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Wärmepumpen Geschichte
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Wärmepumpen Geschichte
Im Anhang Text und Links aus meinem FUNDUS zum Thema Geschichte Wärmepumpe.
Viel Erfolg
Zogg
Wärmepumpe Geschichte
Zusammenfassung:
Mit Heizen durch Wärmepumpen kann der Brennstoffverbrauch und damit die CO2 Emission im Vergleich zu einer konventionellen Kesselheizung auf rund die Hälfte gesenkt werden. Gegen-über einer elektrischen Widerstandsheizung ergibt die Wärmepumpenheizung sogar eine Re-duktion des Energiebedarfs um bis zu 80%. Die Wärmepumpenheizung wird sich deshalb künf-tig noch vermehrt durchsetzen. Schweizer Pioniere haben als erste funktionierende Brüden-kompressionsanlagen gebaut. Die ersten Wärmepumpen in Europa wurden in der Schweiz realisiert. Die Schweiz ist in der Wärmepumpentechnik bis heute bei den führenden Ländern geblieben. Ihre Pionierarbeiten in der Entwicklung von Erdwärmesonden, der Nutzung von Ab-wasser als Wärmequelle, der Entwicklung ölfreier Kolbenkompressoren sowie von Turbokom-pressoren sind allgemein bekannt. Die grösste je gebaute Wärmepumpe stammt aus der Schweiz. Obwohl ein umfassendes Gasverteilnetz besteht, werden heute rund 75% der neuen Einfamilienhäuser mit Wärmepumpen beheizt. Dieser Bericht präsentiert einige „Highlights“ aus dieser Erfolgsgeschichte. Dabei werden die Schweizer Entwicklungen ins Zentrum gerückt und ihre Beziehungen zu den internationalen Meilensteinen aufgezeigt. Um anzudeuten, in welcher Richtung die künftigen Entwicklungen gehen könnten, werden auch einige neuere Arbeiten aus der Schweizer Wärmepumpenforschung vorgestellt.
Abstract :
Compared to conventional boilers, heating by heat pumps cuts down fuel consumption and CO2 emissions to some 50%. Compared to electric resistance heating, the energy consumption is even reduced up to 80%. Therefore the impressive market penetration growth of heat pumps will continue. Swiss pioneers were the first to realize functioning vapour recompression plants. The first European heat pumps were realized in Switzerland. To date it remains one of the heat pump champions. Its pioneering work in the development of vertical borehole heat exchangers, sewage heat recovery, oil free piston compressors and turbo compressors is well known. The biggest heat pump ever built comes from Switzerland. Although there is a fairly comprehensive natural gas distribution grid, 75% of the new single-family homes built in Switzerland are cur-rently heated by heat pumps. This paper presents some of the highlights of this success story focusing on Swiss developments and relating them to the international milestones. In order to indicate the direction in which the future development might go to, some recent Swiss research projects are presented as well.
Einführung
1 WARUM HEIZUNG MIT WÄRMEPUMPEN?
2 GRUNDLAGEN DER WÄRMEPUMPENTECHNIK
3 DIE PIONIERE VOR 1875
3.1.Komponenten und Kältetechnik
3.1.1.Dampfkompressionsprozess
3.1.2.Absorptionsprozess
3.2.Brüdenkompression
4 INDUSTRIALISIERUNG 1876-1918
4.1.Komponenten und Kältetechnik
4.1.1.Dampfkompressionsprozess
4.1.2.Absorptionsprozess
4.2.Brüdenkompression - Schweizerische Pionierleistungen
5 WÄRMEPUMPENHEIZUNG WIRD INTERESSANT 1919-1950
5.1.Komponenten und Kältetechnik
5.1.1.Dampfkompressionsprozess
5.1.2.Absorptionsprozess
5.2.Wärmepumpenheizung – eine Schweizerische Pionierleistung
5.2.1.Historische Wärmepumpen der Stadt Zürich
5.2.2.Ausgewählte weitere Wärmepumpen
5.3.Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
5.4.Brüdenkompression – eine Schweizer Erfolgsgeschichte
6 DIE PERIODE TIEFER ENERGIEPREISE 1951-1972
6.1.Komponenten und Kältetechnik
6.1.1.Dampfkompressionsprozess
6.1.2.Absorptionsprozess
6.2.Wärmepumpen in der Schweiz
6.2.1.Seltene Wärmepumpen zu Heizzwecken
6.2.2.Erfolg bei der Brüdenkompression
6.3.Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
7 ENTHUSIASMUS UND ENTTÄUSCHUNG 1973-1989
7.1.Komponenten und Kältetechnik
7.1.1.Dampfkompressionsprozess
7.1.2.Absorptionsprozess
7.2.Schweizer Beiträge zur Wärmepumpenheizung
7.2.1.Wärmepumpenpioniere im Einfamilienhausbereich (10-50 kW)
7.2.2.Wärmepumpensysteme mittlerer Grösse (50-1000 kW)
7.2.3.Grosse Wärmepumpensysteme ( > 1 MW)
7.2.4.Pioniere der Erdwärmesonden
7.2.5.Pioniere der Nutzung von Rohabwasser
7.2.6.Qualitätssicherung für Kleinwärmepumpen
7.2.7.Unterstützung durch öffentliche Forschung und Entwicklung
7.2.8.Unterstützung durch Verbände, Bundesverwaltung und Medien
7.3.Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
7.4.Rektifikation mit Brüdenkompression - Schweizer Pionierarbeit
8 DIE ERFOLGSGESCHICHTE 1990 – HEUTE
8.1.Komponenten und Kältetechnik
8.2.Schweizer Beiträge zur Wärmepumpenheizung
8.2.1.Ausgewählte Anlagen und Entwicklungen
8.2.2.Wärmepumpe für den Einfamilienhaus-Sanierungsmarkt
8.2.3.Weitere Unterstützung durch öffentliche Forschung und Entwicklung
8.2.4.Unterstützung durch Verbände und den Bund
8.2.5.Qualitätssicherung
8.2.6.Brüdenkompression
8.3.Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
9 SONDERPRINZIPIEN
10 REFERENZEN
EINFÜHRUNG:
Seit der Steinzeit hat die Menschheit Wärme durch künstlich entzündete Feuer erzeugt. Aber das Problem der künstlichen Kälteerzeugung war viel komplexer und wurde erst um 1850 ge-löst. Zu dieser Zeit haben Pioniere die ersten Kältemaschinen erfunden. Die gleiche Maschine kann auch als Wärmepumpe zu Heizzwecken verwendet werden. Aber es war der enorme Wunsch nach Kühlung, welcher die Weiterentwicklung der neuen Erfindungen rasch vorantrieb und zu einer triumphalen weltweiten Verbreitung führte. Um 2005 waren weltweit über 130 Mil-lionen Klimatisierungsgeräte (Einheiten zum Kühlen und Heizen) in Betrieb und der Jahresab-satz lag um 15 Millionen Geräten in Asien, 2 Millionen in Nordamerika und einige Hunderttau-send in Europa [Groff 2005]. Dies illustriert die grosse internationale Bedeutung der Wärme-pumpentechnik. In Europa ist der Hauptbedarf für Raumkühlung auf die südlicheren Regionen beschränkt. In Zentral- und Nordeuropa überwiegt für gut ausgelegte Gebäude der Bedarf für die Raumhei-zung und die Warmwasserbereitung. Die Anzahl der Wärmepumpen für reine Heizzwecke liegt deutlich unter den oben erwähnten Zahlen für Klimatisierungsgeräte. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass Wärme - im Gegensatz zu Kälte - auch durch kostengünstige Erdgas- und Heizölkessel erzeugt werden kann. Wärme kann sogar wie in der Steinzeit durch ein offenes Feuer erzeugt werden. Damit die komplexeren Wärmepumpen mit höheren Investitionskosten mit den einfachen Kesseln konkurrieren können, müssen sie hohen Effizienz- und Gesamtkos-tenanforderungen standhalten. Es ist für Wärmepumpen trotz steigenden Energiepreisen im-mer noch eine Herausforderung, diesen Wettbewerb im Interesse einer bedeutend besseren Primärenergienutzung zu gewinnen. Dieser Bericht konzentriert sich auf die Entwicklung von Wärmepumpen zur ausschliesslichen oder hauptsächlichen Erzeugung von Wärme. Die zusätzliche Nutzung der kalten Seite der Wärmepumpe (Kühlung) wird ebenfalls in die Be-trachtungen einbezogen. Die Schweizer Beiträge zur internationalen Entwicklung werden her-vorgehoben und ihr Zusammenhang mit den internationalen Meilensteinen der Wärmepumpen- und Kältetechnik wird aufgezeigt. Die Letztere hat die Entwicklung der Wärmepumpe wesent-lich begünstigt. Dank der Massenproduktion für die Raumkühlung und die Kältetechnik stehen für Wärmepumpen kostengünstige Komponenten zur Verfügung. Soweit diese für die Wärme-pumpentechnik relevant sind, werden deshalb auch ausgewählte Entwicklungen aus der Kälte-technik vorgestellt. Zur Kältetechnik gibt es bereits zahlreiche detaillierte und zusammenfassende Publikationen. Die Umfassendste ist das Buch von [Thevenot 1979]. Dieser Bericht konzentriert sich auf den für die Wärmepumpentechnik wichtigeren Dampfkompressionsprozess (auch Kaltdampfpro-zess oder umgekehrter Rankine-Prozess). Im Hintergrund werden auch einige ausgesuchte Entwicklungen aus der Absorptionstechnik verfolgt. Auf Sonderlösungen wie den umgekehrten Stirling-Prozess, den magnetokalorischen Effekt und den thermoelektrischen Effekt wird im Kapitel 9 kurz eingegangen. Kälteprozesse ohne Bedeutung für Heizzwecke wie den Gaszyk-lus1 (auch Brayton-Zyklus , Joule-Thomson Effekt), die Verdampfungskühlung und die Mischwärmeeffekte werden dagegen ausgeklammert. Es ist allgemein bekannt, dass der Gaszyklus weniger effizient ist als der Dampfkompressionsprozess. Dies wurde 1979 durch einen Gaszyklus-Wassererwärmer demonstriert. Dieser erreichte eine Leistungszahl von lediglich 1.29.
