Wärmequellen und -übertrager für Wärmepumpen

Die positive Marktentwicklung bei Wärmepumpen zeigt sich in den Absatzzahlen: Seit dem Jahr 2006 verkauft die Branche 50.000 bis 60.000 Wärmepumpen im Jahr. Zusätzlich spiegelt sich die Marktpräsenz von Wärmepumpen in einer wachsenden Produktvielfalt wider. Beim Verbraucher erwecken beide Entwicklungen Interesse an dieser Technologie und bewirken Vertrauen – auch wenn viele Wärmepumpen in der Praxis unbefriedigend und oft nicht optimal arbeiten.

Mit der Zunahme an kommerziell verfügbaren und installierten Wärmepumpensystemen steigt auch die Zahl vermeintlich nutzbarer Niedertemperaturwärmequellen. Zu ihrer Nutzung kommen jedoch nicht selten Produkte zum Einsatz, bezüglich deren Eignung keine (wissenschaftlich) gesicherten Erkenntnisse vorliegen. Darüber hinaus finden innovative Produkte wie etwa Eisspeicher, Energiezäune oder Hochleistungs-Energiepfähle, die für viele Planer oft unbekannt sind und bezüglich deren Leistungsfähigkeit oder Kosten-Nutzen-Verhältnis nur in wenigen Fällen fundierte Erkenntnisse vorliegen, Anwendung.

In der Praxis arbeiten Wärmepumpen oft unbefriedigend oder zumindest nicht optimal. Nicht selten sind die Gründe eine unzureichende Anbindung an die Nieder-temperaturwärmequelle und/oder eine fehlerhafte Dimensionierung des zugehörigen Wärmeübertragers. Zum Teil werden Wärmepumpen nicht gemäß der Auslegung betrieben, was wiederholt die Folge von zu optimistischen Annahmen bei der Planung ist, aber teilweise auch durch eine nutzerbedingt falsche Betriebsweise verursacht wird. In vielen Fällen sind das primärenergetische, ökologische und auch das wirtschaftliche Potenzial einer Wärmepumpenanlage größer, als in der Praxis erreicht.

Das Forschungsvorhaben

In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsprojekt „future:heatpump – Energetische und wirtschaftliche Bewertung von Wärmequellen für Wärmepumpen“ (FKZ 03ET1273A) untersucht das Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS) der Universität Braunschweig das Zusammenspiel zwischen Wärmepumpen und unterschiedlichen Niedertemperaturwärmequellen sowie dazu angebotener Wärmeübertrager. Im Kern geht es um die Frage, welche der zur Verfügung stehenden Wärmequellen in Kombination mit welchem Wärmeübertrager und unter welchen Umständen energetisch und wirtschaftlich sinnvoll oder auch die sinnvollste  Lösung ist. Zum Ende des Forschungsvorhabens wird das Tool „WP^SOURCE“ zu Verfügung stehen, mit dessen Hilfe z. B. Planer oder Architekten für einen individuell definierten Anwendungsfall eine Vorauswahl für die am besten geeignete Niedertemperaturwärmequelle und ein zugehöriges Wärmeübertragersystem treffen können. Das Tool wird der Öffentlichkeit online zur Verfügung gestellt.

Zur Entwicklung von „WP^SOURCE“ und für andere Projektziele werden im ersten Schritt des Projekts mögliche Niedertemperaturwärmequellen und zu deren Nutzung auf dem Markt vorhandene Wärmeübertragersysteme erfasst und verglichen. Darüber hinaus wird die simulationstechnische Beschreibung einzelner Wärmepumpensysteme und ihrer Niedertemperaturwärmequellen mit Messdaten aus einem projektbegleitenden Low-Level-Monitoring von elf Anlagen durchgeführt.

Für eine erste Bewertung der einzelnen Wärmeübertragersysteme werden die unterschiedlichen Wärmeübertrager inklusive der Niedertemperaturwärmequelle in Verbindung mit verschiedenen Gebäudetypen (Ein- und Mehrfamilienhaus sowie Bürogebäude) simuliert. Anschließend werden ausgewählte thermodynamische Effekte und Zusammenhänge innerhalb einzelner Systeme mittels Parameterstudien und Sensitivitätsanalysen detailliert untersucht.

