Fr Waermepumpen

7/23/2019 Fr Waermepumpen

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Vitocal Mit Wrme aus der Natur

zukunftssicher heizen

Fachreihe

Wrmepumpen


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Wrmepumpen nutzen erneuerbare Energien aus der Umwelt.Die gespeicherte Sonnenwrmeim Erdreich, im Grundwasser undin der Luft wird mit Hilfe elektri-scher Energie in komfortable Heiz-wrme umgewandelt. VitocalWrmepumpen sind so effizient,dass sie ganzjhrig als einzigerWrmelieferant eingesetzt werdenknnen.


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Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung Seite 41.1 Marktentwicklung1.2 Wrmepumpen sind umweltfreundlich1.3 Einsatzgebiete von Wrmepumpen

2 Grundlagen Seite 62.1 Grundprinzip2.2 Bauarten2.2.1 Kompressions-Wrmepumpe2.2.2 Sorptions-Wrmepumpe2.2.3 Vuilleumier-Wrmepumpe2.3 Kennzahlen

3 Wrmepumpentechnik Seite 143.1 Komponenten von Elektro-Kompressions-Wrmepumpen3.1.1 Verdichter3.1.2 Wrmetauscher3.1.3 Sauggas-Wrmetauscher3.1.4 Regelung3.2 Wrmequellen3.2.1 Wrmequelle Erdreich3.2.2 Wrmequelle Wasser3.2.3 Wrmequelle Luft3.3 Khlen mit Kompressions-Wrmepumpen3.3.1 Umkehrbarer Betrieb3.3.2 Natural cooling

3.3.3 Khlung der Rume: Trgermedium Luft oder Wasser?3.4 Betriebsweisen von Wrmepumpen3.4.1 Monovalente Betriebsweise3.4.2 Monoenergetische Betriebsweise3.4.3 Bivalente Betriebsweise3.4.4 Pufferspeicher3.5 Trinkwasserbereitung

4 Einsatz von Wrmepumpen Seite 304.1 Wrmepumpen fr die Modernisierung4.1.1 EVI-Zyklus4.1.2 Vitocal 350 Erweiterter Einsatzbereich4.2 Wrmepumpen in Niedrigenergie- und Passivhusern

4.2.1 Niedrigenergiehuser4.2.2 Vitocal 3434.2.3 Vitocal 2004.2.4 Passivhuser4.2.5 Vitotres 3434.3 Wrmepumpen fr grere Gebude4.3.1 Wrmepumpen mit zwei Verdichtern4.3.2 Vitocal 300 fr groe Leistungen4.4 Bercksichtigung von Wrmepumpen in der EnEV4.4.1 Wrmequelleneinfluss auf die Anlagenaufwandszahl4.4.2 Dezentral elektrische Trinkwassererwrmung4.5 Wirtschaftlichkeit von Wrmepumpen4.6 Installation und Betrieb4.6.1 Auslegung

4.6.2 Zuschlag fr Trinkwassererwrmung4.7 Frderung

5 Zusammenfassung Seite 43


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1 Einleitung

Aufgrund des steigenden Umwelt-bewusstseins gewinnt die Nutzungregenerativer Energien zunehmendan Bedeutung. Im Rahmen dieserEntwicklung erlebt die Wrmepumpeeine Renaissance. Die technischenUnzulnglichkeiten, die den erstenBoom Anfang der 80er Jahre schnellwieder abflauen lieen, sind beho-ben. Heute stellt die Wrmepumpeein zuverlssiges, kostensparendes

und zukunftssicheres Heizsystemdar, das zudem besonders umwelt-schonend arbeitet.

Die vorliegende Fachreihe zeigtdie wesentlichen Grundlagen derWrmepumpentechnologie auf, stelltverschiedene technische Variantenvor und erlutert wichtige Aspekteder Anwendung.

1.1 Marktentwicklung

In der Schweiz wird bereits heutejeder dritte Neubau mit einer Elektro-Wrmepumpe ausgestattet, inSchweden besitzen sogar 7 von10 Neubauten eine Wrmepumpe.Auch die Zuwachsraten fr dendeutschen Markt sind, wie Bild 1zeigt, betrchtlich.

Der Schwerpunkt der Neuanlagenliegt auf Sole/Wasser-Wrmepumpen(Bild 2), die die Wrme aus dem Erd-reich gewinnen, da so auch in derkalten Jahreszeit ein monovalenter

Betrieb ohne zustzlichen Wrme-erzeuger mglich ist.

Es ist allerdings auch ein Trend zuLuft/Wasser-Wrmepumpen (Bild 3)festzustellen, da diese mit wenigerAufwand und kostengnstig instal-liert werden knnen. In der Schweizbetrgt der Anteil dieses Typs bereits60% der neu installierten Anlagen.

1 Einleitung

96 97 98 99 00 010

2

4

6

8

10

12

Heizungs-Wrmepumpen

[inTausend/a]

Erde Wasser Luft

Jahr

02 03 04 05

14

16

18

20

Bild 1: In Deutschland jhrlich neu installierte Wrmepumpen(Quelle: Initiativkreis WrmePumpe (IWP) e.V.)

Bild 2: Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wrmepumpe Vitocal 300


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Einleitung

1.2 Wrmepumpen sind umwelt-freundlich

Die Reichweite der fossilen Brenn-stoffe Gas und l ist zeitlich be-grenzt. Diese Tatsache dringt immermehr in das Bewusstsein der Men-schen und damit wachsen die Be-strebungen, regenerative Energienzur Bereitstellung von Wrme einzu-setzen.

Auch politisch werden vielerlei

Anstrengungen unternommen,ressourcenschonend mit den fossilenEnergietrgern umzugehen. Nebender Endlichkeit der Vorrte spieltdabei auch der Klimaschutz einewichtige Rolle. Denn die Emissions-minderung von CO2 und anderenKlimagasen muss dringend durch-gesetzt werden, wenn die drohendeGefahr von Klimavernderungengebannt werden soll.

All dies sind Argumente, die fr denEinsatz regenerativer Energien spre-

chen. Die Wrmepumpe ist eine be-sonders energieeffiziente Lsung,um Wrme fr Heizung und Trink-wassererwrmung bereitzustellen.

1.3 Einsatzgebiete von Wrme-pumpen

Wrmepumpen eignen sich fr dieWrmeversorgung aller Gebude-arten: Ein- und Mehrfamilienwohn-huser, Hotels, Krankenhuser,Schulen, Brogebude und Indus-

triebauten, sowohl im Neubau alsauch bei der Modernisierung imGebudebestand. Zur Erfllung derAnforderungen, die an Passivhusergestellt werden, fhrt fr diesenHaustyp kaum ein Weg an derWrmepumpe vorbei. Wie bei denherkmmlichen Wrmeerzeugernauch, gibt es Wrmepumpen frfast alle Anwendungsflle (Tabelle 1).

Tabelle 1: Auswahltabelle

Heizen Khlen ZustzlichLften

Passivhaus

Niedrigenergiehaus

Mehrfamilienhaus

Bestand 1)

Gewerbebau

Prozesswrmenutzung

Nahwrmenetze

1) hhere Vorlauftemperaturen

Bild 3: Luft/Wasser-Wrmepumpe Vitocal 300


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Antriebsenergie(Strom)

Umweltwrme(Erdreich, Wasser, Luft)

Heizwrme

Bild 4: Prinzip der Wrmepumpe

2.1 Grundprinzip

Unabhngig von ihrer jeweiligenBauart kann eine Wrmepumpe alsein Gert betrachtet werden, bei demein geeignetes Arbeitsmittel unterAufnahme von Umweltenergie ver-dampft wird. Durch Zufuhr von Zu-satzenergie wird das Arbeitsmittelkomprimiert und auf ein zu Heiz-zwecken nutzbares Temperaturniveaugebracht (Bild 4).

Die Art und Weise, wie dies ge-schieht, ist je nach Ausfhrung derWrmepumpe unterschiedlich.Bei den derzeit in der Heizungs-technik zur Anwendung kommendenWrmepumpen wird jedoch immerein geeignetes Arbeitsmediumverdichtet und wieder entspannt,so dass der gewnschte Wechselvon Wrmeaufnahme und -abgabeeintritt (Bild 5).

2.2 Bauarten

Nach ihrer Bauart bzw. ihremArbeitsprinzip knnen Wrme-pumpen unterteilt werden in:

Kompressions-Wrmepumpen Sorptions-Wrmepumpen

(unterteilt in Absorptions- undAdsorptions-Wrmepumpen)

Vuilleumier-Wrmepumpen

Darber hinaus existieren nochweitere technische Lsungen, wiez. B. die thermoelektrische Wrme-

pumpe. Voraussichtlich werdendiese aber auf absehbare Zeit frdie Beheizung von Gebuden bzw.zur Trinkwassererwrmung keineBedeutung haben.

2 Grundlagen

Bild 5: Wrmepumpenkreislauf

Verdampfer

Verflssiger

Scroll-VerdichterExpansionsventil

Umwelt-wrme

Heiz-wrme


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Grundlagen

Sekundrseite

Verflssiger (3)

Wrmezufuhr(Umwelt)

Expansions-ventil (4) Verdichter (2)

Verdampfer (1)

Primrseite

Wrmeabgabe(an das Heizsystem)

2.2.1 Kompressions-Wrmepumpe

Kompressions-Wrmepumpen gel-ten als Stand der Technik und sinddeshalb am weitesten verbreitet. IhreArbeitsweise entspricht der von b-lichen Khlschrnken nur mit ver-nderter Zielvorgabe (Heizen stattKhlen).

Elektro-Kompressions-Wrmepumpe

Bei der Wrmeaufnahme aus derUmwelt befindet sich das flssigeArbeitsmedium (Kltemittel) bei ge-ringem Druck auf der Primrseite(kalte Seite) im Verdampfer (1).Das auen am Verdampfer anstehen-de Temperaturniveau der Umwelt-wrme ist hher als die dem Druckentsprechende Siedetemperaturdes Arbeitsmediums, so dass dasArbeitsmedium verdampft und derUmgebung dabei Wrme entzieht.Das Temperaturniveau kann dabeidurchaus unterhalb von 0C liegen.

Der Verdichter (2) saugt das ver-dampfte Arbeitsmedium aus demVerdampfer ab und verdichtet es,dabei steigen Druck und Temperaturdes Dampfes (analog einer Fahrrad-luftpumpe beim Druckaufbau).

Vom Verdichter gelangt das dampf-frmige Arbeitsmedium auf derSekundrseite (warme Seite (Heiz-system)) in den Verflssiger (3), dervom Heizwasser umsplt ist.Die Temperatur des Heizwassers istniedriger als die Kondensationstem-

peratur des Arbeitsmediums, so dassder Dampf abgekhlt und dabei wie-der verflssigt wird. Die im Verdamp-fer aufgenommene Wrme sowie diezustzlich durch das Verdichten zuge-fhrte Energie werden dabei an dasHeizwasser abgegeben.

Danach wird das Arbeitsmedium

ber ein Expansionsventil (4) inden Verdampfer zurckgefhrt.Dabei wird es vom hohen Druckdes Kondensators auf den niedrigenDruck des Verdampfers entspanntund khlt ab. Der Kreislauf ist ge-schlossen.

Bild 6: Funktionsschema einer Wrmepumpe(Animierte Funktionsweise des Prozesses unter www.viessmann.de/waermepumpen)


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Grundlagen


Verflssiger

Wrmezufuhr

(Umwelt)

Verdichter

Expansions-ventil

Verdampfer

berhitzungSauggas-Wrmetauscher

Bild 8: Sole/Wasser-Wrmepumpe Vitocal 300

Bild 7: Wrmepumpe mit Sauggas-Wrmetauscher zur berhitzung des Kltemittels(Animierte Funktionsweise des Prozesses unter www.viessmann.de/waermepumpen)

Bestimmte Kltemittel z. B. R 407Csind Drei-Stoff-Gemische. Jeder Stoffhat dabei seine eigene Verdampfungs-temperatur. Durch den Einsatz einesSauggas-Wrmetauschers wird eine100%-ige Verdampfung jedes Teil-stoffes garantiert. Damit werdenFlssigkeitseintrge in den Verdichtervermieden und die Leistungszahl desKltekreislaufes verbessert.

Das Prinzip beruht darauf, dass einTeil der im Arbeitsmedium hinter

dem Verflssiger noch enthaltenenWrme ber einen zustzlichenWrmetauscher auf die Dampfseite(vor dem Verdichter) bertragen wird.Dadurch werden auch die restlichenFlssigkeitstropfen verdampft. DieseWrmebertragung fhrt auf der kal-ten Seite zu einer Druckerhhung undauf der warmen Seite zu einer Druck-minderung. Die Absenkung des Dif-ferenzdruckes zwischen beiden Seitenhat zur Folge, dass eine geringereVerdichterarbeit aufgebracht werdenmuss. Der Stromverbrauch sinkt und

die Leistungszahl der Wrmepumpesteigt um bis zu 5% (Bild 7).


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Grundlagen

Moderne mit Strom betriebeneWrmepumpen beziehen etwa dreiViertel der zum Heizen erforderlichenWrme aus der Umwelt, das rest-liche Viertel wird als Strom fr denAntrieb des Verdichters bezogen.Da diese elektrische Energie letztlichauch in Wrme umgewandelt wird,kann sie fr Heizzwecke genutztwerden. Aus dem Verhltnis vonabgegebener Heizwrme (einschlie-lich der aus der Stromzufuhr ent-standenen Wrme des Verdichters)

zur eingesetzten Energie (Strombe-zug) ergibt sich die Leistungszahl(in diesem Fall (3 + 1) / 1 = 4), die dieEffektivitt der Wrmepumpe be-schreibt (Bild 9).