WARUM HEIZUNG MIT WÄRMEPUMPEN? Bei der Heizung mit elektrischer Energie aus Wasserkraftwerken, Kernenergie oder Photovoltaik ist der Vorteil der Wärmepumpen mit einer Einsparung an elektrischer Energie bis zu 80% offensichtlich. Es gibt aber immer noch Skeptiker, wenn von Brennstoffen ausgegangen wird.Das Feuer ist eher eine Entdeckung aus Zufall als eine Innovation. Vor rund 1.5 Millionen Jahren führte die prähistorische Menschheit das kontrollierte Feuer ein. Dies war für unsere Uhr-ahnen ein grosser Fortschritt, vergleichbar mit der Bedeutung der Erfindung der Dampfmaschinen oder der Elektrizität für uns. Das prähistorische offene Feuer wurde laufend verbessert und führte schliesslich zum modernen, kondensierenden Kessel. Solange es keine Nachschubprobleme für die Brennstoffe gab, war man mit der Verbrennung aller Arten von Brennstoffen zur Wärmeerzeugung zufrieden. Aber auch ein moderner Kessel hat immer noch Verluste, und das einfache Verbrennungsprinzip erreicht deshalb nur einen Primärenergienutzungsgrad von etwas weniger als 100%. Oder anders ausgedrückt: Ein Kessel erzeugt von 100% Brennstoffenergie (Heizöl, Erdgas oder Biomasse) weniger als 100% Nutzwärme. Diese konventionelle Lösung zur Wärmeerzeugung ist eine Verschwendung von Exergie2. In der Flamme eines Kessels mit einer Temperatur von 1800 °C und einer angenommenen Raumtemperatur von 20 °C beträgt der Anteil an Exergie 85.9% der Wärme. Ein Kessel nutzt diese hohe Qualität der Flammenenergie sehr schlecht. Bei einer Heizungsvorlauftemperatur von 40 °C beträgt der Anteil an Exergie nur 6.4% der produzierten Wärme. Der Kessel vernichtet 92.5% der Exergie!
Das Grundkonzept einer effizienten Erzeugung von Niedertemperaturwärme
Das oben beschriebene „Steinzeitprinzip“ muss durch eine Kombination von Blockheizkraftwerken (oder effizienten Kombikraftwerken) mit Wärmepumpen ersetzt werden. Im Allgemeinen sind grössere Blockheizkraftwerke (BHKW) zur Beheizung grösserer Gebäude wie Schulen oder Bürogebäuden effizienter und wirtschaftlicher. Die dabei erzeugte elektrische Energie wird dann durch das Elektrizitätsnetz zu kleineren Gebäuden in der Nach-barschaft transportiert. Dort werden damit elektrische Wärmepumpen zur Gebäudeheizung und zur Warmwasserbereitung unter Nutzung der Umgebungswärme betrieben. Mit einem Einsatz von 100% an Brennstoffenergie (Heizöl, Erdgas oder Biomasse) können mit dieser Anordnung schon mit heutiger Technologie 150% bis 200% an Nutzwärme produziert werden (Nutzungs-grad 150% bis 200%). Exergien sind die maximale Arbeit, die aus Wärme produziert werden kann. Für Einzelheiten dazu sei auf Lehrbücher zur technischen Thermodynamik wie [Baehr 2005] oder [Moran and Shapiro 2007] verwiesen. BHKW mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 35% und einem Gesamtwirkungsgrad von 90%, elektrische Leitungsverluste im Nahbereich 2.5% der elektrischen Energie, Jahresar-beitszahl der Wärmepumpe 3.5. Künftig werden Nutzungsgrade dieses Systems über 200% zum Standard werden. Selbstverständlich können Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmoto-ren künftig auch durch Brennstoffzellen ersetzt werden. Hohe Nutzungsgrade in der gleichen Grössenordnung liefert auch die Kombination moderner Kombikraftwerke (Ko-KW oder GuD) - selbst ohne Abwärme Nutzung - mit Wärmepumpen
2 GRUNDLAGEN DER WÄRMEPUMPENTECHNIK
Der Franzose Nicolas Léonard Sadi Carnot hat als erster eine präzise Beziehung zwischen Wärme und Arbeit formuliert. Erst 1871 wurden seine Manuskriptnotizen durch seinen Bruder gefunden. 1832 starb Carnot im frühen Alter von 36 Jahren an einer ansteckenden Krankheit. Sein Büchlein aus dem Jahr 1824 blieb unbekannt, da es nur privat publiziert wurde. Der ent-scheidende Beitrag von Carnots „Reflections“ ist, dass sich mechanische Energie vollständig in Wärme umwandeln lässt – dass Wärme aber nur teilweise in mechanische Energie umgewan-delt werden kann. Der Franzose Benoît Paul Émile Clapeyron holte Carnots „Reflections“ aus dem Verborgenen und analysierte sie 1834 in einer Denkschrift. Clausius hat Carnots Ideen 1850 neu formuliert. 1842 fand der Deutsche Robert Julius von Mayer das Prinzip der Äquivalenz zwischen Arbeit und Wärme. Der Engländer James Prescott Joule hat 1843 dafür den experimentellen Nach-weis erbracht. Der Deutsche Hermann von Helmholtz hat 1847 das Energieerhaltungsgesetz in allgemeiner Form publiziert. Damit war das erste Gesetz der Thermodynamik gesichert. Der deutsche Physiker und Mathematiker Rudolf Julius Emanuel Clausius ist einer der Be-gründer der modernen Thermodynamik [Cardwell 1971]. Durch seine bereits erwähnte Neu-formulierung des Carnot’schen Kreisprozesses stellte er die Theorie der Wärme auf eine wis-senschaftlich klare Basis. Mit seiner wichtigsten Publikation zur mechanischen Theorie der Wärme formulierte er 1850 als erster die Grundidee des zweiten Hauptsatzes der Thermo-dynamik. In dieser Publikation war auch bereits das Konzept der Entropie enthalten. Diesen Begriff führte er aber erst 1865 ein [Clausius 1865]. Clausius war übrigens von 1855 bis 1867 Professor an der ETH Zürich [Thevenot 1979], [Carnot et al. 2003]. Unabhängig von Clausius (und ohne dessen Priorität zu bezweifeln) fand William Thomson, der spätere Lord Kelvin, 1851 eine allgemeinere Formulierung des zweiten Hauptsatzes und führte 1852 die thermodynamische Temperaturskala ein. 1866 gab der österreichische Physiker, Ludwig Eduard Boltzmann, eine neue Bedeutung, indem er das Konzept der Entropie mit dem Konzept der Wahrscheinlichkeit in der statistischen Physik verband. Die Entropie reprä-sentiert danach den Grad der Unordnung und das Carnot-Prinzip wurde damit verständlicher. 1873 bis 1878 führte der Amerikaner Josiah Willard Gibbs den Begriff der Enthalpie in die the-oretische Thermodynamik ein. Richard Mollier brachte diese Grösse dann 1902 in die ange-wandte Thermodynamik und benutzte sie als eine Koordinate (die andere war die Entropie oder der Druck) in seinen thermodynamischen Diagrammen für Ammoniak und CO2. Ab 1904 führte er mit seinen Diagrammen eine graphische Visualisierung des Dampfkompressionszyk-lus ein und trug damit zur Verständlichkeit und leichten Berechenbarkeit dieses Prozesses bei. Aus den Überlegungen von G. Zeugner (1859) und Hans Lorenz (1896) entstand das Konzept der Exergie, der maximalen Nutzarbeit, welche bei einer Zustandsänderung von einer konstan-ten Wärmequellentemperatur auf eine konstante Endtemperatur gewonnen werden kann. Die-se Idee wurde wieder aufgegriffen von Fran Bosnjakovic (1935) und nach 1950 von Peter Grassmann und Kurt Nesselmann. 1870 hielt Carl von Linde4 Vorlesungen zur Theorie der Kältemaschinen an der "Königlichen Polytechnischen Schule" in München. Er legte in seiner Arbeit zum Wärmeentzug bei tiefen Temperaturen mit mechanischen Mitteln den Grundstein zu einer sauberen thermodynami-schen Theorie der Kältetechnik. Aufgrund eines thermodynamischen Vergleichs zeigte Linde bereits die Überlegenheit der Dampfkompression gegenüber dem damals noch üblichen Ab-sorptionsprozess und anderen Prinzipien zur Kälteerzeugung. Der belgische Chemiker Frederic Swarts legte zwischen 1890 und 1893 mit seinen Arbeiten zu den aliphatischen Fluorkohlenstoffen den Grundstein zur organischen Fluorchemie. In den 1910er Jahren führte Edmund Altenkirch umfassende thermodynamische Studien zu Zweistoffgemischen für Absorptionskältemaschinen durch. Sein zweistufiges Absorptionsaggregat hatte bereits eine hohe Effizienz. Aus den Erkenntnissen der erwähnten Wissenschafter werden in diesem Bericht die folgenden Grössen benötigt: Die Leistungszahl oder der “coefficient of performance” eines idealen Carnot-Wärmepumpen-Prozesses COPrev (theoretischer Maximalwert des COP) beträgt mit den absoluten Temperatu-ren auf der warmen Seite TH (Wärmesenke) und auf der kalten Seite (Wärmequelle) TC: Die Leistungszahl oder der “coefficient of performance” einer realen elektrisch angetriebenen Wärmepumpe ist wesentlich kleiner. Bei Wärmepumpenprozessen würden die Temperaturen der Wärmequel-le und der Wärmesenke nur bei unendlichen Volumenströmen konstant bleiben. Um Wärme-pumpen trotzdem vergleichen zu können, ist es praktisch, mit der Eintrittstemperatur der Wär-mequelle TCein und der Austrittstemperatur der Wärmesenke (Heizungsvorlauftemperatur) THaus zu rechnen. Dies führt zu einer brauchbaren Näherung für den exergetischen Wirkungsgrad, dem Lorenz-Wirkungsgrad: Der Nutzungsgrad erlaubt den direkten Vergleich elektrisch betriebener Wärmepumpen mit Absorptionswärmepumpen. Bei mit Brennstoffen betriebenen Systemen entspricht die aufge-nommene Primärenergie der zugeführten Brennstoffenergie5.
