauer

- Antriebsenergie kommt aus Gasbrenner, VL-Temp. bis 75°C.

Anwendung

Große Module gibt es als Absorptions-Kältemaschine, die auch heizen. Im großen Bereich lohnt sich der Aufwand.

Durch die Heizleistung von > 25 KW sind sie zur Beheizung und Kühlung/Klimatisierung von Gewerbe- und Industriegebäuden geeignet, weniger für Ein- und Zweifamilienhäuser.

Der bekannteste Hersteller ist Robur/Ital., Vertrieb in Deutschland über Cora Energy Systems, Kaeltro und isocal Heiz-/Kühlsysteme.

Entwicklungsstand, Probleme für kleine Anlagen für 4 bis 10 kW Heizleistung

Die Entwicklung ist noch lange nicht abgeschlossen.

Verdampfer und Wärmetauscher harmonieren nicht optimal.

Die Sensibilität des Absorptionsvorganges, entweder im Zeolith oder im Wasser/Ammoniak, stand einer Markeinführung lange Zeit (ca. bis 2010) noch im Wege.

Auch z. B. der Zeolith mit Wasser als Kältemittel, das er in seine Poren einlagert, stellt höchste Anforderungen an die Sauberkeit beim Fertigungsprozess.

Verunreinigungen stören das Absorbieren und Desorbieren.

Am Markt waren bis 2010 noch keine kleinen Anlagen (für Ein- oder Zweifamilienhäuser) verfügbar oder nur als Vorserienmodell. Das könnte sich aber demnächst bald ändern.

1.1.1. Gas-Absorptionswärmepumpen (GAHP)

Aufbau und Funktion

Absorptions-WP werden in d. R. mit Erdgas betrieben.

Sie basieren prinzipiell auf den gleichen physikalischen Grundlagen wie Kompressions-WP.

Bestandteile:

Absorber, thermischer Verdichter, Verdampfer, Druckreduzierventil, Kondensator, Lösungsmittelpumpe.

Anders als bei Kompressions-WP haben Absorptions-WP einen thermischen Verdichter (anstatt eines mechanischen Verdichters).

Hier werden Kältemittel eingesetzt, die schon unter niedrigen Temperaturen und geringem Druck verdampfen, wenn sie Umgebungsenergie aufnehmen (z. B. Ammoniak).

Der Kältemitteldampf gelangt in den Absorber und wird dort von einem Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser gelöst (absorbiert) und gibt diese Lösungswärme ab.

Ein Wärmetauscher gibt die Wärme dann in das Heiznetz.

Die Lösungsmittelpumpe sorgt mit sehr geringem Energieaufwand für den Transport der Stoffpaar-Lösung zum thermischen Verdichter.

Das Stoffpaar besitzt unterschiedliche Siedetemperaturen.

So ist es möglich, dass durch die Zufuhr von Wärme im thermischen Verdichter das gelöste Kältemittel mit der geringeren Siedetemperatur der beiden Stoffe wieder verdampft.

Der Kältemitteldampf (NH3-Dampf), der nun ein hohes Druck- und Temperaturniveau aufweist, gelangt in den Verflüssiger (Kondensator), verflüssigt sich und gibt Kondensationswärme an das Heiznetz ab.

Das flüssige Kältemittel entspannt sich über das Expansionsventil und kehrt auf das vorherige Druck- und Temperaturniveau zurück. In gleicher Weise wird mit dem Lösungsmittel im "Verdichterkreis" verfahren.

Der thermische Verdichter benutzt die Wärme aus der Gasverbrennung als Energiequelle, kann aber auch andere Wärmeerzeuger nutzen.

Wesentlicher Vorteil

der Absorptions-WP ist die gute Ausnutzung der Primärenergie.

Auch braucht dieses WP-Bauart außer der Lösungsmittelpumpe keine beweglichen Teile und arbeiten somit sehr leise.

