Die Aufgabe einer Kompressionswärme-pumpe besteht darin, mit möglichst wenig mechanischer Energie, die Temperatur von Wärme soweit zu erhöhen, wie es für die vorgesehene Nutzung notwendig ist. Zum Beispiel für die Raumheizung auf 30 °C bis 45 °C, je nach vorhandenem Heizsystem, und für die Warmwasserbereitung auf 50 °C bis 60 °C, je nach Einsatzbereich.
Das Verhältnis von nutzbarer Wärme zu aufgewendeter mechanischer Energie ist die wichtigste Kennzahl, welche die Effizi-enz einer Wärmepumpe beschreibt. Für die Praxis von Interesse sind letztendlich die erreichbare Effizienz realer Wärme-pumpen auf dem Prüfstand und im prakti-schen Betrieb.
Grundlagen
Der Carnot-Prozess einer Wärmepumpe beschreibt die idealisierte, reversible Pro-zessführung, welche es ermöglicht, mit maximalem Nutzungsgrad mechanische Arbeit in Wärme respektive, im umgekehr-ten Fall, Wärme in Arbeit umzuwandeln.
Der Carnot-Prozess ist diejenige thermo-dynamische Prozessführung, welche die Philippe
Hennemann, Hanspeter Eicher
T = absolute Temperatur
S Tc
To
3 2
1 4
Isentrope Isentrope
3−4
Isotherme 2−3
Isotherme 4 −1
Abbildung 76 : Kreislauf einer Kompressionskälte-maschine
Abbildung 75 : Leistungsziffern nach Carnot in Abhängigkeit der tiefen und der hohen
Temperatu-ren (To und Tc).
Energie. Die nutzbare Wärme ist Qwp. Die Leistungsziffer c dieses Prozesses gibt an, welche mechanische Energie Wwp dem Prozess zugeführt werden muss, um die bei hoher Temperatur Tc abgeführte Wärme Qwp aus der bei tiefer Temperatur To zugeführte Wärme bereitzustellen. Aus der Thermodynamik lässt sich folgende Formel des Carnot-Wärmepumpen-Pro-zesses ableiten:
Die Carnot-Leistungsziffer ist zwar theore-tischer Natur und kann in der Praxis nie erreicht werden. Sie zeigt aber, das es von allergrösster Bedeutung für eine hohe Wärmepumpeneffizienz ist, dass die Diffe-renz zwischen den Temperaturen Tc und To möglichst klein gehalten wird. Während To
weitgehend durch die Wahl der Wärme-quelle vorgegeben ist, kann die Tempera-tur Tc sehr stark durch die Planung des Wärmeabgabesystems beeinflusst wer-den. Einen erheblichen Einfluss auf diese Temperaturdifferenz hat aber auch die Konstruktion der Wärmepumpe.
Abbildung 75 zeigt die erreichbare Car-not-Leistungsziffer c in Abhängigkeit der beiden Temperaturen To und Tc.
Hauptkomponenten der Kompressi-onswärmepumpe
Reale Wärmepumpen bieten lediglich eine Annäherung an den idealen Carnot-Pro-zesses. Ausser den vier
Hauptkomponen-ten (Abbildung 76) arbeitet eine Wärme-pumpe mit einem Arbeitsmittel (Kältemit-tel), das im Kreisprozess viermal den Zu-stand ändert:
1. Verdichter für die mechanische Energie-zufuhr und die Temperaturerhöhung des Kältemittels
2. Verflüssiger (Wärmetauscher) für die Wärmabgabe an das Heizsystem bei hoher Temperatur
3. Expansionsventil für die Temperaturre-duktion mittels einer Expansion
4. Verdampfer (Wärmetauscher) für die Wärmeaufnahme aus der Wärmequelle Das geeignete Kältemittel soll eine gute Annäherung an den Carnot-Prozess er-möglichen und gleichzeitig andere wich-tige Anforderungen wie Ungiftigkeit, Un-brennbarkeit, Umweltverträglichkeit und geringe Kosten erfüllen. Das Kältemittel durchläuft im Prozess verschiedene Zu-standsänderungen. In der linken Hälfte von Abbildung 76 ist das Kältemittel flüs-sig und in der rechten dampfförmig. In der oberen Hälfte weist es einen hohen Druck auf, in der untern einen tiefen.