DIE PIONIERE VOR 1875 Wie bei vielen anderen Technologien auch zu beobachten ist, gingen Innovationen und erste technische Entwicklungen von geschickten Erfindern und Visionären aus. Die wissenschaftliche Erfassung und Optimierung erfolgte im Allgemeinen erst später. Die fand in der Kälte- und Wärmepumpentechnik erst ab ungefähr 1875 statt.
Lord Kelvin hat die Wärmepumpe bereits 1852 vorausgesagt, in dem er bemerkte, dass eine “umgekehrte Wärmekraftmaschine” nicht nur zum Kühlen, sondern auch für Heizzwecke ein-gesetzt werden könnte. Er erkannte, dass eine solche Heizeinrichtung dank dem Wärmeentzug aus der Umgebung weniger Primärenergie benötigen würde [Thomson 1852], [Ostertag 1946]. Aber es sollte noch rund 85 Jahre dauern, bis die erste Wärmepumpe für die Raumheizung in Betrieb ging. In der Periode vor 1875 wurden Wärmepumpen zu Heizzwecken erst für die Brü-denkompression in Salzwerken mit ihren offensichtlichen Vorteilen zur Holz- und Kohleeinspa-rung verfolgt. Die spätere Entwicklung der Wärmepumpe basiert jedoch auf Erfindungen zur Deckung des insbesondere in der Nahrungsmittelindustrie enormen Bedarfs zur Kühlung. Als eine vorbereitende Entwicklung für die späteren Wärmepumpen zur Raumheizung ist die Ein-führung der Warmwasser-Zentralheizung bedeutend. Zu jener Zeit wurden Zentralheizungen mit Dampf betrieben. Die Firma Sulzer (Winterthur) installierte bereits 1867 die erste Wasser-Zentralheizung in einem privaten Wohngebäude im schweizerischen Oberuzwil. Nebst dünne-ren, kostengünstigeren Rohrleitungen und einem gesteigerten Wohnkomfort brachte dieses neue Heizungssystem den für Wärmepumpen wichtigen Vorteil tieferer Vorlauftemperaturen. Dies vermochte den Anforderungen einer Wärmepumpenheizung allerdings noch nicht zu ge-nügen. Die ersten Warmwasser-Zentralheizungen wurden nämlich mit freier Konvektion ohne Umwälzpumpen betrieben. Dies funktioniert erst oberhalb von Vorlauftemperaturen um 50°C einwandfrei [Brügger et al. 1991]. Gegenüber der seit über mehr als einer Million Jahren bekannten Wärmeproduktion durch Verbrennung gab es noch keine Lösung für die künstliche Kühlung. Einzige Ausnahme war die Verdunstungskühlung, die bereits durch die Zivilisationen Indiens und Ägyptens angewandt wurde. Dies änderte erst durch die Erfindung der Kältemaschinen vor rund 150 Jahren. Zur Kühlung diente natürliches Eis, das sogar über internationale und interkontinentale Distanzen transportiert wurde. Noch 1890 wurde von einer Knappheit an natürlichem Eis berichtet. Des-halb lag die Priorität der ersten Entwicklungen bei der künstlichen Kälteerzeugung. Die ein-zige Ausnahme war wie bereits erwähnt die Brüdenkompression mit ihrem enormen Einsparpo-tenzial. Wärmepumpen zur Raumheizung und zur Warmwasserbereitung waren damals infolge der geringen Effizienz des Dampfmaschinenantriebs nicht attraktiv.
3.1 Komponenten und Kältetechnik. Im Hinblick auf die Entwicklung der Wärmepumpen ist der Dampfkompressionsprozess we-sentlich wichtiger als der Absorptionsprozess. Deshalb werden Absorptionsprozesse nur am Rande erwähnt.
3.1.1 Dampfkompressionsprozess. Jacob Perkins, ein amerikanischer Erfinder, der in England lebte, hat 1834 die erste funktio-nierende Dampfkompressionsmaschine zur künstlichen Eisproduktion gebaut. Es wird an-genommen, dass damit erstmals eine mechanische Kälteerzeugung erfunden wurde. Die Er-findung von Perkins blieb beinahe 50 Jahre lang unbekannt. Die mit Ether betriebene Kältema-schine enthielt aber die vier Hauptkomponenten einer modernen Kältemaschine: einen Kom-pressor, einen Kondensator, einen Verdampfer und ein Expansionsventil. Perkins hatte sehr weitreichende technische Interessen und befasste sich insbesondere auch mit Dampfmaschi-nen, dem Gravieren für die Banknotenherstellung, der Massenfertigung von Nägeln und der Herstellung eines Barometers.
DIE PIONIERE VOR 1875 12
1849 begann der Amerikaner Alexander C. Twining mit der Dampfkompressionskühlung und der Eisherstellung. 1855 präsentierte er die erste kommerzielle Eisproduktionsanlage. In Australien begann James Harrison mit Versuchen zur Dampfkompressionskühlung für die Her-stellung von Eis. Er entwickelte 1856 den ersten praktisch einsetzbaren Kompressor und führte die Dampfkompressionskühlung in das Bierbrauen und die Fleischverpackung ein. 1861 waren bereits ein Dutzend seiner Maschinen im Einsatz. Charles Tellier führte 1863 Methylether als Kältemittel ein. Auch die erste 1875 durch den Deutschen von Linde konstruierte Kältemaschine verwendete Methylether als Kältemittel. Sie wurde 1877 in einer Brauerei in Italien installiert [Linde 2004]. Der Amerikaner Thaddeus S.C. Lowe führte 1866 mit der Erfindung eines funktionierenden CO2 Kompressors Kohlendioxid als Kältemittel ein. 1867 patentierte er sein Kohlendioxid-Kältesystem. Es erfuhr allerdings erst nach 1990 zur Kühlung auf Schiffen einen grossen Erfolg und ersetzte dort die Luftexpansionsmaschinen. In Amerika haben John Beath 1858 eine Anlage zur Eisherstellung mit einer Ammoniak – Dampfkompressionsmaschine und Francis DeCoppet 1869 einen doppelt wirkenden Ammoniak-Kompressor konstruiert. Der in Schottland geborene Amerikaner David Boyle baute seinen ersten Ammoniakkompressor 1873 im Alter von 23 Jahren! Die Maschinen von Boyle entsprachen jenen eines geschickten Mechanikers. Der Schweizer Roul Pictet be-fasste sich als Professor in Genf mit der Verflüssigung von Gasen. Er führte 1874 Schwefeldioxid SO2 als Kältemittel ein. Dieses hatte den Vorteil, selbstschmierend zu wirken und es war auch unbrennbar. Allerdings entstand im Kontakt mit Feuchtigkeit schweflige Säure und an-schliessend Schwefelsäure. Damit ergaben sich grosse Korrosionsprobleme. Erwähnenswert ist auch die Erfindung eines thermostatisch geregelten Kälteprozesses durch Peter Van der Weyde im Jahr 1870.
[Thevenot 1979], [Nagengast et al. 2006], [Cleveland und Saundry 2007].
3.1.2 Absorptionsprozess
1851 legte der Franzose Ferdinand Carré das erste kommerziell erfolgreiche Ammoniak-Absorptionskältesystem aus und führte Ammoniak als Kältemittel ein. Zum einen wurde ein kleines, absatzweise arbeitendes Aggregat für die Produktion von 0.5 bis 2 kg Eis pro Ansatz produziert. Allerdings verhinderten Kosten, Grösse und Komplexität des Kälteaggregats ge-koppelt mit der Toxizität von Ammoniak eine allgemeine Verbreitung bei privaten Anwendern. Zum andern wurde eine Version für kontinuierlichen Betrieb gebaut. Diese war erfolgver-sprechender und wurde 1859/1860 in Frankreich, England und in den U.S.A. patentiert. Carré’s Maschinen wiesen alle Elemente moderner Absorptionsaggregate einschliesslich eines Ver-dampfers mit Rektifikator auf. Diese Kältemaschine wurde bereits 1860 durch Mignon&Rouart in Paris gebaut. Zunächst wurden fünf Modelle zur Produktion von 12 kg bis 100 kg Eis pro Stunde hergestellt. Die kontinuierliche Absorptionskältemaschine wurde zur ersten Kältema-schine, die eine allgemeine industrielle Bedeutung erlangte. Die erfolgreiche Maschine wur-de verschiedentlich verbessert, in mehrere Länder exportiert und auch in mehreren Ländern produziert. Im nördlichen Teil der U.S.A. wurde die künstliche Kälteerzeugung zuerst in Braue-reien genutzt. Den Anfang machte 1870 die S. Liebmann’s Sons Brewing Company in Brook-lyn, New York, mit einer Absorptionsmaschine. Die Entwicklungen waren meist empirischer Art. Eine theoretische Erfassung des Absorptionsprozesses erfolgte erst sehr viel später – insbe-sondere durch den Deutschen Altenkirch im Jahr 1913 [Thevenot 1979].