Bei Verwendung von regenerativerzeugtem Strom, den Energiever-sorger teilweise speziell fr Wrme-pumpen anbieten, kann die Heiz-wrme vollstndig regenerativerzeugt werden.

In diesem Fall stellt die Wrmepum-

pe neben der Solartechnik das einzi-ge Heizsystem dar, das eine CO2-freieErzeugung von Wrme ermglicht.

Wrmeleistung ausder Umwelt: 3 kW

Aufgewendeteelektrische Leistung:1 kW

AbgegebeneHeizleistung: 4 kW

Bild 9: Ableitung der Leistungszahl

abgegebene Heizleistung 4 kWLeistungszahl = = = 4

aufgewendete elektrische Leistung 1 kW

Leistungszahl = Herstellerangabe, Laborwert nach DIN EN 14511Jahres-Arbeitszahl = Verhltnis der gewonnenen Wrme ber ein Jahr zur

aufgewendeten Energie


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10

Grundlagen

Bild 10: Der Kreisprozess einer herkmmlichen Luft/Wasser-Wrmepumpe im lg p-h-Diagramm(vereinfachte Darstellung fr 10 C Auenlufttemperatur (Lufteintritt) und 45 C Vorlauftemperatur)

1

2

3

45

10

20

30

4050

50 300

40C

30C

20C

10C

0C

10C

20C

30C

50C 6

0C

70C

80

C

100C

120C

140C

100 150 200 250 350 400 450

Flssig

DampfberhitzterDampf

4

Enthalpie h [kJ/kg]

Druckpa

bsolut[bar]

40C

Verdampfung

Verdichtu

ng

Expansion

Verflssigung 3

21

Bild 11: Leistungsdiagramm Vitocal 300, Typ BW 110

Heizleistung

Klteleistung

ElektrischeLeistungs-aufnahme

Leistung[kW]

Soletemperatur [C] 5 0 5 10 15

0

2,4

5

8,4

10

10,8

15

THV= 35C

THV= 45C

THV= 55C

THV= 35C

THV= 45C

THV= 55C

THV= 55C

THV= 45C

THV= 35C

lg p-h-Diagramm fr Wrmepumpen

Temperaturen und Drcke einesKreisprozesses werden blicher-weise in einem lg p-h-Diagrammdargestellt. Fr den Basis-Wrme-pumpenprozess lassen sich die ein-zelnen Arbeitsgnge Verdampfung(1 - 2), Verdichtung (2 - 3), Verflssi-gung (3 - 4) und Expansion (4 - 1) als Strecken ablesen (Bild 10).

Auerdem kann die Leistungszahl

ermittelt werden: Sie gibt das Ver-hltnis von momentan abgegebenerWrmeleistung zur aufgenommenenelektrischen Leistung an. Der ber-wiegende Teil der Wrmebertra-gung auf das Heizsystem findet imrot eingefassten Dampfbereich desArbeitsmediums statt (Bild 10). Da-mit liegt im gezeigten Beispiel dasmaximale Temperaturniveau beietwa 45 C, gltig fr 10 C Luftein-trittstemperatur. Theoretisch hhereTemperaturen wren dann erreich-bar, wenn das Kltemittel hher ver-

dichtet wird (Verlngerung des Pro-zessschrittes 2 - 3 ber den Punkt 3hinaus) (siehe 3.1.3).

Leistungsdiagramm

Die Leistungsdiagramme geben denZusammenhang zwischen Heiz-,Klte- und elektrischer Leistungeinerseits und den Temperaturbe-dingungen (Eintrittstemperatur desQuellmediums und Heizungs-

Vorlauftemperatur anderseits) wie-der. Im Beispiel in Bild 11 hat eineWrmepumpe bei den TemperaturenB 0/W 35 (B 0 = Soleeintrittstempe-ratur von 0 C, W 35 = Heizwasser-austrittstemperatur von 35 C) eineKlteleistung von QK = 8,4 kW.Die elektrische Leistungsaufnahmeliegt bei 2,4 kW, so dass sich als Heiz-leistung die Summe von 10,8 kWergibt. Aus diesen Diagrammen kannsomit fr unterschiedliche Vorlauf-temperaturen die von der Wrme-pumpe zur Verfgung gestellte Heiz-

leistung und die an der Wrmequelleerforderliche Klteleistung ermitteltwerden.


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Grundlagen

Gasmotorische-Kompressions-

Wrmepumpe

Grundstzlich knnen Kompressions-Wrmepumpen auch mit Erdgas,Dieselkraftstoff oder Biomasse(Rapsl, Biogas) betrieben werden.Zum Antrieb des Verdichters wirddann ein Verbrennungsmotor ver-wendet. Zustzlich zu dem Aufwand,der zur Schalldmmung eines Ver-brennungsmotors sowie fr die Ab-gasfhrung betrieben werden muss,

ist in diesem Fall auch eine Versor-gung mit Kraftstoff notwendig.

Bei Gas-Kompressions-Wrme-pumpen ist die Ausnutzung derPrimrenergie gnstiger als beiElektro-Wrmepumpen, da die Ab-wrme des Verbrennungsprozessesals Heizwrme genutzt werden kann,whrend sie im Strom erzeugendenKraftwerk in der Regel ungenutzt andie Umgebung abgegeben wird.

2.2.2 Sorptions-Wrmepumpe

Unter Sorption versteht man physi-kalisch-chemische Vorgnge, beidenen entweder eine Flssigkeit oderein Gas von einer anderen Flssig-keit aufgenommen (Absorption)oder aber an der Oberflche einesFestkrpers festgehalten wird(Adsorption). Diese Vorgnge kom-men unter bestimmten Bedingungendurch physikalische Einwirkungen(Druck, Temperatur) zustande undknnen rckgngig gemacht werden.

Aus dem Alltag bekannte Vorgngedieser Art sind z. B.:

Im Mineralwasser absorbierte(gelste) Kohlensure, die beimffnen der Flasche (Verringerungdes Drucks) wieder frei wird.

Die Filterung von Gerchen undSchadstoffen aus der Atemluftdurch Aktivkohle (Adsorption).

Wrmezufuhr

Absorber

6

Verdampfer

Expansions-ventil

ThermischerVerdichter


Verflssiger

Austreiber


Wrmezufuhr(Umwelt)

5

4

3

2

1

7

Lsungs-

mittel-pumpe

Expansions-ventil

Bild 12: Schema einer Absorptions-Wrmepumpe

Absorptions-Wrmepumpe

Absorptions-Wrmepumpen werdenblicherweise mit Erdgas betrieben,wobei statt eines mechanischen einthermischer Verdichter eingesetztwird. Sie nutzen prinzipiell die glei-chen physikalischen Grundlagenwie Kompressions-Wrmepumpen.

Im Gegensatz zu Kompressions-Wrmepumpe wird anstelle des

mechanischen Verdichters ein ther-mischer Verdichter benutzt. Dabeiwird ein schon bei niedrigen Tempe-raturen siedendes Kltemittel wiez. B. Ammoniak verwendet und wieim Bild 12 unter (1) dargestellt aufniedrigem Temperatur- und Druck-niveau unter Aufnahme von Umwelt-energie verdampft.

Der Kltemitteldampf strmt in denAbsorber (2), wo er von einemLsungsmittel, z. B. Wasser, unterAbgabe der Lsungswrme absor-biert bzw. gelst wird. Die entstehen-de Wrme wird ber einen Wrme-

tauscher in das Heiznetz eingekop-pelt. ber die Lsungsmittelpumpe(3) wird die Lsung des Stoffpaareszum thermischen Verdichter (4)transportiert. Das Stoffpaar zeichnetsich hierbei durch unterschiedlicheSiedetemperaturen aus, d. h. durchWrmezufuhr z. B. ber einen Gas-brenner wird das gelste Kltemittel,welches ber die geringere Siede-temperatur der beiden Stoffe verfgt,wieder ausgetrieben bzw. verdampft.

Der auf hohem Druck- und Tempera-turniveau stehende Kltemitteldampfstrmt in den Verflssiger (5) undwird unter Abgabe der Kondensati-onswrme verflssigt. Die Konden-sationswrme wird dabei auf dasHeiznetz bertragen. Das flssigeKltemittel wird ber das Expan-sionsventil (6) entspannt und aufdas ursprngliche Druck- und Tem-peraturniveau gebracht.

Im Verdichterkreis wird analogdazu mit dem Lsungsmittel ver-fahren (7).


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Grundlagen

Der Energieaufwand (Strom) fr dieLsungsmittelpumpe ist sehr gering.Die Energie fr den thermischenVerdichter wird in Form von Wrme(Gasverbrennung) zugefhrt. NebenErdgasbrennern knnen auch andereWrmeerzeuger eingesetzt werden.

Der Vorteil der Absorptions-Wrme-pumpe liegt in einer guten Primr-energieausnutzung sowie in derTatsache, dass auer der Lsungs-mittelpumpe keine beweglichen

Teile notwendig sind.

Absorptions-Aggregate groer Leis-tung (grer als 50 kW) sind alsKltemaschinen Stand der Technik.Kleinere Leistungen bis etwa 2 kWfindet man zum Beispiel in propan-gasbetriebenen Camping-Khl-schrnken. Als Arbeitsmedium wirdein so genanntes Arbeitsstoffpaarbentigt. blich sind Wasser alsLsungsmittel und Ammoniak alsKltemittel. Fr den Einsatz alsHeizwrmeerzeuger im mittleren

Leistungsbereich bestehen nochkeine serientauglichen Lsungen.

Adsorptions-Wrmepumpe

Die Adsorptions-Wrmepumpearbeitet mit Feststoffen, wie z. B.Aktivkohle, Silicagel (glasartigeSilikate) oder Zeolith. Das MineralZeolith frei bersetzt als siedenderStein bezeichnet hat die Eigen-schaft, Wasserdampf anzusaugen,an sich zu binden (zu adsorbieren)

und dabei Wrme im Temperatur-bereich bis ca. 300 C abzugeben.Man spricht von einer exothermenReaktion.

Wie bei den bisher beschriebenenWrmepumpen ist der Vorgang vonWrmeaufnahme und Wrmeabgabeauch in der Adsorptions-Wrme-pumpe ein Kreisprozess, die Be-triebsweise ist jedoch periodisch.Eine mgliche Ausfhrung dieserBauart zeigt Bild 13. Voraussetzungfr Adsorptions-Wrmepumpendieser Bauart ist ein Vakuumsystem.

Bild 13: Funktionsweise einer Adsorptions-Wrmepumpe

1. Phase (Desorption)Wrmezufuhr


2. Phase (Adsorption)Wrmeabgabe

Gasbrenner2

Wrmetauschermit Zeolith

1

Dampf

Wrmetauscher(als Verdampfer)

3


Wrmezufuhr(Umwelt)

Gasbrenner2

Wrmetauschermit Zeolith

1

Dampf

Wrmetauscher(als Verflssiger)

3

mittel Wasser unter Aufnahme vonUmweltwrme verdampft. DerWasserdampf strmt zum Wrme-tauscher (1) zurck und wird dortwieder vom Silicagel oder Zeolithaufgenommen (adsorbiert). Diedabei vom Silicagel oder Zeolithabgegebene Wrme gelangt berden Wrmetauscher (1) in das Heiz-system. Wenn der Wasserdampfvollstndig adsorbiert ist, ist einekomplette Periode dieses Wrme-

pumpenprozesses abgeschlossen.

Die Adsorptions-Wrmepumpe frdie Beheizung von Ein- und Zwei-familienwohnhusern befindet sichderzeit in der Entwicklung. Der appa-rative Aufwand ist vergleichsweisegro, da Vakuumtechnik eingesetztwerden muss.

Wie die zuvor beschriebene Absorp-tions-Wrmepumpe kommt aberauch diese Bauart schon seit lnge-rer Zeit als Kltemaschine groerLeistung zum Einsatz.

In der ersten Phase (der so genann-ten Desorptionsphase) wird dem mitSilicagel oder Zeolith beschichtetenWrmetauscher (1) z. B. mit einemGasbrenner (2) Wrme zugefhrt.Dabei wird das in diesem Feststoffgebundene Wasser als Dampf frei-gesetzt, der zum zweiten Wrme-tauscher (3) strmt. Dieser Wrme-tauscher hat eine Doppelfunktion:In der ersten Phase gibt er die Wr-me, die nun bei der Kondensation

des Dampfes frei wird, an das Heiz-system ab. Diese erste Phase ist be-endet, wenn im Zeolith kein Wassermehr enthalten, ein gewnschterTrocknungsgrad erreicht, und dasWasser am zweiten Wrmetauscherkondensiert ist. Der Brenner wirdnun ausgeschaltet.

Die zweite Phase beginnt damit, dassder Wrmetauscher (3) nun als Ver-dampfer wirkt, indem er dem WasserUmweltwrme zufhrt. Da in dieserPhase Drcke von ca. 6 mbar absolutim System herrschen, wird das Klte-


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Grundlagen

2.2.3 Vuilleumier-Wrmepumpe

Ebenfalls mit Erdgas betrieben wirddie so genannte Vuilleumier-Wrme-pumpe (Bild 14). Diese Wrmepum-pe arbeitet nach dem Prinzip einesthermisch angetriebenen regenerati-ven Gas-Kreisprozesses hnlich demStirling-Prozess. Als Arbeitsmediumwird das umweltneutrale InertgasHelium eingesetzt.