Der reale Wärmepumenkreislauf Zur Erläuterung eines realen Wärmepum-penprozesses mit bestimmten Arbeitsmit-teln (Kältemittel) wird das Log-p-h-Dia-gramm (Druck-Enthalpie-DiaLog-p-h-Dia-gramm) ver-wendet. Auf der senkrechten Achse ist der Druck p logarithmisch und auf der hori-zontalen Achse die Enthalpie h linear auf-getragen. Im blauen Bereich ist das
Kälte-14
Temperatur Tc To = − 4 °C
rung des Aggregatszustands reduziert wird, bis die Sattdampflinie erreicht wird und kein überhitzter Dampf mehr vorliegt.
Anschliessend kondensiert das Kältemittel im Nassdampfgebiet unter Wärmeabgabe bei konstantem Druck und konstanter Temperatur, bis es sich an der Siedelinie vollständig verflüssigt und dann noch un-terkühlt wird, bis Punkt 3 erreicht ist. Diese Unterkühlung dient zur Optimierung des Prozesses, weil sonst Punkt 4 zu tief im Nassdampfbereich liegen würde und das Kältemittel einen Teil seiner Kapazität zur Wärmeaufnahme während der Verdamp-fung verlieren würde. Die Enthalpieände-rung von Punkt 2 bis Punkt 3 entspricht gerade der Wärmemenge, welche die ide-ale Wärmepumpe an das Heizsystem ab-gibt. Denn die mechanische Energie im Kältemittel ändert sich bei konstantem Druck nicht.
mittel flüssig, im orangen Bereich (unter-halb der glockenförmigen Kurve) liegt ein Gemisch von Flüssigkeit und Dampf vor (Nassdampf) und im roten Bereich ist nur noch Dampf vorhanden. Im Diagramm sind die wichtigen thermodynamischen Zustandsänderungen eingetragen, welche für den Wärmepumpenprozess von Be-deutung sind. Isothermen sind Linien kon-stanter Temperatur, Isobaren stellen einen konstanten Druck dar. Entlang der Insent-halpen bleibt die Summe aus Innerer Ener-giestellen (in dieser vereinfachten Betrach-tung ist das Wärme) und mechanischer Energie konstant, eine Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme oder um-gekehrt ist jedoch möglich. Die Insentro-pen sind Linien konstanter Entropie und damit Linien, bei denen in reversiblen Zu-standsänderungen der Wärmeinhalt kons-tant bleibt. Alle diese Linien sind ideali-sierte thermodynamische Zustandsände-rungen, wie sie in der Praxis höchsten an-genähert erreicht werden können. Das Verhältnis von Carnot-Leistungsziffer zu realer Leistungsziffer heisst Gütegrad.
Heutige Wärmepumpen erreichen Güte-grade von ca. 0,6. Technisch erreichbar wären Werte von 0,7, was aber heute aus Kostengründen noch nicht standardmäs-sig eingesetzt wird.
Bei Punkt 1 saugt der Verdichter dampfför-miges Kältemittel an und verdichtet dieses auf ein höheres Druck- und Temperaturni-veau entlang einer Isentrope bis zum Punkt 2. Die zugeführte mechanische Energie wird vollständig in Volumenarbeit umge-wandelt und ermöglicht mit der kleinst-möglichen Zufuhr mechanischer Arbeit die gewünschte Temperaturerhöhung im Käl-temittel. Die für die isentrope Verdichtung (Temperaturerhöhung) notwendige me-chanische Energie ergibt sich aus der Zu-nahme der Enthalpie von Punkt 1 bis zu Punkt 2. Thermodynamisch ideale Kälte-mittel sind daher jene, die steile Isentropen aufweisen, weil damit die gewünschte Temperaturerhöhung mit weniger mecha-nischer Energie erreicht werden kann.
Anschliessend erfolgt die Wärmeabgabe in zwei Teilschritten. Erstens in der Enthit-zung, bei der die Temperatur ohne
Ände-'hVerdampfer
h = konstant
Verdichtung s = konstant Verdampfung
3 2
4 1
p = konstant Abbildung 77:
Log-p-h-Diagramm
Abbildung 78:
Log-p-h-Diagramm für den idealisierten Wärmepumpen-kreislauf einer Kom- pressionswärme-pumpe mit einem
vorgegebenen Kältemittel.