3.2 Brüdenkompressionen
Konzentrieren und Verdampfungskristallisation ist ein wichtiger verfahrenstechnischer Prozess mit weltweiter Anwendung in grossen Anlagen. Bei der Brüdenkompression wird der beim Ein-
DIE PIONIERE VOR 1875 13
dampfen einer Lösung entstehende Dampf – der Brüden – auf einen höheren Druck komprimiert. Dadurch kann die Kondensationstemperatur über den Siedepunkt der einzudampfenden Lösung angehoben werden. Damit kann die Kondensationswärme der Brüden der zu verdampfenden Lösung zugeführt werden: Obwohl dabei die Erhöhung des Siedepunktes der Lösung gemäss dem Raoult’schen Gesetz6 berücksichtigt werden muss, genügt oft schon eine geringe Temperaturdifferenz. Dies ist natürlich ideal für einen Wärmepumpenprozess. Stand der Technik sind heute Leistungszahlen über 15. Das ist der Grund, weshalb die Brüden-kompression schon viel früher realisiert wurde als Wärmepumpen zur Raumheizung und andere Niedrigtemperaturanwendungen.
Brüdenkompression ohne zusätzliche Wärmerückgewin-nung durch Vorwärmen des Zulaufs mit dem Kondensat. Eine der Hauptanwendungen der Brüdenkompression ist die Produktion von Kochsalz aus einer Salzlösung. Der enorme Energiebedarf solcher Prozesse lässt sich aus der Tatsache er-kennen, dass für die Gewinnung von 1 kg Kochsalz etwa 3 kg Wasser verdampft werden müs-sen. Dafür wurden früher ganze Wälder abgeholzt.
Der österreichische Ingenieur Peter von Rittinger versuchte als erster, die Idee der Brüden-kompression in einer kleinen Pilotanlage zu realisieren. Seine theoretischen Überlegungen aus dem Jahr 1855 ergaben gegenüber direkter Beheizung mit einer Holzfeuerung durch die Brü-denkompression eine mögliche Energieeinsparung von 80%. Er legte eine entsprechende An-lage aus und baute sie. Er realisierte damit die erste bekannte Wärmepumpe für reine Heiz-zwecke mit einer Leistung von 14 kW für die Saline Ebensee in Oberösterreich. Die Inbetrieb-nahme von Rittingers „Dampfpumpe“ erfolgte 1857. Aber es blieb mit seinem geschlossenen Kreislauf bei einem Experiment. Die technische Reife war noch nicht erreicht. Neben dem et-was eigenartigen geschlossenen Kreisprozess traten zu viele Prozessprobleme auf. Davon sind der ungeeignete Batch-Verdampfer mit zu zahlreichen Unterbrechungen für die Salzent-nahme oder die Belagsbildung auf den Verdampferoberflächen durch Gips und Kalk zu erwäh-nen [Wirth 1955, 1995], [Lieberherr 2007].
6 Raoult'sches Gesetz für ideale Lösungen: Der Partialdruck pi einer Komponente i ist proportional zu ihrem molaren Anteil in der Lösung xi (< 1) und dem Dampfdruck der reinen Komponente pbi: pi = pbi * xi. Bei nur einer flüchtigen Komponente (z.B. Wasser) in der Lösung ist der Gesamtdruck gleich dem Partialdruck dieser Komponente (pi = p). Der Dampfdruck dieser Komponente beträgt dann pbi = p / xi. Er ist also grösser als bei der Verdampfung der reinen Komponente. Entsprechend höher ist die Siedetemperatur. Man nennt diesen Effekt Siedepunktserhöhung. Beispiel in [Zogg 1983].
INDUSTRIALISIERUNG 1876-1918
4 INDUSTRIALISIERUNG 1876-1918
In dieser Periode wurden die Funktionsmuster der Pioniere auf der Basis einer rasch fortschrei-tenden wissenschaftlichen Durchdringung und dem Fortschritt der industriellen Produktion durch verlässlichere und besser ausgelegte Maschinen ersetzt. Die Kältemaschinen und –anlagen wurden zu industriellen Produkten und im industriellen Massstab gefertigt. Die bedeu-tendste Persönlichkeit, die diesen Wandel einleitete, war der Deutsche Carl von Linde. Er war nicht nur ein talentierter Ingenieur und Unternehmer, sondern auch ein hervorragender akade-mischer Lehrer und Forscher. Im Mittelpunkt der Aktivitäten seines Münchner Instituts standen die praktischen Anwendungen. Bereits 1875 führte die Polytechnische Gesellschaft von Mün-chen unter der Leitung von M.Schröter erste Vergleichstests mit Kältemaschinen durch. Um 1900 lagen die meisten fundamentalen Innovationen der Kältetechnik bereits vor. 1918 gab es schon viele Kompressorhersteller in den U.S.A. und in Europa. In der Schweiz waren dies Escher Wyss in Zürich, Sulzer in Winterthur und die Société Genevoise in Genf [Thevenot 1979]. Zu jener Zeit blieben Wärmepumpen Visionen einiger Ingenieure. Der Schweizer Turbinenin-genieur Heinrich Zoelly7 hat als erster eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe mit Erd-wärme als Wärmequelle vorgeschlagen. Er erhielt dafür 1919 das Schweizer Patent 59350. Aber der Stand der Technik war noch nicht bereit für seine Ideen [Wirth 1955].
4.1 Komponenten und Kältetechnik
Die Drehzahl der Kompressoren wurden langsam gesteigert. Um 1890 lag in den U.S.A. die mittlere Drehzahl für einen 350 kW Kompressor bei 40 U/min. 1916 erreichte sie bereits 220 U/min. Die schweren Kompressoren beanspruchten viel Raum und ihre Effizienz war ziemlich bescheiden. Sie waren aber meist überraschend langlebig. Es sind Maschinen bekannt, welche während 75 Betriebsjahren nie gewartet wurden. Dampfmaschinen dienten zu jener Zeit als Hauptantrieb von Kompressoren: Bild 4-1. Die Elektromotoren steckten noch in den
Kinderschuhen. Die Entwicklung in den U.S.A. ist dafür typisch: 1914 wurden 90% der Kom-pressoren durch Dampfmaschinen angetrieben. Aber nach 1920 ging dieser Anteil rasch zu-rück. Gegen das Ende dieser Periode war Ammoniak das dominierende Kältemittel. Kohlendioxid (CO2) war für die Kühlung auf englischen Schiffen üblich. Schwefeldioxid (SO2) wurde in grösseren industriellen Anlagen immer weniger gebraucht. In kleineren gewerblichen Kompresso-ren wurde es aber weiterhin verwendet. Methylchlorid (CH3Cl) wurde hauptsächlich in Frankreich für kleine und mittlere Anlagen eingesetzt. In begrenztem Umfang wurden aber noch weitere Kältemittel wie die Kohlenwasserstoffe Propan (C3H8) und Isobutan (C4H10) verwendet [Thevenot 1979], [Fischer 2004].
4.1.1 Dampfkompressionsprozess
AMMONIAK
Carl von Linde verhalf dem Ammoniakkompressor zum eigentlichen Durchbruch. Im Gegen-satz zu seinen Vorgängern entwickelte er seine Maschinen mit einem wissenschaftlichen An-satz, und er verfolgte eine hohe Qualität in der Fertigung. Linde’s neuer Ammoniakkompressor wurde 1877 in einer Brauerei in Triest installiert und war dort bis 1908 in Betrieb. 1877 kon-struierte Linde einen verbesserten Kompressor mit horizontalem, doppelt wirkendem Zylinder. Diese Maschine wurde sofort zum grossen Erfolg und war Gegenstand zahlreicher Patente. Später haben viele Konstrukteure auf diesem Vorbild aufgebaut. Der Kompressor wurde unter Linde-Lizenz durch viele Firmen gebaut: in Deutschland durch Augsburg (spätere MAN), in der Schweiz von Sulzer, in Belgien durch Carels, in England durch Morton & Burton und in den U.S.A. durch Fred Wolf. Damit wurde Ammoniak rasch zum wichtigsten Kältemittel.
1867 und 1885 wurde durch den Australier W.G.Lock ein Zweistufen-Verbundkompressor für Ammoniak patentiert. Aber die erste industrielle Anwendung erfolgte 1889 mit dem Bau eines Ammoniak-Zweistufenkompressors durch die Schweizer Firma Sulzer. Ein weiterer Zweistu-fenkompressor wurde von Stuart Saint Clar konstruiert und durch York in den U.S.A. gefertigt. Um die Jahrhundertwende war der horizontale Zweistufen-Ammoniakkompressor von Linde die übliche Ausführung für die wichtigsten Kälteanlagen: Bild 4-2. Sulzer Winterthur gehörte zu den wichtigsten Herstellern für Linde. Sulzer begann mit der Konstruktion von Kältekompressoren und Kälteanlagen im Jahr 1878. Dies als logische Erweiterung ihrer Aktivitäten in den Abteilun-gen Dampfmaschinen8 und Kompressoren. Obwohl Kälteanlagen zu jener Zeit gross und schwer waren, exportierte Sulzer 1878 eine Anlage zur Produktion von Eis nach Bombay in In-dien. Ihre beiden Kolbenkompressoren wurden durch zwei Sulzer Dampfmaschinen mit je 37 kW Leistung angetrieben. Die erste Kälteanlage in der Schweiz wurde 1879 in der Brauerei Hürlimann in Zürich installiert. 1909 baute Sulzer einen 1.45 MW Kältekompressor und 1914 eine Klimaanlage für ein Hotel in Buenos Aires.