Der Vuilleumier-Prozess beruht auf

einem Patent, das 1918 in Amerikaan Rudolph Vuilleumier erteilt wurde.Die Besonderheit des Prozesses be-ruht darauf, dass zwei Wrmequellenmit unterschiedlichem Temperatur-niveau genutzt werden knnen.Der Antrieb des Kreisprozesseserfolgt ber einen Gasbrenner, alszweite Wrmequelle wird ber einenWrmetauscher beispielsweise dieWrme der Auenluft erschlossen.Selbst bei Auentemperaturen vonminus 20 C sind Vorlauftemperatu-ren von 75 C erreichbar. Somit kann

die Vuilleumier-Wrmepumpe imGebudebestand eingesetzt werden.Je nach Systembedingungen sind anVersuchsanlagen Norm-Leistungs-zahlen (vergleichbar dem Norm-Nutzungsgrad bei Heizkesseln) biszu 162% gemessen worden.

Systeme, die sich derzeit in der Ent-wicklung befinden, zeigen, dass ge-genber der Gas-BrennwerttechnikPrimrenergieeinsparungen bis zu44 % realisierbar sind. Prinzipiellknnen Vuilleumier-Wrmepumpen

fr einen Leistungsbereich von 15bis etwa 45 kW thermischer Leistungentwickelt werden, Prototypen zurLaborerprobung wurden bereits biszu einer Leistung von 33 kW gebaut.

Sofern die wirtschaftlichen Rahmen-bedingungen stimmen, knnte dieWeiterentwicklung bis zur Serien-produktion innerhalb von wenigenJahren abgeschlossen werden.Energetisch stellt die Vuilleumier-Wrmepumpe im Vergleich mitAbsorptions- und Kompressions-Wrmepumpe die gnstigste Alter-native dar.

Bild 14: Prinzip einer Vuilleumier-Wrmepumpe

Verdrngerkolben

Verdrngerkolben

KalterRegenerator

WarmerRegenerator

WarmesArbeitsgasvolumen

KaltesArbeitsgasvolumen

Wrmezufuhr(Umwelt)

HeiesArbeitsgasvolumen

Wrmeabgabe an

das Heizsystem

Wrmezufuhr(Gasbrenner)

Vh, Th

Vw, Tw

Vk, Tk

2

1

2.3 Kennzahlen

Um eine Wrmepumpe bzw. einekomplette Wrmepumpenanlagebeurteilen zu knnen, wurden Kenn-zahlen eingefhrt, die fr Kompres-sions-Wrmepumpen in der DIN EN14511 genau definiert sind.

Die wichtigsten Kennzahlen frelektrisch betriebene Kompressions-Wrmepumpen sind die Leistungs-

zahl und die Jahresarbeitszahl.

Die Leistungszahl beschreibt dasVerhltnis der Heizleistung in Bezugzur eingesetzten Antriebsleistung(siehe auch Bild 9). Eine Leistungs-zahl von 4 bedeutet also, dass dasVierfache der eingesetzten elektri-schen Energie als Wrme abgegebenwird.

Die Leistungszahl ist ein Wert, der ineinem stationren Betriebszustandbei festgelegten Einsatzbedingungen(Betriebspunkt) gemessen wird. BeiSole/Wasser-Wrmepumpen bei-spielsweise bedeutet BetriebspunktB0/W35: Soleeintrittstemperatur 0 C,Heizwasseraustrittstemperatur 35 C.

Fr alle Wrmepumpen gilt: Je ge-ringer die Temperaturdifferenz zwi-schen Heizwasser und Wrmequelleist, desto besser ist die Leistungszahlund damit die Effizienz. Daher eignensich Wrmepumpen besonders frHeizsysteme mit niedrigen System-temperaturen, wie zum Beispiel Fu-bodenheizungen.

Moderne Elektro-Wrmepumpenerreichen je nach gewhlter Wrme-

quelle und HeizsystemtemperaturLeistungszahlen von 3,5 bis 5,5. Dasbedeutet, dass pro kWh eingesetz-tem Strom 3,5 bis 5,5 kWh Heiz-wrme erzeugt werden. Damit wirdder kologische Nachteil, der durchden Einsatz von Strom entsteht(Kraftwerkswirkungsgrad in Deutsch-land derzeit ca. 34%), mehr als kom-pensiert. Die Jahres-Arbeitszahl istein Messwert, der an einer komplet-ten Wrmepumpenanlage ber einenZeitraum von einem Jahr ermitteltwird. Sie drckt das Verhltnis vonabgegebener Nutzwrme zu einge-setzter Antriebsenergie, einschlie-lich des Stromanteils fr Umwlz-pumpen, elektronische Regelungusw., aus.


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3.1 Komponenten von Elektro-Kompressions-Wrmepumpen

Moderne Elektro-Wrmepumpenstellen heute kompakte Einheitendar und sind technisch und optischnicht mehr mit der Wrmepumpen-generationen der 80er Jahre zu ver-gleichen.

3.1.1 Verdichter

Das Herzstck einer Wrmepumpeist der Verdichter, der fr die Anhe-bung des Temperaturniveaus vonder kalten Seite (Wrmequelle) zurwarmen Seite (Heizkreis) sorgt(Bild 15).

Moderne vollhermetische Scroll-Verdichter fr Elektro-Wrmepum-pen unterscheiden sich von Hubkol-benverdichtern, die frher eingesetztwurden, durch Langlebigkeit undhohe Laufruhe. Sie gelten heute alsIndustriestandard in Europa, Japan

und den USA und sind bereits ber12 Mio. mal erfolgreich im Einsatz.Durch die hermetische Abdichtungdes Verdichters wird ein wartungs-freier Betrieb ber viele Jahre sicher-gestellt (Bild 16).

Die Verdichtung des Arbeitsmediumserfolgt ber einen Spiralverdichter(Scroll), bei dem zwei archimedischeSpiralen genutzt werden. Durch denexzentrischen Antrieb der einenSpirale werden jeweils zwei gegen-berliegende halbmondfrmige

Volumen eingeschlossen und vonauen nach innen bewegt, wobeisich das eingeschlossene Volumenverkleinert. Die bewegten Massensind auf wenige Teile reduziert, diesefhren eine rotatorische Bewegungaus. Durch die Anordnung und dasVermeiden oszillierender Massenwerden Vibrationen minimiert.

Auf Dichtungselemente an denSpiralspitzen kann aufgrund derhochprzisen Fertigung verzichtetwerden, die Gasdichtigkeit der ein-zelnen eingeschlossenen Volumen-elemente gegeneinander wird durcheinen lfilm sichergestellt.

Bild 15: Scroll-Verdichter

3 Wrmepumpentechnik

Bild 16: Scroll-Spiralenpaar

Im Vergleich mit konventionellenHubkolbenverdichtern wird eineSchallreduzierung um etwa 6 dB(A)erreicht, was einer Reduzierung desempfundenen Gerusches auf einViertel entspricht.

Als Kltemittel innerhalb des Wr-mepumpenkreises werden heute inder Regel R 407 C, R 410 A, R 404 Aund R 134 A eingesetzt, die FCKW-und H-FCKW-frei, ungiftig, biologisch

abbaubar und nicht brennbar sind.


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Wrmepumpentechnik

3.1.2 Wrmetauscher

Bei Wrmepumpen werden fr Ver-dampfer (Ausnahme: Luft/Wasser-Wrmepumpe) und Kondensator vor-nehmlich Edelstahl-Plattenwrme-tauscher eingesetzt.

Im Gegensatz zu Rohrbndel-Wrme-tauschern weisen Edelstahl-Platten-wrmetauscher kein laminares, son-dern ein turbulentes Strmungsbildauf. Dieses fhrt zu einem besseren

Wrmebertragungsverhalten.Auerdem ist der Aufbau sehr kom-pakt und damit platzsparend.

3.1.3 Sauggas-Wrmetauscher

In der Praxis wird je nach Arbeits-medium eine berhitzung desArbeitsmediums vor Eintritt in denVerdichter vorgenommen (sieheauch 2.2.1.1). Das Kltemittel hat,wenn es aus dem Verflssigerkommt, eine hhere Temperatur als

nach dem Verdampfer. Im Sauggas-Wrmetauscher wird ein Teil dieserWrme zur berhitzung des aus demVerdampfer kommenden Kltemittelsgenutzt. Dadurch werden auch dierestlichen Flssigkeitstropfen ver-dampft. Wrmepumpen Vitocal 300verfgen ber einen Sauggas-Wrmetauscher (Bild 18).

Aus einem lg p-h-Diagrammlassen sich die einzelnen Arbeits-gnge Verdampfung (1 - 2), ber-hitzung (2 - 3), Verdichtung (3 - 4),

Verflssigung (4 - 5) und Expansion(5 - 1) als Strecken ablesen(Bild 17).

Fr das Beispiel ergibt sich ein Anteilan Umweltenergie von 64% gegen-ber einer Stromaufnahme von 36%.Auerdem kann, wie beschrieben,die Leistungszahl ermittelt werden:Sie gibt das Verhltnis von momen-tan abgegebener Wrmeleistung zuraufgenommenen elektrischen Leis-tung an.

1

2

3

45

10

20

30

4050

50 300

Enthalpie h [kJ/kg]

Druckpab

solut[bar]

40C

30C

20C

10C

0C

10C

20C

30C

40C

50C 6

0C

70C

80C

100C

120C

140C

100 150 200 250 350 400 450

Flssig

Dampf berhitzterDampf

1 2

45

Elektrische Energiefr Verdichterantrieb (36%)

Verdampfung

Verdichtu

ng

Expansion

Verflssigung

3

einstufige Wrmepumpe,

Typ AW: A 15C / W 45C

1 2 Verdampfung

2 3 berhitzung3 4 Verdichtung

4 5 Verflssigung

5 1 Expansion

Verdampfungswrmeaus der Umwelt (64%)

Bild 18: Sauggas-Wrmetauscher in derWrmepumpe Vitocal 300

Bild 17: lg p-h-Diagramm fr Zwischen-Wrmetauscher

Magnetventil

Filtertrockner

Sauggas-Wrmetauscher

Schauglas


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Wrmepumpentechnik

3.1.4 Regelung

Neben den aus der Heizungstechnikbekannten Funktionen wie Witte-rungsfhrung, Heizkurvenauswahl,Timerfunktionen fr Absenk- undFerienbetrieb etc. werden heutewrmepumpenspezifische Betriebs-und Fehlermeldungen in Klartextangeboten. Groe grafikfhigeDisplays, hinterlegte Hilfemens,mengesteuerte Bedienerfhrungenund BUS-Ankopplungen zeichnen

bedienungsfreundliche Regelungenaus. Neueste Regelungen besitzenauch die Funktionen zur Integrationvon Sonnenkollektoren und fr dasNatural cooling (Bild 19), sowie dieMglichkeit komplette Anlagensche-men grafisch darzustellen.

3.2 Wrmequellen

Fr die Nutzung der Umgebungs-wrme stehen die WrmequellenErdreich, Grund- und Oberflchen-

wasser, Umgebungsluft oder Ab-wrme zur Verfgung (Bild 20). Dieim Einzelfall am besten geeigneteWrmequelle hngt ab von den rt-lichen Gegebenheiten, der Lage desGebudes und dem Wrmebedarf.

Allgemein gilt: Je geringer der Tem-peraturunterschied (auch Tempe-raturhub genannt) zwischen Wrme-quelle und Heizsystem ist, destoweniger Antriebsenergie wird frden Verdichter bentigt, und destobesser ist die Leistungszahl.

Wrmequelle Luft:

Hervorragende Verfgbarkeit, ge-ringste Investitionskosten, in derRegel bivalent monoenergetischbetrieben (Elektro-Heizstab fr tiefeAuentemperaturen)

Wrmequelle Erdreich:

Grter Anteil bei neu installiertenAnlagen, monovalent betreibbar,hohe Effizienz

Wrmequelle Wasser:

Wichtig: Wasserqualitt beachten,besonders hohe Effizienz, mono-valent betreibbar

Wrmequelle Abwrme:

Abhngig von Verfgbarkeit, Mengeund Temperaturniveau der Abwrme,geringster Markanteil.

EffizienzVerfgbarkeit

Abwrme Grund-wasser

Erdwrme Luft

Bild 20: Wrmequellen fr Wrmepumpen

Bild 19: Witterungsgefhrte, digitale Wrmepumpen-Regelung CD 70


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Wrmepumpentechnik

Erdoberflche

Temperatur [C]

Tiefe[m]

0 5 10 15 200

5

10

15

18

10C

1. Mai

1. Feb. 1. Aug.

1. Nov.

Bild 21: Jahrestemperaturverlauf im Erdreich

Bad/WCWohnzimmer

Keller

Speicher-Wassererwrmer

Vitocal 300

Bild 22: Vitocal 300 entzieht dem Erdboden Wrme mit Hilfe von Erdkollektoren

3.2.1 Wrmequelle Erdreich

Das Erdreich ist ein guter Wrme-speicher, da die Temperaturen darinber das ganze Jahr mit 7 bis 13 C(in 2 m Tiefe) relativ gleichmigsind (Bild 21).ber horizontal verlegte Erdkollek-toren (Bild 22) oder ber vertikal indie Erde eingebrachte Erdsondenwird die gespeicherte Wrme miteinem Gemisch aus Wasser undFrostschutzmittel (Sole) zum Ver-

dampfer der so genannten Sole/Wasser-Wrmepumpe (Sole im Pri-mrkreislauf, Wasser im Sekundr-(Heizungs-)kreislauf) gefrdert.