Von Punkt 3 zu Punkt 4 findet eine Expan-sion ohne Energieverlust und damit ent-lang einer Insenthalpen statt, welche ge-mäss Diagrammaufbau senkrecht verläuft.
Definitionsgemäss ändert sich hierbei der Energieinhalt des Kältemittels nicht und die geleistete Volumenarbeit wird in Wärme umgewandelt, was zu einer Ver-dampfung eines Teils des Kältemittels führt. Anschliessend erfolgt zwischen Punkt 4 und der Sattdampflinie die Ver-dampfung des Kältemittels unter Wärme-zufuhr aus der Wärmequelle bei konstan-tem Druck und konstanter Temperatur.
Kurz vor Punkt 1 findet eine Überhitzung des Kältemittels statt, damit der Verdichter keine Flüssigkeit ansaugt. Die für die Über-hitzung notwendige Wärme wird aus der Unterkühlung vor Punkt 3 gewonnen.
Die Effizienz des Wärmepumpenkreispro-zesses ergibt sich aus dem nutzbaren Wär-megewinn (Delta h Verflüssiger), dividiert durch die Aufnahme an mechanischer Energie (Delta h Verdichter).
= -
EWP + + + + +
LeistungszahlH
= PWP+ + + PSR + PA
Leistungen (Momentanwerte oder Mittelwerte über kurze Zeitdauer) QWP Heizleistung der Wärmepumpe
PWP Verdichter-Leistungsaufnahme der Wärmepumpe
PV Leistungsanteil zur Überwindung des Verdampferdruckabfalls PK Leistungsanteil zur Überwindung des Verflüssigerdruckabfalls
PSR Leistungsaufnahme der Steuerung und Regelung innerhalb der Wärmepumpe PA mittlere Leistungsaufnahme der Abtaueinrichtung
Energiemengen (Jahreswerte)
QWP von der Wärmepumpe produzierte Wärmemenge QSPA Wärmeverluste der Speicheranlage
EWP Verdichter-Energieverbrauch der Wärmepumpe EP,V Energieverbrauch der Verdampferpumpe (Anteil) EP,K Energieverbrauch der Verflüssigerpumpe (Anteil) ESR Energieverbrauch der Steuerung und Regelung EA Energieverbrauch der Abtaueinrichtung EC Energieverbrauch der Carterheizung
Wärmeerzeugungsanlage Heizungsanlage
Wärmepumpenanlage
Wärme- quellen-anlage
Speicheranlage Verflüssiger
Verdampfer
Spei-cher
Zusatzheizungs-anlage
Kessel
Wärmenutzungs-anlage
Wärmeverteilung Wärmeabgabe
· ·
PWP
QWP QSPA
Wärme-quelle WP
EP,V EP,K ESR EA EC Jahresarbeitszahl JAZ
Coefficient of Performance COP
JAZ
= QWP COP
PV PK QWP
·
Abbildung 79:
Systemgrenzen und Kennzahlen von Wärmepumpen.
Abbildung 80 : COP-Entwicklung der Luft-Wasser-Wärmepumpe seit 1993 (WPZ Buchs).
Abbildung 81 : COP-Entwicklung der Sole-Wasser-Wärmepumpe seit 1993 (WPZ Buchs).
Sole-Wasser-Wärmepumpe: B0/W35 mit Erdreichtemperatur 0 °C und Wasser-vorlauftemperatur Heizung 35 °C
Wasser-Wasser-Wärmepumpe: W10/
W35 mit Entnahmewassertemperatur 10 °C und Wasservorlauftemperatur Hei-zung 35 °C
Zur Erreichung des EHPA-Quality-Labels müssen Wärmepumpen seit 2011 an den genannten Betriebspunkten minimale COP-Werte aufweisen:
Luft-Wasser-Wärmepumpe: 3,1
Sole-Wasser-Wärmepumpe: 4,3
Wasser-Wasser-Wärmepumpe: 5,1 Die starken Verbesserungen der letzten Jahre sind vor allem auf den Einsatz von speziell für Wärmepumpen-Anwendun-gen konstruierten Scroll-Verdichtern und die Verwendung von elektronischen Ex-pansionsventilen zurückzuführen.
