Entwicklungsfortschritte bei den Luft/Wasser-Wärmepumpen
Das Entwicklungspotential zur Steigerung der Effizienz von Wärmepumpen (höherer COP, höhere JAZ) hängt ganz entscheidend vom Kältekreislauf und dessen Komponenten ab. Das Herzstück des Kältekreislaufs ist der Verdichter, der ursprünglich aus der Klima- und Kältetechnik stammt und weltweit nur von wenigen Herstellern produziert wird.
Die Wärmeübertrager, Verdampfer und Kondensatoren (Verflüssiger) sind verantwortlich für die Temperaturdifferenzen, mit denen die Wärme aus der Außenluft an den Kältekreislauf übertragen wird. Je kleiner diese sind, umso höher sind die Wirkungs- und Nutzungsgrade. Auch die elektrischen Hilfsantriebe, beispielsweise für den Lüfter und die Pumpen, beeinflussen die Effizienz und den Primärenergiebedarf.
Als Verdichter setzt Stiebel Eltron bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe erstmals einen speziell für Wärmepumpen entwickelten Scroll-Verdichter mit Inverter-Regelung ein. Er arbeitet geräusch- und vibrationsarm und ist zudem wartungsfrei sowie äußerst langlebig. Das Grundprinzip dieses Verdichters basiert auf zwei ineinandergreifenden Spiralblöcken, ein statischer und ein beweglicher. Dazwischen wird das Kältemittel, in diesem Fall das FCKW-freie Sicherheitskältemittel R410A, verdichtet.
Die Leistung wird über die Verdichterdrehzahl geregelt. Dazu wird die Versorgungsspannung des Scroll-Verdichters, der mit einem bürstenlosen Permanentmagnetmotor ausgerüstet ist, in eine Gleichspannung umgewandelt. Je nach Frequenz des Drehfeldes verändern sich die Drehzahl des Verdichters und damit seine Ausgangsleistung. Auf diese Weise wird die erzeugte Leistung dem Bedarf stetig sanft angepasst.
Daraus ergibt sich eine Erhöhung und Optimierung der Effizienz der Luft/Wasser-Wärmepumpe über den gesamten Leistungsbereich. Gleichzeitig werden der Stromverbrauch und die Geräuschentwicklung gesenkt. Mit einem COP von 4 (bei A2/W35), für die Varianten "WPL 15 IKS-2", "WPL 15 IS-2" und "WPL 25A", gehören die Geräte zu den effizientesten am Markt. Praxisuntersuchungen in verschiedenen Gebäuden haben zudem eine Anhebung der Jahresarbeitszahl um rund 20 bis 58 Prozent gegenüber einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Ein/Aus-Regelung ergeben. Weiter verlängert sich die Lebensdauer des Kompressors deutlich.
Um bei großen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke (Heizungsanlage) einen effektiven Wärmepumpenbetrieb zu ermöglichen, sind die Scroll-Verdichter mit einem zusätzlichen Anschluss ausgerüstet, über den Kältemitteldampf in den Verdichtungsprozess eingespritzt wird.
Diese zweistufige Dampf-/Nassdampf-Zwischeneinspritzung ("EVI" = Enhanced Vapourized Injection) senkt die Druckgastemperatur und erweitert den Einsatzbereich. Ein normaler Temperaturhub von 60 K wird mit Dampf-Zwischeneinspritzung auf 80 K vergrößert. So ist auch bei einer niedrigen Lufttemperatur von -20 °C noch eine hohe Vorlauftemperatur der Luft/Wasser-Wärmepumpe von bis zu 55 °C ohne Elektro-Heizstab möglich. Bei niedrigen Außentemperaturen steht demnach eine hohe Heizleistung zur Verfügung, bei moderaten Außentemperaturen passt die Wärmepumpe ihre Heizleistung dem geringeren Bedarf an.
Damit ist die Wärmepumpe ideal für Sanierungen geeignet.