Der Wrmeentzug aus dem Erdreicherfolgt ber groflchig verlegteKunststoffrohrsysteme im Erdreich.Unter der Wrmequelle Erdreichversteht man die oberste Erdschichtbis zu einer Tiefe von ca. 5 m. DieGewinnung der Wrme erfolgt bereinen Wrmetauscher, der in einerunbebauten Flche in der Nhe des

zu beheizenden Gebudes verlegtwird. Die aus tieferen Schichten nachoben strmende Wrme betrgt nur0,063 bis 0,1 W/m2 und kann alsWrmequelle fr die oberen Schich-ten vernachlssigt werden. Der Erd-reichkollektor wird durch Sonnen-einstrahlung, Regen, Tauwasser etc.regeneriert bzw. nutzt die Energieaus diesen Umwelteinflssen.

Die Kunststoffrohre (PE) werden imErdreich in einer Tiefe von 1,2 bis1,5 m verlegt. Die einzelnen Rohr-

strnge sollten eine Lnge von 100 mnicht berschreiten, da die Druckver-luste und damit die aufzubringendenPumpenleistungen sonst zu hochwrden. Die Rohrstrnge solltenjeweils gleich lang sein, um soidentische Druckverluste und folg-lich gleiche Durchstrmungsbe-dingungen zu erreichen. Damit ent-zieht das Kollektorfeld dem Erdreichgleichmig die Wrme. Die Rohresind an ihren Enden in etwas hhergelegenen Vor- und Rcklaufsamm-lern (Entlftung) zusammengefasst.Jeder Strang sollte einzeln absperr-bar sein. Die Sole wird mit einerUmwlzpumpe durch die Kunststoff-rohre gepumpt; sie nimmt dabei dieim Erdreich gespeicherte Wrme auf.


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Wrmepumpentechnik

Erdkollektor WrmepumpeVitocal 300 / 350

Soleverteiler(Rcklauf)

Soleverteiler(Vorlauf)

Sammelschacht mitSoleverteiler

Niedertemperatur-Heizung

Bild 23: Wrmegewinnung mit Erdkollektoren

lungsenergie, d. h. von den klimati-schen Verhltnissen ab. Als Erdreich-Eigenschaften sind vor allem derWasseranteil, die Anteile an minera-lischen Bestandteilen, wie Quarzoder Feldspat, sowie der Anteil undGre der luftgefllten Poren ma-gebend. Vereinfacht ausgedrcktkann man sagen, dass die Speicher-eigenschaften und die Wrmeleit-fhigkeit um so grer sind, je mehrder Boden mit Wasser angereichertist, je hher der Anteil der minerali-schen Bestandteile ist und je gerin-

ger die Porenanteile sind.

Die Entzugsleistungen fr dasErdreich liegen dabei zwischenca. 10 und 35 W/m2.

Trockener sandiger BodenqE = 10 bis 15 W/m

2

Feuchter sandiger BodenqE = 15 bis 20 W/m

2

Trockener lehmiger BodenqE = 20 bis 25 W/m

2

Feuchter lehmiger BodenqE = 25 bis 30 W/m2

Grundwasserfhrender BodenqE = 30 bis 35 W/m

2

Eine zeitweilige geringe Vereisungdes Erdreiches im direkten Bereichum die Rohre hat auf die Funktionder Anlage und auf den Pflanzen-wuchs keine nachteiligen Folgen.Es sollten jedoch keine tief wurzeln-den Pflanzen im Bereich der Sole-rohre gepflanzt werden. Die Rege-neration des entwrmten Erdreicheserfolgt im Frhjahr und Sommerdurch zunehmende Sonneneinstrah-lung und Niederschlge, so dasssichergestellt ist, dass zur kommen-den Heizperiode der Wrmespeicher

Erdreich wieder fr Heizzwecke zurVerfgung steht. Flchen ber Erd-kollektoren drfen nicht bebaut oderversiegelt werden (Bild 23).

Die notwendigen Erdreichbewegun-gen lassen sich bei einem Neubaumeistens ohne groe Mehrkostenausfhren, hingegen sind die Kostenhierfr bei einem bestehenden Ge-bude zumeist so hoch, dass eineNachrstung allein aus diesemGrunde oft ausscheidet.

Die nutzbare Wrmemenge unddamit die Gre der notwendigenFlche hngt stark von den thermo-physikalischen Eigenschaften desErdreiches und von der Einstrah-

Bild 24: Erdkollektor

Bild 25: Soleverteiler


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Wrmepumpentechnik


Sammelschacht

Soleverteiler(Vorlauf)

Soleverteiler(Rcklauf)

min. 5 m

Erdsonde(Duplex-Sonde)

WrmepumpeVitocal 300 / 350

Bild 26: Wrmegewinnung mit Erdsonde

Untergrund SpezifischeEntzugsleistung

Allgemeine Richtwerte

Schlechter Untergrund (trockenes Sediment) [ < 1,5 W/(m K)] 20 W/mNormaler Festgesteins-Untergrund und wassergesttigtesSediment [ < 1,5 3,0 W/(m K)] 50 W/mFestgestein mit hoher Wrmeleitfhigkeit [ > 3,0 W/(m K)] 70 W/m

Einzelne GesteineKies, Sand, trocken < 20 W/mKies, Sand, wasserfhrend 55 65 W/mTon, Lehm, feucht 30 40 W/mKalkstein (massiv) 45 60 W/mSandstein 55 65 W/mSaure Magmatite (z. B. Granit) 55 70 W/mBasische Magmatite (z. B. Basalt) 35 55 W/mGneis 60 70 W/m

Tabelle 2: Mgliche spezifische Entzugsleistung fr Erdwrmesonden (Doppel-U-Rohrsonden)nach VDI 4640 Blatt 2

Befindet sich die Sonde in einem er-giebigen Grundwasserleiter, knnenauch noch hhere Entzugsleistungenrealisiert werden (Tabelle 2).

Die Sole strmt in zwei Rohren vomVerteiler aus nach unten und wirddurch zwei weitere Rohre wiedernach oben zum Sammler zurck-gefhrt (Bild 25).

Als Arbeitsmedium im Erdkollektoroder in der Erdsonde wird Sole(Gemisch aus Wasser und Frost-schutzmittel) eingesetzt, so dasskeine Gefahr des Einfrierens besteht.

Bild 27: Setzen einer Erdsonde

Whrend fr die Verlegung der Erd-kollektoren in mehr als 1 m Tiefegrere Erdbewegungen ntig sind(Bild 24), ist die Einbringung einerErdsonde mit modernen Bohrgerteninnerhalb weniger Stunden erledigt(Bild 27).

Bei Anlagen mit Erdsonden (Bild 26)ist die Bestimmung der Anordnungund Bohrtiefe besonders wichtig. Da-fr gibt es Geologen und spezialisier-te Bohrfirmen mit entsprechendem

Fachwissen sowie Software fr dieAuslegung und Optimierung. Auer-dem kann mit diesen Spezialunter-nehmen vertraglich eine Entnahme-leistungs-Garantie (z. B. fr 10 Jahre)vereinbart werden. Fr solche An-lagen muss in Deutschland einewasserrechtliche Erlaubnis eingeholtwerden. Das Wasser-Wirtschaftsamtist fr Bohrungen bis 100 m Tiefezustndig. Tiefergehende Bohrungenmssen durch das zustndige Berg-bauamt zustzlich genehmigtwerden. In die Bohrung wird ein

vorkonfektionierte Sonde eingefhrtund anschlieend der Hohlraumzwischen Sondenrohr und Bohrungmit Fllstoff verpresst. Es werdenmeist vier Rohre parallel eingesetzt(Doppel-U-Rohr-Sonde).

Die Kosten fr die Erstellung einerBohrung einschlielich der Sondebelaufen sich je nach Bodenbeschaf-

fenheit auf 50 bis 70 /m. Fr eintypisches Einfamilienhaus in Niedrig-energiehaus-Bauweise ist eineWrmepumpen-Heizleistung vonetwa 6 kW zur komfortablen Behei-zung notwendig, dazu ist eine Boh-rungstiefe von etwa 95 m erforder-lich. Damit ergeben sich Bohrungs-

kosten von ca. 5000 bis 7000 .Voraussetzung fr die Planung undEinbringung von Erdwrmesondenist die genaue Kenntnis der Boden-beschaffenheit, der Schichtenfolge,des Bodenwiderstandes sowie dasVorhandensein von Grund oderSchichtenwasser mit Wasserstands-bestimmung und dessen Flierich-

tung. Bei einer Erdwrmesonden-anlage kann bei normalen hydro-geologischen Bedingungen voneiner mittleren Sondenleistung von50 W/m Sondenlnge (gem VDI4640) ausgegangen werden.


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Wrmepumpentechnik

3.2.2 Wrmequelle Wasser

Wasser ist ebenfalls ein guter Spei-cher fr Sonnenwrme. Selbst ankalten Wintertagen hlt Grundwassereine konstante Temperatur von 7 bis12 C. ber einen Frderbrunnenwird Grundwasser entnommen undzum Verdampfer der Wasser/Wasser-Wrmepumpe transportiert.Anschlieend wird das abgekhlteWasser in einen Schluckbrunnenabgefhrt (Bild 28). Die Wasserqua-litt des Grund- oder Oberflchen-wassers muss die Grenzwerte desWrmepumpenherstellers einhalten.Werden diese Grenzwerte berschrit-ten, sollte ein geeigneter Wrme-tauscher als Zwischenkreis-Wrme-tauscher wegen schwankenderWasserqualitten generell empfeh-lenswert eingesetzt werden, denndie hocheffizienten Plattenwrme-tauscher innerhalb der Wrme-pumpe sind empfindlich gegenberschwankenden Wasserqualitten.

Als Zwischenkreis-Wrmetauscherhaben sich geschraubte Edelstahl-Wrmetauscher bewhrt. Durch denZwischenkreis wird die Wrmepum-pe geschtzt und gleichzeitig derProzess vergleichmigt. Denn derWrmebertragungsprozess imZwischenkreis von Grundwasser aufSole luft gleichmiger ab als derProzess von Grundwasser direkt aufdas verdampfende Kltemittel in derWrmepumpe (Bild 29).

Bei Bercksichtigung des erforder-

lichen Pumpenstroms verringert sichbei Einsatz eines Zwischenkreisesder COP um ca. 6 bis 9%. Durch dievernderte Temperaturspreizungnimmt die Heizleistung um 2 bis 4%gegenber einer Wrmepumpe ohneZwischenkreis-Wrmetauscher ab.Auch die Nutzung von Grund-/Ober-flchenwasser muss durch die zu-stndige Behrde, im allgemeinendas Wasser-Wirtschaftsamt, geneh-migt werden. Allgemein sollte dieWasserqualitt bestimmten Grenz-werten entsprechen, unterschieden

nach den im Wrmetauscher ver-wendeten Materialien Edelstahl(1.4401) und Kupfer. Werden dieGrenzwerte eingehalten, ist miteinem problemlosen Brunnenbetriebzu rechnen.

Wrmezufuhr

AB

C

D


E

Frderbrunnen mit SaugpumpeSchluckbrunnenZwischenkreis-WrmetauscherZwischenkreis-UmwlzpumpeWasser/Wasser-WrmepumpeVitocal 300 oder Vitocal 350

A

BC

DE

Bild 28: Schema des Zwischenkreises

Schluck-brunnen

Frderbrunnenmit Saugpumpe

Grundwasser-flierichtung

min. 5 m

Zwischenkreis-Wrmetauscher

WrmepumpeVitocal 300 / 350


Bild 29: Wrmegewinnung aus Grundwasser


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Wrmepumpentechnik


Zuluft-kanal

Wrmepumpe

Vitocal 350

Regelung

Heizwasser-

Pufferspeicher

Abluft-

kanal

Bild 30: Wrmegewinnung aus Umgebungsluft (Auenluft)

Bild 31: Luft/Wasser-WrmepumpeHeizleistung: 11,0 bis 18,5 kW

aus den Wohnrumen, der von derWrmerckgewinnung der Lftungnicht verwertet werden kann, undverwendet ihn zur Nacherwrmung

der Zuluft oder zur Trinkwasserer-wrmung.

In Schweden werden jhrlich ca.8000 Abluft-Wrmepumpen dieserBauart installiert. Je nach Gre derAbluft-Wrmepumpe wird die zustz-lich zur Deckung des Wrmebedarfsnotwendige Heizenergie durch eineelektrische Zuheizung sichergestellt.

3.2.3 Wrmequelle Luft

Auenluft

Den geringsten Aufwand zur Er-schlieung einer Wrmequelle er-fordert die Auenluft. Sie wird bereinen Kanal angesaugt, im Verdamp-fer der Wrmepumpe abgekhlt undanschlieend wieder an die Um-gebung abgegeben (Bild 30 und 31).

Bis zu einer Auenluft-Temperatur

von minus 20 C kann eine moderneLuft/Wasser-Wrmepumpe nochHeizwrme erzeugen. Allerdingskann sie bei einer optimierten Aus-legung bei dieser niedrigen Auen-lufttemperatur den Wrmebedarffr die Wohnraumbeheizung nichtmehr vollstndig decken. Ein Elektro-Heizeinsatz im Heizwasser-Puffer-speicher heizt an sehr kalten Tagendas von der Wrmepumpe vorer-wrmte Heizwasser auf die einge-stellte Vorlauftemperatur.