Bei realisierten Anlagen gilt die Jahresar-beitszahl (JAZ) als der massgebende Effizi-enzkennwert. Um eine Aussage über die Effizienz über ein ganzes Jahr zu machen, muss die produzierte Wärmeenergie ge-messen und ins Verhältnis zum Elektroen-ergieverbrauch der Wärmepumpenanlage gesetzt werden. Wenn Wärmepumpenan-lagen optimal geplant sind, können Jah-resarbeitszahlen erreicht werden, die unter den gleichen Bedingungen weitgehend den gemessenen COP-Werte entsprechen.
Bei optimalen Neubauten liegt die JAZ für Effizienzkennzahlen von
Kompressi-onswärmepumpen
Die wichtigsten Effizienzkennzahlen einer Wärmepumpe in der Praxis sind:
Coefficient of Performance, COP (Leis-tungszahl)
Jahresarbeitszahl, JAZ COP
Die Leistungszahl COP ist das Verhältnis der Heizleistung zur Leistungsaufnahme aller elektrischen Verbraucher (Pumpen, Abtauung, etc.) der Wärmepumpenan-lage, die nicht auch in einer konventionel-len Heizungsanlage vorkommen. Beides sind Leistungswerte. Die COP-Werte wer-den gemäss europäischer Norm in Wärme-pumpentestzentren ermittelt. In der Schweiz befindet sich das Wärmepumpen-testzentrum in Buchs (St. Gallen) an der Fachhochschule Buchs NTB. Das Wärme-pumpen-Testzentrum Buchs (WPZ) bietet Prüfleistungen zur Wärmepumpentechnik für Produktions- und Handelsunterneh-men dieser Branche an. Die COP-Werte von Luft-Wasser- sowie von Sole-Wasser-Wärmepumpen haben sich in den letzten Jahren stetig verbessert (Abbildung 80 und Abbildung 81). Da COP-Werte abhän-gig von der Verdampfungs- und Konden-sationstemperatur sind, gelten diese Be-dingungen:
Luft-Wasser-Wärmepumpe: A2/W35 mit Aussentemperatur 2 °C und Wasser-vorlauftemperatur Heizung 35 °C
2,0
Raumheizung und Wassererwärmung bei Luft-Wasser-Wärmepumpen im Bereich von 3 bis 3,5. Bei Erdsondenwärmepum-pen zwischen 4 und 4,5 und bei Grund-wasserwärmepumpen zwischen 4,5 und 6,5.
Wärmequellen
Folgende Kriterien sind für den Nutzen ei-ner Wärmequelle von Bedeutung:
Verfügbarkeit
Zulässigkeit der Nutzung
Temperatur im Jahresverlauf
Verschmutzung
Korrosion
Für die Effizienz sind primär Temperatur und Verschmutzungsproblematik relevant.
Allerdings darf der Stellenwert der Tempe-raturerhöhung einer Wärmequelle nicht überschätzt werden. Steigt die Verdamp-fungstemperatur ganzjährig um 1 K, so verbessert sich die Jahresarbeitszahl um ca. 3 %. Bei 5 K ergibt sich also eine Erhö-hung von approximativ 15 %. Bei einer Wärmepumpe von 10 kW Heizleistung und 2000 Vollbetriebsstunden ergibt sich bei einer ursprünglichen Jahresarbeitszahl von 3,0 eine Elektrizitätseinsparung von 870 kWh pro Jahr. Was einer Einsparung von rund 130 Fr. pro Jahr entspricht (Strompreis 15 Rp./kWh). Die Erschliessung einer ent-sprechenden Wärmequelle mit einer 5 K höheren Nutztemperatur, einer Nutzungs-dauer von 20 Jahren und einem Kapitalzins von 2,5 % (Annuität 6,4 %) darf daher nicht mehr als 2000 Fr. respektive 200 Fr.
pro kW Heizleistung kosten, was praktisch nicht möglich ist.
Aussenluft als Wärmequelle
Der grosse Vorteil von Aussenluft ist die Verfügbarkeit, welche überall gegeben ist.
