Nachhaltiges Heizen und Klimatisieren mit CO₂-Wärmepumpen

Mittlerweile wurden die reversiblen Luft/Wasser CO₂-Wärmepumpen entwickelt, gefertigt, vor Ort installiert und im Herbst 2019 erfolgreich in Betrieb genommen. Fortan wurde der Betrieb minutiös begleitet und eine detaillierte Auswertung vom Betrieb der Anlagen mit besonderem Fokus auf die Energieeffizienz abgeschlossen. Das Projekt erhielt vom Bundesamt für Energie finanzielle Unterstützung und gewann den EHI-Energiemanagement Award 2020 in Kategorie 3.

Von der Idee zur Entscheidung für ein Konzept

CO₂-Booster-Kälteanlagen zählen bei der Genossenschaft Migros Luzern für die Kühlung von Lebensmittel im Retail-Bereich seit 2008 zum Stand der Technik. Diese Systeme wurden im Laufe der Zeit stets weiterentwickelt und hinsichtlich Energieeffizienz optimiert. Dank der positiven Erfahrungen mit dem Kältemittel CO₂ im Retail-Bereich und der erheblichen Bemühungen in Punkto Nachhaltigkeit von Migros sind die Bestrebungen naheliegend, CO₂ als Kältemittel auch für Wärmepumpen- und Klima-Anwendungen einzusetzen.

Vor der Modernisierung des Einkaufszentrums Surseepark prüfte Migros verschiedene Konzepte. Basierend auf diesen Ergebnissen, entschied sich der Bauherr, die Beheizung und die Klimatisierung der Gebäude mit reversiblen Wärmepumpen weiter zu verfolgen, obwohl weder deren Investitions- noch Lebenszykluskosten besonders gering waren. Dafür wiesen die reversiblen Wärmepumpen im Konzeptvergleich die geringsten Treibhausgas-Emissionen aus und schnitten in Punkto Nachhaltigkeit am besten ab.

Für Migros stand von Anfang an fest, dass in den reversiblen Wärmpumpen ein natürliches Kältemittel zum Einsatz kommt. Fortan begleitete Frigo-Consulting nicht nur die Kühlung der Lebensmittel, sondern auch die weitere Konzeptevaluation und später die Entwicklung, die Umsetzung und den Betrieb der reversiblen Wärmepumpen für die Beheizung und die Klimatisierung der Gebäude. In einem weiteren Vergleich von Frigo-Consulting wurden verschiedene reversible Wärmepumpen mit unterschiedlichen natürlichen Kältemittel miteinander verglichen. Zur Auswahl standen Propan (R290), Ammoniak (NH₃, R717) und Kohlendioxid (CO₂, R744). Der Vergleich zeigte, dass für diese Anwendung die Jahresarbeitszahl mit Kohlendioxid 6 % besser gegenüber Ammoniak und 21 % besser gegenüber Propan ausfällt. Wesentliche Faktoren für die energetischen Vorteile von CO₂ sind:

Geforderte Heizungs-Vorlauftemperatur von +50 °C

Hohe Temperaturspreizung der Heizungs-Vor- und -Rücklauftemperatur von 20 K

Geflutete Verdampfer und Vorverdichtung von Gas durch den Einsatz von Ejektoren

Direkte Wärmeabgabe im Gaskühler ohne Wärmeträger und zusätzlichen Wärmeübergang

Basierend auf dieser abgestuften Konzeptevaluation fällte der Bauherr Migros die Entscheidung, die bestehende Öl-Heizung und Klimatisierung des Einkaufszentrums Surseepark durch zwei reversible Luft/Wasser CO₂-Wärmepumpen zu ersetzen. Neben den zwei reversiblen Luft/Wasser CO₂-Wärmpumpen zur Beheizung und Klimatisierung der Gebäude wurde eine CO₂-Booster-Kälteanlage mit Ejektoren für die Plus- und Minus­kühlstellen der Supermarkt-Filiale Migros Sursee installiert. Abbildung 1 zeigt die vor Ort installierten CO₂-Booster-Kälteanlage sowie die zwei reversiblen CO₂-Wärmepumpen.