Da Luft/Wasser-Wrmepumpen einrelativ groes Luftvolumen umwl-zen (3000 bis 4000 m3/h), ist bei derAnordnung der Luftffnungen imGebude und bei der Auenaufstel-lung die mgliche Geruschentwick-lung zu beachten.

Abluft

Wrmepumpen, die Abluft alsWrmequelle nutzen, werden inHusern mit sehr geringem Wrme-

bedarf (Passivhuser) zuknftig ver-strkt zur Anwendung kommen.

In so genannten Kompaktgertenwird die Wrmepumpe auch inVerbindung mit einer Anlage zurkontrollierten Wohnungslftung ein-gesetzt. In diesen Gerten nutzt dieintegrierte Abluft/Wasser-Wrme-pumpe den Wrmeanteil der Abluft


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Wrmepumpentechnik

3.3 Khlen mit Kompressions-Wrmepumpen

Einige Wrmepumpen bieten einenzustzlichen Nutzen, in dem sie auchzur Khlung eines Gebudes einge-setzt werden knnen. Dabei kannzwischen zwei unterschiedlichenMethoden der Khlung mittelsWrmepumpe unterschiedenwerden:

Umkehrbarer Betrieb (aktive Kh-

lung):Die Funktionsweise der Wrme-pumpe wird umgekehrt, so dasssie wie ein Khlschrank arbeitet.Hufig wird diese Khlung auch alsreversibler Betrieb der Wrme-pumpe bezeichnet.

Direkte Khlung (passive Khlung):Die Soleflssigkeit bzw. das Grund-wasser nehmen ber einen Wrme-tauscher die Wrme aus dem Heiz-kreis auf und fhren sie nach auenab. Bei dieser auch als Natural

cooling bezeichneten Funktionist die Wrmepumpe bis auf Rege-lung und Umwlzpumpen ausge-schaltet.

3.3.1 Umkehrbarer Betrieb

blicherweise wird in Deutschlandmit den weitaus meisten Wrme-pumpenanlagen das Gebude nurbeheizt und das Trinkwasser er-wrmt. Fr die Khlung des Gebu-des wird dann gegebenenfalls ein

Khlaggregat installiert. Die Mglich-keit, beide Funktionen Heizen undKhlen wechselweise in einemGert auszufhren, ist in Deutsch-land noch wenig bekannt. In denUSA dagegen haben sich Wrme-pumpen, die sowohl als Wrme-erzeuger als auch als Khlaggregatarbeiten knnen, auf dem Markt festetabliert und eine entsprechendweite Verbreitung gefunden.

Wie bereits erlutert, funktionierender bliche Khlschrank und eineKompressions-Wrmepumpe prinzi-piell gleich. Die wichtigsten Bauteile(Verdampfer, Verdichter, Verflssigerund Expansionsventil) sind deshalbauch bei beiden Gertearten grund-stzlich gleich. Sie unterscheidensich hauptschlich in der Optimie-rung auf die jeweilige Aufgabe, dieim einen Fall die Steigerung und imanderen die Absenkung von Tempe-

raturen bezweckt.

Um eine Kompressions-Wrme-pumpe auch zum Khlen nutzen zuknnen wrde es im Wesentlichengengen, die Frderrichtung des Ver-dichters sowie das Expansionsventilumzudrehen und so die Flierich-tung des Kltemittels sowie derWrme umzukehren. Technisch gut

zu verwirklichen lsst sich aber derEinbau eines 4-Wege-Ventils undeines zweiten Expansionsventils imKltemittelkreislauf. Die Umschal-tung der Flierichtung kann auto-matisch fr die gesamte Anlage berdieses 4-Wege-Ventil erfolgen. Durchden Einbau eines 4-Wege-Ventilskann der Verdichter, unabhngig vonder jeweiligen Funktion (Heizen oderKhlen), seine ursprngliche Frder-richtung immer beibehalten.

Im Heizbetrieb frdert der Verdichterdas gasfrmige Kltemittel zumWrmetauscher fr das Heizsystem.Hier kondensiert das Kltemittel undgibt dabei die Wrme an das Heiz-system (Warmwasserheizung oderLuftheizung) ab (Bild 32).


Verflssiger

Expansions-ventile

Verdampfer

Wrmezufuhr(Umwelt)

Verdichter

Bild 32: Vereinfachtes Funktionsschema fr eine Wrmepumpe mit reversibler (umkehrbarer)Betriebsweise im Heizbetrieb


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Wrmepumpentechnik

Die Heizleistung von reversibelarbeitenden Kompressions-Wrme-pumpen ist immer etwas grer alsdie Khlleistung. Im Heizbetrieb wirddie Energieaufnahme fr den Antriebim Verdichter in Wrme umgewan-delt und zum Heizen genutzt. ImKhlbetrieb entsteht diese Wrmeebenfalls, da ja auch bei dieser Be-triebsweise der Verdichter arbeitenmuss. Diese zwangslufig anfallendeWrme verringert aber in der Bilanz

die theoretisch mgliche Khlleis-tung. Die erreichbaren COPs imKhlbetrieb sind bei reversibelarbeitenden Wrmepumpen deshalbetwas geringer als im Heizbetrieb.

Wrmezufuhr(vom Heizsystem bzw. aus den Rumen)

Verdampfer

Expansions-ventile

Verflssiger

Wrmeabgabe(an die Umwelt)

Verdichter

Bild 33: Vereinfachtes Funktionsschema fr eine reversible arbeitende Wrmepumpe im Khlbetrieb

Bild 34: Vitotres 343 Kompaktgert fr Passiv-

huser kombiniert mit mechanischer Woh-nungslftung und Speicher-Wassererwrmer

Fr den Khlbetrieb wird die Flie-richtung mit Hilfe des 4-Wege-Ventilsumgekehrt. Der ursprngliche Ver-flssiger ist jetzt der Verdampfer, derdie Wrme vom Heizsystem daswiederum die Wrme aus den Ru-men aufgenommen hat auf dasKltemittel bertrgt. Das gasfrmi-ge Kltemittel gelangt wieder berdas 4-Wege-Ventil zum Verdichterund von dort zum Wrmetauscher,der die Wrme an die Umgebungabgibt (Bild 33).

Wrmepumpen, die in der beschrie-benen Weise arbeiten, werden unteranderem als kompakte Systeml-sung fr Passivhuser angeboten.Bei dem Passivhaus-KompaktgertVitotres 343 (Bild 34) handelt es sichzum Beispiel um eine Luft/Wasser-Wrmepumpe, die mit einer mecha-nischen Wohnungslftung kombi-niert wurde. Im Heizbetrieb (Nenn-Wrmeleistung 1,5 kW) nutzt dieWrmepumpe den Wrmeanteil derFortluft, der von der Wrmerckge-

winnung der Lftung nicht verwertetwerden kann, und verwendet ihn zurNacherwrmung der Zuluft oder zurTrinkwassererwrmung.

An heien Sommertagen wird imVitotres 343 zunchst der Wrme-tauscher der mechanischen Woh-nungslftung, der zur Wrmerck-gewinnung dient, durch eine Bypass-Schaltung berbrckt. So wird zumBeispiel die im Vergleich zur warmenInnenraumluft khlere Auenluft inder Nacht direkt in die Rume ge-

leitet. Wird vom Nutzer noch khlereLuft in den Rumen gewnscht,schaltet die Abluft/Wasser-Wrme-pumpe automatisch in den reversi-blen Betrieb um. Im Verdampfer derWrmepumpe wird der Zuluft nunaktiv Wrme entzogen und die soabgekhlte Luft zur Raumkhlungverwendet. Das Kompaktgert er-reicht dabei eine Khlleistung vonmaximal 1 kW. Die warme Luft inden Rumen wird ber die Fortluftabgefhrt.


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3.3.2 Natural cooling

Im Sommer sind die Temperaturenim Inneren der Gebude in der Regelhher als im Erdreich oder im Grund-wasser. Dann knnen die niedrigerenTemperaturen des im Winter alsWrmequelle dienenden Erdreichsbzw. Grundwassers zur direktennatrlichen Khlung des Gebude-inneren genutzt werden. BestimmteWrmepumpen verfgen hierzu bereine auch als Natural cooling be-

zeichnete Funktion in ihrer Regelung.Aufgrund der hohen Auenlufttem-peraturen im Sommer ist diese Funk-tion bei Luft/Wasser-Wrmepumpennicht mglich.

Die Natural cooling-Funktion kannmit wenigen zustzlichen Kompo-nenten (Wrmetauscher, 3-Wege-Ventile und Umwlzpumpe) aktiviertwerden und ermglicht so einen an-genehmen Zusatznutzen der VitocalWrmepumpen. Grundstzlich istdiese Khlfunktion in ihrer Leistungs-

fhigkeit aber nicht mit Klimaanlagenoder Kaltwasserstzen zu verglei-chen. Die Khlleistung ist abhngigvon der Wrmequellengre und derWrmequellentemperatur, die jahres-zeitlichen Schwankungen unterwor-fen sein kann. So hat das Erdreicherfahrungsgem gegen Ende einesSommers mehr Wrme gespeichert,die Khlleistung wird dann etwasgeringer sein.

Bei der Natural cooling-Funktionschaltet die Regelung lediglich die

Primrpumpe (B) ein (der Verdichterder Wrmepumpe bleibt ausgeschal-tet), ffnet die 3-Wege-Umschalt-ventile (C und G) jeweils zumWrmetauscher (D) und setzt dieSekundrkreis-Umwlzpumpe (E) inBetrieb (Bild 35). So kann das relativwarme Wasser aus der Fuboden-heizung (F) im Wrmetauscher (D)die Wrme an die Sole des Primr-kreises abgeben. Den angeschlos-senen Rumen wird so Wrme ent-zogen.

Wrmepumpentechnik

Zur direkten Khlung der Rumeknnen folgende Systeme ange-schlossen werden:

Geblsekonvektoren

Khldecken

Fubodenheizungen

Bauteilaktivierung(Betonkerntemperierung).

A

B

C

D

F

G

H

K

E

z. B. Erdsonde

Primrpumpe

3-Wege-UmschaltventilHeizung/Khlung (Primrkreis)

Wrmetauscher Khlung

Umwlzpumpe Khlung

Fubodenheizung

3-Wege-UmschaltventilHeizung/Khlung (Sekundr-kreis)

Sekundrpumpe

Wrmepumpe Vitocal 300

oder Vitocal 350

A

B

C

D

E

F

G

H

K

Natural cooling ist eine besondersenergiesparende und kostengnstigeMethode der Gebudekhlung, da

nur ein geringer Stromverbrauchfr die Umwlzpumpen zur Er-schlieung der Khlquelle Erd-reich bzw. Grundwasser bentigtwird. Die Wrmepumpe wirdwhrend des Khlbetriebes nurzur Trinkwassererwrmung einge-schaltet. Die Ansteuerung allernotwendigen Umwlzpumpen undUmschaltventile sowie die Erfassungder notwendigen Temperaturenund die Taupunkttemperaturber-wachung erfolgen durch die Wrme-pumpenregelung.

Bei dieser Art der Khlung werdenKhl-COPs zwischen 15 bis 20 er-reicht.

Bild 35: Vereinfachtes Anlagenschema fr Natural cooling mit Fubodenheizung(Animierte Funktionsweise des Prozesses unter www.viessmann.de/waermepumpen)


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Wrmepumpentechnik

3.3.3 Khlung der Rume:Trgermedium Luft oder Wasser?

Bei blichen Klimaanlagen wird ge-khlte Luft ber einen oder mehrereKanle dem Raum zur Khlungzu- und warme Luft abgefhrt.Nach dem gleichen Prinzip arbeitenauch Passivhaus-Kompaktgerte.In beiden Fllen handelt es sich umraumlufttechnische Anlagen, diedurch Luftstrme fr den erforder-lichen Wrmeaustausch sorgen.

Reversibel arbeitende Wrme-pumpen und Wrmepumpen mitNatural cooling-Funktion sinddagegen blicherweise an ein Warm-wasser-Heizsystem angeschlossen.Dieses bertrgt an kalten Tagendie Wrme vom Heizungswasseran den zu beheizenden Raum berHeizflchen (z. B. Fubodenheizung).Insbesondere Heizkrper sind fr dieKhlung des Raumes schlecht ge-eignet. Wegen des vergleichsweisegeringen Temperaturunterschieds

zwischen dem Heizungswasser undder Raumtemperatur im Sommersowie der relativ kleinen Flche derHeizkrper findet nur eine beschrnk-te Wrmebertragung durch Konvek-tion und Wrmestrahlung statt.Auch die Anordnung der Heizflchenin Bodennhe ist fr den Khlbetriebwenig geeignet, da die warme Luftsich bekanntlich unter der Deckesammelt. Auerdem sind Heizkrperwegen ihres Aufbaus besondersempfindlich gegenber der Bildungvon Taupunktwasser.

Aufgrund der groen Flche sindFubodenheizungen besser geeig-net. Die gekhlte Luft sammelt sichjedoch im Bodenbereich und steigtnicht auf. Die Wrmeaufnahmeerfolgt deshalb bei der Fuboden-heizung fast ausschlielich berStrahlung. Dafr steht aber auchder gesamte Fuboden als Khl-flche zur Verfgung, so dass sichdie Raumtemperatur gut beeinflus-sen lsst. Die Effizienz der Khlungber Fubodenheizung kann durchdie Installation einer Wohnungs-lftung gesteigert werden, da eineDurchsplung der Raumluft erfolgt.