Heute sind standardisierte Kompaktanla-gen für Innenaufstellung bis 20 kW und für Aussenaufstellung mit Leistungen bis ca. 40 kW pro Modul verfügbar. Mit dieser Leistung lässt sich bereits ein neues oder wärmetechnisch vollständig saniertes Mehrfamilienhaus mit 8 bis 10 Wohnun-gen versorWohnun-gen. Dieser Bereich umfasst be-reits ein grosser Teil aller schweizerischen Wohngebäude. Der grösste Nachteil von Aussenluft liegt in den heute – im Ver-gleich zu andern Wärmequellen – noch tieferen Jahresarbeitzahlen. Werte von über 3 sind erreichbar, wenn die Heizungs-vorlauftemperaturen deutlich unter 40 °C liegen. In Zukunft sind hier Verbesserun-gen möglich wie die MessunVerbesserun-gen im WP-Testzentrum Buchs zeigen (Abbildung 80).
Ein weiterer Nachteil ist die hohe Belas-tung des elektrischen Netzes bei tiefen Au-ssentemperaturen infolge tiefer Arbeits-zahlen in diesem Betriebspunkt. Ein nicht zu vernachlässigender Punkt sind zudem die Schallemissionen, die zum Beispiel in dicht bebauten Wohngebieten den Einsatz von Luft-Wasser-Wärmepumpen ein-schränken können.
Kostenbetrachtungen zeigen, dass für ein Einfamilienhaus mit 6 kW Heizleistung eine Investition von nur 1200 Fr. amorti-siert werden kann, wenn damit die Jahres-arbeitszahl von 3,0 auf 3,5 erhöht wird.
Dies zeigt ganz deutlich, dass zum Beispiel der Einsatz von Eisspeichersystemen oder speziellen Solarabsorberflächen für die
Wärmequelle Temperaturbereich
Bewilli-gungspflicht Umgebungsluft Aussenluft – 15 °C bis + 35 °C Nein
Erdreich 7 °C bis 12 °C (bis ca. 400 m
Tiefe)
Ja Gewässer: Seen, Flüsse,
Grund-wasser
4 °C bis 20 °C oberflächennah schwankend nach Jahreszeiten, in Tiefen ab 20 m um 12 °C
Ja
Abwärme aus: Abwasserreinigungs-anlagen, Kälteproduktion, z. B. Re-chenzentren, industrielle Prozesse, Kühlwasser von Druckluftanlagen
Abwasserreinigungsanlagen 13 °C bis 15 °C, Rechenzentren 18 °C bis 25 °C
Nein Tabelle 16: Die
wichtigsten quellen für Wärme-pumpen. Die Wär-mequellen Gewäs-ser und Abwärme werden vorwiegend für Grossanlagen eingesetzt.
Verbesserung der Jahresarbeitszahl wirt-schaftlich sehr unattraktiv sind und zudem die ganze Anlage und deren Betrieb unnö-tig verkompliziert. Die notwendigen Ver-besserungen können kostengünstiger über die Wärmepumpe selbst erfolgen.
Erdsonden als Wärmequelle
Erdsonden sind in vielen Gebieten der Schweiz einsetzbar, wenn auch nicht über-all. GIS-Systeme geben bereits in einigen Kantonen Auskunft, wo Erdsonden zuge-lassen sind. Die Hauptvorteile sind:
Höhere Arbeitszahlen als bei Aussenluft.
Werte von 4 und mehr sind bei Neubauten heute ohne weiteres erreichbar.
Bei Auslegetemperatur (– 8 °C im Schwei-zer Mitteland) wird noch eine hohe Ar-beitszahl erreicht und das elektrische Netz wird viel weniger belastet als bei Aussen-luft als Wärmequelle.
