eXergiemaschine: Nutzbare Wärme aus brachliegender Energie

05.10.2020

Die eXergiemaschine wandelt brachliegende Energie in nutzbare Wärme (Exergie) um. Einzige Voraussetzung: Eine Wärmeanlage mit Pufferspeicher.

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Unabhängig von der Leistung – max. 5 kW bis 40 kW – findet die eXergiemaschine inklusive der Regelungstechnik in einem Gehäuse Platz, das etwa die Abmessungen eines hohen Kühlschranks hat.

Aus gutem Grund haben die Partner varmeco und BMS-Energietechnik ihre gemeinsame Entwicklung eXergiemaschine genannt. Denn das Gerät macht brachliegende Energie zu Exergie, zu nutzbarer Wärme. Voraussetzung ist eine Wärmeanlage mit Pufferspeicher, denn die Maschine ist dafür konzipiert, die Temperaturschichtung im Wärmespeicher zu optimieren. Sie hebt die Vorlauf- und senkt die Rücklauftemperatur, steigert so den Wirkungsgrad von Wärmequellen, streckt die Ladeintervalle und macht Abwärme besser nutzbar.

Nur wenige Wärmeanlagen arbeiten ideal. In manchen Fällen liefert die günstige Wärmequelle zwar prinzipiell ausreichend Energie, doch in relevanten Zeiträumen auf einem für die Anwendung ungünstigen oder unbrauchbaren Temperaturniveau.

Bei anderen Anlagen – vor allem im Wohnungsbau, in Sportstätten, Hotels und Herbergen oder in der Gastronomie – ist das Verbrauchsverhalten über den Tag hinweg so unterschiedlich, dass die Betriebsbedingungen zwangsläufig vom Optimum abweichen. Zum Beispiel sorgen dort eine lang andauernde Warmwasserzirkulation bei geringer Zapfung oder ein niedriger Heizbedarf in der Übergangsjahreszeit für ein Zerstören der Temperaturschichtung im Pufferspeicher.

Statt dass es im Schichtspeicher oben heiß und unten kühl ist, stellt sich eine mittlere Temperatur ein, im Extremfall sogar über das gesamte Volumen. Von Temperaturschichtung kann dann kaum die Rede sein. Die Vorlauftemperatur ist zum Heizen und für die hygienische Trinkwassererwärmung zu niedrig, gleichzeitig ist die Rücklauftemperatur zu hoch, um die Wärmequelle mit einem passablen Wirkungsgrad zu betreiben. Trotz der widrigen Situation ist ein Nachladen unvermeidbar, damit der Bedarf für Trinkwassererwärmung und Raumheizung gedeckt werden kann.

Optimale Temperaturschichtung

„Die eXergiemaschine macht Schluss mit lauwarmen Sachen“, sagt Siegfried Schmölz, Geschäftsführer der varmeco GmbH & Co. KG, Kaufbeuren. „Die eXergiemaschine stellt die optimale Temperaturschichtung im Speicher her, und zwar unabhängig vom jeweiligen Verbrauchsverhalten.“ Vorteile bringt das bei verschiedenen Anwendungen. Je nach Einsatzgebiet stehen einer oder mehrere dieser Aspekte im Vordergrund:

Vorlauftemperatur erhöhen
Rücklauftemperatur senken
Schaltzyklen verlängern

Das Erhöhen der Vorlauftemperatur hilft unter anderem, wenn Wärme auf niedrigem Temperaturniveau nutzbar gemacht werden soll, zum Beispiel Wärme aus Solarthermie, aus industrieller oder gewerblicher Abwärme oder Wärme aus einer konventionellen Wärmepumpe.

Liefern beispielsweise Kälteanlagen Abwärme zwischen 30 und 45 °C, kann die eXergiemaschine die Temperatur auf 70 °C und mehr anheben, sodass auch Heizkreise mit konventionellen Radiatoren und die Trinkwassererwärmung von der Abwärme profitieren können. Der Betrieb eines Gas- oder Öl-Heizkessels ist für das Nacherhitzen erstmal nicht erforderlich, solange die Wärmequellen ausreichend Nachschub liefern.