Noch besser kann die Wrme berKhldecken abgefhrt werden. Unterder Raumdecke sammelt sich dieWarmluft und khlt sich an der

Flche ab. Dadurch sinkt sie zuBoden und aufsteigende Warmluftstrmt nach. Wegen des dabei ent-stehenden Kreislaufs werden imVergleich zur Fubodenkhlunggrere Luftmengen an der Khl-flche vorbeigefhrt. Khldecken(Bild 36) ersetzen normalerweiseaber kein Heizsystem, deshalbwerden sie in der Regel zustzlichzu Radiatoren oder einer Fuboden-heizung eingebaut und ber einenzustzlichen Wrmetauscher zurSystemtrennung hydraulisch ein-

gebunden.

Besonders wirksam sind Geblse-konvektoren (Bild 37), da sie miteinem Ventilator arbeiten, der zudemeinen regelbaren Volumenstromermglicht. Somit knnen auchgrere Luftmengen an den Wrme-tauscherflchen vorbeigefhrtwerden, was eine effektive Khlungdes Raumes in kurzer Zeit ermg-licht. Die zustzliche Mglichkeit,auch den Volumenstrom ber denVentilator zu variieren, gestattet einefeinfhlige Raumkhlung. Geblse-konvektoren sind auerdem gegen-ber anfallendem Tauwasser un-empfindlich, wenn das Kondensatabgeleitet wird.

Unabhngig von der Methode derKhlung reversibler Betrieb oderNatural cooling ist in jedem Falleine Taupunkttemperaturberwa-

chung durch die Wrmepumpen-regelung erforderlich. So darf dieOberflchentemperatur der Fu-bodenheizung im Khlbetrieb 20 Cnicht unterschreiten. Die Taupunkt-temperaturberwachung hlt dieVorlauftemperatur im Heizsystemzum Khlen so hoch, dass die zuls-sige Taupunkttemperatur nicht unter-schritten wird und damit keine Ge-fahr besteht, dass sich Feuchtigkeitaus der Luft auf dem Fubodenniederschlgt.

Bild 37: Geblsekonvektoren(Bild: Firma EMCO)

Bild 36: Klimadeckensystem (Bild: Firma EMCO)


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26

Wrmepumpentechnik

3.4 Betriebsweisen vonWrmepumpen

Bei dem Einsatz von Wrmepumpenwird zwischen drei Betriebsweisenunterschieden: monovalent,monoenergetisch und bivalent.

3.4.1 Monovalente Betriebsweise

Monovalente Betriebsweise bedeu-tet, dass die Wrmepumpe als allei-

niger Wrmeerzeuger die gesamteHeizlast deckt. Diese Betriebsweiseist aus energetischen Grnden zubevorzugen, es wird eine hoheArbeitszahl erreicht. Voraussetzungist, dass das nachgeschaltete Wr-meverteilsystem auf eine Vorlauf-temperatur unterhalb der maximalenVorlauftemperatur der Wrmepumpeausgelegt ist und der errechneteBedarf die Maximalleistung der Wr-mepumpe nicht bersteigt (Bild 38).

Typische Einsatzbereiche fr mono-

valente Systeme sind Ein- undMehrfamilienwohnhuser sowieGewerbegebude mit bis zu zweiunterschiedlichen Nutzerverhalten.Unterschiedliche Auslegungen vonzwei Heizkreisen sind mglich (z. B.Fubodenheizung und Radiatoren-heizkreis). Die Mindestdurchfluss-menge der Wrmepumpe ber denHeizwasser-Pufferspeicher mussdurch die Sekundrpumpe (4) sicher-gestellt werden. Der Einsatz diffe-renzdruckgeregelter Heizkreispum-pen (7) und (8) ist mglich. Ist der am

oberen Speichertemperatursensor(2) des Heizwasser-Pufferspeichers(3) gemessene Temperatur-Istwertniedriger als der in der Regelung ein-gestellte Temperatur-Sollwert, sogehen die Wrmepumpe (1), die Pri-mrpumpen und die Sekundrpum-pe (4) in Betrieb. Die Wrmepumpe(1) versorgt den Heizkreis mit Wr-me. Durch die in der Wrmepumpe(1) eingebaute Regelung wird dieHeizwasser-Vorlauftemperatur undsomit der Heizkreis geregelt.

Die Sekundrpumpe (4) frdert dasHeizwasser ber das 3-Wege-Um-schaltventil (5) entweder zum Spei-cher-Wassererwrmer (6) oder zum

Heizwasser-Pufferspeicher (3). Durchdie Heizkreispumpen (7) und (8)werden die erforderlichen Wasser-mengen in die Heizkreise gefrdert.

Die Durchflussmenge im Heizkreiswird durch ffnen und Schlieen derHeizkrper-Thermostatventile oderder Ventile am Fubodenverteilerund/oder durch eine externe Heiz-kreisregelung geregelt. Ebenso kanndie Durchflussmenge bei der Aus-

legung der Heizkreispumpen (7) und(8) von der Durchflussmenge desWrmepumpenkreises (Sekundr-pumpe (4)) abweichen. Um die Diffe-renz dieser Wassermengen auszu-gleichen, ist parallel zum Heizkreisein Heizwasser-Pufferspeicher (3)vorgesehen. Die nicht von den Heiz-kreisen aufgenommene Wrme wirdparallel im Heizwasser-Pufferspei-cher (3) gespeichert. Auerdem wirddamit ein ausgeglichener Wrme-pumpenbetrieb (lange Laufzeiten)erreicht.Wenn am unteren Speichertempe-ratursensor (9) des Heizwasser-Pufferspeichers (3) die in der Rege-lung eingestellte Solltemperatur

erreicht ist, wird die Wrmepumpe(1) ausgeschaltet. Dann werden dieHeizkreise vom Heizwasser-Puffer-speicher (3) mit Wrme versorgt.Erst nach Unterschreiten der Soll-temperatur am oberen Speichertem-peratursensor (2) des Heizwasser-Pufferspeichers (3) wird die Wrme-pumpe (1) wieder eingeschaltet.

Die Trinkwassererwrmung durchdie Wrmepumpe (1) ist in der Regel

gegenber dem Heizkreis im Vorranggeschaltet und erfolgt vorzugsweisein den Nachtstunden. Die Anforde-rung der Beheizung erfolgt ber denSpeichertemperatursensor und dieRegelung, die das 3-Wege-Umschalt-ventil (5) ansteuert. Die Vorlauftem-peratur wird von der Regelung aufden fr die Trinkwassererwrmungerforderlichen Wert angehoben.Die Nacherwrmung des Trinkwas-sers kann durch eine Elektro-Zusatz-heizung erfolgen. berschreitet derIstwert am Speichertemperatursen-sor den in der Regelung eingestelltenSollwert, schaltet die Regelung durchdas 3-Wege-Umschaltventil (5) denHeizwasservorlauf auf den Heizkreis.

1

3

6

M5

2

4

8

9

7

Bild 38: Anlagenschema fr monvalente Betriebsweise


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27

3.4.2 Monoenergetische Betriebs-weise

Bei der monoenergetischen Betriebs-weise wird ein zweiter Wrmeer-zeuger mit der gleichen Energieartbetrieben. Zum Beispiel ist nebender elektrisch betriebenen Kompres-sions-Wrmepumpe ein elektrischerHeizwasser-Durchlauferhitzer imHeizungsvorlauf oder ein Elektro-Heizeinsatz im Heizwasser-Puffer-speicher installiert (vorwiegend bei

Luft/Wasser-Wrmepumpen). DieseLsung stellt einen guten Kompro-miss zwischen der energetischenEffizienz und den Investitionskostendar.

Monoenergetische Anlagen werdenvor allem in Ein- oder kleinen Zwei-familienwohnhusern mit einheit-lichem Nutzerverhalten und mitFubodenheizung eingesetzt(Bild 39).

Die Mindestdurchflussmenge der

Wrmepumpe ist durch die Sekun-drpumpe (2) und das berstrm-ventil gewhrleistet. Heizstrngeund berstrmventil mssen abge-glichen sein. Ist der am Rcklauf-temperatursensor in der Wrme-pumpe (1) gemessene Temperatur-Istwert niedriger als der in der Rege-lung eingestellte Temperatur-Soll-wert, so gehen die Wrmepumpe (1),die Primrpumpen und die Sekun-drpumpe (2) in Betrieb.

Die Wrmepumpe (1) versorgt den

Heizkreis mit Wrme. Durch die inder Wrmepumpe (1) eingebauteRegelung wird die Heizwasser-Vor-lauftemperatur und somit der Heiz-kreis geregelt. Die Sekundrpumpe(2) frdert das Heizwasser ber das3-Wege-Umschaltventil (3) entwederzum Speicher-Wassererwrmer (4)oder in den Heizkreis. Der Heizwas-ser-Durchlauferhitzer (5) dient zurSpitzenabdeckung der Heizlast beiniedrigen Auentemperaturen(z. B. < 10 C). Die Durchflussmengeim Heizkreis wird durch ffnen undSchlieen der Heizkrper-Thermos-tatventile oder der Ventile am Fu-bodenverteiler geregelt.

In der Divicon Heizkreis-Verteilung(6) ist ein berstrmventil enthalten,welches den erforderlichen konstan-ten Durchfluss im Wrmepumpen-

kreis sicherstellt. Der im Rcklaufeingebundene Speicher-Wasserer-wrmer (7) stellt das fr die Wrme-pumpe (1) notwendige Umlaufvolu-men zur Verfgung, damit die not-wendige Mindestlaufzeit der Wrme-pumpe (1) gewhrleistet werdenkann. Hat der Rcklauftemperatur-Istwert am Rcklauftemperatursen-sor den in der Regelung eingestelltenSollwert berschritten, werden dieWrmepumpe (1), die Primrpumpeund die Zwischenkreispumpe ausge-schaltet.

Die Trinkwassererwrmung erfolgtanalog zum monovalenten Betrieb.

RL

RL

VL

VL

VLRL

1

2

3

4

5

6

7

Bild 39: Anlagenschema fr monoenergetische Betriebsweise


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28

Wrmepumpentechnik

3.4.3 Bivalente Betriebsweise

In einer bivalent betriebenen Hei-zungsanlage ist die Wrmepumpemit mindestens einem weiterenWrmeerzeuger fr feste, flssigeoder gasfrmige Brennstoffe kombi-niert (paralleler oder alternativerBetrieb mglich). Als zustzlicherWrmeerzeuger fr die Heizwrmekommen sowohl Biomasse- als auchl- oder Gas-Heizkessel in Frage(Bild 40). Entweder werden beide

Wrmeerzeuger gleichzeitig betrie-ben (Parallelbetrieb) oder je nachAuslegung der Wrmeerzeuger alter-nativ. Bei Alternativbetrieb ber-nimmt die Wrmepumpe die alleini-ge Wrmeversorgung oberhalb einerfestzulegenden Auentemperatur.Ist die Auentemperatur geringer,wrde die Leistung der Wrme-pumpe gem Auslegung nicht aus-reichen. Dann schaltet die Anlageum auf den Betrieb des zweitenWrmeerzeugers, der die kompletteVersorgung bernimmt. Die Wrme-

pumpe schaltet ab.

3.4.4 Pufferspeicher

Der Einsatz von Heizwasser-Puffer-speichern ist zu empfehlen, um eineoptimierte Laufzeit und damit ver-bunden eine Steigerung der Jahres-arbeitszahl zu erreichen. Sie dienenzur hydraulischen Entkoppelung derVolumenstrme im Wrmepumpen-und Heizkreis. Da die Heizleistungder Wrmepumpe nicht immer iden-

tisch mit dem derzeitigen Wrme-bedarf ist, wird durch Einsatz einesHeizwasser-Pufferspeichers ein aus-geglichener Betrieb erreicht, d. h. einTaktbetrieb der Wrmepumpe wirdvermieden. Wird z. B. der Volumen-strom im Heizkreis ber Thermostat-ventile reduziert, so bleibt der Volu-menstrom im Wrmepumpenkreiskonstant. Auerdem werden immerhufiger thermische Solaranlageneingesetzt, um Trinkwassererwr-mung und Heizung zu untersttzen.Die solar gewonnene Wrme mussin das Gesamtsystem eingetragenwerden knnen.

Fr den Einsatz des Heizwasser-Pufferspeichers spricht auerdem: berbrckung der EVU-Sperr-

zeiten, konstanter Wasservolumenstrom

durch die Wrmepumpe,

kein Auswechseln der Umwlz-pumpe bei Modernisierung derHeizungsanlage

keine Strmungsgerusche imWrmeverteilsystem.

Das Volumen des Pufferspeicherssollte so gro gewhlt werden, dassdie vom EVU geschalteten Sperrzei-ten problemlos berbrckt werdenknnen, um das Auskhlen desGebudes zu verhindern. Dieses istbesonders bei Wrmeverteilsyste-men ohne zustzliche Speichermasse(z. B. Radiatoren) zu beachten. Beieinem Fuboden-Heizsystem ber-nimmt dagegen der Estrich einen Teilder Wrmespeicherung.

