Wärmepumpen: Effizienzoptimierung per Plug-and-play
Wärmepumpen können im Neubau und Bestand maßgeblich zur Wärmewende beitragen. Unabhängig von der genutzten Energie − Geo-, Solar- oder Aerothermie − hängt die Systemeffizienz entscheidend von der Qualität der Anlagenhydraulik und dem gewählten Speicher- und Verteilkonzept ab. In großen Versorgungsbereichen werden effizienzoptimierte Systemlösungen bereits seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Wie sich vergleichbare Potenziale auf einfache Weise auch in kleineren Objekten erschließen lassen, zeigt ein neues, steckerfertiges Kompaktsystem.
Multivalente Wärmeversorgungsanlagen liegen im Trend. Hohe Effizienzgrade und die Einbindung erneuerbarer Energien machen sie zu einer zukunftsfähigen Investition für Bauherren und Modernisierer. Zahlreiche dieser Versorgungskonzepte basieren auf Wärmepumpen, die ein Vielfaches der zugeführten Energie als Wärme zur Verfügung stellen können.
Bedarfsgerecht geplante Wärmepumpenlösungen sind in der Lage, die objekt- und abnehmerspezifischen Raumwärme- und Trinkwarmwasseranforderungen weitestgehend zu erfüllen.
Erst im Spitzenlastfall und in den kalten Jahreszeiten ergänzen zusätzliche Wärmeerzeuger mit primären oder sekundären Energieträgern die Versorgung. Zudem erlauben es Wärmepumpen in Kombination mit einem passenden Verteilsystem, Gebäude passiv oder aktiv zu kühlen.
Damit die Gesamtanlage ihre Effizienz ausspielen kann, muss ein energetischer Verbund aus technischen Komponenten exakt aufeinander abgestimmt sein. Das beginnt bei der sorgfältigen Planung und endet bei der fachgerechten Montage und Inbetriebnahme. Gerade die Integration von Wärmepumpen in das multivalente Gesamtsystem ist jedoch häufig eine Herausforderung.
Effizienz ist eine planerische Herausforderung
Ein zu hoher Energieverbrauch und damit nicht genutzte Effizienzpotenziale resultieren häufig aus einer unzureichend geplanten Integration unterschiedlicher Wärmeerzeuger und einer Wärmepumpenlösung. Die Folgen sind eine zu hohe Taktungsfrequenz sowie ein hoher Verschleiß und verringerte Laufzeiten aufgrund der kontinuierlichen Übersteuerung der ergänzenden Wärmeerzeuger, wie z. B. Gas-, Biomasse- oder Ölkessel.
Ein weiterer oft unterschätzter Aspekt ist die Anlagenhydraulik. Ist diese nicht ausbalanciert, führen die daraus resultierenden hohen Vor- und Rücklauftemperaturen sowie eine erhöhte Pumpenstromaufnahme zu deutlichen Effizienzeinbußen und Mehrkosten. Zudem muss gewährleistet sein, dass die Wärmepumpe die erzeugte Wärme problemlos abgeben kann, etwa an einen Puffer. Ansonsten drohen Hochdruckstörungen.
Das Zortström-Speicherkonzept realisiert eine exakte Temperaturtrennung in beliebig vielen Temperaturschichten. Der Vortmix vermischt in der Stufe das ankommende und das vorhandene Wasser. Die Flowsplit-Einheit stellt die zuverlässige Trennung der Temperaturschichten sowie den strömungsberuhigten Wasseraustausch zwischen den Stufen sicher.
Besondere Anforderungen an die Hydraulik stellen neben der Kopplung mit zusätzlichen Wärmeerzeugern auch die gleichzeitige Versorgung mehrerer unterschiedlicher Heizkreise, etwa für Fußbodenheizung, Frischwassermodule oder Schwimmbäder.
Hohe energetische Verluste können auch Resultat einer unzureichenden Schichtungseffizienz sein. Durchmischen sich warmes und kaltes Wasser im Speicher, sinkt das nutzbare Temperaturniveau. Das führt insbesondere im Winter und zu Spitzenlastzeiten zu einem zusätzlichem Brennstoffeinsatz bzw. Stromverbrauch der Heizungsanlage.
Kombispeicher als Schaltzentrale
Um die Integration unterschiedlicher Energieerzeuger und die Installation der komplexen Wärmeversorgungssysteme sicher, einfach und platzsparend umzusetzen, wurden in den letzten Jahren zunehmend effiziente, kompakte Kombispeicher für (Wohn-)Gebäude mit kleineren Wärmelasten entwickelt. Die am Markt gängigen Modelle unterscheiden sich zunächst in den verschiedenen Möglichkeiten der Trinkwassererwärmung über einen internen Trinkwasserwärmetauscher, einen innen liegenden Trinkwarmwasserspeicher (Tank-in-Tank-System) oder einen externen Wärmetauscher (Frischwassermodul).