Besserer Wirkungsgrad der Wärmequelle

Das Senken der Rücklauftemperatur ist stets von Vorteil, wenn der Wirkungsgrad der Wärmeerzeugung optimiert werden soll. Ob Blockheizkraftwerk, Gas- und Öl-Brennwertheizkessel, Solarthermie oder PV-Hybridkollektoren – sie alle arbeiten effektiver, wenn sie einen kühlen Rücklauf erhalten. Bei PV-Hybridkollektoren dient der kühle Rücklauf im Sommer zugleich der Kühlung der PV-Module, wodurch ihr elektrischer Wirkungsgrad steigt.

Oft steht ein kühler Rücklauf auch bei Nah- und Fernwärmenetzen im Fokus. Viele Fernwärmeanbieter schreiben eine maximale Rücklauftemperatur vor, damit sie ihre Erzeugungsanlagen mit angemessenem Wirkungsgrad betreiben können und die Netzverluste begrenzt werden. Die eXergiemaschine ermöglicht es, die Anschlussbedingungen einzuhalten.

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Beispielschema für eine Anlage mit Fernwärmeanschuss und eXergiemaschine.

Seltenere Taktung, weniger Verschleiß

Weniger Anlagenstarts sind vor allem bei motorischen Blockheizkraftwerken von Vorteil, aber auch bei Heizkesseln und Wärmepumpen. „Das seltenere, dafür aber längere Laden des Wärmespeichers ist ein willkommener Nebeneffekt, der sich durch die optimierten Vor- oder Rücklauftemperaturen einstellt“, so Schmölz. Noch ein Begleiteffekt, der sich bei Neuanlagen auswirken kann: Mithilfe der eXergiemaschine lässt sich mehr Energie mit dem gleichen Volumenstrom transportieren. Daher können die Leitungen eventuell kleiner ausfallen.

So arbeitet die eXergiemaschine

Zum Anheben der Vorlauftemperatur bzw. zum Absenken der Rücklauftemperatur nutzt die eXergiemaschine eine einstufige Wasser/Wasser-Wärmepumpe (Kältemittel R134a). Sie ist für eine große Temperaturspreizung im Pufferspeicher von 50 K oder mehr ausgelegt und – das ist die eigentliche Besonderheit – sie arbeitet auch bei Quelltemperaturen von 55 °C und mehr.

„Das hat es in der Leistungsklasse, in der wir uns bewegen, vorher nicht gegeben“, stellt Schmölz fest. Die eXergiemaschine biete Nennwärmeleistungen Q_th von 5, 10, 20 oder 40 kW und sei somit für mittelgroße Objekte geeignet. „Wärmepumpen, die auf einem vergleichbaren Temperaturniveau arbeiten, gibt es sonst erst im industriellen Maßstab, also im dreistelligen Kilowattbereich.“

Die Partner varmeco und BMS-Energietechnik adressieren aber gerade die Eigentümer von Mehrfamilienhäusern, Hoteliers, Gewerbetreibende oder die Nutzer mittelgroßer industrieller Wärmeanlagen. Bald sollen sogar kleine Mehrfamilienhäuser und Villen von der eXergiemaschine profitieren. Schmölz: „In wenigen Monaten möchten wir ein Modell vorstellen, das etwa 2 oder 3 kW Wärmeleistung bietet und somit zu kleineren Wohnobjekten passt.“

Einfache Speichertemperatur-Regelung

Unabhängig von der jeweiligen Leistung ist das Funktionsprinzip stets gleich: Über Temperaturfühler am Wärmespeicher erkennt die Regelung der eXergiemaschine, ob die Temperaturschichtung oder eine Zieltemperatur von der Vorgabe abweicht.