[Thevenot 1979], [Kläy 1994], [Nagengast et al. 2006], [Friotherm 2008].
8 Sulzer begann bereits 1851 mit dem Bau von Dampfmaschinen und baute 1867 die erste horizontale Ventil-Dampfmaschine [Kläy 1994].
INDUSTRIALISIERUNG 1876-1918 16
ANDERE KÄLTEMITTEL
Franz Windhausen legte 1880 eine CO2 - Kältemaschine aus und konstruierte 1886 einen funktionierenden CO2 Kältekompressor. 1889 entwickelte J.& E. Hall eine sehr erfolgreiche zweistufige CO2 – Maschine für industrielle Anwendungen.
1876 baute der Schweizer Raoul Pictet einen neuen horizontalen SO2 Kompressor, der ohne Schmiermittel auskam. Die sogenannte „Pictet Maschine” war ein sofortiger Erfolg und fand in Europa eine recht grosse Verbreitung. Sie wurde gleichzeitig in Genf (durch die Genfer Gesell-schaft für physikalische Instrumente “Société Genevoise”) und Paris und anschliessend noch in einigen weiteren Ländern gebaut. Bei grossen Anlagen verdrängte Ammoniak allerdings zuse-hends das Schwefeldioxid als Kältemittel.
Vincent führte 1878 das Kältemittel Methylchlorid (CH3Cl, auch Chlormethan) ein. Methylchlo-rid-Kompressoren wurden ab 1885 durch die Pariser Firma Crespin & Marteau hergestellt. Aus dieser wurde später die Firma Douane. 1900 konstruierte Douane einen neuen 70 kW Kom-pressor. Er wurde in der Schweiz ab 1913 durch die Firma Escher Wyss und ab 1920 auch in den U.S.A. gefertigt.
Cassius Palmer führte 1883 Ethylchlorid (C2H5Cl, Chlorethan) als Kältemittel ein und ab 1884 verbreitete Raoul Pictet ein Gemisch aus SO2 und CO2, die sogenannte Pictet-Flüssigkeit [Thevenot 1979], [Nagengast et al. 2006].
KOMPRESSOREN
In Deutschland wurde 1878 das Prinzip des Schraubenkompressors durch Heinrich Krigar patentiert. Später verbesserte er seine Konstruktion und meldete ein zweites Patent an. Beide Patente zählen zu den frühesten deutschen Patenten, da das Deutsche Patentamt erst ein Jahr zuvor gegründet wurde. Es war zu jener Zeit allerdings noch nicht möglich, die Erfindung umzusetzen, da die Fertigungstechnik dafür noch nicht bereit war. Bis zur praktischen Realisie-rung eines Schraubenkompressors sollte es noch rund fünfzig Jahre dauern.
Eine der ersten Flügelzellenmaschinen, das Lemielle-Gebläse, wurde in den frühen 1880er Jahren in Frankreich erfunden. Es fand in Belgien eine weite Verbreitung zur Lüftung von Koh-lebergwerken. Der Übergang von schwenkbaren Flügeln zu im Rotor gleitenden Flügeln war dann nur noch ein relativ kleiner Schritt. Das Prinzip der Flügelzellenkompressoren mit glei-tenden Flügeln geht auf die frühen 1900er Jahre zurück, als der Amerikaner Robert Blackmer die erste Flügelzellenpumpe erfand. 1909 wurde aus diesem Pumpenprinzip ein mit Methyl-chlorid betriebener Flügelzellenkompressor für Kühlzwecke auf dem amerikanischen Schiff „Carnegie“ entwickelt. Aber es dauerte noch bis 1920, bis der moderne Flügelzellenkompressor für den praktischen Gebrauch bereit war.
Die ersten Turbokompressoren wurden anfangs der 1900er Jahre gefertigt. Sie wurden ur-sprünglich durch Dampfturbinenhersteller entwickelt und fanden verbreiteten Einsatz zur Belüf-tung von Bergwerken, insbesondere im Kohlenabbau. Zu jener Zeit waren die Herstellungs-möglichkeiten von Rotoren aber durch die damals verfügbare Fertigungstechnik noch sehr be-schränkt. Bis zur Herstellung effizienter Turbokompressoren dauerte es noch Jahrzehnte. Der Amerikaner Willis Carrier (1876-1950) suchte nach einem kompakteren Kompressortyp als den damals üblichen, voluminösen Kolbenkompressoren. Er hat sich deshalb ab 1911 als erster eingehend mit Radialkompressoren für Klimaanlagen befasst. Um 1919 versuchte er es zu-erst mit einem Radialkompressor für Dichlorethylen (C2H2Cl2) aus deutscher Fertigung und dann mit einem solchen von Eastman Kodak aus den U.S.A. für Dichlormethan (CH2Cl2). Bei kleinen Kompressoren wurde ein viel zu hoher Anteil der Antriebsenergie in den Stopf-buchs-Dichtungen vernichtet. Zur Überwindung dieses Problems begannen sich die Erfinder mit dem Prinzip hermetischer Kompressoren mit Antriebsmotor und Kompressor in einem einzigen Gehäuse zu befassen. Der Franzose Marcel Audiffren hat das Prinzip 1905 mit einer noch etwas kuriosen technischen Lösung realisiert. Aber die Elektromotoren jener Zeit waren mit ihren Bürsten, Kommutatoren und einer rudimentären Isolation für den Bau hermetischer Kompressoren noch ungeeignet. Zu einem kommerziellen Durchbruch kam es erst nach dem ersten Weltkrieg. 1920 baute der Australier Douglas Stokes den ersten hermetischen „Motor-Kompressor“. Das Prinzip des Scrollkompressors wurde bereits 1905 durch den Franzosen Leon Creux patentiert. Wie beim Schraubenkompressor ermöglichte die damalige Fertigungstechnik aber noch keine wirtschaftliche Herstellung der komplizierten spiralförmigen Flügelräder. Die kom-merzielle Umsetzung erfolgte erst in den späten 1980er Jahren. Weiter ist erwähnenswert, das der französische Ingenieur Henri Corblin 1919 den Membrankompressor patentierte.
VERSCHIEDENES. 1895 setzte De la Verne in den U.S.A. vermutlich erstmals einen Dieselmotor zum Antrieb des Kompressors ein. Bemerkenswert ist auch die Einführung von Kork als Isolationsmaterial durch Grünzweig im Jahr 1880. Gegen 1900 erschien in der Kältetechnik nach den Doppelrohr- und Mehrrohrkonstruktionen der Rohrbündelkondensator. Darin strömte das Wasser in den Rohrleitungen und das Kältemittel kondensierte auf der Aussenseite der Rohre. 1902 installier-te Vilter in den U.S.A. einen Flüssigkeitsabscheider in der Ansaugleitung der Kompressoren, um den Kompressor trocken betreiben zu können [Thevenot 1979], [Nagengast et al. 2006].
4.1.2 Absorptionsprozess. Der direkte Antrieb durch Dampf war einer der Hauptgründe für die Dominanz der Absorptions-kältesysteme bis ungefähr 1890. Die Elektrizität musste damals unter geringem Wirkungsgrad durch Dampfmaschinen produziert werden. Das Hybridsystem (Kombination von Absorptions- und Kompressionsprozess) wurde in Australien und Deutschland bereits 1895, in Paris 1900 und in den U.S.A. 1916 eingeführt. Auch der kontinuierliche Diffusions-Absorptionsprozess, welcher ohne Lösungsmittel-pumpe auskommt, wurde von H. Geppert bereits im Jahr 1899 patentiert. Er benutzte dafür aber noch Luft anstelle von Inertgasen, was einem Erfolg der Erfindung im Wege stand [Thevenot 1979], [Burget et al. 1999].
4.2 Brüdenkompression - Schweizerische Pionierleistungen. Vermutlich angeregt durch die Experimente von Rittinger in Ebensee, wurde in der Schweiz 1876 von Antoine-Paul Piccard9 von der Universität Lausanne und dem Ingenieur J.H. Weibel von der Firma Weibel-Briquet in Genf die weltweit erste wirklich funktionierende Brüden-kompressionsanlage gebaut. 1877 wurde diese erste Wärmepumpe der Schweiz in der Sa-line Bex installiert. Diese Anlage war wesentlich grösser als der Prototyp von Rittin-ger und produzierte in kontinuierlichem Betrieb rund 175 kg Kochsalz pro Stunde: Diese Anlage wies nun einen echten offenen Wärmepumpenprozess auf. Als Kompressor diente ein zweistufiger Kolbenkompressor: Antoine-Paul Piccard wurde 1844 in Lausanne geboren. Von 1869 bis 1881 war er war Professor an der technischen Fakultät der Universität (Akademie) Lausanne. Seine Innovationen umfassten auch Wasserturbinen (Niagara und andere). Als Unternehmer gründete er die Firma “Piccard et Pictet” in Genf, aus der später die “Atelier des Charmilles” hervorgingen. Piccard starb im Jahr 1929 [Kemm 2008].