Mit Erdsonden kann im Sommer prak-tisch ohne Mehrinvestitionen auch erneu-erbare Klimakälte erzeugt werden. In sol-chen Fällen kann eine separate Kältema-schine eingespart werden und auch die Betriebskosten sinken sehr stark. Je nach Verhältnis von winterlichem Heizenergie-bedarf zu sommerlichem KälteHeizenergie-bedarf kann bis zu 90 % der Klimakälte erneuerbar be-reitgestellt werden. Für die letzten 10 % kann die Wärmepumpe zur Kälteerzeu-gung eingesetzt werden und eine separate Kälteanlage erübrigt sich. Dies führt zu sehr wirtschaftlichen Anlagen. Zudem kön-nen die Erdsonden praktisch ohne Mehrin-vestitionen wieder nachgeladen werden, was zu einer entsprechenden Elektrizitäts-einsparung in der Heizperiode führt. Für die Dimensionierung solcher Erdsondenfel-der sind entsprechende Simulationspro-gramme vorhanden, welche die wirtschaft-liche Optimierung des Sondenfeldes er-möglichen. Zu den Nachteilen zählen:
Erdsonden für die reine Wärmegewin-nung sind deutlich teurer als Aussenluft-wärmequellen. Dies wird jedoch relativiert, da Erdsonden mit einiger Wahrscheinlich-keit für zwei oder mehr Wärmepumpen-nutzungsdauern eingesetzt werden kön-nen. Zudem sind Sole-Wasser-Wärme-pumpen bei gleicher Heizleistung
kosten-günstiger im Betrieb als Luft-Wasser-Wär-mepumpen.
Das Nachladen von Erdsonden mit Son-nenkollektoren ist wirtschaftlich nicht at-traktiv. Das Nachladen mit anderweitig nicht verwertbarer Abwärme kann sinnvoll sein, jedoch ist hier eine detaillierte Kosten-Nutzen-Analyse in jedem Fall notwendig.
Grundwasser und Oberflächenwasser Die Nutzung von Grund- und Oberflä-chenwasser als Wärme- und Kältequelle ist eine in ihrer Bedeutung bisher deutlich un-terschätzte Möglichkeit. Vielfach liegen diese Gewässer auch relativ nahe bei den Standorten mit Wärme- und Kältebedarf.
Dies zeigt ein Blick auf die Karte, sind doch Ufer von Seen und Flüssen beliebte Sied-lungsgebiete. Allerdings ist der Weg bis zu einer Nutzung relativ aufwendig. Beim Grundwasser sind meist umfangreiche Voruntersuchungen notwendig, bis klar ist, welche Menge Grundwasser entnom-men werden kann. Bei Seen und Flüssen sind neben Bewilligungen auch die Ver-schmutzung und die Kosten für die Fas-sungsbauwerke wesentliche Faktoren.
Dies führt dazu, dass Grundwasser und Oberflächenwasser nur für grosse Einzel-gebäude und vor allem für Nahwärme- und Kältesysteme geeignet sind. Daher besteht auch mit Erdsonden eine geringe Konkurrenz. In Gebieten mit Grundwasser sind Erdsonden auch gar nicht zugelassen.
Mit Grund- und Oberflächenwasser lassen sich Jahresarbeitszahlen von 4,5 bis 6 er-reichen. Die Anlagen sind meistens auch wirtschaftlich attraktiv. Eine sehr gute Wirtschaftlichkeit kann bei Anlagen mit kombinierter Wärme- und Kälteerzeugung erreicht werden.
Abwärme aus Prozessen von Indust-rie und Dienstleistungen
Abwärmequellen für Wärmepumpen gibt es viele. Zu den wichtigsten gehören Ab-wärme aus industrieller ProzessAb-wärmeer- Prozesswärmeer-zeugung, Abwärme aus Kühlprozessen in Dienstleistungs- und Industriebetrieben und Abwärme aus Abwasserreinigungsan-lagen. Bei industrieller Abwärme aus Pro-zessen liegen die Temperaturen zwischen
15 °C und mehreren 100 °C. Bei Tempera-turen über 60 °C kann direkt geheizt wer-den und Wärmepumpen sind nicht not-wendig. Der Nachteil industrieller Abwär-menutzung für externe Gebäude besteht darin, dass der Abwärmelieferant nicht garantieren kann, dass die Abwärme ver-fügbar ist bis das Nahwärmenetz amorti-siert ist. Ideal ist, wenn bereits eine Ersatz-quelle vorliegt, zum Beispiel Grundwasser, welches zur Kühlung von Prozessen ver-wendet wird.
Das Potenzial der industriellen Abwärme-nutzung ist jedoch sehr gross. 2010 wur-den 26 TWh Enwur-denergie für die industrielle Prozesswärmeerzeugung verwendet. Da-rin noch nicht inbegriffen ist die elektri-sche Energie, welche in technielektri-schen Käl-teanlagen eingesetzt wird. Vergleicht man diese 26 TWh/a mit dem langfristigen End-energiebedarf für Raumheizung und Warmwasser von knapp 40 TWh/a, zeigt sich die Bedeutung dieser Ressource. Da industrielle Abwärme meist erhöhte Tem-peraturen aufweist, sind auch die mit Wär-mepumpensystem erzielbaren Jahresar-beitszahlen entsprechend hoch.
