TGA Energietechnik

TGA Ausgabe 09-2011
Forschungsprojekt an der Hochschule Luzern

L/W-Wärmepumpen: Effizienz wird steigen

Abb. 1 Der Wärmepumpen-Prototyp (links) auf dem Prüfstand der Hochschule Luzern. Die Luftkonditionierungsanlage mit zwei Kreisläufen ermöglicht eine hohe Dynamik und äußerst stabile Prüfbedingungen. Die resultierenden Abweichungen des Luf (Quelle: JV )
Abb. 1 Der Wärmepumpen-Prototyp (links) auf dem Prüfstand der Hochschule Luzern. Die Luftkonditionierungsanlage mit zwei Kreisläufen ermöglicht eine hohe Dynamik und äußerst stabile Prüfbedingungen. Die resultierenden Abweichungen des Luftzustands vom Sollwert sind während der Heizphase der Wärmepumpe deutlich geringer als die zulässigen Abweichungen gemäß Prüfnorm EN 14511. Die Wärmequelle und die Wärmesenke werden durch ein „Wärmemodul“ ­simuliert, das Fluidströme mit hoher Genauigkeit (Temperatur und Massenstrom) bereitstellen kann.

Die Leistungsanpassung einer Luft/Wasser-Wärmepumpe durch das Ein- und Ausschalten eines drehzahlkonstanten Verdichters vermindert durch eine ungünstige Betriebscharakteristik ihre Effizienz. Deutlich effizienter ist die Leistungsanpassung durch eine Drehzahlregelung der Verdichters und des Ventilators. Die Jahresarbeitszahl lässt sich so signifikant verbessern.

Ihr Marktpotenzial ist riesig, ihr Image jedoch nicht das allerbeste: Wärmepumpen, die die Wärmequelle Außenluft zur Deckung des Wärmebedarfs von Gebäuden nutzen. Angriffsfläche bietet sich aus unterschiedlichen, aber vermeidbaren Gründen. Ein gewichtiger sind im Feld gemessene Jahresarbeitszahlen, die hinter den werbenden Versprechungen „der Branche“ zurückbleiben. Auch dafür gibt es mehrere Gründe, die bereits in vorhergehenden TGA-Ausgaben thematisiert worden sind (Webcode 718). Zusammenfassend lässt sich jedoch festhalten, dass gut geplante und sorgfältig ausgeführte Anlagen effizient betrieben werden können, die Luft/Wasser-Wärmepumpe als Teil des Gesamtsystems ist in der Regel kein Problemfaktor.

Nachfolgend geht es jedoch um die Effi­zienz künftiger Wärmepumpen. Dazu hat im Juli 2011 der Bundesverband Wärmepumpe (BWP) Fachjournalisten und Branchenexperten aus Deutschland, Österreich und der Schweiz in Luzern über die Effizienzpotenziale von Luft/Wasser-Wärmepumpen informiert. Prof. Dr. Beat Wellig Abb. 2, Hochschule Luzern, berichtete dabei über das Forschungsprojekt „Effiziente Luft/Wasser-Wärmepumpen durch kontinuierliche Leistungsregelung“ Abb. 1. Die Hochschule Luzern erarbeitet dabei mit den Projektpartnern Emerson Climate Technologies und Ziehl-Abegg in einem vom schweizerischen Bundesamt für Energie (BFE) geförderten Forschungsprojekt breit anwendbare Auslegungs- und Planungsgrundlagen für effiziente, betriebssichere und wirtschaftliche Luft/Wasser-Wärmepumpen mit kontinuierlicher Leistungsregelung.

