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Wärmepumpen Geschichte Teil 3
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Wärmepumpen Geschichte Teil 3
SULZER SOLSET / BRUGNOLI / STREBEL / CRYOTHERM
Auf der Grundlage jahrzehntelanger Erfahrung baute Sulzer auch in dieser Periode zahlreiche mittelgrosse und grosse Wärmepumpen. Ab 1978 entwickelte Carlo Brugnoli eine kleine Luft/Wasser-Wärmepumpe mit integrierter Warmwasserbereitung. Man gab ihr den Namen “Solset”. Dank bivalent-parallel-Betrieb mit einem Jahresheizenergieanteil der Wärmepumpe von 75% lieferte Solset eine Vorlauftemperatur von 65 °C. Bei tieferem Wärmebedarf wurde die Spitzenlastdeckung durch einen elektrischen Durchlauferhitzer übernommen. Bei hohem Wärmebedarf übernahm ein Kessel die Spitzenlastdeckung. Um ein häufiges Ein- und Aus-schalten der Wärmepumpe zu verhindern, wurde durch R. Huber ein spezieller Wärmespei-cherbehälter entwickelt und patentiert. Während der Heizsaison 1978/1979 wurde Solset pa-rallel im Labor und im Feld gemessen. Ab 1979 wurden die ersten Solset-Wärmepumpen mit Leistungen bis 30 kW an Installateure verkauft. Aber Serie-Kleinanlagen passten nicht recht ins Konzept von Sulzer.
26 Schweizerischer Verein für Kältetechnik.
Deshalb wurde die Entwicklung an den Kesselhersteller Strebel in Rothrist verkauft. Dieser er-höhte die Heizleistung in Weiterentwicklungen bis 120 kW. Sulzer verfolgte die Entwicklung ei-ner kleinen Wärmepumpe weiterhin. Doch in den frühen 1980er Jahren kam es im Wärme-pumpengeschäft aufgrund des oben Beschriebenen zu einem raschen Einbruch. In der Folge gab Sulzer 1984 die Entwicklung von Kleinwärmepumpen endgültig auf. Das ganze Wissen blieb bei Brugnoli, der es auch rettete. Er baute in Toffen mit Hilfe von Strebel die Firma Cryo-therm auf. Das Solset-System wurde durch einen Wärmepumpenboiler und bis vier halbher-metische Kompressoren bis zu Heizleistungen von 300 kW weiterentwickelt. Aufgrund der fol-genden Übernahmen durch die “Verzinkerei Zug” und eine österreichische Gruppe entschloss sich Brugnoli 1996, das Solset-Geschäft allein weiterzuführen. Bis zu seiner Pensionierung im Jahr 1998 wurden noch einige Solset-Wärmepumpen verkauft. Darunter solche mit bivalent-alternativem Betrieb und Erdwärmesonden. Auch Brugnoli war während langer Jahre Mitglied des technischen Komitees der AWP (siehe 7.2.8) [Bula und Bachofner 1979], [Brugnoli 2007].
7.2.3 Grosse Wärmepumpensysteme ( > 1 MW)
Wie oben dargelegt, waren die Schweizer Pioniere grosser Wärmepumpensysteme lange vor 1950 aktiv. Das angereicherte Wissen führte bei grossen Wärmepumpen zu einer führenden Position von Sulzer27. Sulzer baute auch in dieser Periode zahlreiche Anlagen. Im Folgenden werden nur wenige Beispiele erwähnt.
