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Umweltverträglich und CO2-arm heizen

Das Heizen und die Warmwasseraufbereitung mit Wärmepumpen erlaubt es, den CO2-Fussabdruck gegenüber fossil betriebenen Heizsystemen massiv zu senken. Wärmepumpen gelten daher als umweltschonende Heizalternative.

von pd/Andres Hegglin, Wurm (Schweiz) AG

CO2-Grosswärmepumpe und Kaltwassermaschine der Frima Truttmann. (Bild zvg)

Neue Bauten werden überwiegend mit umweltfreundlichen Wärmepumpen ausgerüstet und bei bestehenden Objekten geht der Trend in die gleiche Richtung. Die grossen Potenziale an Abwärme aus Prozessen, Umweltwärme aus der Luft und untiefer Erdwärme bilden ideale Voraussetzungen für den Einsatz von Wärmepumpen.

Wichtig für den optimalen Einsatz dieser Technologie ist die fachgerechte Planung und Installation und ein bedarfsgerechter Be-trieb der Wärme­pumpe.Gemeinhin gilt ein geringer Temperaturhub als effizienteste Betriebsart. Daher finden sich heute in Neubauten vor allem Niedrigtemperatur-Heizsysteme. Die technische Entwicklung erlaubt heute aber auch den Bau von Wärmepumpen für hohe Heiz- und Brauchwassertemperaturen, wie sie auch für Prozesswärme erforderlich ist.

Die natürlichen Alternativen

Bislang wurden für Wärmepumpen vornehmlich synthetische Kältemittel verwendet, auch HFC-Kältemittel (engl.: Hydrofluorocarbons) genannt. Aktuell gibt es bei Kältemitteln aber grosse Veränderungen: Umweltschädliche HFC-Kältemittel werden durch HFO-Kältemittel (engl.: Hydrofluorolefine) ersetzt. Diese zeichnen sich durch eine akzeptable thermodynamische Effizienz aus. Freigesetzt ist deren Stabilität in der Luft jedoch gering. Sie zerfallen zum überwiegenden Teil in hochgiftige Nebenprodukte, welche heute schon in der Umwelt nachgewiesen werden können. Daher sind synthetische Kältemittel langfristig für den Investor und Betreiber keine echte Alternative und werden zunehmend durch natürliche Kältemittel ersetzt. Getrieben ist der Trend zu natürlichen Kältemitteln durch die F-Gase-Verordnung, die aktuell zur Begrenzung der Mengen von HFC-Kältemitteln führt. Natürliche Kältemittel wie Propan, Butan, Ammoniak (NH3) und vor allem CO2 sind sehr effiziente Alternativen. Sie sind umweltfreundlich, günstig und langfristig verfügbar. Auch sie haben ihre spezifischen thermodynamischen Eigenschaften und entsprechende Einsatzgebiete. Die Verwendung von natürlichen Kältemitteln im Wärmepumpenbau ist nicht neu, aber noch zu wenig verbreitet. Wer in Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln investiert, kann mit Fördermitteln rechnen.

Propan (R290) und Butan (R600) tragen nicht zum Treibhauseffekt bei und bewirken höhere Leistungszahlen, sie werden deshalb trotz besonderer Sicherheitsanforderungen immer häufiger in Wärmepumpen und Klimakälteanlagen in mittleren und kleinen Leistungsbereichen bis 100 kW eingesetzt. Propan (C3H8) gehört zu den Kohlenwasserstoffen und ist in der Kältetechnik auch unter der Bezeichnung R 290 bekannt. Propan ist unter Druck verflüssigt, farb- und fast geruchlos und weist weder ein Ozonabbaupotenzial (ODP=0) noch einen nennenswerten direkten Treibhauseffekt (GWP=3) auf. Dank seiner hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften ist Propan ein besonders energiesparendes Kältemittel. Propan ist weltweit preiswert erhältlich und wird dank seiner idealen kältetechnischen Eigenschaften besonders in Anlagen mit geringen Füllmengen eingesetzt. Propanbetriebene Wärmepumpen werden vor allem im Niedertemperaturbereich eingesetzt. Verbaut in einem kompakten, gedämmten Gehäuse wird die Aussenaufstellung bevorzugt. Butan (R600) hingegen eignet sich besonders für Hochtemperatur-Wärmepumpen in industriellen Prozessen mit einer hohen Temperaturspreizung zwischen Wärmequelle und Wärmesenke mit maximalen Temperauren bis 130 °C. Beispielsweise zielt die Wärmepumpe «High Butane 2.0» der Firma Frigopol auf die Nutzung der hervorragenden Eigenschaften von Butan als Kältemittel in ein- sowie mehrstufigen Prozesswärmepumpen ab, um in Zukunft industrielle Abwärmepotenziale von 50–80 °C auf 100 bis 140 °C heben zu können und damit in anderen industriellen Prozessen nutzbar zu machen.