Durch den Einsatz eines elektronischen Expansionsventils können Luft/Wasser-Wärmepumpen weiter optimiert werden. Dieses misst sowohl die Temperatur als auch den Druck vor dem Verdichter. Über einen elektrischen Stellmotor wird der Kältemittel-Massenstrom exakt geregelt, sodass die Überhitzung über den gesamten Leistungsbereich konstant bleibt. Damit wird der Verdampfer stets optimal mit Kältemittel versorgt und der COP verbessert.
Energielabel für Heizgeräte wird zur Pflicht
Ab dem 26. September 2015 müssen alle Heizgeräte in wasserbetriebenen Zentralheizungsanlagen nach der sogenannten ErP-Richtlinie (Energy related Products – energieverbrauchsrelevante Produkte, 2009/125/EG) mit einem Energielabel gekennzeichnet werden.
Dies gilt sowohl für die Gebäudebeheizung als auch für die Warmwasserbereitung. Diese Art der Kennzeichnung ist bekannt von Haushaltsgeräten wie Kühlschränken, Waschmaschinen oder Geschirrspülern und kann eine erhebliche Marktwirkung entfalten. Die farbigen Etiketten kennzeichnen den Energieverbrauch von Elektrogeräten und helfen, deren Effizienz auf einen Blick einzuordnen. Sie müssen deutlich sichtbar außen auf den Geräten angebracht sein.
Die Energieeffizienzklasse ergibt sich aufgrund der jahreszeitbedingten Raumheizungs- bzw. der Warmwasserbereitungs-Energieeffizienz und ist vergleichbar mit dem Normnutzungsgrad.
Über eine Farbskala von grün („sparsam“) bis rot („verschwenderisch“) informiert das Label über den Energieverbrauch. Aufgrund der hohen Effizienz von Wärmepumpen werden diese problemlos die oberen Labelklassen erreichen.
Die Stiebel Eltron-Produkte liegen fast ausnahmslos in der besten Gruppe: Die Luft/Wasser-Wärmepumpen der Baureihe "WPL 15/25" werden die zukünftige Labelklasse "A++" – also die höchstmögliche Bewertung – erreichen.
Zusätzlich werden im Label Höchstwerte für den Schallleistungspegel vorgeschrieben [5, 6].
Die verpflichtende Kennzeichnung der Energieeffizienz von Heizgeräten bedeutet mehr Transparenz an einer Schlüsselposition der Energiewende – schließlich sind Raumheizung und Warmwasserbereitung fast für die Hälfte unserer Energieverbräuche verantwortlich.
Aufstellung von Luft/Wasser-Wärmepumpen
Die neue "WPL 15/25"-Baureihe ist als Heizungsanlage für Neubau und Sanierung gleichermaßen geeignet. Insgesamt sind sechs Varianten in zwei Heizleistungen (7 und 12 kW, bei A-7/W35) verfügbar: Beide Leistungsgrößen gibt es als Monoblock-Gerät für die Außenaufstellung oder als Split-Wärmepumpe, bei der im Innenteil der Kältekreislauf mit dem Inverter-Verdichter und dem Verflüssiger untergebracht sind.
Der Teil, der für die Wärme aus der Außenluft verantwortlich ist, der Verdampfer mit dem Ventilator, wird im Freien aufgestellt. Über Splitleitungen werden beide Teile verbunden. Die verschiedenen Innenteile sind mit und ohne integrierten Warmwasserspeicher erhältlich.
Wärmepumpen, die mit Außenluft als Energiequelle arbeiten, müssen, um effektiv zu sein, hohe Luftmengen durchsetzen. In der Vergangenheit führte das oft zu Geräuschproblemen.