4.7 MW TOTALENERGIEANLAGE IM BAHNHOF LUZERN 1984
Wie bereits im Kapitel 1 erwähnt, sind Kombinationen von Blockheizkraftwerken mit Wärme-pumpen im Vergleich zu Wärmepumpen mit direktem Verbrennungsmotorantrieb verlässlicher und flexibler. Eine der ersten Umsetzungen dieses modernen Konzepts erfolgte mit dem durch Sulzer beim Bahnhof Luzern für die Bundesbahnen und die Post gebauten System. Sechs28 Wärmepumpeneinheiten mit einer Heizleistung von je 440 kW und Wasser aus dem Vierwaldstädtersee als Wärmequelle wurden installiert. Die elektrische Energie zum Antrieb dieser Wärmepumpen wurde durch drei Blockheizkraftwerke mit Gasmotoren pro-duziert. Diese Blockheizkraftwerke wiesen je eine Heizleistung von 678 kW und eine Elektrizi-tätsproduktion von 374 kW auf. Die Temperaturen auf der Wärmesenkenseite betragen für die Wärmepumpen 55°C - 60°C für den Vorlauf und 40°C für den Rücklauf. Für die Blockheiz-kraftwerke betragen sie 75°C bzw. 60°C. Im Sommer können die Wärmepumpen auch zur Kühlung mit einer Kälteleistung von je 320 kW eingesetzt werden. Für die Spitzendeckung wurde ein 3.2 MW Holzschnitzel-Kessel gebaut. Der Nutzungsgrad des Systems lag bei 170% und die Jahresheizöleinsparung betrug rund 1'300 Tonnen. Das System wurde bereits zu Be-ginn durch einen Computer unter Einbezug des momentanen Heizleistungsbedarfs und des ak-tuellen Elektrizitätstarifs optimal betrieben [Etterlin 1985]. 1990 wurde die Wärmepumpe zur Verwendung von Ammoniak anstelle von R-12 umgerüstet [Brügger et al. 1991]. Im Jahr 2007 wurden die ursprünglichen Blockheizkraftwerke durch neue von AVESCO29 in Langenthal ge-baute ersetzt. Die Gesamtwärmeleistung des Systems wurde auf 7.2 MW erhöht.
27 1970 wurde Escher Wyss in die Sulzer-Gruppe eingegliedert. Nach dem Verkauf der Hydraulikabteilung an die österreichische VA Tech im Jahr 1999 und der Turbokompressorabteilung an die deutsche MAN im Jahr 2001 ver-schwand der berühmte Name “Escher Wyss”.
28 1984 wurden vier Einheiten installiert, zwei weitere folgten 1986.
29 AVESCO baut in Langenthal grosse Blockheizkraftwerke für Erdgas und Biogas mit Caterpillar-Motoren. Diese erreichen elektrische Wirkungsgrade bis 43%. Kleinere Blockheizkraftwerke werden von AVESCO in Bubendorf her-gestellt. Sie werden mit einem im Rahmen der BFE-Forschung neu entwickelten und von Liebherr in Bulle produzier-ten, hocheffizienten Verbrennungsmotor mit neuem Abgasrezirkulationssystem angetrieben [Hauptmann 2008].
19.2 MW TOTALENERGIEANLAGE AN DER ETH-LAUSANNE 1986
Aufgrund eines Vorschlags von Lucien Borel hat 1979 der beratende Ingenieur Ludwig Silber-ring30 eine zukunftsweisende Heizungsanlage geplant [Silberring 1986]. Sie wurde durch Sul-zer an der ETH-Lausanne (EPFL) realisiert. Die 1986 in Betrieb genommene Total-energieanlage enthält zwei Gasturbinen-Generatoreinheiten, welche die elektrische Energie zum Antrieb von zwei elektrischen Wärmepumpen liefern. Die Gasturbinen-Generatorein-heiten weisen eine elektrische Leistung von je 3 MW (elektrischer Wirkungsgrad 28.1%) und eine Wärmeleistung von je 5.7 MW (thermischer Wirkungsgrad 53.4%) auf. Ihr Betrieb ist von jenem der Wärmepumpen entkoppelt. Sie werden mit leichtem Heizöl betrieben. Die zwei identischen Wärmepumpen sind mit Schraubenkompressoren mit Öleinspritzung und Economizer-Stutzen ausgerüstet. Sie werden mit Ammoniak als Kältemittel und