INDUSTRIALISIERUNG 1876-1918 18
Zur Vermeidung einer Belagsbildung (Fouling) auf den Wärmeübertragungs-Oberflächen war der neue Kristallisator mit einem mechanischen Schälwerkzeug ausgerüstet. Nach der Inbe-triebnahme traten allerdings auch einige bedeutende Probleme auf. Aber sie wurden durch das Talent und den grossen Einsatz von Piccard überwunden. So konnte der reguläre kontinuierli-che Betrieb im Jahr 1878 aufgenommen werden. Das System von Piccard war ein grosser Er-folg, obwohl die Produktionskapazität auch nach den zahlreichen Verbesserungen nur etwa 70% des vorausgesagten Werts erreichte. 1881 wurde für die Saline Ebensee eine gleiche An-lage gebaut. Vier weitere Anlagen wurden in den französischen Salines du Salat und eine An-lage im deutschen Schönbeck in Betrieb genommen. 1917 wurde in Bex eine zweite, grössere Anlage in Betrieb genommen [Winkler 1995]. Erstaunlicherweise wurde Piccard’s System 1877, also ein Jahr nach seinen Arbeiten, in leicht modifizierter Form von den Deutschen Schäffer und Budenberg als Deutsches Reichspatent 191 patentiert. Die Beiden brachten ihre „Erfindung“ aber nie zum Funktionieren [Winkler1995]. Während dem ersten Weltkrieg litt die Schweiz unter exorbitanten Brennstoffpreisen. Aber es war genügend elektrische Energie aus Wasserkraft vorhanden. Unter diesen Umständen wur-de 1917 durch die Schweizer Firma Kummler & Matter eine kleinere Brüdenkompressionsan-lage für die Färberei Jenny in Aarau gebaut. In dieser weltweit ersten Brüdenkompression-sanlage mit elektrischem Antrieb wurde der Brüden von 100°C auf einen Druck für eine Kondensationstemperatur von 114 °C verdichtet. Dabei wurde eine Leistungszahl von 11.7 gemessen. Nebenbei sei bemerkt, dass die Abnahmeprüfung der Anlage durch den berühmten Aurel Boreslav Stodola von der ETH Zürich durchgeführt wurde. Stodola, dessen Büste am Eingang zum Maschinenlaboratorium der ETH-Zürich steht, war ein weltbekannter Dampf- und Gasturbinenexperte. Aufgrund der erfreulichen Resultate wurden in der Schweiz in den folgen-den Jahren diverse weitere Brüdenkompressionsanlagen gebaut [Wirth 1936, 1955].
5 WÄRMEPUMPENHEIZUNG WIRD INTERESSANT 1919-1950
In dieser Periode haben sich Wärmepumpen zur Raumheizung und für die Warmwasserberei-tung von seltenen, ersten Prototypen zu einer verlässlichen, effizienten und – je nach den herr-schenden Randbedingungen – sogar ökonomischen Heizungsvariante entwickelt.
5.1 Komponenten und Kältetechnik
5.1.1 Dampfkompressionsprozess
Die Drehzahlsteigerung bei den Kolbenkompressoren hat sich verstärkt fortgesetzt. Die alten, oft doppelt wirkenden Kolbenkompressoren drehten mit etwa 40 U/min bis 60 U/min. Um 1920 erreichten „schnelle“ Kompressoren 500 U/min. Dies hatte selbstverständlich auch eine Reduktion des Volumens und des Gewichts der Kompressoren zu Folge. Nach 1918 wurde der Elektromotor zur ersten Wahl für den Kompressorantrieb. 1925 ergab eine Umfrage in den U.S.A., dass noch 36% der Kompressoren durch Dampfmaschinen und bereits 58% durch Elektromotoren angetrieben wurden. Weitere 4% wurden durch Dieselmoto-ren und 2% durch Gasmotoren betrieben. Um 1920 wurde der ohne Riementrieb direkt an den Kompressor gekoppelte elektrische Synchronmotor populär [Thevenot 1979].
KÄLTEMITTEL
Trotz den offensichtlichen Vorteilen hatte die künstliche Kühlung auch mit Problemen zu kämp-fen. Kältemittel wie Schwefeldioxid oder Methylchorid waren lebensgefährlich. Auch Ammoniak hatte im Leckagefall verheerende gesundheitliche Konsequenzen. Deshalb suchten die Kälte-ingenieure vehement nach ungefährlichen Ersatzkältemitteln. Sie wurden gegen das Ende der 1920er Jahre mit einer ganzen Anzahl synthetischer Kältemittel gefunden. 1928 wurden durch Thomas Midgley, Albert Henne und Robert McNary in den Forschungslaboratorien von General Motors für Frigidaire erstmals Fluorchlorkohlenstoffe synthetisiert. Die Entwicklung der Käl-temittel R-11 und R-12 als Ersatz für Ammoniak (NH3), Schwefeldioxid (SO2) und Methylchlorid (CH3Cl) wurde 1930 öffentlich angekündigt. Die bekanntesten Fluorchlorkohlenstoffe wurden von DuPont unter dem Markennamen Freon patentiert. Fluorierte, chlorierte und in einigen Fäl-len bromierte Kohlenwasserstoffe sind unbrennbar, geruchlos, nur in grossen Konzentrationen toxisch wirkend, schmiermittelverträglich und relativ kostengünstig zu produzieren. Zudem wei-sen sie auch vorteilhafte thermodynamische Stoffwerte auf. Diese Entwicklung bedeutete einen grossen Schritt vorwärts – wenigstens bis lange nachher die durch die Fluorchlorkohlenstoffe verursachten Umweltschäden bekannt wurden. Ausser-halb der U.S.A. fand die Hauptverbreitung der halogenierten Kohlenwasserstoffe erst nach 1945 statt. Gleichzeitig stieg die Anzahl der unterschiedlichen synthetischen Kältemittel, und es stand für praktisch jede Anwendung ein ideales Kältemittel zur Verfügung. 1936 hat Albert Henne, ein Miterfinder der Fluorchlorkohlenstoffe, den Fluorkohlenwasser-stoff R-134a synthetisiert. Dieses Kältemittel erwies sich in den 1980er Jahren als das beste Ersatzkältemittel ohne Abbaupotenzial für die Ozonschicht für die meisten gebräuchlichen Flu-orchlorkohlenstoffe. Trotzdem blieben vor allem in Europa NH3, SO2 und CH3Cl in der Zeit zwi-schen den beiden Weltkriegen noch die wichtigsten Kältemittel.
KOMPRESSOREN
Der Rollkolbenkompressor wurde 1920 von W.S.E. Rolaff eingeführt. Er wurde zuerst durch die Firma Norge in Detroit unter der Bezeichnung „Rollator“ für Schwefeldioxid als Kältemittel hergestellt. Ebenfalls um 1920 begann General Electric mit der Massenproduktion hermeti-scher Kompressoren für Haushaltanwendungen. Sulzer Winterthur startete 1920 eine umfangreichere Produktion von horizontalen Zweizylin-der-Kältekompressoren. 1925 folgte die Seriefabrikation von vertikalen Kältekompressoren für NH3 und CO2. 1927 baute Sulzer den weltweit grössten Kolben-Kältekompressor mit einer Leistung von 9.4 MW. 1937 folgte eine noch grössere Version mit 11.6 MW (Bild 5-1). In den frühen 1930er Jahren führte Sulzer den ölfreien Labyrinth-Kolbenkompressor – zunächst für die Verdichtung von Luft - ein: Bild 5-2 (1: Labyrinthkolben, 2: Zylinderwand, 3: Drosselstelle, 4: Volumenkammer, 5: Wirbel). Ab ungefähr 1955 wurde er für den Gebrauch als Kältekompres-sor modifiziert. Heute wird der weiter entwickelte Labyrinthkolbenkompressor unter der Be-zeichnung „Laby“ durch Burckhardt Compression in Winterthur mit Leistungen bis über 25 MW gefertigt und in die ganze Welt exportiert. Hauptabnehmer ist die petrochemische Industrie. Der früher nur für Luft verwendete Flügelzellenverdichter wurde ab 1920 auch für Kältemittel eingesetzt – zuerst in Deutschland, den U.S.A. und der Schweiz. Ab 1922 fertigte Sulzer die kompakte Kälteeinheit “Frigorotor” und die grössere Version “Frigocentrale”. "Frigorotor" wies eine Kälteleistung von 1.2 – 11.6 kW auf und benützte Methylchlorid als Kältemittel. Sulzer begann bereits 1909 mit der Herstellung von Turbokompressoren und trat 1927 mit ei-nem mehrstufigen Turbokompressor für Ammoniak mit Dampfturbinenantrieb in den Kälte-technikmarkt ein. Brown Boveri10 (BBC) konzentrierte sich auf Turbokompressoren und baute 1926 einen 9.3 MW Ammoniakverdichter. 1927 folgte eine 17.4 MW Ausführung. Später ver-wendete BBC Ethylchlorid sowie Ethylbromid und dann Fluorchlorkohlenstoffe als Kältemittel. 1935 war ihr Wasser- oder Solekältesatz „Frigobloc” mit Kompressoren im Leistungsbereich von 23 kW bis 1.4 MW ausgerüstet. Vor 1940 wurden für die Radial-Turbokompressoren 5 bis 6 Laufräder benötigt. Die Entwicklung in Richtung immer höherer Umfangsgeschwindigkeiten führte in der Zeit von 1940 bis 1960 auf 2 bis 3 Laufräder. Nach 1960 wurden immer mehr Ra-dialverdichter mit einem Laufrad und Umfangsgeschwindigkeiten nahe an der Schallgeschwin-digkeit realisiert. Escher Wyss baute 1936 einen Rollkolbenkompressor, den sogenannten “Rotasco”. Dieser Kompressor fand eine rasche Verbreitung und wurde aus Lärmgründen auch für die erste eu-ropäische Wärmepumpe im Zürcher Rathaus verwendet 1923 baute Willis Carrier einem Prototyp eines Radialturbokompressor-Kältesatzes mit Koh-lenstofftetrachlorid und Dichlorethylen als Kältemittel. 1927 waren bereits 50 seiner Radialtur-bokompressoren mit Dichlorethylen in Betrieb. Später wurde das Dichlorethylen durch die für Turbokompressoren geeigneteren FCK11 (R-11, gefolgt von R-12) ersetzt. Trane verwendete in ihren Radialkompressoren für die Raumklimatisierung R-113. Axiale Turbokompressoren erschienen in der Kältetechnik erst nach dem zweiten Weltkrieg – und dann meist in grossen Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas. Der schwedische Turbinenhersteller Ljungstroms Angturbin suchte 1934 nach leichten Kom-pressoren für Gas- und Dampfturbinen. Da das ursprüngliche Patent für Schraubenkompres-soren nicht mehr gültig war, hat Lysholm ein brauchbares Profil von Schraubenkompressoren entwickelt und mehrere Kombinationen von Schraubenrotoren getestet. Lysholm beschäftigte sich aber nicht nur um die Rotorgeometrie – er kümmerte sich auch um die genaue Herstellung der Rotoren und patentierte eine entsprechende Herstellungsmethode. Das Patent aus dem Jahr 1935 zeigt seine asymmetrische Rotorkonstruktion mit 5 männlich und 4 weiblichen Ro-torblättern. Obwohl die Geometrie im Laufe der Jahre weiter verfeinert wurde, war dies die Grundlage für die heutigen Schraubenkompressoren. Die Anwendung war noch auf die Ver-dichtung von Luft beschränkt. Für die Kältetechnik war das erreichbare Druckverhältnis noch zu gering. Es vergingen noch vier weitere Dekaden, bis aus dem Schraubenkompressor ein konkurrenzfähiger Kältekompressor wurde. Kleinkompressoren für Haushaltanwendungen kamen erst etwa 50 bis 60 Jahre nach den in-dustriellen Kompressoren. Sie konnten erst realisiert werden, als weniger verlustreiche Wellen-dichtungen und eine genaue und verlässliche automatische Regelung entwickelt waren. In den 1930er Jahren setzte sich der kapazitive Elektromotorstart durch. Damit war der Weg frei für den Bau hermetischer Kompressoren. Nach 1940 wurden die hermetischen Kompressoren namentlich infolge neuer Elektromotortypen kleiner.