In einem hochmodernen Schalllabor hat Stiebel Eltron die neuen Luft/Wasser-Wärmepumpen hinsichtlich der Geräuschentwicklung optimiert. Durch den großen Lamellenabstand des Verdampfers ist der Luftwiderstand gering und sorgt in Verbindung mit dem modulierenden Lüfter für einen niedrigen Schallleistungspegel und einen geringen Stromverbrauch. Bei korrekter Planung und Installation unter Berücksichtigung aller Variablen werden selbst nachts kaum Geräusche wahrgenommen und alle Vorschriften für Wohngebiete eingehalten. Um hier sicher zu sein, bietet Stiebel Eltron Installateuren eine Schall-App an, mit der sich der Schalldruckpegel in Abhängigkeit von der geplanten Aufstellung überprüfen lässt.
Weil sich bei niedrigen Lufttemperaturen die Luftfeuchtigkeit als Reif zwischen den Verdampferlamellen niederschlägt, muss dieser abgetaut werden. Dazu schaltet ein 4-2-Wege-Ventil den Kältekreislauf um und sorgt so für eine energieeffiziente Abtauung. Das dabei anfallende Wasser fließt in die Abtauwanne und wird über einen Schlauch abgeleitet.
Zusammenfassung
Wärmepumpen nutzen einen hohen Anteil regenerativer Umweltenergie und schonen primärenergetische Ressourcen. Die Technologie profitiert von den verschärften Anforderungen der EnEV 2014 und den oben dargestellten technischen Fortschritten.
Bereits heute verbrauchen Wärmepumpen ab einer Jahresarbeitszahl von 2,0 weniger Primärenergie als ein Gaskessel. Die verbesserte Effizienz wird sich durch das Energielabel für Heizgeräte, das in diesem Jahr kommt, auch den Endverbrauchern transparenter zeigen.
Eine Stiebel Eltron-Luft/Wasser-Wärmepumpe "WPL 15/25" mit einer realisierbaren JAZ von 4 kann aufgrund des höheren Anteils von erneuerbarem Strom im Strommix eine Primärenergieeinsparung von 51 Prozent gegenüber einem konventionellen Brennwertkessel erreichen.
Ab 2016 sind Primärenergieeinsparungen von bis zu 63 Prozent möglich. Selbst Gebäude, die vor zehn Jahren nach damals gültiger EnEV errichtet wurden, würden heute – ohne zusätzliche Maßnahmen an der Gebäudehülle – durch den Einbau einer modernen Inverter-Luft/Wasser-Wärmepumpe die aktuelle EnEV erfüllen.
Außerdem wurden die Förderkonditionen des Marktanreizprogramms zur Förderung von Wärmepumpen weiter verbessert: Die Mindestfördersätze wurden erhöht und weitere Kombinationsboni hinzugefügt [8].
Literatur
[1] Positionspapier "Energiewende für Europa: Ein ehrgeiziges 2030-Klima- und Energiepaket der EU für Klimaschutz, Investitionssicherheit und Kosteneffizienz", www.tagesschau.de/umweltverbaende-positionspapier-100.pdf
[2] Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V., www.ag-energiebilanzen.de
[3] Presseinformation "Anlagenbestand 2013: Verschenkte Potenziale im Heizungskeller", www.bdhkoeln.de/uploads/media/BDH_ZIV_Anlagenbestand_2013_V3_27062014_Freigabe_01.pdf
[4] EnEV 2014, www.enev-online.de/index.htm
[5] 16. Tagung des Forschungsprogramms Wärmepumpen, Wärme-Kraft-Kopplung, Kälte des Bundesamtes für Energie (BFE), www.bfe.admin.ch/forschungwkk
[6] "Leitfaden Energieeffizienz", www.waermepumpe.de/uploads/tx_bwppublication/BWP_LF3_final_10092014_web.pdf
[7] Presseinformation "Neues Energielabel wird für Heizgeräte ab 2015 zur Pflicht", www.waermepumpe.de/presse/pressemitteilungen/pressemitteilung/article/neues-energielabel-wird-fuer-heizgeraete-ab-2015-zur-pflicht.html
[8] Fördermittel-Auskunft, www.stiebel-eltron.de/erneuerbare-energien/informieren-planen/beratung-planung/foerdermittel/foerdermittel-auskunft/
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