„Beeindruckende Ergebnisse“

Karl-Heinz Stawiarski Abb. 4, Geschäftsführer des BWP: „Das Projekt liefert beeindruckende Ergebnisse. Diese nehmen wir als Anlass, um ein Zeichen für das enorme Leistungsvermögen der Luft/Wasser-Wärmepumpe zu setzen.“ Ein großer Teil des vorhandenen Effizienzpotenzials lässt sich durch eine kontinuierliche Leistungsregelung heben. Denn bei handelsüblichen taktgeregelten Wärmepumpen ist die unveränderliche Drehzahl des Kompressors kontraproduktiv: Bei steigender Quellentemperatur – bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe entspricht sie in der Regel der Außenlufttemperatur – nimmt auch die Heizleistung zu, die außentemperaturabhängige Heizlast jedoch ab. Dadurch ergeben sich im Verdampfer und im Kondensator für die Wärmeübertragung unnötig hohe Temperaturdifferenzen, was die Effizienz verringert. In dem Forschungsprojekt wurde nun der Umkehrschluss mit einem entsprechenden Wärmepumpen-Prototyp belegt: Durch die kontinuierliche Anpassung der erzeugten Heizleistung an die erforderliche Heizleistung mittels einer geeigneten Leistungsregelung kann die Effizienz markant verbessert werden.

Prototyp auf dem Teststand

Dazu entwickelte das Team um Wellig durch Simulationen und Experimente eine Regelung, die je nach Umgebungszustand und Heizbedarf des Gebäudes den Kältemitteldurchsatz und die Ventilatordrehzahl regelt und zusätzlich das jeweils optimale Abtauverfahren auswählt und die Abtauung zum optimalen Zeitpunkt einleitet beziehungsweise beendet. Die in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern Emerson Climate Technologies und Ziehl-Abegg entwickelte, leistungsgeregelte Wärmepumpe wurde auf einem Prüfstand für Wärmepumpen Abb. 1 der Hochschule Luzern in vielen Versuchsreihen umfassend untersucht.

Im Ergebnis wurde mit dem Prototyp eine um 20 bis 50 % höhere Jahresarbeitszahl im Vergleich zu einer Ein/Aus-geregelten Anlage erreicht. Konkret wurde mit dem Wärmepumpen-Prototyp für die Klimaregion Zürich (Heizkurve: –10/42/35 °C) eine Jahresarbeitszahl von 4,5 (inklusive Energieaufwand für den Ventilator) beim Baustandard „sanierter Altbau“ (Heizgrenze 15 °C, ohne Trinkwassererwärmung) ermittelt. Wird der Wärmepumpen-Prototyp mit dem gleichen Lastprofil einmal mit Leistungs- und einmal mit Ein/Aus-Regelung betrieben, wird mit der Leistungsregelung ebenfalls eine deutlich höhere Leistungszahl erreicht.

Schlüsselkomponenten müssen passen

Zwingende Voraussetzung für die Effizienzsteigerung durch die simultane Leistungsregelung von Kompressor und Ventilator ist der Einsatz von Kompressoren und Ventilatoren mit geeignetem Teillastverhalten, weiten zulässigen Regelbereichen und hohen Teillast-Wirkungsgraden. Eine Wärmepumpe mit drehzahlgeregeltem Verdichter und Ventilator ist also nicht zwangsläufig besonders effizient – diese Schlüsselkomponenten müssen bestmöglich zu dem Anforderungsprofil passen.

Zudem ist zu beachten, dass die kontinuierliche Leistungsregelung nicht generell während der gesamten Heizperiode sinnvoll ist. Oberhalb einer experimentell zu bestimmenden Außenlufttemperatur ist es effizienter, von der Leistungsregelung auf die Ein/Aus-Regelung umzuschalten (abhängig von der Betriebscharakteristik von Verdichter und Ventilator). Für die oben angegebene Jahresarbeitszahl-Ermittlung für einen sanierten Altbau in der Klimazone Zürich liegt der Umschaltpunkt des Wärmepumpen-Prototyps beispielsweise bei einer Außenlufttemperatur von +2 °C. Zur Ermittlung des optimalen Umschaltpunkts ist in dem Forschungsprojekt ein einfacher Leitfaden entwickelt worden.