Wasser aus dem 1 km entfernten Genfersee mit einer mittleren Temperatur von 6 °C während der Heizsaison als Wärmequelle betrieben. Die Wärmeleistung der Wärmepumpen beträgt je 3.9 MW. Das Seewasser wird aus einer Tiefe von 65 m in einem Abstand vom Strand von 700 m entnommen. Das um 3 K abgekühlte Wasser wird in einen nahen Fluss zurückgegeben. Die beiden Wärmepumpen mit getrennten Ammoniakkreisläufen können je nach Heizungsbedin-gungen entweder in Serie (Zweistufenwärmepumpe) oder parallel (dann ist eine Wärmepumpe meist im Stand-by-Betrieb) betrieben werden. Interessant ist, dass Ammoniak hauptsächlich im Hinblick auf seine ausgezeichneten thermodynamischen Stoffeigenschaften gewählt wurde. Mit einer Gesamtwärmeleistung von 7.8 MW ist diese Wärmepumpenanlage eine der grössten in der Schweiz geblieben. Messungen ergaben die folgenden Lorenz-Wirkungsgrade der Wärmepumpen: 58.1% bei 5 °C / 50 °C, 59.7% bei 6 °C / 45 °C und 45.4% bei 7 °C / 30 °C. Nach zehn Jahren Betrieb nahm die Leistungszahl der Wärmepumpen infolge der Be-lagsbildung im Verdampfer, der Anwesenheit von Inertgasen und der Alterung des Kompres-Verdampfers, der Anwesenheit von Inertgasen und der Alterung des Kompressors ab. Der Nutzungsgrad der Gesamtanlage betrug nach der Inbetriebnahme rund 170% [Tastavi 1994], [Fav-rat und Tastavi 1995], [Pelet et al. 1997], [Favrat 2007].
180 MW WÄRMEPUMPE FÜR STOCKHOLMS FERNHEIZUNGSSYSTEM
Da es in der Schweiz keine grossen Fernheizungssysteme gibt, mussten die wirklich grossen Wärmepumpen exportiert werden. Von diesen soll hier stellvertretend eine erwähnt werden. Von 1984 bis 1986 wurde für das Fernheizungssystem von Stockholm das weltgrösste Wär-mepumpensystem mit Meerwasser als Wärmequelle (Värtan Ropsten) gebaut und in Betrieb genommen. Es weist eine Gesamtwärmeleistung von 180 MW auf. Bei einer Meerwassertem-peratur von 2.5 °C / 0.5 °C und einer Heizwassertemperatur von 57 °C / 80 °C erreicht es eine Leistungszahl von 3.75. Das System besteht aus 6 Wärmepumpen mit Radialkompressoren: Bild 7-14. Die Heizleistung lässt sich im weiten Bereich von 10% bis 100% anpassen. 2003 er-folgte ein Umbau für den Ersatz von R-22 durch R-134a [Friotherm 2008].
FERNHEIZUNGSSYSTEM SCHWEIZER MITTELLAND – EIN NIE REALISIERTES ZUKUNFTSWEISENDES KONZEPT
Peter Steiger, Conrad. U. Brunner, Heinz-Horst Becker, Werner Stoos und Bruno Wick haben unabhängig von den Aktivitäten und finanziellen Unterstützungen der „Schweizerischen Ab-wärmekommission“ ein zukunftsweisendes Konzept für grossse Teile des schweizerischen Mit-tellandes umfassendes kaltes Fernwärmenetz (40 °C – 50 °C) ausgearbeitet. Dieses sollte durch die drei Kernkraftwerke Mühleberg, Beznau I und Beznau II und industrielle Abwärme gespeist werden. Als Hauptidee des sogenannten „Plenarsystems“ wäre die Wärme erst bei den Verbrauchern durch Wärmepumpen und thermische Solaranlagen auf das erforderliche Temperaturniveau gehoben worden. Als Projektvision wurde eine Kostengleichheit mit konven-tioneller Kesselheizung angestrebt. Die Autoren der Studie rechneten mit einer Realisierungs-zeit von 15 Jahren und Gesamtkosten von 11.7 Milliarden Franken. Dieses zukunftsweisende Projekt wurde nie realisiert. In Zeiten rasch steigender Energiepreise und CO2-Emissionen wä-re es angebacht, nochmals auf das visionäre Konzept zurückzukommen [Steiger et. al 1977], [Schärer 2007].