Entwicklungsstand, Probleme

Die Absorptions-WP für Ein- und Zweifamilienhäuser ist auch wegen der z. Z. hohen Kosten noch in der Entwicklung.

Anwendung in der Kälte- und Klimatechnik

Wie die Adsorptions-WP auch, wird diese WP-Bauart schon seit längerer Zeit als leistungsstarke Kältemaschine eingesetzt.

1.1.1.1. Direkt befeuerte Gasabsorptionswärmepumpe

Bestandteile:

Absorber, thermischer Verdichter, Gasbrenner, Verdampfer, Druckreduzierventil, Kondensator)

Von diesen meist auf 20 kW Heizleistung ausgelegten Wärmepumpen ist bisher noch kein Seriengerät verfügbar.

Die Leistungsregelung erfolgt in d. R. über Gasbrenner, die zwischen 35 und 100% modulieren.

Verwendung von umweltneutralen Stoffpaaren:

Wasser (Kältemittel) - Lithiumbromid (Lösungsmittel) bzw.

Ammoniak (Kältemittel) - Wasser (Lösungsmittel).

1.1.1.2. Diffusions-Absorptionswärmepumpe (DAWP)

Aufbau und Funktion

Bestandteile:

Austreiber, Absorber, Gasbrenner, Verdampfer, Kondensator.

Ammoniak (NH3) diffundiert im Verdampfer in eine Heliumatmosphäre ein. Helium dient dabei lediglich als Hilfsgas und ist an keinen Stoffaustausch beteiligt.

Durch den niedrigen Partial-Dampfdruck in der Heliumatmosphäre verdampft das NH3 und das Mischgas nimmt dabei Umweltwärme auf.

Anschließend strömen NH3 und Helium in den Absorber.

Der trennt durch Kondensation die beiden Komponenten wieder und speichert das NH3 in einer Wasserlösung ab.

Das Helium wird wieder zum Verdampfer geleitet.

Mit einem Gasbrenner wird durch Erhitzen das NH3 vom Wasser wieder getrennt.

Leistung

Mit einer Nennwärmeleistung von 3,6 kW bei 0°C Soletemperatur und 40°C Heizwassertemperatur deckt das gasbetriebene Wärmepumpenaggregat rund 80% des Gebäudewärmebedarfs eines Niedrigenergiehauses ab.

Bei 15 kW Wärmebedarf werden bis zu 60% erreicht.

Standard-Wärmequelle

ist z. B. ein soledurchflossener Luftkollektor mit 2 m² Fläche (Erdreichkollektor oder Erdwärmesonden sind auch möglich).

Einsparung

gegenüber Brennwertgerät bei EnEV-Standart max. 25%,

bei 15 kW Wärmebedarf ca. 10%,

bei Ersatz eines NT-Kessels in Verbindung mit NT-Heizsystem (Fußbodenheizung) bis 40%.

Entwicklungsstand, Probleme

Diese WP sollten schon seit 2005 am Markt verfügbar sein.

Die Entwicklung ist aber noch lange nicht abgeschlossen.

Verdampfer und Wärmetauscher harmonieren nicht optimal.

Die Sensibilität des Absorptionsvorganges, entweder im Zeolith oder im Wasser/Ammoniak, steht einer Markeinführung z. Z. noch im Wege.

Quellen: Buderus; Heizungsjournal 4/5 2007

Beispiel:

Buderus/Bosch Thermotechnik entwickelte inzwischen die 2. Generation der mit Gas betriebenen Geräte (Luft/Wasser-Gas-WP) im Leistungsbereich von 4 bis 10 kW Heizleistung, die sich seit 2011 in der Feldtestphase befinden.

Arbeitsmedien sind Ammoniak, Wasser und Helium.

1.1.2. Adsorptionswärmepumpe

Aufbau und Funktion

Im Gegensatz zur Absorptions-WP basiert die Adsorptions-WP auf Feststoffen, wie beispielsweise Aktivkohle, Silicagel oder Zeolith.