Ammoniak wird bereits seit Mitte des 19. Jahrhunderts für die Kälteerzeugung – vorwiegend in der Lebensmittelproduktion und -lagerung – eingesetzt. In den dreissiger Jahren wurden Ammoniak-betriebene Grosswärmepumpen zur Beheizung von ganzen Quartieren gebaut. Ammoniak wird heute in so unterschiedlichen Bereichen wie Prozesskälte, Klima-Kälte und in Gross-Wärmepumpen genutzt. Ammoniakbetriebene Anlagen haben meist eine lange Lebensdauer und lassen sich bei idealer Systemintegration kostengünstig betreiben. Ammoniakwärmepumpen zeichnen sich durch einen hohen Temperaturhub aus. Im einstufigen Betrieb sind bis zu 60 K, im zweistufigen Betrieb kaskadiert bis zu 90 °C Vorlauftemperaturen erreichbar.

Die CO2-Wärmepumpe verwendet Kohlenstoffdioxid als natürliches Kältemittel und bietet hohe Nutztemperaturen. Die CO2-Technologie ist überall dort ideal einsetzbar, wo hohe Temperaturspreizungen gefordert sind, etwa bei der Brauchwassererwärmung. In Japan sind bereits mehr als 3 Mio. Brauchwarmwasser-Wärmepumpen installiert. Das Anwendungsspektrum erweitert sich kontinuierlich und ist noch längst nicht ausgeschöpft. Momentan kommen CO2-Wärmepumpen in Europa vor allem im industriellen und gewerblichen Bereich zum Einsatz.

In der Thuner Migros-Filiale Bälliz läuft seit vergangenem Winter eine Wärmepumpe zu Heizzwecken mit einer Leistung von 200 kW. Sie ist als Niedertemperatur-Heizung mit Vorlauftemperaturen zwischen 35 und 42 °C konzipiert. Das Heizungsnetz ist so ausgelegt, dass eine möglichst grosse Temperaturspreizung erreicht wird. Die Rücklauftemperaturen wurden auf 27 °C ausgelegt. Als Wärmequelle dient das Aarewasser, welches über einen Zwischenkreislauf zur Verfügung steht. Das Besondere an dieser Wärmepumpe ist der zuschaltbare Ejektor. Sie wurde als Hybrid ausgeführt, um Standard- und Ejektorbetrieb vergleichen zu können. Die Erfahrung zeigt, dass mit Ejektoren in CO2-Wärmepumpen kombiniert mit einer angepassten Betriebsweise Leistungssteigerungen von mehr als 20% erreicht werden können. Damit werden CO2-Wärmepumpen in ihrer Effizienz auch im reinen Heizbetrieb vergleichbar oder besser als jene mit synthetischen Kältemitteln.

CO2-Wärmepumpen können als Wärmequelle Grundwasser, Erdsonden, Abwärme oder Aussenluft nutzen. Gegenwärtig wird eine Grosswärmepumpe mit Aussenluft als Wärmequelle in Betrieb genommen, welche über eine Leistung von zweimal 600 kW verfügt und zur Beheizung und Kühlung eines Einkaufszentrums dient. Auch diese Wärmepumpen verfügen bereits Ejektoren zur Leistungssteigerung.