7.2.4 Pioniere der Erdwärmesonden
Schweizer haben wesentlich zur Entwicklung der Erdwärmesonden beigetragen, über die bis etwa 1980 nur gelächelt wurde.
RECHSTEINER / MULTI-ENERGIE – ERSTE ERDWÄRMESONDE
Die hohen Bodenpreise in der Schweiz verleiteten zu einer Unterdimensionierung der horizon-talen Erdkollektoren, welche zu einem verspäteten Vegetationsbeginn und in extremen Fällen auch zu Frostschäden führte. Dies motivierte Jürg Rechsteiner, einen Ersatz der Erdkollektoren durch Erdwärmesonden zu versuchen. Bereits 1974 liess er Stahlsonden mit einem Aussen-durchmesser von 60 mm und einer Gesamtlänge von 70 m in den sandigen Boden von Luste-nau (Vorarlberg, Österreich) rammen. Die koaxialen Stahlrammsonden bestanden aus 2.5 m langen Elementen mit einer äusseren Wandstärke von 5 mm. Das Rammen der ersten Sonde verlief erfolgreich. Die zweite Rammung endete mit einer Überraschung. Der Kopf der Probe tauchte nämlich nur wenige Meter neben der Ramm-Maschine aus dem Boden..! Mangels ver-lässlicher Berechnungsunterlagen musste die Auslegung der Sonden noch über grobe Plausi-bilitätsannahmen erfolgen. Trotzdem wurde die Wärmepumpenanlage durch die deutsche Schäfer Heiztechnik, welche in den 1980er Jahren in Konkurs ging, gebaut. Zwischen 1974 und 1977 hat Rechsteiners Firma Multi-Energie http://www.multienergie.ch noch 12 weitere Wärmepumpensysteme mit Stahlrammsonden ausgeführt. Es gab aber zahlreiche Probleme, wie die Leckage aus beschädigten Dichtungen zwischen den Sondenelementen. Dies war ein kostspieliger erster Versuch und ruinierte den Ruf der Erdwärmesonde als neue Wärmequelle für Wärmepumpen. Nebenbei sei bemerkt, dass eine Stahlrammsonde heute immer noch im Betrieb ist! Aufgrund der schlechten Erfahrungen mit den Stahlsonden entwickelte Rechsteiner die ersten Doppel-U-Sonden aus Polyethylen (Duplex-Sonden, äusserer Durchmesser der PE-Rohre 25 mm, Wandstärke 2.4 mm, Länge 50 m). Er stellte seine Erfindung Ernst Rohner von der Bohrfirma Grundag (siehe unten) vor. Kurz darauf führte Multi-Energie in der Nähe von St. Gal-len die ersten Tests mit U-Sonden aus Kunststoff durch. Bereits 1980 erfolgte der Bau einer ersten Wärmepumpenanlage mit Doppel-U-Sonden aus Polyethylen für ein Einfamilienhaus in Arbon. Die mit einer Wärmepumpe von Multi-Energie ausgerüstete Anlage wurde im De-zember 1980 in Betrieb genommen. Wie spätere Langzeitmessungen zeigten, funktionierte sie gut, obwohl die Sonden noch nicht hinterfüllt wurden. Nach 30 Betriebsjahren arbeitet die Son-de noch immer zur vollen Zufriedenheit des Bauherrn. Ab 1980 folgten viele neue Installationen in der ganzen Schweiz. Bis 1983 war die Nützlichkeit und Verlässlichkeit der Doppel-U-Sonden aus Polyethylen bereits genügend demonstriert. Für die Erfindung wurde Rechsteiner 1985 das Schweizer Patent 649623 erteilt. Aber bald darauf wurde bekannt, dass ein deutsches Patent für eine ähnliche Lösung mit einer Umlenkvorrich-tung am Sondenende anstelle des einfachen U-Bogens von Rechsteiner existierte. Obwohl die Lösung gemäss dem deutschen Patent nie umgesetzt wurde, verhinderte dieses Patent den Schutz von Rechsteiners Erfindung. Sie wurde in der Folge zur Standardausführung von Erd-wärmesonden im In- und Ausland. Rechsteiner tröstete sich mit der Erkenntnis, dass nur gute Dinge tausendfach kopiert werden... [Rechsteiner 2007].