Zeolith (griech. Siedestein) ist ein Mineral, das Wasserdampf ansaugt, an sich bindet (adsorbiert) und dabei Wärme bis etwa 300°C abgibt.

Die Adsorptions-WP arbeitet wie die anderen Wärmepumpen in einem Kreisprozess, läuft allerdings periodisch ab und unter der Voraussetzung eines Vakuumsystems.

Der apparative Aufwand ist allerdings wegen der Vakuumtechnik recht groß bei dieser WP-Bauart.

In der so genannten Desorptionsphase wird dem Wärmetauscher, der mit Silicagel oder Zeolith beschichtet ist, beispielsweise mit einem Gasbrenner Wärme zugeführt.

Das gebundene Wasser der Feststoffe Silicagel oder Zeolith setzt sich als Dampf frei und gelangt zum zweiten Wärmetauscher.

Dieser Wärmetauscher gibt in einer ersten Phase die Wärme, die bei der Kondensation des Dampfes frei wird, an das Heizsystem ab.

Wenn das Zeolith wasserfrei ist, der erwünschte Trocknungsgrad erreicht ist und das Wasser am zweiten Wärmetauscher kondensiert, ist die erste Phase beendet und der Gas-Brenner wird abgeschaltet.

In der zweiten Phase wirkt der Wärmetauscher als Verdampfer, er leitet dem Wasser Umweltwärme zu.

In dieser Phase befinden sich im System Druckverhältnisse von etwa 6 Millibar, so dass das Kältemittel Wasser bei der Aufnahme von Umweltwärme verdampft.

Der Wasserdampf gelangt wieder zum Wärmetauscher, wo ihn Silicagel oder Zeolith erneut aufnehmen (adsorbieren).

Die Wärme, die von Silicagel oder Zeolith abgegeben wird, wird per Wärmetauscher an das Heizsystem gegeben.

Die komplette Periode ist dann abgeschlossen, wenn der Wasserdampf vollständig adsorbiert ist.

Entwicklungsstand, Probleme

Die Adsorptions-WP für Ein- und Zweifamilienhäuser ist noch in der Entwicklung.

Auch z. B. der Zeolith mit Wasser als Kältemittel, das er in seine Poren einlagert, stellt höchste Anforderungen an die Sauberkeit beim Fertigungsprozess.

Verunreinigungen stören das Absorbieren und Desorbieren.

(s. a. unter Neuheiten)

Beispiel:

Viessmann Zeolith Kompaktgerät Vitosorp 300-W als Kombination von Brennwertkessel und Adsorptions-WP. Für monovalenten Einsatz mit Erdwärmequelle.

Modulationsbereich zwischen 1,6 und 16 kW Heizleistung für Ein- und Zweifamilienhäuser. Kühlfunktion ist möglich.

Normnutzungsgrad bis 145%. Gerät ist seit ca. 2010 im Feldtest.

Anwendung in der Kältetechnik

Wie die Absorptions-WP auch, wird diese WP-Bauart für Großanlagen schon seit längerer Zeit als leistungsstarke Kältemaschine eingesetzt.

1.1.3. Vuilleumier-Wärmepumpe

Aufbau und Funktion

Die Vuilleumier-Wärmepumpe ist benannt nach dem französischen Ingenieur Rudolph Vuilleumier (gesprochen "Wülömjär"), der 1918 in Amerika für seine Erfindung ein Patent erhielt.

Die Vuilleumier-WP wird - wie die Absorptions-WP - mit Erdgas betrieben.

Sie arbeitet in einem thermisch angetriebenen regenerativen Gas-Kreisprozess mit dem Arbeitsmedium Helium.

Beim Vuilleumier-Verfahren können zwei Wärmequellen mit jeweils unterschiedlichem Temperaturniveau genutzt werden.

Das Verfahren ähnelt mehr einen Stirling-Motor als einer Wärmepumpe.

