Innovatives Verfahren zur Steigerung der
Effizienz von Wärmepumpenanlagen und
zur Regeneration der Wärmequellen

Um die weltweit vereinbarten Klimaziele noch erreichen zu können, muss nach wissenschaftlichen Untersuchungen zukünftig der weitaus größte Teil des Wärme­bedarfs vor allem durch Sole/Wasser-Wärme­pumpen mit Nutzung von EE-Strom aus Windkraft- und Solaranlagen gedeckt werden.

Mittels des hier beschriebenen Verfahrens - einer neuartigen techno­logischen Weiter­entwicklung - kann die Effizienz von Wärmepumpen­anlagen auch ohne Zuführung von Wärme aus anderen Quellen deutlich gegenüber Anlagen nach derzeitigem Stand der Technik gesteigert und zugleich auch eine Regeneration der Wärmequellen erreicht werden. Der jährliche Stromverbrauch lässt sich dadurch um 10% und mehr ver­ringern. Bei Nutzung von Strom aus Windkraft- und Solaranlagen entstehen weder klimaschädliche Gase noch gesundheitsgefährdender Feinstaub.

An der Wärmepumpe muss nichts verändert werden, die zugehörige Anlagentechnik wird lediglich um eine multifunktionale Baugruppe erweitert, mit der auch bestehende Wärmepumpenanlagen nachgerüstet werden können.

Das Prinzip dieses patentierten Verfahrens

besteht darin, dass dem Heizkreis der Wärmepumpe über ein Wärme­tauschersystem eine nur geringe, exakt begrenzbare Wärmemenge entnommen und in den Quellen­kreis übertragen wird. Das führt dazu, dass der im Laufe des Jahres entstehende betriebsbedingte Rückgang der Temperatur im Quellenkreis nicht mehr so stark ist wie bei Wärme­pumpen­anlagen gemäß dem Stand der Technik und die Wärmepumpe daher mit einer deutlich höheren Leistungszahl arbeitet. Die Wärme­pumpe muss jedoch während der Wärmeübertragung eine etwas höhere thermische Leistung aufbringen, weil der Wärmetauscher ein zusätz­licher Verbraucher ist.

Abgesehen von den relativ geringen Verlusten im Wärmetauschersystem geht die übertragene Wärme aber nicht verloren. Ein Teil wird sofort in der Wärmepumpe verwertet, ein Teil geht mit dem Solerücklauf in die Erdsondenanlage und wird dort verlustlos gespeichert, da das umgebende wärmere Erdreich als Wärmehülle wirkt.

Die Entnahme von Wärme aus dem Heizkreis der Wärmepumpe hat aller­dings nicht vorrangig zum Ziel, das Energiereservoir der Wärme­quelle zu vergrößern. Es soll damit vor allem auf diese Weise die Quellentemperatur stabilisiert werden, dafür genügen schon kurzzeitig maximal 5% der thermischen Leistung der Wärmepumpe.

Eine schematische Darstellung soll das Prinzip der Wärmeübertragung aus dem Heizkreis der Wärmepumpe auf deren Solekreis veranschau­lichen. Links ist eine herkömmliche Anlage gemäß dem Stand der Technik dargestellt, die Solevorlauf­temperatur ist im Verlauf der Heizperiode bis auf -2°C gefallen.

Die Abbildungen in der Mitte bzw. rechts zeigen die Anordnung nach Einfügung eines Wärme­tauschers und die möglichen Betriebstemperaturen unter der Annahme, dass sich die Solevorlauftemperatur durch die Wärme­übertragung (mit einer um 0,4°C erhöhten Vorlauftemperatur) nur auf etwa +2°C verringert hat.

Die Energiefluss-Diagramme geben die Ergebnisse der Berechnungen wieder.

Die Diagramme zeigen, dass schon eine für kurze Zeit zugeführte geringe Wärme­menge ausreicht, die Quellentemperatur wieder für einen dann längeren Zeitraum zu erhöhen und so eine deutliche Einsparung von Strom zu bewirken.

Für die Effizienzsteigerung ist entscheidend, dass durch ein komplexes Regelsystem mit Optimierungsprogramm sichergestellt werden kann, dass einerseits während des Ladevorgangs der Wärmepumpe nur eine sehr geringe Wärmemenge zur Erhöhung der Quellentemperatur über­tragen wird, andererseits aber zugleich auch eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz für den Wärmefluss vom Erdreich zur Erdsonde erhalten bleibt.

Durch die für die Umsetzung des Verfahrens erforderliche Baugruppe kann ohne größeren technischen Aufwand zusätzlich durch eine Umwandlung von Strom in Wärme und deren Speicherung auch eine nachhaltige Regeneration der Wärmequelle (beispielsweise Erdreich mit Erdsondenanlage oder gesonderter Speicher bei Luft/Wasser-Wärme­pumpen) selbst bei winterlichen Betriebsbedingungen erreicht werden (power-to-heat). Besonders wirtschaftlich ist dies, wenn dafür zeitweilig überschüssiger EE-Strom preisgünstig zur Verfügung steht.