ROHNER / GRUNDAG / HASTAG
Wie bereits bemerkt, hat die Firma Grundag von Ernst Rohner bereits 1980 die ersten Boh-rungen für U-Sonden vorgenommen. Aber Grundag war schon vorher eine etablierte Bohrfima. Sie bohrte für andere Zwecke, vorab für die Erschliessung von Grundwasser und von heissen Quellen. Die von Grundag eingesetzte Rotations-Spülbohrtechnik war wesentlich kosten-günstiger als die Kernbohrtechnik. Grundag wurde ab 1980 zum verlässlichen Partner für die ganze Schweizer Wärmepumpengemeischaft und führte die Bohrarbeiten mit zuverlässigen, erfahrenen Bohrmeistern überall in der Schweiz sowie auch im benachbarten Deutschland und Österreich aus. Rohner zog sich 2001 altershalber zurück und überliess sein Bohrgeschäft der Firma HASTAG in St.Gallen http://www.hastag.ch . 1980 lag die Tiefe der Bohrungen bei 50 m. Bis 1985 ging sie schon über 100 m und erreicht heute mehr als 300 m. Der Hauptgrund für diese Entwicklung ist nicht die mit grösserer Tiefe zunehmende Erdreichtemperatur (etwa +1 K pro 30 m), sondern die Landknappheit [Rohner 2007], [Ottinger 2007].
TRÜSSEL / KWT
Kurt Trüssel gründete um 1980 in Belp seine Firma KWT31. Auch er wollte eine Erdwärmeson-de realisieren. Offenbar unabhängig von Jürg Rechsteiner führte er ein erstes Experiment durch. Er liess in seinem eigenen Garten 50 m tief bohren, brachte eine Koaxialsonde ein und verband sie mit einer Kälteeinheit. Durch Beobachtung des thermischen Verhaltens der Sonde erhielt er erste Auslegungsanhaltspunkte für Erdwärmesonden. Um 1981 hat Trüssel die erste Wärmepumpenanlage mit Erdwärmesonde für ein Einfamilienhaus in Hettiswil gebaut. Bei den Bohrarbeiten stiess die an sandigen Grund gewohnte deutsche Bohrfirma in einer Tiefe von 30 m auf Fels und hatte damit grosse Probleme. Trotzdem wurde die Anlage mit zwei 50 m langen Koaxialproben fertig gebaut – und sie ist heute noch in Betrieb! Bis 1987 engagierte auch KWT die Firma Grundag für ihre weiteren Erdwärmesonden-Bohrungen. Dann begann KWT selbst zu bohren. Nebenbei sei nochmals auf die von Trüssel 1985 eingeführten Wärmepumpen mit integrierter Warmwasserbereitung hingewiesen, welche die Abkühlung des überhitzten Käl-temitteldampfes für die Schlusserwärmung nutzte. Zu dieser Zeit baute er auch seine bekann-ten separaten kleinen Enthitzer zur Beheizung von Wäschetrocknungsräumen im Kellerge-schoss [Trüssel 2007].
BURREN / WA-TEC / FRUTIGER
1980 versuchten es auch die Brüder Erwin und Jürg Burren mit koaxialen 2-Zoll-Stahlsonden mit einer Länge von 50 m. Sie wurden bereits mit Bentonit hinerfüllt. Vermutlich handelten sie ohne die von Rechsteiner bereits gesammelten Erfahrungen. Sie nannten ihre koaxialen Stahl-sonden “Zonatherm”. Das Innenrohr ersetzten sie durch einen Polyurethanschlauch. Die erste Bohrung wurde im Sommer 1980 durch die Berner Filiale der Firma Dicht in St.Gallen durchge-führt. Die Firma WA-TEC der Gebrüder Burren brach infolge zu zahlreicher Kinderkrankheiten ihrer ersten Wärmepumpen und des zu teuren kathodischen Korrosionsschutzes für die Stahl-sonden zusammen. Erst 1988 begann auch Frutiger in Uetendorf mit dem Bohren für Erdwär-mesonden [Beck 2007], [Ottinger 2007].