Anhand der Ergebnisse der umfassenden Simulationsstudie werden die Leistungsfähigkeit, die Energieeffizienz und die Charakteristik der unterschiedlichen Niedertemperaturquellen und Wärmeübertrager im Betrieb dokumentiert sowie deren Einsatzbereiche und -grenzen beschrieben.

Motivation und Planungsgrundlagen für Energiekonzepte mit Wärmepumpen

Insbesondere im Bereich der technischen Gebäudeausrüstung ist die Möglichkeit, unterschiedliche Ausführungsvarianten einer geplanten Technologie – hier Wärmepumpe – zu vergleichen, nützlich und wünschenswert. Hinsichtlich ihrer Funktionsweise und Leistungsfähigkeit zeigen die derzeit genutzten Niedertemperaturwärmequellen und -wärmeübertrager für Wärmepumpen deutliche Unterschiede. Um die Frage nach der für einen speziellen Anwendungsfall ökologisch, ökonomisch und anlagentechnisch sinnvollsten Variante einer Anlage beantworten zu können, sind im Bezug auf Wärmepumpen im Planungsalltag oft aufwändige Recherchen notwendig. Die den meisten Planern üblicherweise zur Verfügung stehenden Unterlagen und Informationen zu einzelnen Produkten oder Anwendungen lassen eine direkte Gegenüberstellung verschiedener Anlagenvarianten für einen speziellen Anwendungsfall meistens nicht zu. Aber auch nach umfassender Recherche ist selten ein direkter Vergleich unterschiedlicher Anlagenkonzepte auf der Basis wesentlicher Randbedingungen möglich.

Unterschiedliche Konzepte wurden bislang nur in Einzelfällen oder nur für begrenzte Anwendungsgebiete, wie etwa erdgekoppelte Anlagen für Einfamilienhäuser vergleichend untersucht, messtechnisch erfasst und ausgewertet [1-3].

Insbesondere bei Wärmepumpenanlagen müssen – mehr als bei konventionellen Wärme- und Kälteerzeugern – bereits während der Vorplanung Entscheidungen, z. B. bezüglich der Niedertemperaturwärmequelle (und -senke) sowie ihre Anbindung an die Wärmepumpe, getroffen werden und bei der Wahl des Wärmeübertragers alle im Rahmen der Vorplanung ermittelten und für den jeweiligen Anwendungsfall relevanten Bedingungen Berücksichtigung finden. Eine breit angelegte, vergleichende Analyse der am Markt verfügbaren Niedertemperaturwärmequellen und zugehörigen Wärmeübertrager sowie der daraus resultierenden Anlagenvarianten – vor allem im Hinblick auf deren Effizienz (z. B. Arbeitszahlen) – steht noch aus.

Wärmequellen, -übertrager und deren Potentiale

Die Zusammenführung und Aufbereitung von Informationen und Herstellerangaben sowie der Ergebnisse aus der Marktrecherche erfolgte (systemweise) in einer Übersichtsmatrix. Insgesamt wurden 16 Kategorien für Wärmeübertrager-/Wärmepumpensystemen definiert, die u. a. das Erdreich, die Luft oder Wasser als Wärmequelle nutzen. Als eigene Kategorie wurde die weitverbreitete Luft-Wasser-Wärmepumpe in die Übersicht aufgenommen. Sonderformen, die z. B. auch als Hybridsysteme angesehen werden können, wie etwa der „e-Tank“, stellen eine eigene Kategorie dar (Abbildung 1).

Die Entzugsleistung aus geothermischen Wärmequellen liegt, zum Teil abhängig von den verwendeten Wärmeübertragern, zwischen etwa 10 W/m und 100 W/m bei den Erdwärme- oder Spiralsonden, bzw. 10 W/ m² und 50 W/m² bei flächigen Erdreichabsorbern oder 10 W/Stk. bis über 500 W/Stk. bei Erdwärmekörben. In den meisten Fällen werden die Wärmeübertrager in Tiefen von 2 m bis 100 m eingebracht (Abbildung 2).

