Hochtemperatur-Wärmepumpen
Einsatzfeld Industrie
Während Wärmepumpen für die Beheizung von Ein- und Mehrfamilienhäusern heute eine beliebte Technik darstellen, sind Wärmepumpen für Großbauten oder in der Prozesstechnik noch selten zu finden. Einer der Gründe dafür ist die bisherige Begrenzung der Heizungsvorlauftemperatur auf meist 65 °C bei den meisten heute verbreiteten Technologien. Als Wärmequelle dient dabei Umgebungswärme, dass heißt Grundwasser, Erdreich oder Umgebungsluft (im Wesentlichen gespeicherte Sonnenenergie). Ochsner Wärmpumpen nahm sich der Aufgabe an, Wärmepumpen mit entsprechender Leistung und höheren Heizwasser-Vorlauftemperaturen zu entwickeln, damit auch großvolumige Bauten mit Hochtemperatur-Wärmeverteilsystemen (Radiatoren für 65 bis 95 °C) auf diese Heiztechnik umgerüstet werden können.
Bei der energetischen Sanierung von Großbauten ist das Anbringen einer nachträglichen Wärmedämmung oft entweder nicht machbar (historische Fassaden, Glas-Fassaden) oder zu teuer. In solchen Fällen kann die energietechnische Sanierung meist nur über eine neue Heiz- bzw. Kühl-Technik erfolgen.
Die technische Herausforderung bestand darin Wärmepumpen zu entwickeln, welche die geforderten hohen Heizungs-Vorlauftemperaturen bis 100 °C liefern und welche in bestehende Wärmeverteilsysteme mit einer Temperaturspreizung von 5 bis 20 K nachgerüstet werden können. (Die punktuell angebotenen Wärmepumpen mit CO2 als Kältemittel sind als transkritische Hochdrucksysteme aufwendig und nur bei einer speziellen Temperaturspreizung von 30 bis 50 K wirtschaftlich).
Weiterhin hat sich die Firma Ochsner die Aufgabe gestellt, ungiftige und erneuerbare Sicherheitskältemittel (FKW, engl. HFC) zu verwenden.
Der Arbeitskreis der Wärmepumpe (konventionelle Maschine)
Bei einer heute üblichen Wärmepumpe liegen die Temperaturen des Arbeitskreises in etwa wie folgt (Beispiel: Kältemittel R134a):
1. Verdampfung des Arbeitsmittels während Wärmeaufnahme von der Wärmequelle bei 4 °C (Wärmequelle Wasser mit 10 °C),
2. Kompression des Arbeitsmittels durch den Verdichter bei 95 °C Heißgastemperatur,
3. (Verflüssigung) – Kondensation des Arbeitsmittels und Abgabe desselben an das Heizsystem: Heizungs-Vorlauftemperatur bis 65 °C.
4. Expansion zur erneuten Verdampfung (über Expansionsventil) zur Wärmeaufnahme im
Kreisprozess (von ca. 95 °C auf ca. 4 °C).
Die Industrie-Wärmepumpe
Die Temperaturen im Kreisprozess sind durch die thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels begrenzt. Die Temperaturen in den Komponenten, insbesondere im Verdichter, durch deren Bauart. Die Bewältigung des für die Hochtemperatur-Wärmepumpe benötigten Temperaturhubes von z.B. 10 °C (Wärmequelle/Grundwasser) auf 95 °C (Wärmenutzung/Heizwasser) wurde durch einen zweistufigen Kreisprozess gelöst. Ochnser wählte für die erste Stufe das Kältemittel R134a und für die zweite Stufe das Kältemittel ÖKO1 (beides FKW Sicherheits-Kältemittel, unbrennbar, ungiftig, mit niedriger Drucklage). Die größte technische Herausforderung bestand in der hohen Heißgastemperatur der 2. Stufe (bis 160 °C).
Dazu musste eine besondere Verdichterkonstruktion (Schraubenverdichter) entwickelt werden (Lager, Wicklung). Weitere Herausforderungen waren die Optimierung der Steuerung der beiden elektronischen Expansionsventile, insbesondere die Steuerung der Anlaufphase (Systemdrücke/Anheben des Druckes der 2. Stufe beim Anlauf).
Die zweistufigen Maschinen werden für Leistung von 190 bis 750 kW gebaut, bei einer Vorlauftemperatur bis ca. 100 °C und einer Wärmequelltemperatur von z.B. 10 °C.
Die einstufige Ausführung wird vor allem für Prozesse in der chemischen Industrie, der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie der Kraftwerkstechnik für Temperaturen der Wärmequelle von 40 bis 50 °C und der Wärmenutzung von 75 bis 95 °C eingesetzt. Die technische Auslegung erfolgt dabei jeweils für den betreffenden Einsatzfall.
Einsatzfall Heizen & Kühlen
In vielen Großbauten wird sowohl Wärme als auch Kälte gleichzeitig benötigt. War es in der Vergangenheit üblich für die Wärmeerzeugung einen Öl- oder Gaskessel und für die Kälteerzeugung einen Kaltwassersatz einzusetzen, kann dies mit einer Wärmepumpe wirtschaftlicher erfolgen. Der COP (Coefficient of Performance) als Leistungszahl einer Wärmepumpe kann als „Energiemultiplikator“ angesehen werden. Er drückt das Verhältnis von eingesetzter (elektrischer) Energie zu erzeugter (Wärme-)Energie aus.
Bei gleichzeitiger Verwendung der Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen kann auch der Nutzen als gleichzeitiger Kälteerzeuger gerechnet werden, so dass sich besonders hohe Nutzungsgrade ergeben können.
Fazit
Durch eine Hochtemperatur-Wärmepumpe werden neue Einsatzgebiete für den Einsatz erneuerbarer Umgebungswärme zum Heizen oder für die Nutzung von bisher verlorener Niedertemperatur(-Abwässer) in Prozessen erschlossen. Dadurch können fossile Energieträger substituiert werden, CO2-Emissionen gesenkt werden bzw. ein wesentlicher Beitrag zur energetischen Effizienzsteigerung erreicht werden.