VERSCHIEDENES. Der Plattenwärmeübertrager wurde 1923 durch Richard Seligman von der „Aluminium Plant & Vessel Company Limited (APV)“ erfunden. Infolge der grossen Oberfläche, der kurzen Wärme-transportwege, der durch die Plattenprofile perfekt geführten Strömung und der Freiheit in der Volumenstromaufteilung brachte dieser neue Wärmeübertrager eine revolutionäre Reduktion des Bauvolumens und des Kältemittelinhalts. Zudem wurde im Bedarfsfall eine nachträgliche Vergrösserung der Wärmeübertrageroberfläche leicht möglich. Vorerst waren zur Vermeidung von Kältemittelverlusten noch anspruchsvolle Dichtungen zwischen den Platten erforderlich. Das erste thermostatische Expansionsventil wurde vermutlich durch E. Diffinger von den „Etablissement P. Colombier Fils“ in Paris im Jahr 1923 erfunden. Drei Jahre später erfand H. Thompson ein der heutigen Ausführung entsprechendes thermostatisches Expansionsventil und erhielt dafür 1927 ein U.S.A.-Patent. 1925 meldete R. Bernat ein Patent für die erste Aus-führung eines Schwimmerventils zur Kältemitteldurchsatzregulierung an. 1927 wurde durch T. Carpenter die Kapillarrohrregulierung erfunden. In den späten 1940er Jahren erhielt Kork als Isolationsmaterial eine überlegene Konkurrenz durch Isolierschäume.
5.1.2 Absorptionsprozess
Zwei Jahrzehnte nach der Erfindung des Diffusions-Absorptionsprozesses durch H. Geppert führten die Schweden Carl Munters und Baltazar von Platen das Prinzip zum Erfolg, indem sie Wasserstoff anstelle von Luft als Inertgas einsetzten. Sie erhielten dafür 1920 ein Patent und erste Kühlschrankfunktionsmuster wurden bereits Ende 1920 hergestellt [Theveonot 1979], [Burget et al. 1999]. Der geräuschlose Ammoniak-Wasser Kühlschrankprozess arbeitete ohne bewegliche Teile (insbesondere ohne Lösungsmittelpumpe) und konnte mit Gas, Petroleum oder Elektrizität betrieben werden. Ein weiterer Vorteil dieser technischen Revolution war der im Vergleich zu den damaligen Kompressionsprozessen tiefere Preis. Electrolux kaufte 1925 die Patente von Munters und Platen und startete 1926 die Produktion von Kühlschränken. Der Absorptionskühlschrank wurde später ein weltweiter Erfolg. Nach 1927 wurde die Produktion durch mehrere Firmen in den U.S.A. ausgeweitet.Die Patentrechte von Electrolux verfielen zuerst in der Schweiz (als Folge des zweiten Welt-kriegs wurden sie für die übrigen Länder Europas um 6 Jahre verlängert). Hans Stierlin – ein späterer Ehrendoktor der ETH Zürich – ergriff die Chance, verbesserte den Prozess und be-gann ab 1944 mit der Kühlschrankproduktion in seiner Firma SIBIR in Schlieren. Im Vergleich mit den damaligen Kompressor-Kühlschränken waren seine SIBIR-Kühlschränke sensationell preisgünstig. Entsprechend nahm die Nachfrage stark zu. In den 1960er Jahren wurde SIBIR ein Synonym für Kühlschrank. 1962 waren in Europa rund 50% der Haushaltkühlschränke Ab-sorptionskühlschränke. Stierlin verbesserte die Effizienz des Diffusions-Absorptionsprozesses durch die Rückgewinnung der Wärme des aus dem Rektifikator strömenden Ammoniaks (rund 1/3 der gesamten Wärmezufuhr!). Er hat die erhebliche Prozessverbesserung 1967 zum Patent angemeldet und dieses 1969 erhalten [Stierlin 1969]. Eine vergleichbare Verbesserung des Rektifikationsprozesses wurde auch durch A. Lenning vorgeschlagen [Lenning 1971], [Was-sermann 2007]. Als die Kompressionskühlschränke kostengünstiger, ruhiger und dank herme-tischen Kompressoren und künstlichen Kältemitteln effizienter und sicherer wurden, schmolzen die Vorteile der Absorptionskühlschränke dahin. Die Verkäufe von SIBIR brachen gegen das Ende der 1980er Jahre ein und um 1990 wurde SIBIR an Electrolux verkauft [Wassermann 2007]. Nebenbei sei bemerkt, dass sich der berühmte Albert Einstein am Rande auch für den Absorp-tionsprozess interessierte. Unfälle mit Kompressionskühlschränken motivierten seinen ungari-schen Assistenten, Leo Szilard, zur Entwicklung eines Absorptionssystemschrankes. Szilard und Einstein haben ein Patent für ein Absorptionssystem zur Kühlung einer Eiskiste einge-reicht. Es wurde ihnen 1930 auch erteilt. Aber was immer auch der Grund gewesen sein mag – die Apparatur funktionierte nicht wie vorgesehen. Um 1930 regte sich das Interesse zur Nutzung von Abwärme für den Absorptionskälteprozess. Bereits vor 1935 waren einige Anlagen in den U.S.A., Deutschland und Frankreich in Betrieb. 1932 führte G. Maiuri in England ein Mehrstufen-Ammoniakabsorptions-Aggregat ein. In den 1930er Jahren begann eine allmähliche Erweiterung vom dominanten Ammoniak-Was-ser-System auf andere Arbeitspaare. Um 1937 verwendete Kathaber Lithiumchlorid-Wasser in einem offenen Absorptionssystem. Die bedeutendste Veränderung bei Absorptionskältean-lagen war die Einführung der Lithiumbromid-Wasser-Systeme um 1940. Eine Studie von Ser-vel, Carrier und anderen zeigte, dass Absorptionsaggregate mit diesem Stoffpaar für die Er-zeugung von Kälte bei Temperaturen um +5°C bei tieferen Heiztemperaturen betrieben werden können als mit Ammoniak-Wasser. Allerdings wurden Kristallisation und Korrosion auch als Haupthindernis für dieses Stoffpaar identifiziert. Carrier führte ab 1938 zu Lithiumbromid-Wasser-Systemen eingehendere Studien durch und baute 1945 die erste dampfbeheizte 430 kW Anlage. Damit hatte das „Goldene Zeitalter der Absorptionstechnik“ begonnen. Um 1960 hatte Carrier bereits 1'500 grosse Lithiumbromid-Wasser-Anlagen ausgeliefert. Um 1965 be-trug in den U.S.A. der Anteil an Absorptionssystemen 30% [Thevenot 1979], [Burget et al. 1999], [Nagengast et al. 2006].