In ihr wird, wie auch beim Sterlingmotor, in einem hermetisch abgeschlossenen Raum ein Gas hin und her geschoben, nämlich von der warmen zur kalten und von der kalten zur warmen Seite mit der Folge, dass sich das Gas ausdehnt oder zusammenzieht.

Der Unterschied zum Sterlingmotor ist allerdings, dass man das Arbeitsmedium unter die Umgebungstemperatur abkühlt, so dass es Umweltenergie einkoppelt.

Angetrieben wird der Kreisprozess über einen Gasbrenner und als zweite Wärmequelle wird über einen Wärmetauscher als Umweltenergie z. B. die Wärme der Außenluft genutzt.

Vorteil des Verfahrens

Selbst bei Außentemperaturen von minus 20 °C sind Vorlauftemperaturen von 75 °C erreichbar, so dass sie besonders auch für ältere Gebäude einsetzbar sind.

Bisher erforschte Systeme (Junkers, Viessmann) zeigen, dass gegenüber der Gas-Brennwerttechnik Einsparungen in der Primärenergie theoretisch von bis zu 44 % möglich sind.

So lassen sich Vuilleumier-Wärmepumpen durchaus für einen Bereich zwischen 15 und etwa 45 kW thermischer Leistung entwickeln.

Damit sind Vuilleumier-Wärmepumpen im Vergleich zu Kompressions- oder Absorptionspumpen energetisch eine interessante Alternative.

Entwicklungsstand, Probleme

Die Entwicklung ist noch lange nicht abgeschlossen und die Serienreife noch nicht erlangt.

Der Prozess ist noch schwer beherrschbar und vor allem die Kosten sind extrem zu hoch.

Vorerst wurde bei Junkers und Viessmann die Entwicklung eingestellt, d.h. die Probleme liegen wieder in der Schublade.

2. Mit Gasmotor angetriebene Kompressionswärmepumpen

Gasmotor-Wärmepumpen

Unter den Wärmepumpen-Bauarten der Kompressions-WP gibt es auch WP, die mit Erd-/Flüssiggas, Dieselkraftstoff oder Biomasse (Rapsöl, Biogas) betrieben werden.

Ausgeführt als Gasklimagerät können sie ebenfalls zur Kühlung/Klimatisierung eingesetzt werden.

Ein Verbrennungsmotor (Gasmotor), statt eines elektrischen Motors, treibt in diesem Fall den mechanischen Verdichter an.

Allerdings benötigt der Verbrennungsmotor eine Schalldämmung und eine Versorgung mit Kraftstoff.

Gas-Kompressions-Wärmepumpen arbeiten primärenergetisch effizienter (20-30%) als Elektro-WP, weil sich die Abwärme des Verbrennungsprozesses als Heizwärme nutzen lässt.

Aufbau und die Funktion

ist analog dem der Elektrowärmepumpe, der Verdichter (Kompressor) wird aber von einem Gasmotor angetrieben (anstatt E-Motor).

Zusätzlich kann hier die Wärme aus dem Kühlwasser sowie aus dem Abgas des Gasmotors in das Heizungssystem abgegeben werden.

Unterschiedlich nutzbare Temperaturniveaus

- Verdampfer ca. 10°C und tiefer

- Kondensator ca. 40 bis 50 °C

- Kühlwasserabwärme Gasmotor ca. 90 °C

- Abgaswärme (sensibel) ca. 100 bis 600 °C

Vorteile gegenüber Elektrowärmepumpen

- Höhere Primärenergieausnutzung

(für 100% Heizenergie 67% Primärenergie (Elektro-WP 84%)

- geringerer CO2-Ausstoß

Elektro-WP erzeugen selbst unter günstigen Bedingungen mehr CO2,

als moderne Gas-Brennwertheizungen.

- Heizen/Kühlen ohne Strom

- höhere Arbeitszahlen

- max. VL-Temp. 65 °C

Was bei der Elektrowärmepumpe durch den schlechten Kraftwerkswirkungsgrad (36%) an Abwärme bzw. durch Verteilungsverluste (54%) verloren geht, kann bei der Gaswärmepumpe fast vollständig genutzt werden.