Die Leistungsregelung hat noch einen weiteren Vorteil: Durch die geringere Temperaturdifferenz am Verdampfer (niedrigere Flächenleistung) wird die Eis- und Frostbildung wesentlich reduziert und die Periode mit Frostbildung verkürzt. Das zahlt sich beim Energieaufwand für das Abtauen und damit bei der erreichbaren Jahresarbeitszahl aus. Zudem sind für eine hohe Effizienz die Wahl der Abtaumethode (Prozessumkehr oder Ventilatornachlauf) sowie optimale Start- und Endzeitpunkte der Abtauung maßgeblich.

Ausblick

Zurzeit laufen weitere experimentelle Untersuchungen zur Leistungsregelung an dem Wärmepumpen-Prototyp im Labor der Hochschule Luzern. Der Abschluss des BFE-Projekts ist bis Ende 2011 vorgesehen. Parallel zum BFE-Projekt wird noch eine leistungsgeregelte Luft/Wasser-Wärmepumpe in einem genutzten Einfamilienhaus vermessen. Zudem bemüht sich Wellig um Anschlussprojekte. So möchte er gerne die die optimale Wärmepumpen-Leistungsregelung auf die Trinkwassererwärmung erweitern sowie einen praktischen Leitfaden für Gebäudetechnikplaner, Anlagenbauer und Wärmepumpenhersteller erarbeiten.

Fazit

Das Forschungsprojekt zeigt, dass sich die Effizienz von Luft/Wasser-Wärmepumpen künftig deutlich steigern lässt, bereits mit dem Prototyp wurde bei der Jahresarbeitszahl dicht zu Sole/Wasser-Wärmepumpen aufgeschlossen. Den Herstellern stehen die erforderlichen Komponenten und das Know-how für die Systementwicklung zur Verfügung, die Erschließung weiterer Effizienzpotenziale ist dabei nicht ausgeschlossen. Und wenn man ein wenig zwischen den Zeilen der bisherigen Ergebnisse des BFE-Projekts liest, existiert auch noch Spielraum, um in einigen Jahren erneut eine beeindruckende Effizienzsteigerung anhand eines neuen Luft/Wasser-Wärmepumpen-Prototyps oder -konzepts zu präsentieren. 2010 wurden in Deutschland erstmals mehr Luft/Wasser- als erdge­koppelte Wärmepumpen installiert. Der Trend dürfte sich in Zukunft verstärken, wenn neben den bisherigen Vorteilen einer Luft/Wasser-Wärmepumpe eine außerordentlich hohe Energieeffizienz viel einfacher zu realisieren sein wird.Jochen Vorländer

http://www.bfe.admin.ch

http://www.energieforschung.ch

http://www.emersonclimate.com/europe

http://www.hslu.ch/tevt

http://www.waermepumpe.de

http://www.ziehl-abegg.de

Mehr Infos zum Thema im TGAdossier Wärmepumpe: Webcode 718

Literatur

[1]Wellig, Beat; Gasser, Lukas: Luft/Wasser-Wärmepumpen – Effizienter durch Leistungsregelung. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 10-2010, Webcode 293548

Inhaltsübersicht

  1. Teil: L/W-Wärmepumpen: Effizienz wird steigen
  2. Teil: Inverter-Scroll
  3. Teil: Optimierte Ventilatoren
  • Abb. 2 Beat Wellig: „Die Luft/Wasser-Wärmepumpe ist ein verflixtes Ding – je weniger Wärme ein Gebäude benötigt, desto mehr liefert sie. Diese Diskrepanz zwischen erforderlicher und erzeugter Heizleistung führt im Gesamtergebnis zu einer mäßig guten Effizienz. Der Schlüssel für eine deutliche Effizienzsteigerung liegt in der Leistungsanpassung an den Bedarf.“
  • Abb. 4 Karl-Heinz Stawiarski: „Die Ergebnisse des Forschungsprojektes sind phänomenal. Das zeigt einmal mehr, wie wichtig es ist, in die weitere Forschung und Entwicklung dieser zukunftsweisenden Technologie zu investieren.“
JV
Emerson Climate Technologies
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