Ein entscheidendes Effizienzkriterium der kompakten Anlagen ist die Temperaturschichtung und deren Erhalt bei der Be- und Entladung des Speichers. Denn nur ein optimales Temperaturschichtverhalten ermöglicht eine effiziente Wärmeverteilung, reduziert Speicherverluste und erhöht die Speicherleistung.
Vereinfacht gilt, dass ein gut geschichteter Speicher auch dann noch Wärme aufnehmen kann, wenn er bereits geladen ist, und Wärme abgeben kann, wenn er schon relativ entladen ist. Die Grenze zwischen den Temperaturschichten sollte möglichst exakt verlaufen.
Eine Durchmischung im Speicher mit durchgängig warmem Wasser bzw. mittlerer Temperatur schränkt die effektiv nutzbare Wärmemenge ein. Ist die Speicherschichtung nicht ausreichend stabil, müssen die Wärmepumpen in Folge höhere Temperaturen – mit zusätzlichem Energieaufwand – für die Speicherbeladung bereitstellen.
Einfluss der Schichtungseffizienz
Eine Temperaturschichtung in Wasserspeichern findet gemäß Schwerkraft und der temperaturabhängigen Dichte von Wasser zunächst automatisch statt. Diese natürliche Schichtung wird unter anderem durch Wärmeleitung und Diffusionen im Wasser, mitreißende Strömungen und Bewegungsenergien bei der direkten Speicherbeladung zerstört, wenn das Trägermedium (mit hoher Geschwindigkeit) einfließt. In der Folge wird die Temperatur im unteren Speicherbereich angehoben und sinkt im oberen (eigentlich heißen) Bereich ab.
Den signifikanten Einfluss der Schichtungseffizienz auf die Gesamtleistung von Anlagen mit Wärmepumpen belegen Forschungsergebnisse des i (SPF) der Hochschule für Technik in Rapperswil, Schweiz. Demnach hat die Reduktion der Schichtungseffizienz um 10 % bei einer Standardheizlast (3450 kWh Warmwasser und 8000 kWh Raumwärme mit Vor-/Rücklauftemperatur bei Auslegung von 35/30 °C) eine Steigerung des elektrischen Energiebedarfs für die Wärmepumpen-Zusatzheizung um 16 % (413 kWhel/a) zur Folge.
Hingegen reduziert eine Steigerung der Schichtungseffizienz von 10 % den elektrischen Energiebedarf der Wärmepumpen um 13 %. Im Betrieb von kondensierenden Gasthermen (statt Wärmepumpe) bedeutet eine um 10 % tiefere Schichtungseffizienz einen Erdgas-Mehrverbrauch von 4 %. Bei einem Pelletkessel mit Rücklaufhochhaltung steigt der Pelletbedarf um ca. 2 %.
Speicherzentrale mit patentierter Technologie
Wie das Ziel einer stabilen und hohen Schichtungseffizienz planungs-, konstruktions- und betriebsseitig umgesetzt werden kann, zeigt beispielsweise die patentierte Zortström-Technologie des Gebäudetechnikspezialisten Zortea. In einem Sammel- und Verteilzentrum realisiert sie bedarfsgerechte und entkoppelte Volumenströme, die Bereitstellung erforderlicher Vor- und Rücklauftemperaturen sowie die sichere Abführung der thermischen Energie. Erzeuger- und Verbraucherseite werden dabei exakt nach individueller Bedarfslage bzw. technischer Anforderung flexibel und laufzeitoptimiert angesteuert.
Die exakte Temperaturverteilung innerhalb der Speicherzentrale Zortström wird durch die präzise Wasserzufuhr in die jeweils entsprechende Temperaturstufe erzielt. Die Trennung der Temperaturschichten hat auch dann Bestand, wenn das Wasser mit hoher Geschwindigkeit einfließt.
Zum einen erlaubt es das Prinzip einer hydraulischen Entkopplung aller Erzeuger- und Verbraucherkreisläufe, sämtliche (konventionell oder regenerativ erzeugten) Energieflüsse ohne wechselseitige Beeinträchtigung des Pumpenbetriebs in einem gemeinsamen Speichersystem zusammenzuführen und zu verteilen. Zum anderen sorgt ein speziell entwickeltes Temperaturtrennkonzept für die optimale Temperaturverteilung innerhalb der Speicherzentrale.