7.2.5 Pioniere der Nutzung von Rohabwasser
Wie oben bereits mitgeteilt, wurde die erste Einrichtung zur Nutzung von häuslichem Rohab-wasser als Wärmequelle durch Heinz Grimm gebaut. Die Lösung von Grimm litt aber unter Problemen mit den Feststoffen im Rohabwasser. Ende der 1970er Jahre nahm sich Felix Kalberer dieses Problems an. 1981 patentierte er ein neues System zur Wärmerückgewinnung aus Rohabwasser. In dieser als „FEKA-Tank“ be-zeichneten Einrichtung wurden die Feststoffe durch Sedimentation und Siebung abgetrennt [Kalberer 1981]. Der erste grössere FEKA-Tank wurde in der regionalen Sportanlage Sargans eingesetzt. Er ist immer noch in Betrieb. Bis heute wurden weitere 180 FEKA-Tanks gebaut. Dabei wurde das System laufend verbessert. Bei sehr hohem Feststoffgehalt im Rohabwasser ist eine jährliche Reinigung des FEKA-Tanks nötig. Andernfalls genügt eine Reinigung im Vierjahresabstand. Die Reinigung kann durch die örtliche Kläranlagenreinigung durchgeführt werden. In neuen Systemen wird die Leistungszahl der Wärmepumpen fernüberwacht. Bei einem Abfall wird die Reinigung ausgelöst [Kalberer 2007].
7.2.6 Qualitätssicherung für Kleinwärmepumpen
BOREL / ERSTER WÄRMEPUMPENTEST
In der welschen Schweiz hat Lucien Borel32 an der ETH-Lausanne (EPFL Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) um 1980 einen Wärmepumpenprüfstand aufgebaut. „EPFL geprüft” wurde rasch zum Qualitätsbegriff – dies bereits Jahre vor der Eröffnung des Schweizerischen Wärmepumpentestzentrums in Winterthur-Töss. Borel gehörte im französischen Sprachbereich zu den Pionieren der exergetischen Analyse. Zur Identifikation der Schwachstellen des Pro-zesses wandte er diese auf die Wärmepumpe an [Borel 1980]. Die Prüfung kommerzieller Wärmepumpen wurde durch das Schweizerische Bundesamt für Konjunkturfragen finanziert. Die Bestwerte der aus den Messungen ermittelten Lorenz-Wirkungsgrade lagen bereits 1986 bei 40% für Luft/Wasser- und bei 45% für Wasser/Wasser-Wärmepumpen. Im Vergleich zu den späteren Messergebnissen in Winterthur-Töss scheinen die Werte für jene Zeit eher zu hoch. Wahrscheinlich entsprachen die Testbedingungen (wie beispielsweise die Abtauung) nicht der in Winterthur-Töss verwendeten Europäischen Norm EN 255 (siehe 8.2.5). Borel beschäftigte sich übrigens auch mit der Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen und dem Potenzial für unterschiedliche Wärmepumpenanwendungen [Borel et. al 1981].