Beim Flächenbedarf muss grundsätzlich darauf geachtet werden, ob die gewählten Systeme überbaubar sind oder nicht. Überbaubarkeit kann insbesondere bei Neubauten eine interessante Option sein, da einige Systeme unter dem Gebäude installiert werden können und somit kein zusätzlicher Platzbedarf entsteht. Zu ggf. notwendigen Wartungs- oder Reparaturarbeiten sollten jedoch alle Systeme zugänglich sein und nicht ohne Revisionsmöglichkeit überbaut werden.

Abbildung 3 zeigt den Flächenbedarf verschiedener Niedertemperaturquellsysteme im Vergleich. Für die Darstellung wurden durchschnittliche Kenndaten für Wärmeübertrager verschiedener Hersteller (Entzugsleistungen, Wärmeübertragergrößen, Mindestabstände der Übertrager zueinander etc.) sowie ein Wohngebäude mit einem Heizleistungsbedarf von 10 kW und einer Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 4,0 zu Grunde gelegt. Geologisch, klimatisch und anlagentechnisch wurden ideale Randbedingungen angenommen. Somit handelt es sich bei den angegebenen Flächen um den „Mindestflächenbedarf“ für die jeweiligen Wärmeübertragersysteme, wobei eine ggf. mögliche Überbaubarkeit nicht berücksichtigt ist.

Neben technischen Aspekten sind auch Abstände zu Grundstücksgrenzen und/oder Rohrleitungen oder anderen Medien, sowie bei Luft-Wasser-Wärmepumpe Abstände aus Gründen des Schallschutzes zu beachten. Diese Flächen sind zu den aus anlagentechnischer Sicht ermittelten Flächen zu addieren. Die Gesamtfläche muss entsprechend der Erfordernisse als nutzbares Grundstück und auch ihrer Form nach für den jeweiligen Anwendungsfall als nutzbare Fläche zur Verfügung stehen. Die Berücksichtigung ggf. zu beachtender Abstände ist in der Abbildung 3 beispielhaft dargestellt.

Das Tool „WP^SOURCE“

Um die Vorplanung zu erleichtern und zu optimieren, ist eine übersichtliche Zusammenstellung verschiedener Niedertemperaturwärmequellen und zugehöriger Wärmeübertragersysteme wünschenswert. Es ist daher eine dem Forschungsvorhaben future:heatpump zugrunde liegende Idee, eine Zusammenstellung der zur Zeit verbreiteten aber auch zukünftig ggf. relevanten Niedertemperaturwärmequellen für Wärmepumpen und zugehöriger Wärmeübertragersysteme zu erarbeiten und diese in einer für den Planungsalltag geeigneten Form zur Verfügung zu stellen. Dabei soll die Zusammenstellung und Aufbereitung der Daten einen direkten Vergleich der verschiedenen Wärmequellen und -übertragersysteme ermöglichen und wesentliche Kenngrößen, wie etwa die Entzugsleistungen der Wärmeübertrager in Verbindung mit den ihnen zugedachten Wärmequellen, oder die unter den gegebenen Randbedingungen zu erwartenden Arbeitszahlen und Kosten, vergleichbar und übersichtlich darstellen.

Das in der Entwicklung befindliche Pre-Check-Tool „WP^SOURCE“ soll eine Bewertung, Vorauswahl und überschlägige Auslegung der untersuchten Wärmequellen und -übertragersysteme für einen individuell definierten Anwendungsfall ermöglichen.