Durch die präzise Zufuhr des Wassers in die entsprechend passende Temperaturstufe und integrierte Flowsplit-Einheiten, die einen strömungsberuhigten Wasseraustausch zwischen den Temperaturstufen ermöglichen, wird eine dauerhaft exakte Trennung der Temperaturstufen gewährleistet.
Das Ergebnis ist ein störungsfreier Puffer ohne Bildung von Turbulenzen und Strömungswalzen – auch beim Einsatz von Wärmepumpen mit typischerweise hohen Volumenströmen. Die präzise Wasserzufuhr in getrennte Temperaturstufen ermöglicht es zudem, Wärmequellen mit niedriger Temperatur, wie etwa Solaranlagen bei geringer Einstrahlung, oder Abwärme optimal zu nutzen und die Schichtungseffizienz bzw. die exergetische Bilanz des Speichers zu erhalten und die kostenlose Energie zu nutzen.
Kompaktzentrale für kleine und mittlere Leistungen
Die ursprünglich für große Wärme- und Kältebedarfe entwickelte Technologie ist seit Kurzem in Serie als Speicherzentrale Zortström MH1000 für kleinere und mittlere Leistungsabfragen bis circa 30 kW Heizlast (mit Zusatzpuffer bis 100 kW) verfügbar. Die kompakte, steckerfertig vorkonfektionierte Verteillösung – bedarfsweise mit anpassbarem Frischwassermodul und Heizkreismodulen – besteht aus zwei internen Puffern und arbeitet mit vier ansteuerbaren Temperaturstufen.
Damit lassen sich multivalente Energieversorgungskonzepte (mit gekoppelter Wärmepumpe) auch in kleineren Leistungsbereichen und bei beengten Platzverhältnissen schnell und effektiv etablieren. Eine optional integrierte Regelung steuert die Wärmeerzeuger über einfache Sollwertvorgaben in den Temperaturstufen, sodass die Leistung der Wärmepumpe maximal genutzt werden kann und nur noch zur Spitzenlastabdeckung von anderen Wärmeerzeugern ergänzt werden muss.
Im Betriebstest mit einer 15-kW-Wärmepumpe und einem Volumenstrom von 2570 kg/h erzielte die Kompaktzentrale einen Schichtungseffizienzgrad von 83,5 %. Das entspricht der Effizienzklasse A und die Zortström-Technologie zählt damit nach Herstellerangaben zu den energetisch effektivsten Vorhaltesystemen am Markt.
Fazit
Das Interesse an der Nutzung multivalenter Energiesysteme für Wohnhäuser und Gebäude unter Einbezug von Wärmepumpentechnologie und gegebenenfalls Solarthermie ist hoch. Doch vor allem im Bestand stellen fest vorgegebene Platzverhältnisse, bestehende Infrastrukturen der technischen Gebäudeausrüstung oder spezifische Nutzungsverhältnisse Planer und Installateure vor große Herausforderungen.
Neben der von Haus aus geforderten flexiblen und objektspezifischen Planung neuer Wärmeerzeugungs- und Verteilsysteme ist die Verbindung einer Wärmepumpe mit multiplen Wärmeerzeugern (Solar, Gas oder Holzofen etc.) sowie die Einbindung unterschiedlicher Heizkreise (Frischwassermodul, Fußboden, Radiatoren etc.) anspruchsvoll, zeitintensiv und letztlich auch fehleranfällig.
Das Schema zeigt die maximal möglichen Anschlussoptionen von Wärmeerzeugern und –verbrauchern an die kompakte Speicherzentrale Zortström MH1000. Das System erfüllt parallel drei Aufgaben: die einer hydraulischen Weiche, eines Pufferspeichers und eines Verteilers.
Kombitechnologien wie die Kompaktzentrale MH1000 vereinfachen als voll funktionsfähige Plug-and-play-Lösungen die Planung und Umsetzung energetischer Versorgungsanlagen in Neubau und Bestand. Eine erfahrungsgemäß zeitaufwendige Programmierung und Inbetriebnahme entfallen. Ausführende Unternehmen können ihren Zeit- und Kostenaufwand dadurch bereits in der Angebotslegung belastbar planen und kalkulieren.
Die wartungsfreundlichen Systeme erlauben eine ökonomische und ökologische Nutzung von konventionellen als auch regenerativen Energiequellen. Zentraler Effizienzhebel der Kompaktanlagen ist und bleibt die Schichtungseffizienz der Puffertechnologie. Sie erst ermöglicht die maximale Ausschöpfung vorhandener Leistungspotenziale einer Gesamtinstallation.
Dieser Artikel von Autor Martin Steinhart ist zuerst erschienen in SBZ-03/2020.Dipl.-Ing. Martin Steinhart ist Geschäftsführer bei Zortea, 6845 Hohenems, Österreich.
