So effizient sind Wärmepumpen mit Heißgasauskopplung

Der Energiestandard von Gebäuden verbessert sich seit vielen Jahren ganz allgemein und im Einzelfall mit jeder energetischen Sanierungsmaßnahme. Die Verringerung des Wärmebedarfs führt auch zu einer Senkung der für die Beheizung notwendigen Systemtemperaturen. Damit rückt die Trinkwassererwärmung in vielen Projekten in den Fokus: Das aus nutzungsspezifischen und hygienischen Gründen notwendige hohe Temperaturniveau für die Erwärmung und Vorhaltung von Trinkwarmwasser stellt eigentlich auf niedrige Vorlauftemperaturen optimierte Wärmeerzeuger wie die Wärmepumpe vor Herausforderungen. Oft fällt die Effizienz der Trinkwassererwärmung gegenüber der Effizienz im Heizungsbetrieb deutlich ab. Die Auskopplung von Heißgas für die Trinkwassererwärmung ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Effizienz der Trinkwassererwärmung.

Wärmepumpen-Thermodynamik

Zum Verständnis der Heißgasauskopplung hilft zuerst der Blick auf die thermodynamische Funktionsweise von Wärmepumpen. Sie basiert auf einem linkslaufenden Clausius-Rankine-Kreisprozess (Bild 1):

• Im Verdampfer wird durch Wärmeübertragung aus der Umwelt auf niedrigem Druck- und Temperaturniveau ein flüssiges Kältemittel verdampft (4-5).
• Nach der vollständigen Verdampfung erwärmt sich das Kältemittel im Verdampfer über seine Verdampfungstemperatur hinaus (5-1) und gelangt im überhitzten Zustand zum Verdichter.
• Im Verdichter wird das gasförmige Kältemittel komprimiert – die Temperatur steigt weiter bis zur Heißgastemperatur (1-2).
• Im weiteren Prozess erfolgt zunächst eine Wärmeabgabe bis zum Erreichen der Kondensationstemperatur (2-2‘).
• Unter weiterer Wärmeabgabe kondensiert das Kältemittel schließlich im Kondensator (Verflüssiger) und erwärmt dabei eine Wärmesenke – beispielsweise Wasser in einem Heizungssystem (2-3).
• Nach vollständiger Kondensation kühlt sich das Kältemittel weiter ab – dieser Vorgang wird als Unterkühlung (3-3‘) bezeichnet –
• und gelangt schließlich zum Expansionsventil, an dem das Kältemittel durch eine lokale Querschnittsverjüngung auf seinen Ursprungsdruck entspannt wird (3‘-4).

Der reale Prozess in einer Wärmepumpe unterscheidet sich in zahlreichen Punkten vom idealen Carnot-Kreisprozess. Neben zu berücksichtigenden Druckverlusten erfolgt die in Prozessschritt (1-2) dargestellte Verdichtung des Kältemittels auf eine Verdichtungsendtemperatur, die deutlich oberhalb der Kondensationstemperatur (2‘-3) liegt. Je nach Kältemittel werden Heißgastemperaturen von bis zu 125 °C erreicht.

Da die Wärmeabgabe – in der Regel an das Wasser des Heizungssystems – typischerweise auf dem Niveau der Kondensationstemperatur (2‘-3) erfolgt, bleibt die thermodynamisch wertvolle Temperatur des bei jedem realen Verdichtungsprozess entstehenden Heißgases bei den meisten Wärmepumpen ungenutzt.

Heißgasauskopplung für die Trinkwassererwärmung

Für die Trinkwassererwärmung existieren deutlich höhere Temperaturanforderungen als für die Heizung. Die einschlägigen Normen fordern in Großanlagen¹⁾ am Austritt eines Trinkwarmwasserspeichers dauerhaft Temperaturen von über 60 °C, wofür im Kältekreislauf Kondensationstemperaturen von 65 °C und höher notwendig sind. (¹⁾ Beispielsweise in der Trinkwasserverordnung: Speicher-Trinkwassererwärmer oder zentrale Durchfluss-Trinkwassererwärmer jeweils mit einem Inhalt von mehr als 400 l oder einem Inhalt von mehr als 3 l in mindestens einer Rohrleitung zwischen dem Abgang des Trinkwassererwärmers und der Entnahmestelle; ausgenommen sind Ein- und Zweifamilienhäuser. Die Temperaturvorgaben kommen aus DIN 1988-200 und dem DVGW-Arbeitsblatt W 551.)