Im Falle einer Mindesttemperatur für den Vorlauf können zum Beispiel zwei Temperaturfühler in der oberen Speicherhälfte die relevanten Geber sein. Ist der Sollwert am obersten Fühler nahe des Speicherdeckels 70 °C und wird unterschritten, beginnt die eXergiemaschine zu arbeiten. Ein darunter liegender Fühler kann dann den Abschaltzeitpunkt bestimmen, zum Beispiel bei Erreichen einer Zieltemperatur von 70 °C. Dann hat sich am weiter oben angeordneten Fühler auf jeden Fall eine Temperatur über 70 °C eingestellt.

Sobald die eXergiemaschine zu arbeiten beginnt, entnimmt sie über zwei Flansche Wasser aus der Mitte des Speichers. Der eine Teil des Wassers wird zum Kondensator der Wärmepumpe geleitet, wo es erhitzt wird, bevor es oben in den Speicher gelangt. Der andere Teil fließt über den Verdampfer, wird gekühlt und anschließend in den untersten Speicherbereich eingeleitet.

Große Wirkung, einfache Installation: Neben den vier Wasseranschlüssen müssen nur die Signale der Geber und Strom zur eXergiemaschine geführt werden.

Laborversuch an einem Speicher mit komplett zerstörter Temperaturschichtung: Innerhalb von ca. 20 min stellt die eXergiemaschine die gewünschten Temperaturen im Speicher wieder her. Statt ca. 55 °C beträgt der Vorlauf ca. 75 °C, der Rücklauf wird um etwa 18 K auf 35 °C abgekühlt.

Höherer Vorlauf, kühlerer Rücklauf …

Beide Wasserkreisläufe werden über eine eigene Pumpe mit regelbarer Drehzahl betrieben. Dadurch kann die Durchflussmenge

angepasst und auf das angestrebte Ziel abgestimmt werden.

Hat sich im Speicher zum Beispiel aufgrund der Warmwasserzirkulation eine Temperatur von 55 °C eingestellt, aber es sind 75 °C im oberen Speicherdrittel erwünscht, muss im Kondensator ein Temperaturhub von 20 K erfolgen. Dafür ist bei einer angemessenen Leistungsdimensionierung der eXergiemaschine eine mittlere Verweilzeit im Kondensator erforderlich – die entsprechende Pumpe arbeitet mit geringer Drehzahl.

Live-Anlagenschema (jede eXergiemaschine wird online überwacht) inklusive aktueller Temperaturen aus einer Anwendung, wo der Pufferspeicher Trinkwassererwärmer bedient. Zu erkennen ist auch, dass die Pumpe im Kondensator-Kreislauf fast zwei Drittel weniger Wasser fördert als die andere, damit ein hoher Temperaturhub auf der „heißen“ Seite erzielt wird.

Ist die Absenkung der Rücklauftemperatur bei der Anwendung ein untergeordnetes Ziel, kann das Wasser am Verdampfer bei hoher Pumpendrehzahl durchaus schnell vorbeifließen und das Wasser wird von der eXergiemaschine nur um wenige Kelvin, beispielsweise von 50 auf 40 °C, abgekühlt, bevor es in den unteren Speicherteil fließt.

Anders sieht es bei der Solar- oder Abwärmenutzung aus. Liegt Wärme auf einem Temperaturniveau von z. B. 45 °C vor und soll eine Vorlauftemperatur von 65 °C erreicht werden, ist ebenfalls ein Hub um 20 K das Ziel. Gleichzeitig sollte aber der Rücklauf zur Wärmequelle gekühlt werden, damit der Wärmeübertrag (ob am Solarmodul oder einer Kälteanlage) gut funktioniert. Dann werden die beiden Pumpen für den Kondensator- und den Verdampferkreislauf mit ähnlicher Drehzahl arbeiten.

Wie groß die eXergiemaschine gewählt werden sollte, wie sie am besten geregelt wird und Weiteres lässt sich nicht pauschal beantworten. „Es gibt so viele verschiedene Anwendungen und Ziele, dass es unmöglich ist, ein allgemeingültiges Auslegungs- oder Regelungskonzept zu geben“, meint Schmölz.