Anwendung

Einsatz vorwiegend zur Beheizung und Kühlung/Entfeuchtung in Schwimmbädern in Verbindung mit BHKW-Modulen.

Z. B. kann die Gas-WP hier ca. 66% des Eigenwärmebedarfs des Bades abdecken. Davon stammen über 46% aus der Abwärme sowie der Luftfeuchtigkeit der Abluft.

Damit sind Primärenergieeinsparungen gegenüber konventionellen Heizkesseln-/Lüftungsanlagen > 46% möglich.

Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung mit Gaswärmepumpen

Thermische Kälteerzeugung

Betriebswirtschaftlich günstig wird neben Wärme und Warmwasser besonders Kälte hergestellt und in Verbindung mit einem BHKW auch noch Strom.

Zur thermischen Kälteerzeugung können außer Erd- und Flüssiggas auch Abwärme und regenerative Energien (pflanzliche Brennstoffe, Solarenergie etc.) verwendet werden.

Der Hersteller Yazaki bietet z. B. Lithium-Bromid-Absorber von 17,5 bis 105 kW Kältenennleistung seit vielen Jahren an.

Die notwendigen Heizwassertemperaturen zum thermischen Antrieb der Absorber liegen zwischen 75 und 95°C.

Gasmotoren-Klimageräte mit Kompressionswärmepumpen

Bei diesen auch als Gas Heat Pump (GHP) bezeichneten System treibt der Gas-Verbrennungsmotor einen Kältekreislauf an (Verdichter), der sowohl zum Heizen und die Brauchwassererwärmung (als WP) als auch zum Kühlen und Entfeuchten (als Kältemaschine) eingesetzt werden kann.

Energiequelle für die WP ist nicht nur die Umweltwärme (Außenluft, Erde) sondern auch die Motorabwärme des Gasmotors.

Dadurch sind Leistungszahlen bis 1,4 erreichbar.

Eine intelligente Drehzahlregelung ermöglicht eine stufenlose Modulation zur Leistungsanpassung zwischen 8 bis 100%.

Gasklimageräte zum Heizen und Kühlen werden in Deutschland z. B. vor allem von ASIN (Toyota Group) und Sanyo angeboten und von Bernd EnerSys Kaut vertrieben.

Neuheiten

Zeolith-Gaswärmepumpe als Hybridsystem

Aufbau und Physik

Lt. Hersteller (Vaillant) ist die Zeolith-Gassorptionswärmepumpe eigentlich als die nächste Generation von Gas-Brennwertgeräten mit WP-Modul anzusehen.

Sie steht nicht in Konkurrenz zur Elektro-WP, sondern ist für gasversorgte Gebiete interessant.

Aufbau

Das Hybrid-System besteht im oberen Bereich aus einer Gasbrennwertgerät-Unit und im unteren Bereich dem wartungsfreien Zeolith-Modul (Adsorber-/ Desorber-Einheit), welches in einem Vakuum-Edelstahlbehälter (Unterdruck 5 bis 200 mb) untergebracht ist.

Die Zeolith-Kugeln werden in einen Sorber-WT (Lammellen-WT), einlagig lose in die Zwischenräume eingebracht.

Im unteren Teil des Moduls befindet sich ein weiterer WT, der Verdampfer/Kondensator.

Das Zeolith Modul enthält noch eine definierte Menge Wasser, (ca. 2,5 l) das als Kältemittel dient.

Dieses Wasser befindet sich, abhängig vom Betriebszustand des Moduls, entweder adsorbiert im Zeolith oder in flüssiger Phase im unteren Teil des Behälters.

Die Verdampfungswärme für das Kältemittel wird hier durch eine thermische Solaranlage (7 m²) zur Verfügung gestellt.

Um den WP-Prozess im Winter in Gang zu halten, genügt schon ein Temperturhub im Kollektor von ca. 3 bis 5°C auf die Außentemperatur.