Aufgrund der deutlich unterschiedlichen Temperaturanforderungen von Heizung und Trinkwassererwärmung sieht die Steuerung von Wärmepumpen unterschiedliche Betriebsmodi für beide Anwendungsfälle vor. Die Leistungszahl der Trinkwassererwärmung ist angesichts des größeren Temperaturhubs zwischen Wärmequelle und Systemtemperatur üblicherweise geringer als jene der Heizwärmeerzeugung.

Bei den meisten Wärmepumpenanlagen erfolgt die gesamte Wärmeabgabe in den Prozessschritten 2-2‘ und 2‘-3 über einen gemeinsamen Wärmeübertrager. Bei der Heißgasauskopplung hingegen werden die im Verdichtungsprozess unweigerlich entstehenden hohen Heißgastemperaturen einer energetisch sinnvollen Nutzung auf hohem Temperaturniveau zugeführt – der Trinkwassererwärmung.

Dazu wird dem Verdichter ein zusätzlicher Wärmeübertrager nachgeschaltet, über den das Heißgas geführt und bei Temperaturen von mindestens 65 °C Wärme ausgekoppelt wird, bevor das abgekühlte Heißgas zum Kondensator gelangt. Dies entspricht dem Prozessschritt (2-2`) in Bild 1.

Über diesen Wärmeübertrager erfolgt die Beladung eines Durchlaufspeichers in der oberen Temperaturschicht (Speicherdom, Bild 2). Insgesamt werden je nach Quellen- und Kondensationstemperatur bis zu 35 % der Energie im gasförmigen Kältemittel zur Trinkwassererwärmung genutzt.

Die verbleibende Energie gelangt anschließend mit dem abgekühlten, aber noch gasförmigen Kältemittel zum Kondensator, an dem es unter Abgabe seiner Restwärme vollständig kondensiert (2‘-3). Durch die Heißgasauskopplung wird die Kondensationstemperatur im Kältekreis nicht verändert, sodass sich das Temperaturniveau der Heizwärmeerzeugung nicht wesentlich verändert.

Aufgrund der ausgekoppelten Wärmemenge sowie der etwas geringeren durchschnittlichen Temperatur verringern sich die Leistung und die Leistungszahl für den Heizbetrieb (Raumwärme) – aber nur minimal. Dieser Effekt wird zudem dadurch aufgewogen, dass die Laufzeit mit hohen Temperaturen für die Trinkwassererwärmung deutlich sinkt und sich damit die Gesamteffizienz der Wärmepumpe erhöht.

Durch die ruhigere Betriebsweise vermindert sich auch der Verschleiß des Verdichters, womit die Lebensdauer der Wärmepumpe steigt. Eine optimale Abstimmung der Komponenten untereinander sowie der Regelung des Kältekreises gewährleisten, dass hohe Heißgastemperaturen ohne Beeinträchtigungen im regulären Heizungs- oder Warmwasserbetrieb bereitgestellt werden können.

WPE-I H 400 mit Heißgasauskopplung

Mit der drehzahlgeregelten WPE-I H 400 bietet Stiebel Eltron eine Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Heißgasauskopplung an. Die Maschinen sind in vier Leistungsgrößen von 33 bis 87 kW Heizleistung erhältlich und können in Kaskaden mit bis zu 16 Geräten verbaut werden – damit sind Leistungen bis 1.400 kW möglich.

Die Heißgasauskopplung kann einfach aktiviert werden und ermöglicht die Nutzung von Heißgasen mit bis zu 125 °C. Dadurch können insbesondere in der Heizperiode ohne Zusatzheizung Temperaturen von über 70 °C im oberen Speicherbereich erreicht werden. In den Sommermonaten kann bei einem aktiven Kühlbetrieb die hohe Effizienz der Trinkwassererwärmung aufrechterhalten werden. Auch heizungsseitig können hohe Temperaturanforderungen von bis zu 65 °C erfüllt werden, womit sich die WPE-I H 400 Premium auch für die Heizungsmodernisierung in Mehrfamilienhäusern mit nahezu jedem Energiestandard eignet.