Doch mittlerweile haben varmeco und BMS-Energietechnik viele Anlagen in diversen Anwendungen im Einsatz und eine entsprechend große Projekterfahrung. eXergiemaschinen stehen beispielweise in großen Wohngebäuden mit Nah- und Fernwärme, in einer Herberge und einem Hotel, im Gewerbe zur Abwärmenutzung …

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Siegfried Schmölz, Geschäftsführer von varmeco: „Bei den meisten Anwendungen behebt die eXergiemaschine Probleme mit der Wärmeanlage und ihr Einsatz amortisiert sich aufgrund eines besseren Gesamtwirkungsgrads der Anlage binnen weniger Jahre.“

„Anhand unseres Erfahrungsschatzes und mithilfe eines Simulationsprogramms können wir Planern Unterstützung bieten. Bei der Simulation fließt das zeitliche Verbrauchsverhalten ein und wir können zeigen, wie die Temperaturschichtung im Speicher mit und ohne eXergiemaschine aussehen würde“, erklärt Schmölz. Auch die Wirtschaftlichkeit spielt eine Rolle – wenn auch nicht immer: „Wenn es darum geht, die Anschlussbedingungen des Fernwärmebetreibers einzuhalten, steht die Energieeffizienz erst einmal hinten an.“ Ein anderes Beispiel, bei dem Geld eine untergeordnete Rolle spielt, ist die Sanierung einer Trinkwassererwärmung und -Installation zur Legionellenvermeidung. Hier bewirkt die eXergiemaschine stets ausreichend hohe Temperaturen für die hygienische Trinkwassererwärmung.

Bei den meisten Objekten stehe jedoch die Wirtschaftlichkeit im Mittelpunkt. Diese ergebe sich durch das verbesserte oder zuvor nicht mögliche Einsetzen von Wärmequellen oder das Nutzbarmachen von Abwärme ohne Einsatz fossiler Energieträger. „Aufgrund des

guten COPs unserer eXergiemaschine – meistens liegt er bei fünf oder sechs – ergeben sich Amortisationszeiten von wenigen Jahren“, versichert varmeco-Geschäftsführer Schmölz. Ralf Dunker, München

Fallbeispiel: Rücklauftemperatur senken mit der eXergiemaschine

In Trinkwassererwärmungsanlagen steigt der Verbrauch morgens meist auf Spitzenwerte, danach ist für viele Stunden die Zirkulation der Hauptverbraucher. Die Zirkulation zerstört über kurz oder lang die Temperaturschichtung im Pufferspeicher. Für den optimalen Betrieb ist es dann oben im Speicher zu kühl, unten zu warm. Nachladen ist unvermeidlich, um eine hygienische Trinkwassererwärmung und -verteilung sicherzustellen. Das Nachladen erfolgt jedoch bei einer hohen Rücklauftemperatur. Ob Heizkessel, Blockheizkraftwerk oder Fernwärmeanschluss: Die Quellen arbeiten dann mit schlechtem Wirkungsgrad. Bei Fernwärme wird zudem oft die vom Netzbetreiber gewünschte Rücklauftemperatur überschritten, gegebenenfalls greift er sogar über eine Begrenzung der Rücklauftemperatur beim Überschreiten ein.

Eine Rücklauftemperatur von mehr als 50 °C stellte sich auch bei den Unterkünften einer Bildungseinrichtung ein, sobald die Zirkulation überwog. Doch seit etwas über einem Jahr sorgt dort ein Prototyp der eXergiemaschine für eine optimale Temperaturschichtung im Pufferspeicher. Wie gut das funktioniert, zeigt ein Vergleich mit dem fast identischen Nachbargebäude ohne eine eXergiemaschine: Mit eXergiemaschine wird die Anzahl der Nachladungen an Werktagen nahezu halbiert. Gleichzeitig hebt die eXergiemaschine die Vorlauftemperatur zum Bereitstellen von Warmwasser um rund 7 K an. Und im Gegensatz zum Nachbargebäude beträgt der durchschnittliche Rücklauftemperatur zur Fernwärmestation nicht ca. 51 °C, sondern 33 °C.