Von der Theorie in die Praxis

Nach der Entscheidung des Bauherrn für ein dezidiertes Konzept im Sommer 2018 folgte die Entwicklung und die Ausführungsplanung der reversiblen CO₂-Wärmpumpen. Dazu wurde das System in verschiedenen Betriebspunkten berechnet. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden die einzelnen Komponenten unter Berücksichtigung der verschiedenen Betriebsarten und des Teillast-Betriebs ausgelegt und selektiert. Die nennenswerten Herausforderungen dabei waren zum einen, die fristgerecht verfügbaren Standard-Komponenten zu finden, die für die hohen Systemleistungen und die Drucklage von CO₂ geeignet sind. Zum anderen wurde großen Wert auf die verschiedenen Betriebsarten bzw. den Teillast-Betrieb und die dazu notwendige Regelungstechnik gelegt.

Um eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen, entschied man sich für ein Konzept mit Ejektoren. Ejektoren vermögen Druck­energie in eine Vorverdichtung von Sauggas umzuwandeln und somit die Verdichter zu entlasten resp. deren elektrische Leistungsaufnahme zu reduzieren. Abbildung 2 zeigt das gewählte Prinzip, links den Heizbetrieb, rechts den Klimabetrieb. Darin ist die Vorverdichtung der Ejektoren ersichtlich. Im Heizbetrieb (Abbildung 2, links) wird das CO₂ von 23 bar auf 27 bar vorverdichtet. Dies entspricht einer Verdampfungstemperatur am Verdichter von -10 °C – diese liegt somit über der Luft-Austrittstemperatur von -12 °C. Im Klimabetrieb (Abbildung 2, rechts) wird das CO₂ von 40 bar auf 45 bar vorverdichtet. Dies entspricht einer Verdampfungstemperatur am Verdichter von +10 °C – diese liegt somit über der Kaltwasser-Austrittstemperatur von +7 °C. Im sogenannten Dualbetrieb kann gleichzeitig Wärme und Kälte erzeugt werden.

Im Frühling 2019 wurde mit dem Bau der reversiblen CO₂-Wärmepumpen begonnen und im Anschluss vor Ort installiert. Ende August 2019 konnte mit der Inbetriebnahme bzw. dem Steuerungscheck begonnen werden. Die einzelnen Systemabschnitte und dessen Logik wurden schrittweise geprüft und in Betrieb genommen. Anfang September 2019 wurden die Anlagen erfolgreich in Betrieb genommen. Seither werden Messdaten erfasst und ausgewertet.

Hält die Technologie was sie verspricht?

Die Auswertung erfolgt nach sieben Betriebsarten: Heat pump (H), deFrost (F), Dual (D), Chiller (C), Standby (S), und Gap (G). Wenn mindestens ein Wert bei einer Messung fehlt, wird dieser Messpunkt der Betriebsart Gap zugeordnet und in der Auswertung nicht weiter berücksichtigt. Bei Stillstand einer Wärmepumpe werden die Messpunkte der Betriebsart Standby zugeordnet. Bei den verbleibenden, aktiven Betriebsarten liegt der Fokus der Vergleichbarkeit wegen auf den Betriebsarten Heat pump und Chiller. Die Betriebsarten Dual sowie deFrost hängen stark von weiteren Parametern ab, sodass ein energetischer Vergleich zu anderen Systemen keinen Sinn macht. Die Aufteilung der Betriebsstunden in die unterschiedlichen Betriebsarten pro Monat ist in Abbildung 3 dargestellt.

Heizbetrieb

Abbildung 4 zeigt den mittleren Coefficient of Performance (COP) im Heizbetrieb (Heat pump), den prognostizierten COP, sowie die gesamte erzeugte Heizenergie beider Wärmepumpen. Die roten Punkte (dicke Linie) entsprechen den gemessenen Werten, die dünne rote Linie stellt den prognostizierten COP (Modell: Betrieb) dar. Gewichtet nach der erzeugten Heizenergie, liegt der gemessene COP über den gesamten Temperaturbereich -1.0 % unter dem prognostizierten COP. Die Jahresarbeitszahl des reinen Heizbetriebs JAZ_h liegt bei 3.33, ohne Berücksichtigung des Dual-Betriebs.

