Einsatz von Wärmepumpen im Alt- und Neubau.

Kaskadenschaltung, EVI-Zyklus (Dampfeinspritzung), Einsatz bei Sanierungen, Niedrigenergie- und Passivhäuser und großen Gebäuden; Hydraulische Besonderheiten bei Kombination von WP und solarthermischer Anlage.

Wärmepumpeneinsatz im Alt- und Neubau
Verbesserte Kreisprozesse für den wirtschaftlichen Einsatz von Kompressions-WP in der Heizungsmodernisierung
Der WP-Einsatz in Deutschland ist noch selten, dabei sind rund drei Millionen alter Heizungen zu modernisieren. Grund für die Zurückhaltung ist die bei alten Gebäuden gegenüber Neubauten benötigte höhere Vorlauftemperatur. Konventionelle Kompressions-WP liefern mit den üblichen Kältemitteln (wie R 407 C, R 404 A usw.) Vorlauftemperaturen bis höchstens 55° C. Das ist für übliche Radiatoren in Altbauten zu gering, um Räume genügend zu erwärmen und somit ist der WP-Einsatz nicht möglich.	Zwei Kreisprozesse erlauben aber neuerdings den wirtschaftlichen Einsatz von Kompressions-Wärmepumpen auch in der Heizungsmodernisierung. Beide verwenden die üblichen Kältemittel und erreichen Temperaturen über 55° C sowie gute Leistungszahlen. Diese Techniken ermöglichen den WP-Einsatz auch in Altbauten.
1. Kaskadenschaltung
Die Kaskadenschaltung ist eine der beiden Varianten für den WP-Einsatz mit hohen Vorlauftemperaturen. Dabei schaltet man zwei Wärmepumpenkreisläufe in einem Aggregat hintereinander, in dem man sie durch einen Wärmetauscher thermisch miteinander verbindet. Dieser zentrale Wärmetauscher hat gleichzeitig zwei Funktionen:	Er ist der Verflüssiger der ersten und der Verdampfer der zweiten Stufe. So erfolgt eine Wärmeabgabe zum Heizsystem über die erste und eine zweite Stufe, wobei die Kreisläufe andere Kältemittel verwenden. Eine solche Anordnung erfordert dauerhaften Betrieb, da nur auf der zweiten Stufe Wärme an die Heizung abgegeben werden kann.
2. EVI-Zyklus (Dampfeinspritzung)
Der EVI-Zyklus ist die zweite Möglichkeit für den WP-Einsatz in Altbauten. Mit dem EVI-Zyklus (engl. Enhanced Vapour Injection), dem technischen Verfahren der Dampfeinspritzung, können die benötigten Vorlauftemperaturen über 55° C auch mit dem Kältemittel R 407 C erreicht werden. Bei diesem Verfahren wird ein Teil des Kältemittels über ein Ventil abgeführt, entspannt und über einen Zusatzwärmetauscher zum Verdichter geführt. So wird eine Überhitzung des Kältemittels vermieden.	Die Dampfeinspritzung bei einer WP mit EVI-Zyklus setzt erst bei hohen Wärmeanforderungen ab 40°C bis 65°C ein. Durch die Einspritzung werden die Leistung und damit auch die Leistungszahl erhöht. Die vom Verdichter benötigte elektrische Energie ist beim EVI-Prozess erheblich geringer als für einen vergleichbaren Verdichter ohne Dampfeinspritzung. Der EVI-Prozess ist besonders bei Luft/Wasser-WP effektiv. Es werden Vorlauftemperaturen bis zu 65°C erreicht.
Erweiterter Wärmepumpen-Einsatzbereich bei Sanierungen
Mit der Möglichkeit, höhere Vorlauftemperaturen zu erreichen, können Wärmepumpen auch bei der Modernisierung eingesetzt werden. Vielfach wurden in älteren Gebäuden beispielsweise Heizkörper großzügig ausgelegt, Isolierglasfenster und Wärmedämmungen eingebaut. Diese Maßnahmen haben den Bedarf an Heizwärme spürbar gesenkt. Sollten also in älteren Bauten die ursprünglichen Heizflächen beibehalten werden, so sind hohe Vorlauftemperaturen bis zu 90°C nicht mehr erforderlich und können evtl. ohne Einbußen häufig auf 55 bis 65°C gesenkt werden.	So kann etwa eine WP mit EVI-Zyklus (Dampfeinspritzung) auch bei Systemen mit einem 90/70°C-Niveau über das ganze Jahr hinweg für die nötige Wärme sorgen. Moderne WP erreichen dabei Jahresarbeitszahlen von ca. 3 im monovalenten Betrieb für Heizung und Trinkwasserbereitung. Auch "Natural Cooling" ist bei diesen Anlagen möglich. Beide Verfahren sind technisch ausgereift und stehen für den WP-Einsatz im Sanierungsbereich bereit.