Bei einer Leistung von hier 10 kW im Volllastbetrieb werden so bis zu 20% Umweltwärme eingebunden.

Im Sommer dient hier die Solaranlage unter Umgehung der Zeolith-WP zur Trinkwassererwärmung, ansonsten temperiert das Zeolith/Kollektorsystem das Trinkwasser passiv.

Physik

Wasser eignet sich unter Vakuum als Kältemittel für kältetechnische Prozesse, die Umweltwärme auf niederen Temperaturniveau einbinden wollen.

Wasser kann besonders viel Verdampfungswärme (Umweltwärme) aufnehmen.

Eis verdampft bei wenigen Millibar (Vakuum) schon bei bei 0°C.

Die Verdampfungsenthalpie unter Vakuum beträgt hier ca. 2.500 kJ/kg, die aus der Umwelt kommen. Im Vergleich begnügen sich übliche Kältemittel (Propan, HFKW) mit einigen hundert kJ.

Zeolith ist ein umweltfreundliches Mineral aus Aluminium- und Siliziumoxid-Bausteinen aus der Waschmittelindustrie mit hoher Speicherkapazität.

Diese feuchten "Megaperls" nehmen ohne chemische Reaktion im Wechsel Wasserdampf auf (adsorbieren) und geben ihn wieder ab (desorbieren). Dabei entsteht Adsorptionswärme.

Je nach dem mit welcher Temperatur Zeolith beaufschlagt wird, fungiert es als Verdampfer oder Kondensator.

Bei der Aufnahme von Wasser entwickelt das Zeolith in einem thermodynamischen Prozess Wärme von bis zu 80°C, die im Heizprozess genutzt werden kann.

Mit hoher Temperatur kann das Wasser wieder als Wasserdampf aus dem Zeolith ausgetrieben und die entstehende Kondensationswärme genutzt werden.

Funktion

Weiteres zur Funktion s. a. unter 1.1.2. Adsorptionswärmepumpe.

Bei tiefen Außentemperaturen (Frost) verschieben sich die Anteile Umweltwärme zu Gas in mehr in Richtung Gasbetrieb, bei steigenden Außentemperaturen in Richtung WP-Betrieb.

Desorptionsphase (Trocknung)

Zunächst wird der im Zeolith, durch seine große innere Oberfläche, enthaltene Wasserdampf ausgetrieben.

Durch den Adsorber/Desorber strömt dafür der Wärmeträger Wasser, der durch das Brennwertmodul auf ca. 130 °C erhitzt wurde und über einen internen Wasserkreislauf übertragen wird. Der dadurch erwärmte Zeolith gibt das gespeicherte Wasser ab - er desorbiert.

Der so entstandene heiße Dampf strömt in den unteren Teil des Zeolith-Moduls, kühlt hier ab und kondensiert.

Die freigesetzte Energie wird als Nutzwärme abgeführt.

Dieser Schritt ist dann beendet, wenn der Zeolith einen bestimmten Trocknungsgrad erreicht hat und sich das Wasser im unteren Teil des Zeolith-Moduls befindet.

Adsorptionsphase (Befeuchtung)

Der Gasbrenner wird abgeschaltet, das Zeolith-Modul kühlt ab, der Druck sinkt und die Adsorptionsphase beginnt.

Sobald die Temperatur des Verdampfers unter das Temperaturniveau der Umgebungswärmequelle gesunken ist, wird die Solepumpe eingeschaltet.

Damit wird dem Verdampfer "kalte" Energie" (Kaltdampf von 4°C) aus der Umwelt zugeführt.

Die Verdampfungswärme für das Kältemittel wird durch die Solarkollektoren zur Verfügung gestellt.

Das Wasser im unteren Teil des Zeolith-Moduls verdampft, der Kaltdampf strömt nach oben und wird durch den Zeolith adsorbiert.

Hierbei erzeugt der Zeolith erhebliche Wärme, die ebenfalls als Nutzwärme eingebracht wird.