Zweites Umschaltventil ermöglicht vollständige Speicher-Durchladung

Bei der Installation wird ein Durchlaufspeicher zur Trinkwassererwärmung wie gewohnt an Heizungsvor- und -rücklauf der Wärmepumpe angeschlossen. Dazu werden die Anschlussstutzen im mittleren Bereich des Speichers verwendet. Zusätzlich wird der Heißgas-Wärmeübertrager an den oberen Anschlussstutzen des Durchlaufspeichers angeschlossen. Der Volumenstrom wird über ein Strangregulierventil eingestellt.

Die Regelung ermöglicht zusätzlich ein intelligentes Speichermanagement inklusive Steuerung der Durchladung mit Heißgas. Dazu werden in den Zuleitungen zum Speicher zwei Umschaltventile installiert (Bild 2), sodass auch eine Heißgas-Beladung im mittleren Bereich des Durchlaufspeichers möglich wird: Sobald im oberen Bereich des Speichers ein definiertes Temperaturniveau von beispielsweise 68 °C erreicht wird, beginnt die Durchladung des gesamten Speichers über die Anschlussstutzen im mittleren Bereich. Damit kann die Temperaturschichtung im Speicher auf die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden.

Ohne Zusatzheizung normkonforme Trinkwassererwärmung

Die Heißgasauskopplung ermöglicht in der Trinkwassererwärmung ein Temperaturniveau von über 70 °C, womit die Notwendigkeit einer fossilen oder direktelektrischen Nachheizung entfällt. Die hohen Anforderungen der gängigen Normen im Bereich Trinkwarmwasser können so mit der WPE-I H 400 im reinen Wärmepumpenbetrieb mit hoher Energieeffizienz erfüllt werden.

Die Heißgasauskopplung ermöglicht Temperaturen von deutlich mehr als 60 °C und die hohen Temperaturen im Speicherdom können zusätzlich zur Deckung von Zirkulationsverlusten beitragen. Gleichzeitig sinken die Energiekosten – insbesondere dann, wenn der entfallende Energieverbrauch einer fossilen oder direktelektrischen Zusatzheizung berücksichtigt wird.

Heißgasauskopplung im Feldtest

In einem mehrwöchigen Feldtest wurde die Heißgasauskopplung (HGA) unter praktischen Bedingungen untersucht. Eine Kaskade aus einer WPE-I 59 H 400 und einer WPE-I 44 H 400 versorgt eines der Verwaltungsgebäude am Hauptsitz von Stiebel Eltron in Holzminden. Neben einem Pufferspeicher SBP 1000 E wurde auch ein Durchlaufspeicher SBS 1001 W installiert.

In dem Gebäude werden nur geringste Warmwassermengen benötigt, sodass die Trinkwassererwärmung dezentral erfolgt und nicht für den Feldtest geeignet war. Für den Feldtest wurde deshalb der Trinkwarmwasserbedarf eines Mehrfamilienhauses mit zehn Wohneinheiten und dem Norm-Zapfprofil für einen Drei-Personen-Haushalt mit Bad und Dusche (DIN EN 15 450 Tabelle E.4) über zeitgesteuerte Entnahmen und Volumenstromregler simuliert.

Im Feldtest bestätigen sich eindrucksvoll die hohen Temperaturen, die durch die Heißgasauskopplung möglich sind. Während die WPE-I 59 H 400 den SBS-Speicher ohne Heißgasauskopplung auf 62 °C erwärmt, werden mit Heißgasauskopplung knapp 75 °C im Speicherdom erreicht. Über die Umschaltventile zur Durchladung des Speichers kann die Temperaturschichtung sehr gut gesteuert werden (Bild 3).

Je höher die Umschalttemperatur gewählt wird, desto höher ist die Temperatur im oberen Speicherbereich. Umgekehrt lassen sich durch niedrigere Umschalttemperaturen von beispielsweise 68 °C höhere Temperaturen in der Speichermitte bei etwas niedrigerer Absolut-Temperatur im Speicherdom erzielen.

Die hohen Temperaturen im oberen Speicherbereich eignen sich bestens zur Kompensation von Zirkulationsverlusten. Bei einer Zirkulationsleistung von 1750 W (5 K Temperaturabfall bei 5 l/min) stellt sich im oberen Speicherbereich immer noch eine mittlere Temperatur von 65 °C ein – gegenüber bis zu 70 °C ohne eine Zirkulationslast. Es existieren also ausreichende Reserven zur Deckung höherer Zirkulationsverluste.