Abwärme aus Abwasserreinigungs-anlagen
Der Vorteil von Abwärme aus Abwasser-reinigungsanlagen ist die langjährige gesi-cherte Verfügbarkeit bei Quellen, die auf-grund ihrer Grösse überhaupt für eine Abwärmenutzung in Frage kommen.
Nachteile liegen häufig in der Distanz zu genügend grossen Wärmeabnehmern und in der Verschmutzung des gereinigten Ab-wassers, die zu einem Biofilm auf den Wärmetauschern führt und den Wärme-übergang beeinträchtigt. Das
Verschmut-zungsproblem lässt sich mit Wärmetau-schern lösen, welche redundant vorhan-den sind und automatisch gereinigt wer-den können. Die Temperatur des gereinig-ten Abwasser liegt zwischen 10 °C und 14 °C und kann sowohl für Wärme- wie auch für die Kälteerzeugung genutzt wer-den, was die wirtschaftliche Attraktivität deutlich erhöhen kann.
Komponenten von Wärmepumpen Eine Kompressionswärmepumpe besteht aus vier Hauptkomponenten:
Verdichter (Kompressor)
Verflüssiger (Kondensator)
Drosselorgan (Expansionsventil)
Verdampfer Verdichter
Die wichtigsten Verdichterbauarten:
Scroll-Verdichter werden im Leistungsbe-reich von 5 kW bis 150 kW standardmässig in Wärmepumpenanlagen eingesetzt. Da-mit können heute und auch in Zukunft ein Grossteil aller Wohn und Dienstleistunge-gebäude mit Wärmepumpen auf der Basis von Scroll Verdichtern beheizt werden. Die neusten Entwicklungen gehen auch klar in Bereich Drehzahlregulierter Scrollverdichter mit denen sich die Wärmeleistung an den Bedarf des Objektes anpassen lässt.
Schraubenverdichter weisen eine sehr kompakte Bauform auf und werden im mittleren und hohen Leistungsbereich vor-wiegend in der Industrie eingesetzt.
Turboverdichter weisen hohe COP und ein sehr gutes Teillastverhalten aus. Nach-teil ist der relativ geringe Temperaturhub von etwa 20 K bis 25 K. Einsatz vor allem im Kältebereich.
Von links nach rechts:
Abbildung 82:
Scroll-Verdichter (Copeland)
Abbildung 83:
Schraubenverdich-ter (Bitzer)
Abbildung 84:
Turboverdichter (Turbocor)
Abbildung 85: Hub-kolbenverdichter, Industrieverdichter (Grasso)
Hubkolbenverdichter ermöglichen einen grossen Temperaturhub und damit Heiz-temperaturen bis ca. 70 °C. Einsatz in grös-seren WP-Anlagen vor allem auch mit dem Kältemittel Ammoniak.
Verdampfer und Verflüssiger
Verflüssiger und Verdampfer sind Wärme-tauscher, die speziell für ihren Einsatz ge-staltet sind. Plattenwärmetauscher wer-den standardmässig als Verdampfer bei Wärmepumpen für EFH und MFH einge-setzt, mit Erdreich oder Grundwasser als Wärmequelle eingesetzt. Sie sind kompakt und kostengünstig und werden häufig als gelötete Bauform eingesetzt. Falls eine Reinigung notwendig ist, zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie, werden ge-schraubte Ausführungen verwendet.
Rohrbündelwärmetauscher sind eine alt-bewährte Technik und werden z. B. für die Nutzung von Wärme aus verunreinigten Medien wie Abwasser und korrosive Me-dien oder bei hohen Drücken eingesetzt.
Sie benötigen für dieselbe Übertragungs-leistung mehr Platz als Plattenwärmetau-scher. Lamellenwärmetauscher dienen als
Sie benötigen für dieselbe Übertragungs-leistung mehr Platz als Plattenwärmetau-scher. Lamellenwärmetauscher dienen als