VL

VL

VLVL VL

VL

RL

RLRL

WW

Speicher-Wassererwrmer

WrmepumpeVitocal

Heizwasser-Pufferspeicher

FestbrennstoffkesselVitolig

KW

Bild 40: Bivalent-Alternativ-Betrieb mit Festbrennstoffkessel Vitolig 100

berschlgig kann der Heizwasser-Pufferspeicher unter Nutzung derverzgerten Gebudeauskhlungwie folgt ausgelegt werden:

VHP = QG (60 bis 80 Liter)

VHP = Volumen Heizwasser-Puffer-speicher [Liter]

QG = Leistungsbedarf des Gebudes[kW]

Bestehen keine Sperrzeiten, so reichtfr eine reine Laufzeitoptimierungder Wrmepumpe ein Speichervolu-men aus von

VHP

= QG

(20 bis 25 Liter)


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29

Wrmepumpentechnik

3.5 Trinkwasserbereitung

Die Trinkwassererwrmung stellt imVergleich zur Heizwrmebereitstel-lung grundlegend andere Anforde-rungen, da sie ganzjhrig mit etwagleichbleibender Wrmemenge undauf gleichem Temperaturniveau be-trieben wird. Vorzugsweise sollte dieTrinkwassererwrmung im abge-senkten Betrieb erfolgen. Dann stehtdie Heizleistung der Wrmepumpeam Tag komplett fr Heizzwecke zur

Verfgung.

Wrmepumpen-Systeme liefern inder Regel Trinkwassertemperaturenzwischen 45 und 50 C, so dass dieGrenauslegung des Speicher-volumens auf einen Tagesbedarferfolgen sollte.Bei der Planung muss grundstzlichdas Arbeitsblatt W 551 Trinkwas-sererwrmungs- und Leitungsan-lagen der Deutschen Vereinigungdes Gas- und Wasserfaches e. V.(DVGW) bercksichtigt werden.

Vitocell-V 100

Der Vitocell-V 100, Typ CVW (Bild 41),ist speziell fr die Trinkwassererwr-mung in Verbindung mit einer Wr-mepumpe geeignet. Die mit vierQuadratmetern besonders groeWrmetauscherflche sorgt fr diehoch effiziente Wrmebertragung.Der Speicher-Wassererwrmer istdarber hinaus fr den zustzlichenAnschluss an eine Solaranlage und

den Einbau von bis zu zwei Elektro-Heizstben zur Nacherwrmung vor-bereitet.

Vitocell-B 100

Die Vitocell-B 100 (Bild 42, links) mitCeraprotect-Emaillierung erfllen dieAnforderungen an eine komfortableund wirtschaftliche Trinkwasserer-wrmung und nehmen eine Spitzen-stellung im Bereich emaillierterSpeicher-Wassererwrmer ein.

Die Ceraprotect-Emaillierung mitSchutzanode schtzt den Speicher-Wassererwrmer sicher und anhal-tend vor Korrosion.

Vitocell-B 300

Die Speicher-WassererwrmerVitocell-B 300 (Bild 42, rechts) auskorrosionsbestndigem EdelstahlRostfrei erfllen hchste hygienischeAnsprche. Nicht umsonst wirdEdelstahl auch in Kchen, Labors,Krankenhusern und der Lebens-mittelindustrie verwendet. Denndie homogene Oberflche vonEdelstahl ist und bleibt auch nachlangjhrigem Gebrauch einwandfrei

hygienisch.

Groe Heizflchen,

hohe Aufheizleistung

Die Heizflchen der bivalentenVitocell-B Speicher-Wassererwrmerwerden in Reihe geschaltet, um dieWrmepumpenleistung kontinuier-lich bertragen zu knnen. Die Heiz-flche ist zudem tief bis in denSpeicherboden gezogen. Das stellteine gleichmige Aufheizung des

gesamten Wasserinhalts sicher.

Fr eine einfache Inbetriebnahmeund einen strungsfreien Betrieb

sind die Heizwendeln so angeordnet,dass sie sich nach oben entlftenund nach unten entleeren. Eineeffektive Wrmedmmung aus

FCKW-freiem Polyurethan-Hart-schaum oder Weichschaum schtztdie Speicher-Wassererwrmer be-sonders gut vor Wrmeverlusten.

Bild 42: Speicher-Wassererwrmer Vitocell-B 100 und Vitocell-B 300

Bild 41: Speicher-Wassererwrmer Vitocell-V 100


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4 Einsatz von Wrmepumpen

4.1 Wrmepumpen fr dieModernisierung

Obwohl schtzungsweise rund zweiMillionen alter Heizungen inDeutschland zur Modernisierunganstehen, spielen Wrmepumpenim Modernisierungsmarkt bisherkaum eine Rolle. Der Grund fr dennur sporadischen Ersatz alter Heiz-kessel durch Wrmepumpen sinddie im Gebudebestand gegenberNeubauten bentigten hheren Vor-

lauftemperaturen.

Herkmmliche einstufige Kompres-sions-Wrmepumpen liefern mitden blichen Kltemitteln (R 407 C,R 404 A usw.) Vorlauftemperaturenbis maximal 55 C. Zu wenig, um mitRadiatoren normaler Gre eineausreichende Wrmemenge in dieRume zu transportieren. Versuchtman, das Kltemittel entsprechendhher zu verdichten, um hhereVorlauftemperaturen zu bekommen,werden schnell die Grenzen der

Kltemittel (Temperatur und Druck)erreicht. Weiterhin fllt zugleichprozessbedingt die Leistungszahl.Um dennoch Kompressions-Wrme-pumpen in der Heizungsmodernisie-rung wirtschaftlich einsetzen zu kn-nen, gibt es zwei weiterentwickelteKreisprozesse.

Beide erzielen mit den blichenKltemitteln Temperaturen ber55 C bei gleichzeitig guten Leis-tungszahlen.

Eine Mglichkeit, mit den blichenKltemitteln hhere Vorlauftempe-raturen zu erzielen, ist die so genann-te Kaskadenschaltung. Zwei Wrme-pumpenkreislufe werden in einemAggregat hintereinander geschaltet,in dem man sie durch einen Wrme-tauscher thermisch miteinanderverbindet (Bild 43). Dieser zentraleWrmetauscher (1) ist der Verfls-siger der ersten und gleichzeitig derVerdampfer der zweiten Stufe.

Verdichter

Verdichter

1. Stufe

2. Stufe

1

Verdampfer


Wrmezufuhr(Umwelt)

Expansions-ventil

Expansions-ventil

Kaskadenkhler

Verflssiger

Bild 43: Vereinfachtes Schema der Kaskadenschaltung zweier Verdichterstufen

Die von der ersten Stufe aufgenom-mene Wrme wird an die hhergelegene zweite Stufe abgegebenund schlielich an das Heizsystemabgefhrt.

Die zwei Kreislufe enthalten nor-malerweise unterschiedliche Klte-mittel, beispielsweise R 404 A in der

unteren und R 134 A in der oberenStufe. Bei dieser Anordnung mssenallerdings beide Stufen stndig imBetrieb sein, da nur die erste StufeWrme aus der Umwelt aufnehmenkann und nur die zweite Stufe fr dieWrmeabgabe an das Heizsystemausgerstet ist.

4.1.1 EVI-Zyklus

Eine andere technische Lsung, hoheVorlauftemperaturen mit dem Klte-mittel R 407 C zu erzielen, bietet dermodifizierte, einstufige Kltekreismit Dampfeinspritzung.

Bei diesem auch EVI-Zyklus (engl.

Enhanced Vapour Injection) genann-ten Verfahren wird nach dem Ver-flssiger bei Bedarf ber ein Magnet-ventil eine geringe Menge des Klte-mittels abgezweigt. Dieses flssigeaber unter hohem Druck stehendeKltemittel wird im Expansionsventilauf den Einspritzdruck entspannt undin einem Zusatz-Wrmetauscher ver-dampft. Vom Zusatz-Wrmetauschergelangt das dampffrmige Klte-mittel zum Verdichter, wo es direktin den Verdichtungsprozess einge-spritzt wird (Bild 44).


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31

Einsatz von Wrmepumpen

Bild 44: Funktionsschema einer Kompressions-Wrmepumpe mit EVI-Zyklus

Bild 45: Funktionsschema einer Kompressions-Wrmepumpe mit EVI-Zyklus(Animierte Funktionsweise des Prozesses unter www.viessmann.de/waermepumpen)

Eine Wrmepumpe mit EVI-Zyklusarbeitet zunchst wie eine herkmm-liche Wrmepumpe. Erst bei hohenWrmeanforderungen bzw. groenTemperaturhben bis 65 C kommtdie Dampfeinspritzung zum Einsatz.Durch die Dampfeinspritzung wirddann die Leistung und damit dieLeistungszahl im Vergleich zu einemherkmmlichen Kreisprozess deut-lich gesteigert. Die elektrische Ener-gie, die der Antrieb des Verdichterserfordert, ist fr den Prozess mit

EVI erheblich geringer als fr einentheoretisch vergleichbaren Verdich-ter ohne Dampfeinspritzung.

Bild 45 zeigt den durch den EVI-Zyklus entstehenden Kreisprozessim lg p-h-Diagramm mit demKltemittel R 407 C (zum Vergleichist auch der herkmmliche Wrme-pumpenprozess gestrichelt darge-stellt). Durch den eingespritztenDampf wird das Kltemittel gekhlt.Der durch die Abkhlung einesMediums grundstzlich verursachte

Druckabfall wird dabei vollstndigdurch die Menge des eingespritztenKltemittels ausgeglichen, weshalbdie Linie von Punkt (4) nach (5) hori-zontal verluft.

Durch die Khlung kann das Klte-mittel strker verdichtet werden,ohne das zulssige Temperatur-niveau im Verdichter zu berschrei-ten. Dadurch werden bei Eintritt indas Dampf-Gebiet hhere Tempe-raturen erreicht. Gleichzeitig wirddurch das zustzlich eingespritzte

Kltemittel der Massendurchsatzheraufgesetzt, was zu einer grerenWrmeabgabe an das Heizsystemfhrt.

Besonders effektiv arbeitet dieserProzess bei Luft/Wasser-Wrmepum-pen dieser Bauart z. B. Vitocal 350,Typ AWI/AWO. Da selbst bei 15 CAuenluft ein Temperaturhub von80 K erbracht wird, kann auch bei 15 C eine Vorlauftemperatur von65 C sichergestellt werden.

Wrmeabgabe

(an das Heizsystem)

Wrmezufuhr

(Umwelt)

Verdichter

Expansions-

ventil

Verdampfer

Verflssiger

4

1

2 3

KapillarrohrMagnet-ventil

Zusatz-wrme-tauscher Dampfein-

spritzung

(EVI)

1

2

3

4

5

10

20

30

4050

50 300

Enthalpie h [kJ/kg]

Druckpabs.[bar]

40C

30C

20C

10C

0C

10C

20C

30C

40C

50C 6

0C

70C

80C

100C

120C

140C

100 150 200 250 350 400 450

Flssig

Dampf berhitzterDampf

1 2

45

1 3

45

67

elektrische Energiefr Verdichterantrieb

Verdampfung

Verdichtu

ng

Expan

sion

Verflssigung

EVI

ohne EVI:bei entsprechenderVerdichtung entstehteine unzulssig hoheTemperatur

2

3

WP 1-stufig ohne EVI, Typ AW: A 15C / W 45C

WP 1-stufig mit EVI, Typ AWH: A 15C / W 65C

1 2 Verdampfung2 3 berhitzung

3 4 Verdichtung4 5 Khlung durch EVI

5 6 Verdichtung6 7 Verflssigung

7 1 Expansion


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4.1.2 Vitocal 350 Erweiterter Ein-satzbereich

Aufgrund der gegenber herkmm-lichen Wrmepumpen hheren Vor-lauftemperatur knnen auch Heiz-systeme mit einer Vorlauftemperaturvon 65 C versorgt werden. Damitbesteht die Mglichkeit, Wrme-pumpen auch in der Modernisierungeinzusetzen. Und zwar auch beiSystemen, die ursprnglich frhhere Vorlauftemperaturen ausge-

legt waren. Denn oft wurden dieHeizkrper sehr grozgig dimensio-niert, und im Rahmen von Moderni-sierungsmanahmen am Gebudewurden inzwischen Isolierglasfenstereingebaut und Wrmedmmungenangebracht, die den Heizwrmebe-darf deutlich gesenkt haben.

Deshalb sind bei Beibehaltung derursprnglichen Heizflchen diehohen Vorlauftemperaturen (z. B.90 C) nicht mehr erforderlich undknnen hufig auf 65 C gesenkt

werden, ohne Komforteinbuenhinnehmen zu mssen (Bild 46).

In diesen Fllen kann eine Wrme-pumpe mit EVI-Zyklus auch beiSystemen, die ursprnglich auf90/70 C ausgelegt waren, ganzjhrigdie bentigte Wrmemenge bereit-stellen und ber die Radiatoren indie Wohnrume transportieren.

Wrmepumpen wie die Vitocal 350(Bild 47) mit Dampfeinspritzungerreichen Vorlauftemperaturen bis

65 C und Trinkwassertemperaturenvon 58 C. Dadurch knnen auch mitdem Kltemittel R 407 C Heizsystememit einer Auslegung 65/55 C ver-sorgt werden, ohne dass eine Jahres-Arbeitszahl von 3 unterschritten wird.

Damit bietet die WrmepumpeVitocal 350 einen besonders hohenTrinkwasserkomfort.

Auentemperatur tA[C]

Vorlauftemperatur[C]

90

80

70

605550

40

30

20

10

D

C

B

A

14 10 2 0 +2 +10 +14

65

E

GF

A max. Heizwasser-Vorlauftemperatur = 35C

max. Heizwasser-Vorlauftemperatur = 55C




max. Temperatur, bis zu der eine Wrmepumpe ohne EVI

die dargestellten Heizsysteme versorgen kann

max. Temperatur, bis zu der eine Wrmepumpe mit EVIdie dargestellten Heizsysteme versorgen kann

B

C

D

E

F

G

Bild 46: Erweiterung des Einsatzbereichs von Wrmepumpen mit Dampfeinspritzung (EVI-Zyklus)

Bild 47: Vitocal 350 bis 65 C Vorlauftemperatur

Die Wrmepumpe Vitocal 350 istso effizient, dass sie ganzjhrig alseinziger Wrmelieferant fr Heizungund Trinkwasserbereitung eingesetztwerden kann (monovalenter Betrieb).Dabei ist sie dank des Scroll-Ver-

dichters bei hoher Betriebssicherheitbesonders leise.