Größerer Energieeintrag bei gleichbleibender Effizienz

Wie bereits erwähnt, ist ein Vorteil der Heißgasauskopplung, dass die hohen erreichbaren Temperaturen nicht zu Lasten der Anlageneffizienz gehen. Temperaturen von mehr als 60 °C lassen sich auch mit Wärmepumpen ohne Heißgasauskopplung erzielen. Durch den größeren Temperaturhub des Verdichters bei höheren Vorlauftemperaturen verringert sich jedoch die Anlageneffizienz. So sinkt beispielsweise die Leistungszahl durch das Anheben der Vorlauftemperatur von 60 auf 65 °C um etwa 7 %.

Da Heißgas ohnehin in jedem Verdichtungsprozess entsteht, verringert sich die Leistungszahl durch die Heißgasauskopplung hingegen nicht. Diesen Zusammenhang bestätigt der Feldtest ebenfalls (Bild 4). Weder im Heizungs- noch im Warmwasserbetrieb lässt sich eine Reduzierung der Anlageneffizienz durch die Auskopplung von Heißgas feststellen.

Bei der Ermittlung der Anlageneffizienz bei der reinen Heizwärmebereitstellung liegen die Abweichungen zwischen den Messreihen mit und ohne Heißgasauskopplung im Bereich von einem Prozentpunkt und damit im Toleranzbereich der eingesetzten Messinstrumente. Das bedeutet: Durch die Heißgasauskopplung können deutlich höhere Nutztemperaturen bei gleichbleibender Anlageneffizienz erzielt werden.

Großes Einsparpotenzial durch monovalente Trinkwassererwärmung

Die gleichbleibend hohe Anlageneffizienz ist insbesondere im Hinblick auf die Deckung der Zirkulations- und Verteilverluste wichtig. Diese können in Mehrfamilienhäusern bis zu 50 % des Wärmebedarfs für die Bereitstellung von Trinkwarmwasser erreichen und werden häufig direktelektrisch gedeckt. Der dazu notwendige Stromverbrauch kann hohe Kosten verursachen (im Feldtest wurde eine Zirkulationsleistung von 1,75 kW angenommen).

Durch die Heißgasauskopplung werden die Zirkulations- und Verteilverluste hingegen im normalen Warmwasserbetrieb monovalent über die Wärmepumpe gedeckt. Bild 5 zeigt eindrucksvoll, wie groß das Einsparpotenzial die Deckung dieser Verluste mittels Heißgasauskopplung ist. Für die monoenergetische Trinkwassererwärmung wurde angenommen, dass sie mit einer durchschnittlichen Leistungszahl von 3,82 erfolgt (Bild 4), während die Zirkulations- und Verteilverluste in Höhe von rund 35 % des Warmwasserbedarfs direktelektrisch (Leistungszahl 1,0) gedeckt werden.

Durch die Heißgasauskopplung entfällt die Notwendigkeit des direktelektrischen Nachheizens vollständig, sodass auch die Verluste mit der durchschnittlichen Leistungszahl der Trinkwassererwärmung gedeckt werden. Hierdurch kann der Stromverbrauch für die Trinkwassererwärmung um rund 42 % gesenkt werden.

Heißgasauskopplung profitiert von großem Temperaturhub

Im Feldtest bestätigte sich weiterhin, dass der Anteil der Heißgasauskopplung mit größer werdendem Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Wärmesenke zunimmt. Im Warmwasserbetrieb ergab sich ein Heißgasanteil von bis zu 35 % der erzeugten Wärmemenge, im Heizungsbetrieb mit geringerer Kondensationstemperatur konnten lediglich 3 % der erzeugten Wärmemenge über das Heißgas ausgekoppelt werden.

Ein wesentlicher Grund für die geringe Heißgasauskopplung im Heizungsbetrieb ist das hohe Temperaturniveau der Wärmequelle (Werkswasser) von im Mittel 13 °C. Es ist davon auszugehen, dass sich bei geringerer Quellentemperatur, wie sie beispielsweise bei Erdwärmesonden mit eine Teufe bis 100 m anzutreffen ist, deutlich höhere Heißgasanteile im Heizungsbetrieb einstellen.

Dieser Artikel von Björn Langheim M.Sc. ist zuerst erschienen in TGA Fachplaner 11/2021. Björn Langheim M.Sc. arbeitet in der Anlagenplanung und im Schulungswesen bei Stiebel Eltron, 37603 Holzminden, www.stiebel-eltron.de

Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGAdossier Wärmepumpe der Fachzeitschrift TGA Fachplaner.