Kondensations-und Benetzungswärme

Die Adsorptionswärme (z. B. 3.200 kJ/kg) setzt sich dann aus einem Teil Benetzungswärme (700 kJ/kg) und 3,5 Teilen Kondensationswärme (3.200 kJ/kg) zusammen.

(Die Benetzungswärme hat etwas mit Kohäsionskräften und Oberflächenspannung am Tropfen zu tun)

Im WP-Modul befindet sich ein mit Zeolith beschichteter WT als Adsorber/Desorber und ein nicht beschichteter WT als Kondensator/Verdampfer im Vakuum.

(z. B. 5 mb Verdampfungsdruck bei Wärmeträgertemperatur von nur 0°C im Umweltkreis)

Durch die frei werdende Benetzungswärme steigen die Temperaturen im Primärkreis auf ca. 100°C, allerdings wird später auch wieder eine Menge Energie benötigt, um den Wasserdampf wieder aus dem Zeolith auszutreiben.

Zur Überwindung der elektrostatischen Haltekräfte beim Austreiben des Dampfes muss der Gasbrenner ein zusätzliches Gasvolumen in Höhe der Benetzungswärme (Kohäsionsenergie) von 700 kJ/kg verbrennen.

Dabei steigt die Temperatur auf 140 bis 150 °C. Bei 5 bis 6 bar Unterdruck kann es in den Rohrleitungen aber zu keiner Verdampfung kommen.

Nutzungsgrad, Daten, Preis, Einsatz und Entwicklungsstand

Gesamtnutzungsgrad

ist mit ca. 120 bis 125% geringer als bei einer elektrischen Kompressions-WP (im Vergleich: Wasser/Wasser-WP ca.140 bis 150%, Brennwertgerät 108%), aber etwa mit einer Luft/Wasser-WP vergleichbar.

Bei Außentemperaturen weit unter 0°C arbeitet das Gas-BW-Gerät mit über 90% Wirkungsgrad weit effizienter als eine elektrische Luft-WP, die dann mit einen COP von nur 2 bis 2,5 arbeitet.

So sind die 120% Wirkungsgrad vergleichbar mit einer JAZ von ca. 3,6, obwohl der WP-Effekt nur bei ca. 20 oder 30% der Gesamtleistung liegt.

Bis 5 kW (von hier max. 10 kW) fährt das Gerät zu 70 bis 80% des Jahres im 100%-tigen WP-Betrieb.

Technische Daten (zeoTHERM)

Nennwärmebelastungsbereich 4,7 - 10,2 kW

Vorlauftemperatur 20 - 75 °C, empfohlen < 40 °C

elektrische Leistungsaufnahme 200 W

B x H x T in mm 750 x 1.700 x 700

Transportgewicht (o. Verkleidung) 168 kg;

Betriebsgewicht 200 kg

Preis

Der Gesamtpreis der Anlage (inkl. Regelung, Speicher, Gas-BW- und WP-Heizteil, Kollektoren) soll lt. Hersteller voraussichtlich in Höhe dem einer Luft-WP liegen, sofern ausreichend große Stückzahlen produziert werden können.

Einsatz

- in gasversorgten Gebieten

- besonders für die Anforderungen im Einfamilienhaus geeignet

- Zielsegment Neubau, Niedertemperatur-Heizkreise

- modulierende Betriebsweise mit einer Heizleistung von bis zu 10 kW

Vorteile

- Wirkungsgrad gegenüber Solar-Brennwert System

um ca. 10 % besser

- ca. 20 % weniger Energieverbrauch als ein reines Gas-BW-Gerät

- Zeolith-WP-Modul ist über die gesamte Lebensdauer wartungsfrei

Entwicklungsstand (2010)

Serienreife, aber zu erwarten sind noch einige Änderungen durch die Praxis.

Quellen: HEIZUNGSJOURNAL SPECIAL 1/2 2010; pressebericht vaillant.pdf

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

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