5.2 Wärmepumpenheizung – eine Schweizerische Pionierleistung
Die Schweiz litt während und nach dem ersten Weltkrieg an einer grossen Brennstoffknappheit. Gleichzeitig bestand das Potenzial für einen Ausbau der Wasserkraft. Not macht erfinderisch. So begannen um 1918 ernsthafte Diskussionen über die Aussichten einer Raumheizung mit Wärmepumpen [Wirth 1955]. Sie wurde angeregt durch die erste Publikation zur Raumhei-zung mit Wärmepumpen in einer der bedeutendsten Schweizer Fachzeitschriften [Hottinger 1920]. Sie kam zu folgendem Schluss: „Allgemeingültige Kostenberechnungen aufstellen zu wollen, hat bei den heutigen labilen Marktpreisen keinen Wert; dagegen lohnt es sich wohl, von Fall zu Fall zu prüfen, ob die Anordnung einer Wärmepumpe Aussicht auf Erfolg hat“. In seinem umfassenden Buch zur Geschichte der Kältetechnik schrieb Thevenot: “Die Wärme-pumpe ist ein kältetechnisches System zur Produktion von Wärme. Es gibt eine gewisse Ver-suchung, dieses System als eines zu bezeichnen, welches einer Weltkrise bedarf, bevor es entwickelt wird...“ und an anderer Stelle: „Es war die Schweiz, ein an fossilen Energiereserven armes aber an hydroelektrischer Energie reiches Land, welches um 1939 - nach einigen Experimenten um 1930 - den Anstoss zur Realisierung dieser Heizmethode gab.“ Vor und während dem zweiten Weltkrieg litt die Schweiz erneut unter einer ernsthaften Knapp-heit des Kohlenachschubs. Sie gab Anlass zu einem entschlossenen Bau weiterer Wasserkraftwerke vor und wäh-rend des zweiten Weltkriegs und zu einer rationellen Verwendung der Hydroelektrizität oder der „weissen Kohle“, wie diese auch genannt wurde [Wirth 1941]. Der hohe technische Stand des schweizerischen Wärmekraftmaschinenbaus war ein weiterer Grund, weshalb die Schweiz zu einem Wärmepumpenpionierland wurde. Dieser wird etwa durch die Tatsache illustriert, dass Brown Boveri Baden im Jahr 1939 in der Stadt Neuenburg die weltweit erste industrielle Gasturbine in Betrieb nahm. Raumheizen durch Nutzen der Abwärme von Kälteanlagen in Eisbahnen und Brauereien wur-de bereits in der Mitte der 1930er Jahre praktiziert. Zwischen 1938 und 1945 wurden in der Schweiz dann aber durch die Firmen Sulzer in Winterthur, Escher Wyss in Zürich und Brown Boveri in Baden 35 eigentliche Wärmepumpen gebaut und installiert. Diese Wärmepumpen wurden zur Raumheizung und für andere Niedrigtemperaturanwendungen (zum Beispiel Warmwasserbereitung oder Erwärmung von Hallenbad-Schwimmwasser) eingesetzt. Haupt-wärmequellen für die Wärmepumpen waren Seewasser, Flusswasser, Grundwasser und Abwärme [Thevenot 1979], [Bauer 1944].Ein weiteres, wichtiges Motiv zur Realisierung dieser ersten Wärmepumpen war das Sammeln von Erfahrungen mit diesem neuen Heizsystem und eine Abklärung ihres Potenzials zur künftigen Deckung des schweizerischen Wärmebedarfs. Nach fünf Jahren Betriebserfahrung konnte 1944 Erfreuliches berichtet werden [Egli 1944]. Der Bericht hob hervor, dass die Wärmepumpen bisher problemlos funktionierten und dass sie keinen grösseren Bedienungsaufwand erfordern als konventionelle Heizungssysteme. Auch nach dem zweiten Weltkrieg blieben die Wärmepumpen in der Schweiz ein wichtiges Thema. Die Inbetriebnahme zahlreicher Wärmepumpen veranlasste den Schweizerischen Bundesrat zu einem Rundschreiben an alle Kantone. In diesem wurde nach der Notwendigkeit eines landesweiten Gesetzes zur Wärmeentnahme aus Oberflächengewässern gefragt. Weiter forderte das Rundschreiben die Kantone dazu auf, den Bund über Wärmepumpenanlagen mit Flusswasser als Wärmequelle zu informieren und einen Nutzungszonenplan aufzustellen. Im Interesse der Unabhängigkeit von Brennstoffimporten empfahl der Bundesrat den Kantonen, auf die Erhebung von Gebühren für die Wärmeentnahme zu verzichten [Bundesrat 1949]. 1955 gab es in der Schweiz rund 60 Wärmepumpen. Die grösste unter ihnen erreichte eine Wärme-leistung von 5.86 MW.
5.2.1 Historische Wärmepumpen der Stadt Zürich
Die Installation der ersten Wärmepumpe im Rathaus Zürich durch die Firma Escher Wyss war ein weltweiter Meilenstein. Das Wärmepumpensystem wurde durch die Ingenieur-firma Heinrich Lier in Zürich geplant. Es diente dem Ersatz von Einzelraumholzöfen. Für die Lagerung fester Brennstoffe wie Holz oder Kohle war zu wenig Platz vorhanden. Deshalb be-schränkte sich die Auswahl möglicher Heizenergien auf Heizöl, Stadtgas (aus Kohle) oder Elektrizität. Im Hinblick auf die zunehmend behinderten Einfuhren von Kohle und Öl und die schmerzlichen Erfahrungen während dem ersten Weltkrieg entschloss man sich für Elektrizität. 1937 arbeitete Escher Wyss eine energieeffiziente Wärmepumpenlösung aus und offerierte sie für 27'850 Schweizer Franken. Es ist erwähnenswert, dass die Anla-ge gemäss der Endabrechung nur 24'090 Schweizer Franken kostete. Der Fluss Limmat mit einer mittleren Temperatur während der Heizsaison um 7°C war eine ideale Wärmequelle. Das Flusswasser wurde bei einer mittleren Wärmepumpenleistung um etwa 1.5 K abgekühlt. Die nominale Wärmeleistung der Wärmepumpe betrug 100 kW. Die Heizungsvorlauftemperatur lag bei rund 60°C. Zur Spitzenlastdeckung wurde ein mit maximal 65 kW elektrisch beheizter Boiler installiert. Als Novum für Europa konnte die Wärmepumpe im Sommer (im Gegensatz zu den weiteren historischen Wärmepumpen der Stadt Zürich) auch für die Raumkühlung eingesetzt werden. Die Umschaltung auf Kühlbetrieb und umgekehrt auf Heizbetrieb erfolgte manuell über vier Dreiwegventile. Abgesehen davon funktionierte die Anlage bereits vollautomatisch. Zur Ver-meidung von Lärm und Vibrationen entschied sich Escher Wyss für ihren bereits beschriebe-nen Rollkolbenkompressor „Rotasco“ .Er vermochte die Erwartungen in Bezug auf den volumetrischen Wirkungsgrad sowie die Geräuscharmut und Vibrationsfreiheit voll zu befriedigen. Als Besonderheit ist zu erwähnen, dass der 42 kW Elektromotor nicht nur den Kompressor sondern über ein Getriebe auch die 8 l/s Flusswasserpumpe und die 3.6 l/s Hei-zungsumwälzpumpe anzutreiben hatte. Als Kältemittel wurde R-12 verwendet. Verdampfer und Kondensator wurden als horizontale Rohrbündelapparate ausgeführt: Bild 5-10. Die Wärmepumpenanlage wurde in den Jahren 1937-1938 gebaut und installiert. Die Inbetriebnahme erfolgte 1938. In der Heizsaison 1938-1939 wurden an der Wärmepumpenanlage umfangreiche Messungen durchgeführt. Unter Be-rücksichtigung aller Hilfsantriebe (Flusswasserpumpe!) wurde eine Jahresarbeitszahl von 2.16 ermittelt. Die Aufstellung der Wärmepumpe in einem ehemaligen Büro erforderte einen Wanddurchbruch. Die Wärmepumpe im Zürcher Rathaus ist die älteste noch funktionierende Wärmepumpe. 1964 musste der Kompressor vollständig überholt werden und in den Jahren 1983-1984 wurden das Wärmepumpensystem revidiert sowie das Lüftungssystem ersetzt [Egli 1938, 1940], [Dürr 1996]. Erst nach 63 Vollbetriebsjahren wurde die historische Escher Wyss Wärmepumpe im Jahr 2001 durch eine neue Wärmepumpe der Firma Scheco in Winterthur er-setzt. Diese erreicht mit dem Kältemittel R-134a bei einer Flusstemperatur von 3.5 °C und einer Heizungsvorlauftemperatur von 55 °C eine Wärmeleistung von 134 kW und eine Leistungszahl von 3.27. Dies entspricht einem Lorenz-Wirkungsgrad von 51% - allerdings ohne Berücksichti-gung der Hilfsantriebe. Die historische Wärmepumpe wird seit 2001 nur noch eine Stunde pro Woche betrieben, um sie „am Leben“ zu erhalten. Sie wird seit 2001 ebenfalls mit R-134a an-stelle des früheren R-12 betrieben [Fluri 2007].
1941 HALLENBAD ZÜRICH-CITY (1’025 KW)
Das neu gebaute Hallenbad im Zentrum der Stadt Zürich (Bild 5-11) wies einen jährlichen Heizenergiebedarf von rund 5500 MWh auf. Dies entsprach einem jährlichen Kohlebedarf von 90 damaligen 10-Tonnen-Güterwagen – eine im Hinblick auf die Kohleknappheit in den Kriegs-jahren enorme Menge! Elektrizität aus Wasserkraftwerken war jedoch immer – wenn auch be-schränkt – verfügbar. Die Elektrizität musste aber gegenüber einer elektrischen Widerstands-heizung rationeller verwendet werden. Ermutigt durch die eindrücklichen Errungenschaften im Rathaus, entschloss sich der Stadtrat, auch für das Hallenbad eine Wärmepumpe einzusetzen. Das Schwimmbecken des Hallenbads mit einer damals noch sehr tiefen Temperatur von 23 °C (heutiger Standard ist 28 °C...) versprach einen noch effizienteren Wärmepumpenbetrieb. Zu-dem war eine ausgezeichnete Wärmequelle vorhanden. Das frische Schwimmbadwasser wur-de durch die Abwärme aus einer benachbarten Transformatorstation auf die erforderlichen 23 °C aufgeheizt. Aber diese reichte nicht aus, um die Temperatur des Schwimmbeckens auf 23 °C zu halten. Deshalb sah Escher Wyss, welche die Anlage plante und die Ammoniak-Wärmepumpe baute, das A
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09 Feb 2012
10:47:42 |
Zoog |
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