Unter Berücksichtigung des Dual-Betriebs liegt die JAZ_h oberhalb des ermittelten Wertes. Im oberen Temperaturbereich liegt der gemessene COP unter dem prognostizierten COP. Dies ist auf eine höhere Rücklauftemperatur sowie kurze Laufzeiten und häufiges Takten des Systems zurückzuführen. Im unteren Temperaturbereich liegt der gemessene COP höher als der prognostizierte. Dies ist auf eine tiefere Rücklauftemperatur zurückzuführen. Darüber hinaus bestätigt dies einmal mehr das erforderliche Umdenken für eine effiziente Anwendung von CO₂-Wärmepumpen gegenüber herkömmlichen Wärmepumpen. Im Unterschied zu herkömmlichen Wärmepumpen bestimmt bei CO₂-Wärmepumen nicht die Vorlauftemperatur, sondern die Rücklauftemperatur und deren Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur die Effizienz massgeblich.

Klimabetrieb

Abbildung 5 stellt den mittleren COP im Klimabetreib (Chiller), den prognostizierten COP sowie die gesamte aufbereitete Klimaenergie beider Wärmepumpen dar. Die blauen Punkte (dicke Linie) entsprechen den gemessenen Werten, die dünne blaue Linie dem prognostizierten COP (Modell: Betrieb). Gewichtet nach der erzeugten Klimaenergie, liegt der gemessenen COP über den gesamten Temperaturbereich -3.1 % unter dem prognostizierten COP. Die Jahresarbeitszahl JAZ_c im alleinigen Klimabetrieb liegt bei 5.32 ohne Berücksichtigung des Dual-Betriebs. Berücksichtigt man den Dual-Betrieb, liegt die JAZ_c oberhalb des ermittelten Wertes. Der tiefere COP bei tieferen Aussentemperaturen ist auf den Teillastbetrieb und vermehrtes Takten der Wärmepumpen zurückzuführen. Der Teillastbetrieb fällt im Klimabetrieb bei tiefen Außentemperaturen analog dem Heizbetrieb bei hohen Außentemperaturen zunehmend ins Gewicht. Darüber hinaus nimmt mit abnehmender Außentemperatur der Hochdruck resp. der Treibdruck der Ejektoren ab und entsprechend nimmt auch die Saugwirkung der Ejektoren ab, was wiederum eine stabile Prozessführung merklich erschwert.

Zusammenfassung

Im Rahmen dieses Pilot- und Demonstrationsprojektes wurden die reversiblen Luft/Wasser CO₂-Wärmepumpen entwickelt, gefertigt, vor Ort installiert, in Betrieb genommen und im Anschluss während zwei Jahren intensiv begleitet und untersucht. Es konnte aufgezeigt werden, dass es möglich ist, einen Gebäudepark mit der geforderten Wärme und Kälte mittels reversibler Luft/Wasser CO₂-Wärmepumpen zu versorgen. Die Versorgungssicherheit war stets gewährleistet und es kam zu keinen Ausfällen, welche gebäudeseitig bemerkbar waren.

Ferner konnten wertvolle Erfahrungen in Punkto Steuerungs- und Regelstrategie sowie Teillastverhalten der Wärmepumpen gesammelt werden. Diese grundlegenden Erkenntnisse sind sehr wichtig – sie wurden bereits in einem Folgeprojekt umgesetzt und deren Wirkung geprüft. Der COP im Heizbetrieb konnte von -1.0 % auf +6.6 % gegenüber der Referenz gesteigert werden. Die Jahresarbeitszahl im alleinigen Heizbetrieb liegt im Folgeprojekt bei 3.68 gegenüber der Jahresarbeitszahl im Surseepark von 3.33 (Abbildung 6). Dies jeweils ohne Berücksichtigung des Dual-Betriebs.

Der Ausblick zum erwähnten Folgeprojekt lässt erahnen, dass geringfügige Anpassungen in der Systemauslegung und im Betrieb eine Steigerung des COP gegenüber dem Modell von rund +8 % ermöglichen. Es ist davon auszugehen, dass bei weiteren Wärmepumpen nochmals eine geringfügige Steigerung erzielt werden kann. Dieser Trend in die richtige Richtung stimmt die Autoren zuversichtlich, dass reversible Luft/Wasser CO₂ Wärmepumpen in Zukunft eine relevante Rolle bei der Beheizung und Klimatisierung von Gebäuden spielen werden.