Wärmepumpen in Niedrigenergie- und Passivhäusern
Niedrigenergiehäuser Die steigenden Anforderungen an den Baustandard und der Trend zur wohnraumnahen Installation der Heiztechnik haben den Typ der monovalenten oder monoenergetisch betriebenen WP hervorgebracht. Es sind komplette Systemlösungen, die eine elektrisch betriebene Kompressions-WP, Speicher-Wassererwärmer und weitere Komponenten integrieren, nicht größer als eine Kühl-Gefrier-Kombination. Passivenergiehäuser Auch für die besonderen Anforderungen in Passivhäusern befinden sich solche Systemlösungen auf dem Markt, die einen WP-Einsatz ermöglichen. Passivhäuser benötigen immer eine kontrollierte Wohnungslüftung. Deshalb wird in Kompaktgeräten eine Abluft/Wasser-Wärmepumpe mit einer Anlage zur kontrollierten Wohnungslüftung kombiniert. Die WP nutzt die Wärme in der Abluft, die bei der Wärmerückgewinnung durch die Lüftung nicht verwertet wurde. Dieser Anteil wird zur Nacherwärmung der Zuluft oder zur Trinkwassererwärmung verwendet.	Eine angeschlossene Solaranlage kann die Trinkwassererwärmung unterstützen und eine konventionelle Pumpen-Warmwasserheizung, z. B. für eine Fußbodenheizung, lässt sich ebenfalls anschließen. Passivhaus-Kompaktgeräte können eine beheizte Fläche von max. 120 m² - oder ein Volumen von ca. 400 m³ - versorgen. Bei höherem Heizbedarf sind Kompaktgeräte mit einem zusätzlichen Außenluftstrom für die Wärmepumpe einzusetzen. Diese können auch ein gutes Niedrigenergiehaus komplett versorgen. Die kompakte Bauweise dieser Geräte lässt sich auf etwa 3 m² unterbringen - eingeschlossen sind hier zudem angeschlossene Kanäle des Lüftungssystems. Vorteilhaft sind diese Systeme auch deshalb, weil sie die Installation von Wärmepumpe und Speicher-Wassererwärmer in einem Arbeitsgang möglich machen.
Wärmepumpen in großen Gebäuden
In Deutschland wurde der größte Teil der WP seit Beginn der 90-er Jahre mit kleinerer Leistung in Ein- und Zweifamilienwohnhäusern installiert. Dabei ist der WP-Einsatz auch bei größeren Anforderungen realisierbar. Als einziger Wärmeerzeuger liefern diese Aggregate ganzjährig die Wärme für die Heizung und Trinkwasserbereitung von Verwaltungs- und Industriegebäuden, Hotels, Krankenhäusern, Schulen und Mehrfamilienwohnhäusern. Größere Gebäude benötigen mittelgroße WP mit Leistungen zwischen ca. 20 und 200 kW.	In Deutschland zählen allerdings schon WP mit 20 kW zu den Wärmepumpen mittlerer Größe - die Ursache dafür ist wahrscheinlich die geringe Verbreitung. In der Schweiz dagegen gilt als untere Grenze 50 kW für mittelgroße WP, in Schweden etwa spricht man erst ab der Leistung von 100 kW von einer mittelgroßen WP. Allerdings sind in diesen Ländern eine Reihe von Groß-WP in Betrieb, die im Megawatt-Bereich arbeiten. Der Wärmepumpen-Einsatz in großen Gebäuden wird in Zukunft auch in Deutschland nicht mehr die Ausnahme sein.