Was man noch wissen sollte - ergänzende Informationen zum Verfahren

Entscheidend für die Effizienz einer Wärmepumpe ist nicht die Heiz­kreistemperatur, sondern der Temperaturhub ΔT (die Differenz zwischen Quellentemperatur T_u und Heizkreistemperatur T_o). Die Effizienz errechnet sich nach der Carnot-Formel ε = T_o / ΔT (alle Temperaturen in Grad Kelvin).

Die Leistungszahl einer Wärmepumpe (COP-Wert) wird ermittelt für bestimmte Temperaturwerte, daraus wird dann die Jahresarbeitszahl abgeleitet, bei der die im Verlauf eines Jahres sich ändernden Temperaturwerte berücksichtigt werden. Diese Jahresarbeitszahl (JAZ) ist die wichtigste Kenngröße für die Effizienz der Wärme­pumpen­anlage und wird vom BAFA für die Bewilligung von Förderzuschüssen zugrunde gelegt.

In den drei oder vier kältesten Monaten des Jahres muss mehr als die Hälfte des gesamten Wärmeverbrauchs erzeugt werden. Gerade in dieser Zeit sind jedoch die Quellentemperaturen am niedrigsten, der Temperaturhub ist also besonders groß, die Effizienz sehr niedrig. Wärmepumpen gemäß dem Stand der Technik - gleichgültig ob sie mit Luft oder Erdwärme als Quelle arbeiten - benötigen bei gleicher Heiz­leistung daher für den Betrieb im Winter bedeutend mehr Strom als im Sommer.

Mittels der Verfahrensänderung lassen sich die Betriebsbedingungen beeinflussen. Da die für den Betrieb der Wärmepumpe erforderliche elektrische Leistung sich mit dem Temperaturhub linear ändert, die für die Effizienz entscheidende Leistungszahl sich aber proportional zum Kehrwert des Temperaturhubs verhält (sich also durch eine Verringerung des Temperaturhubs überproportional verbessern kann), genügt schon eine Erhöhung der Quellentemperatur um nur etwa 2°C, um bereits während der Übertragung weniger Strom zu verbrauchen als ohne Wärmeübertragung aus dem Heizkreis. Nach dem Ende der Übertragung ist dann je nach erreichter Quellen­temperatur der Stromverbrauch mindestens 10% geringer als zuvor.

Dafür müssen bei einer Wärmepumpe mit einer thermischen Leistung von 10 kW für die Wärmeübertragung nur maximal 0,5 kW zusätzlich erzeugt werden - das ist aber kein Problem, weil die Wärmepumpe bei steigender Quellentemperatur auch eine höhere thermische Leistung abgibt.

Die für die Umsetzung des Verfahrens erforderliche Einrichtung ist eine multi­funktio­nale Baugruppe mit einem Regelsystem und zwei Wärme­tauschern. Über das erste kleinere Wärmetauschersystem erfolgt die zuvor beschriebene Übertragung von Wärme aus dem Heizkreis der Wärmepumpe auf deren Quellenkreis.

Der zweite Wärmetauscher dient der Regeneration der Quelle durch Umwandlung von Strom in Wärme, die dem Quellenkreis zugeführt wird (power-to-heat). Diese Wärme wird erzeugt allein durch die (für eine monovalente Betriebsweise meist ohnehin vorgesehene) elektrische Zusatzheizung der Wärmepumpe in den Pausen zwischen den Ladevorgängen, also bei abgeschaltetem Verdichter.

Die mittlere Quellentemperatur einer Sole/Wasser-Wärmepumpen­anlage gemäß dem Stand der Technik verringert sich im Verlauf der Heizperiode ganz allmählich von etwa 10°C auf Werte um 0°C. Die mit dem Ver­fahren mögliche Regeneration der Quelle - sowohl durch Übertragung von Wärme aus dem Heizkreis als auch durch Umwandlung von Strom in Wärme - mit einer Erhöhung der Quellentemperatur um einige Grad dauert dagegen nur wenige Stunden. Je nach Bedarf oder Verfügbarkeit von günstigem EE-Strom kann dieser Vorgang beliebig oft wiederholt werden.

Das Verfahren lässt sich nicht nur bei erdgebundenen Anlagen, sondern auch bei Wärmepumpen anderer Bauart umsetzen. Damit aber dem System der im Rücklauf des Primärkreises noch enthaltene Anteil der aus dem Heizkreis übertragenen Wärme nicht verloren geht, muss dafür ein Wärme­speicher vorgesehen werden. Bei Anlagen, die mit solarer Unterstützung arbeiten, ist ein solcher Speicher ohnehin schon erforderlich.

Auf diese Weise lässt sich auch bei den Luft/Wasser-Wärmepumpen­anlagen bei winterlichen Betriebsbedingungen mit niedrigen Außen­temperaturen die Effizienz verbessern. Das ist möglich sowohl durch Übertragung von Wärme aus dem Heizkreis als auch durch Umwandlung von Strom aus Windkraftanlagen in Wärme, die den im Winter zurück­gehenden Anteil an Solarwärme ersetzen kann.