In der ersten Version umfasst das Tool Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie Bürogebäude. Für die Wohngebäude sind Wärmepumpensysteme zur Gebäudebeheizung und Trinkwassererwärmung enthalten. In Bezug auf Bürogebäude erlaubt das Tool neben der Wärmebereitstellung eine Berücksichtigung von Kältebedarf in Form von Klimakälte. Durch technische Ausstattung vorhandener Kältebedarf, z. B. durch eine Serverkühlung, wird in die Energiebilanz des Gebäudes einbezogen, jedoch standardmäßig nicht durch die Wärmepumpe gedeckt. Ein Kältebedarf in Wohngebäuden, der in den meisten Fällen auf architektonische Gegebenheiten oder gesteigerte Komfortansprüche zurückzuführen ist, wird nicht explizit berücksichtigt. Steht Kälte jedoch systeminhärent zur Verfügung, z. B. aus einem Eisspeicher oder Erdwärmesonden, werden entsprechende Hinweise gegeben. Zielgrößen bei allen Gebäudetypologien sind ein möglichst energieeffizienter und dauerhaft wirtschaftlicher Betrieb der gesamten Wärmepumpenanlage.

Die Anwendung von „WP^SOURCE“ beginnt mit der Dokumentation der Ausgangssituation und der Definition der Rahmenbedingungen des jeweiligen Projektes. Durch die benutzerfreundliche Oberfläche sollen die Anwendung erleichtert und Eingabefehler vermieden werden. Mittels Optionsschaltflächen (Radiobuttons) wählt der Anwender die für sein Projekt geeigneten Voreinstellungen und trifft grundsätzliche Festlegungen, wie etwa die Gebäudeart oder den thermischen Standard des Gebäudes. Über Kenndatenfelder werden Rahmendaten, wie z. B. die Grundstücksfläche oder der Energiebedarf des Gebäudes – falls bekannt – eingegeben. Der Nutzer kann zusätzliche Anforderungen definieren und Annahmen bezüglich des auszulegenden Heiz- (und Kühl)systems vornehmen. Wo inhaltlich vertretbar, werden vom Anwender nicht spezifizierte Angaben und Kenndatenfelder vom Programm mit Standardwerten belegt.

Auf der Grundlage der Ergebnisse der analysierten und simulierten Systeme und Systemvarianten berechnet „WP^SOURCE“ eine Vorauswahl von Niedertemperaturwärmequellen und diesbezüglich geeigneten Wärmeübertragern für den eingegebenen Anwendungsfall. Ökologische (CO₂-Emission, Primärenergie) und wirtschaftliche Faktoren (Investitions- und Betriebskosten) werden ermittelt und gegenübergestellt. Zusätzlich informiert „WP^SOURCE“ über wichtige Nebenbedingungen der jeweiligen Systemvariante, wie etwa die Beachtung von Schallschutzanforderungen bei Luft-Wasser-Wärmepumpe oder erforderliche Pumpversuche bei der Nutzung von Grundwasser als Wärmequelle oder -senke. Auch der bereits erwähnte Hinweis auf eine Kühloption erfolgt an dieser Stelle.

Durch den modularen Aufbau ist „WP^SOURCE“ in vielerlei Hinsicht erweiterbar, so dass z.B. Solarthermie und Photovoltaik aber auch weitere Wärme- und/oder Kältequellen sowie -erzeuger integriert werden können.

Fazit und Ausblick

Wärmepumpentechnologie wird bei der zukünftigen Wärme- und Kälteversorgung eine wesentliche Rolle spielen. Um das Potential dieser Energieversorgungsvariante möglichst effizient ausschöpfen zu können, kommt der Wahl der Niedertemperaturwärmequelle und des für den jeweiligen Anwendungsfall am besten geeigneten Wärmeübertragers eine entscheidende Bedeutung zu. Mit dem Tool „WP^SOURCE“ steht ein multifunktionales und bei der Planung in weiten Bereichen anwendbares Hilfsmittel zur projektspezifischen und an die jeweiligen Rahmenbedingungen angepassten Vorauswahl und überschlägigen Dimensionierung geeigneter Niedertemperaturwärmequellen und Wärmeübertrager für Wärmepumpen zur Verfügung. Richtig angewendet wird „WP^SOURCE“ zu einem effizienteren Betrieb von Wärmepumpen beitragen.