Je nach Anlagenkonzept kann dieintegrierte RegelungsfunktionNatural cooling genutzt werden.Das bedeutet: die auch im Sommerniedrigen Temperaturen im Erdreichoder im Grundwasser dienen zurKhlung des Gebudes. Damit istVitocal 350 ideal geeignet, um imGebudebestand Wrme und Khleaus der Natur zu nutzen.


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33


Bild 48: Vitocal 343 Wrme-Compact-Tower fr Niedrigenergiehuser

Bild 49: Vitocal 200 Sole/Wasser-Wrmepumpe

4.2 Wrmepumpen in Niedrig-energie- und Passivhusern

4.2.1 Niedrigenergiehuser

Durch die stndig steigenden Anfor-derungen an den Baustandard undden Trend zur wohnraumnahenInstallation der Heiztechnik setzensich mehr und mehr kompakteGerteeinheiten durch.Typische, monovalente oder mono-energetisch betriebene Wrme-

pumpen-Systeme sind die speziellfr Niedrigenergiehuser entwickel-ten Kompaktgerte.Dabei handelt es sich um kompletteSystemlsungen, die eine Wrme-pumpe (als elektrisch betriebeneKompressions-Wrmepumpe),Speicher-Wassererwrmer und alleweiteren Komponenten auf etwader Gre einer Khl-Gefrier-Kombi-nation konzentrieren (Bild 48).

4.2.2 Vitocal 343

Bei der KompaktheizzentraleVitocal 343 (Bild 48) befindet sichdie Sole/ Wasser-Wrmepumpe,der 250 Liter fassende Solarspeicher,Umwlzpumpen fr Sole, Heizungund einen optionalen Solarkreissowie alle hydraulischen Anschlsseund die Regelung auf einer Grund-flche von 600 x 670 mm. Mit 6,1 bis9,7 kW Leistung erreichen diese Wr-mepumpen Vorlauftemperaturen biszu 60 C.Fr hhere Vorlauf- bzw. Trinkwasser-

temperaturen kann ein mehrstufiger,integrierter Elektro-Heizstab dasWasser auf bis zu 70 C aufheizen.

4.2.3 Vitocal 200

Die Vitocal 200 Sole/Wasser-Wrme-pumpe (Bild 49) in den Leistungs-gren von 6,1 bis 9,7 kW gewhr-leistet ganzjhrig eine komfortableWrmeversorgung im monovalentenBetrieb. Die maximale Vorlauftempe-ratur von 60 C erlaubt auch den Ein-satz von Radiatoren. Die Regelungermglicht die Einbindung von zweiHeizkreisen und bietet auerdem dieFunktion Natural cooling.


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Fortluft

AbluftZuluft Zuluft

Schlafzimmer

AuenluftWrmepumpe

Sonnenkollektor

Bad

Wohnzimmer Kche Kinder-zimmer

Auenluft(FilterKlasse F7)

Vitotres 343

Bild 50: Systemdarstellung des Kompaktgertes Vitotres 343 fr Passivhuser

Bild 51: Passivhaus in Herzhausen, Edersee

Bild 52: Vitotres 343 im Passivhaus in Herz-hausen, Edersee

4.2.4 Passivhuser

Entsprechend der besonderen Anfor-derungen in Passivhusern werdenhnliche Systemlsungen auch frdiese Gebude angeboten. Da inPassivhusern eine kontrollierteWohnungslftung wegen der luft-dichten Bauweise zwingend erforder-lich ist, wird in Passivhaus-Kompakt-gerten eine Fortluft/Wasser-Wrme-pumpe mit einer Anlage zur kontrol-lierten Wohnungslftung kombiniert.

Die integrierte Wrmepumpe nutztden Wrmeanteil der Fortluft, dervon der Wrmerckgewinnung derLftung nicht verwertet werdenkann, und verwendet ihn zur Nacher-wrmung der Zuluft oder zurTrinkwassererwrmung. Zustzlichkann an diese Gerte auch noch eineSolaranlage zur Untersttzung derTrinkwassererwrmung sowie einekonventionelle Pumpen-Warmwas-serheizung, z. B. fr eine Fuboden-heizung, angeschlossen werden

(Bild 50).

Ein solches Kompaktgert steht bei-spielsweise im Erdgeschoss einesPassivhauses in Herzhausen (Bild 51)am Edersee und ist seit dem Som-mer 2002 im Betrieb. Es versorgteine beheizte Flche von 180 m2

bzw. ein beheiztes Volumen vonrund 450 m3.

Wegen der kompakten Abmessun-gen des Gertes ist der Aufstellraummit einer Flche von 3 m2 mehr als

ausreichend (Bild 52). In diesemTechnikraum laufen auch alle Kanledes Lftungssystems zusammen undsind an das Gert angeschlossen.

Die Vorteile dieser Gerte liegen inihrer kompakten Bauweise, die dieEinbringung von Wrmepumpe undSpeicher-Wassererwrmer in einemArbeitsgang ermglicht. Auerdemsind Kompaktgerte werksseitigkomplett vormontiert, was denMontageaufwand und damit dieInstallationskosten erheblich redu-ziert.


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35


Bild 53: Vitotres 343 System-Compact-Tower fr Passivhuser

Bild 55: Mengefhrte Regelung CD 70

Bild 54: Wrmerckgewinnungseinheit mitLfter und Bypasseinheit

4.2.5 Vitotres 343

Die Vitotres 343 Kompaktheizzentralevon Viessmann (Bild 53) ist speziellfr Passivhuser ausgelegt.Als Systemlsung fr diese Gebu-deart kombiniert Vitotres 343 eineFortluft/Wasser-Wrmepumpe miteiner Anlage zur kontrollierten Woh-nungslftung und einem Speicher-Wassererwrmer.

Das neu entwickelte Lftungsgert

mit Wrmerckgewinnung bis max.93% versorgt die Wohnrume berein Kanalsystem mit frischer Zuluftund saugt die verbrauchte Luft ausKche und Bad ab. Dabei nutzt dieWrmepumpe (1,5 kW Leistung) denAnteil der Fortluftwrme, der von derWrmerckgewinnung der Lftungnicht verwertet werden kann undverwendet ihn zur Nacherwrmungder Zuluft oder zur Trinkwasser-erwrmung (Bild 54).

Reicht das eingestellte Luftvolumen

nicht aus (z. B. Nachtabsenkung),um die notwendige Wrmequellen-leistung zu erbringen, wird auto-matisch ein definierter Auenluft-anteil angesaugt.

Zustzlich kann an Vitotres 343 aucheine Solaranlage zur Untersttzungder Trinkwassererwrmung undHeizung angeschlossen werden.An extrem kalten Tagen mit hohemWrmebedarf sichert ein integrierter,dreistufiger Elektro-Heizstab dieVersorgung.


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Bild 56: Wrmpepumpe mittelgroer Leistung: Vitocal 300 (39,6 bis 106,8 kW)

Bild 57: Anlage zur Nahwrmeversorgung von Wohnhusern in Schweden sechs Vitocal 300Wasser/Wasser-Wrmepumpen zusammen liefern bis zu 640 kW Heizleistung

4.3 Wrmepumpen fr grereGebude

Die seit Beginn der neunziger Jahrepositive Entwicklung des Wrme-pumpenmarktes in Deutschlandbetrifft fast ausschlielich Wrme-pumpen kleinerer Leistung.So ist der berwiegende Teil in Ein-und Zweifamilienwohnhusern in-stalliert. Es mag damit der Eindruckentstehen, Wrmepumpen wrdensich nur fr kleinere Objekte mit

relativ geringem Wrmebedarf eig-nen. Grundstzlich knnen jedochentsprechend ausgelegte Wrme-pumpen auch grere Leistungsan-forderungen abdecken. Als alleinigerWrmeerzeuger liefern diese Aggre-gate ganzjhrig die Wrme fr dieBeheizung und Trinkwasserbereitungvon Verwaltungs- und Industrie-gebuden, Hotels, Krankenhusern,Schulen und Mehrfamilienwohn-husern.

Fr grere Gebude kommen so

genannte mittelgroe Wrmepum-pen mit Leistungen zwischen ca.20 und 200 kW zum Einsatz. Dassin Deutschland schon eine Wrme-pumpe mit relativ bescheidenen20 kW zu den Wrmepumpen mittle-rer Gre zhlt, liegt wohl auch ander im Vergleich zu Lndern wieSchweden und der Schweiz gerin-geren Verbreitung dieser Wrme-erzeuger. So setzt das schweizerischeBundesamt fr Energie (BFE) alsuntere Grenze 50 kW fr mittelgroeWrmepumpen an. In den nordi-

schen Lndern wie Schweden be-ginnt man allgemein von mittel-groen Wrmepumpen erst ab einerLeistung von 100 kW zu sprechen.Dafr sind dort aber auch zahlreicheAnlagen mit Gro-Wrmepumpenin Betrieb, die Leistungen im Mega-watt-Bereich abgeben (Bild 57).


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4.3.1 Wrmepumpen mit zweiVerdichtern

Typische mittelgroe Wrmepumpenbestehen aus zwei Verdichterstufenmit elektrisch angetriebenen Verdich-tern. In der abgebildeten Vitocal 300(Bild 56) arbeiten zwei Verdichter-module gleicher Leistung parallelnebeneinander. Das hat den Vorteil,dass bei geringerem Wrmebedarfein Modul abschalten kann. In derersten Stufe gibt diese Wrmepumpe

die Hlfte ihrer Leistung ab. Um dievolle Leistung zu erreichen, schaltetdie Regelung automatisch die zweiteStufe hinzu. Durch die beiden sepa-raten Verdichtermodule ist darberhinaus eine hohe Betriebssicherheitgegeben. Fllt ein Modul aus, sokann mit dem anderen immer nochein Teillastbetrieb mit 50% derGesamtleistung erbracht werden(Bild 58).

Bei der Wrmepumpe Vitocal 300wird durch die integrierte Regelung

ein Laufzeitausgleich vorgenommen,so dass beide Verdichter jeweils diegleiche Betriebsstundenzahl auf-weisen. Um noch grere Leistun-gen zu erreichen, knnen mehrereseparate Wrmepumpen ber denHeizungsvor- und Rcklauf miteinan-der verbunden werden (Bild 59).Wie bei der Kaskadenschaltung vonHeizkesseln liegt auch hier ein Vorteilin der deutlich erhhten Betriebs-sicherheit der Gesamtanlage.

4.3.2 Vitocal 300 fr groeLeistungen

Die Vitocal Wrmepumpe erreichtdurch die zweistufige Ausfhrungeine Heizleistung bis 106,8 kW undist geeignet fr die WrmequellenGrundwasser und Erdreich. Damitkann sie auf jede Anforderung undjeden Bedarf abgestimmt werden.Der modulare Aufbau auf Basis vonzwei separaten Verdichterkreisensorgt fr eine besonders hohe Effizi-enz im Teillastbereich.

Verdichter


Wrmezufuhr(Umwelt)

Heizungs-Vorlauf

Verflssiger

Expansions-ventil

Verdampfer Verdampfer

Heizungs-rcklauf

Verdichter

Verflssiger

Expansions-ventil

Bild 58: Vereinfachtes Funktionsschema der parallelen Anordnung zweier Verdichterstufen

M

Wrmepumpe Wrmepumpe Wrmepumpe Heizwasser-Pufferspeicher

Heizkreis Fuboden-Heizkreis

M

Bild 59: Sekundrseitiges Installationsbeispiel fr eine Wrmepumpen-Kaskadenschaltung


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4.4 Bercksichtigung von Wrme-pumpen in der Energie-Einsparver-ordnung (EnEV)

Die Energie-Einsparverordnungbeschrnkt fr neu zu errichtendeGebude den maximal zulssigenPrimrenergiebedarf. Hierbei kannentweder die Gebudehlle (Redu-zierung des Heizwrmebedarf)und/oder die Anlagentechnik (Redu-zierung der Anlagenaufwandszahl)optimiert werden.

Im Vergleich zur Niedertemperatur-oder Brennwerttechnik werden beiWrmepumpen erheblich gnstigereAnlagenaufwandszahlen erreicht.Beispielsweise reduziert sich im Ein-familienwohnhaus der rechnerischePrimrenergiebedarf gegenber ei-nem Niedertemperatur-Heizkessel ummehr als 50 kWh/(m2a). Wegen derNutzung der Umweltenergie liegendie Erzeugeraufwandszahlen deutlichunter 1.

Energetisch weisen Wrmepumpenin der Regel so groe Vorteile auf,dass die EnEV auf die Berechnungdes realen Primrenergiebedarfesverzichtet. Im Energiebedarfsausweisist ein entsprechender Vermerk vor-gesehen. Diese Regelung greift,wenn mindestens 70% des Wrme-bedarfs durch erneuerbare Energiengedeckt werden, was bedeutet, dassdie Stromaufnahme hchstens 30%der Nutzwrmeabgabe betragen darf(EnEV 3, Absatz 3

Date post:	16-Feb-2018
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