Hydraulische Besonderheiten bei Kombination von WP, Pufferspeicher und solarthermischer Anlage
Das Ziel ist eine vernünftige Verbindung beider Systeme (WP und Solaranlage zur Heizungsunterstützung), ohne dass sie sich gegenseitig behindern und in der Wirkung beeinträchtigen. Während eine WP, wie auch die Fußbodenheizung (FBH), einen großen Volumenstrom mit kleiner Spreizung zwischen VL und RL (5 K) aufweist, arbeitet der an die Solaranlage angeschlossene Pufferspeicher genau umgekehrt bei geringen Volumenstrom und großer Spreizung. Die Solaranlage benötigt zur effizienten Energiegewinnung unbedingt niedrige RL-Temperaturen. Nur so kann sie im Winter einen nennenswerten Beitrag zur Heizungsunterstützung leisten. Die durch die Solaranlage gewonnene Wärme wird in einem Pufferspeicher so geschichtet, dass immer das heißeste Wasser oben und das kälteste unten gelagert wird. Auf diese Weise kommt es nicht zu einer Vermischung und es sind sowohl hohe (Trinkwassererwärmung) als auch niedrige Temperaturen (Heizungsunterstützung verfügbar.	In d. R. wird aber die Wärme der WP bei den meisten Lösungen auch im Pufferspeicher gelagert, was aber zu einer Zerstörung der sensiblen Temperaturschichtung führt. Es gilt also zu verhindern, dass die WP den durch ein Schichtenlademodul unterstützten Pufferspeicher derartig durchmischt, dass anschließend keine Solarnutzung mehr möglich ist. Es ist durch eine entsprechende Hydraulik zu gewährleisten, dass man eine hohe Solarnutzung und gleichzeitig lange WP-Laufzeiten erreichen kann. Dazu werden nur von wenigen WP-Herstellern optimale Lösungen angeboten. Das interessante nachfolgend vorgestellte Beispiel passt die Hydraulik einfach und genial an die Erfordernisse an und lässt sich unabhängig vom gewählten WP-Hersteller oder Systemanbieter einsetzen. Quelle: Heizungsjournal 1.3.2007, Objektbericht Fa. Freß
Lösungsbeispiel
1. Trennung der Systeme
WP und Solaranlage müssen hydraulisch klar voneinander getrennt werden. Der große Pufferspeicher wird vollständig der Solarnutzung zur Verfügung gestellt. Lediglich die obere heiße Zone dient zur Trinkwassererwärmung mittels einer Frischwasserstation.	Für die WP wird die Fußbodenheizung als thermisch träge Masse zum Puffer verwendet. Die witterungsgeführte Regelung wird auf dem Rücklauf (RL) vom Gebäude gelegt, was zu deutlich längeren Laufzeiten der WP führt. Die WP läuft dabei immer so lange, bis es im RL zu einem Temperaturanstieg kommt.
2. Aufgabenteilung
Neben der Trennung beider Systeme ist zu gewährleisten, dass es zu keinen Störungen innerhalb der Aufgabenteilung kommt Damit sich die WP nicht einschaltet, solange noch ausreichend Solarwärme im Puffer ist, muss die Heizkurve der Mischkreisregelung leicht höher eingestellt werden als die der WP. Sobald die WP anläuft, wird der Mischer voll geöffnet. Eine Relaisschaltung verhindert, dass sich der Mischer aufgrund der gestiegenen VL-Temperatur wieder schließt, was zu einer Volumenstromsenkung und damit zu einer Hochdruckabschaltung führen würde. Wenn die WP abschaltet, übernimmt wieder die Mischkreisregelung der Solaranlage die Mischersteuerung.	Der Mischer wird geschlossen, wodurch die Wärme aus dem Gebäudepuffer (FBH) nicht in den Solarpuffer gelangen kann. So kann die Solarwärme jederzeit auf niedrigsten Temperaturniveau gespeichert werden. Zusätzlich muss in den Energieregler eine Verzögerungsschaltung (Treppenhausrelais) eingebaut werden, damit nach der Warmwasserbereitung die Pumpe drei Minuten nachlaufen kann. In dieser Zeit kann der Mischer wieder öffnen, da der Energieregler unmittelbar nach der Phase der Warmwasserbereitung sonst immer versucht, die Anlage zwecks Startminimierung in den Heizbetrieb zu nehmen.
3. Schaltzentrale Mehrwege-Mischverteiler rendeMIX
Als Schaltzentrale und Vermittler zwischen Solarsystem und WP wird ein Mehrwege-Mischverteiler mit Ladeausgang der Fa. Baunach eingesetzt. Dieser besitzt drei Eingänge zum Pufferspeicher, wodurch eine optimale Zwei-Zonen-Entladung ermöglicht wird. Solange der mittlere Anschluss noch durch eine ausreichend hohe Temperatur versorgt wird, greift der Mischer nicht auf den oberen Eingang zu, in dessen Verbindung zum Puffer die WP sitzt. Sobald der Mischer zum oberen Eingang öffnet, schließt der untere Eingang und leitet so den gesamten RL der FBH in den unteren Teil des Puffers.	Ist auch der mittlere Teil des Puffers entladen, öffnet der Mischer voll und zieht jetzt den ganzen Volumenstrom der FBH durch die WP, die dann anlaufen kann. Durch die Relaisschaltung wird verhindert, dass die überhöhte VL-Temperatur zum Schließen des Mischers führt. Die WP läuft, bis im Fußboden-RL aus dem Gebäude ein Temperaturanstieg gemessen wird. Durch die darauf folgende Wiederfreigabe des Mischers schließt dieser und hält so die WP-Wärme im Gebäude. In de anschließenden Abkühlphase öffnet der Mischer wieder langsam, wobei er jede solare kWh verwertet, bevor er wieder vollständig öffnet und der Zyklus erneut beginnt.
Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.
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