HUBACHER, DÜRR, EHRBAR / ERSTER WÄRMEPUMPEN-SYSTEMTEST
Die Kenntnis der Effizienz einer Wärmepumpe ist bestimmt wichtig. Aber Endkonsumenten und Heizungsplaner wollen die Effizienz ganzer Wärmepumpenheizsysteme kennen. Diese beste-hen aus der Wärmequelle, der Wärmepumpe, der Regelung, den Rohrleitungen und dem Wärmeverteilsystem. In der Heizsaison 1981/1982 hat Peter Hubacher (Eigentümer der Firma Enfog in Gossau) mit seinem Kollegen Bruno Dürr und dem wissenschaftlichen Berater Max Ehrbar vom Neutechnikum Buchs NTB die ersten systematischen Langzeitfeldtests an vollständigen Wärmepumpenheizungssystemen durchgeführt. Sie wurden dann noch wäh-rend mehrer Jahre fortgesetzt. Die Tests wurden durch den privatwirtschaftlichen Nationalen Energieforschungs-Fonds NEFF und das Bundesamt für Energiewirtschaft finanziert. Einige Ergebnisse geben einen interessanten Eindruck über den bescheidenen technischen Stand von Luft/Wasser-Wärmepumpensystemen in den frühen 1980er Jahren. Später wurden auch Einfamilienhaus-Systeme mit Erdwärmesonden einbezogen. Ein Heizsystem mit Erdwärmesonden in einem Einfamilienhaus im Rorschacherberg wurde von 1984 bis 1989 ausgemessen und ergab eine mittlere Jahresarbeitszahl von nur 2.3. Eine andere Anlage in Frauenfeld kam in den Jahren 1985 bis 1989 auf eine mittlere Jahresarbeitszahl von 2.9.
7.2.7 Unterstützung durch öffentliche Forschung und Entwicklung
STUDIEN ZU WÄRMEPUMPEN
Gegen Ende der 1970er Jahre befasste sich die Eidgenössische Abwärmekommission – die Vorgängerin des späteren Bereichs Umgebungswärme des Bundesamts für Energiewirtschaft. Der Erwartungswert war 1.5. Gründe für den tiefen Wert von 1.2 waren mehrere Betriebsunterbrüche, zu kurze Betriebszeiten und Enteisungsprobleme. (BEW)36 - auch mit Wärmepumpen. Hans Ulrich Schärer vom BEW wirkte als Sekretär. Im Auf-trag dieser Kommission wurden 1977 am Eidgenössischen Institut für Reaktorforschung EIR37 umfangreiche Studien zur Wärmepumpenheizung durchgeführt. Es wurde dabei insbe-sondere die Nutzung von Grundwasser, Oberflächenwasser, Erdreich und Umgebungsluft als Wärmequelle untersucht. Beim Erdreich wurden erst horizontale Erdkollektoren berücksichtigt. Die Mängel bei deren Auslegung waren am offensichtlichsten und auch ihre Wirtschaftlichkeit wurde bezweifelt. Trotzdem wurden weitere Untersuchungen zu diesem System angeregt [Mustoe 1977]. Die Studien wurden 1982 vertieft und durch die Untersuchung nicht azeotroper Mischungen als Kältemittel (gleitende Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen - Lo-renz Prozess), des Absorptionsprozesses und unkonventioneller Prozesse wie Dampfstrahl-verdichtung, thermoelektrische und magnetische Effekte erweitert. Ebenfalls studiert wurde der direkte Antrieb mit Gas-, Diesel- und Stirlingmotoren. Der direkten Kopplung von Verbren-nungsmotor und Wärmepumpe wurde eine glänzende Zukunft vorausgesagt – was durch nicht vorausgesehene Probleme dann aber nicht zutraf. Im Weiteren wurde die optimale Integration der Wärmepumpen in unterschiedliche Heizungssysteme untersucht, und auch die Schädigung der Ozonschicht durch FCK-Kältemittel wurde studiert [Leuenberger et. al 1982].
RICHTLINIEN FÜR DIE WÄRMEENTNAHME AUS OBERFLÄCHENGEWÄSSERN
Um jegliche Schäden am empfindlichen Ökosystem von Flüssen und Seen auszuschliessen, hat Dieter Imboden38 an der EAWAG in Dübendorf39 aufgrund von Computersimulationen Grundlagen für ökologisch unbedenkliche Grenzwerte zur Wärmeentnahme aus Oberflä-chengewässern ausgearbeitet. Diese Studie, die im Auftrag der Schweizerischen Abwärme-kommission durchgeführt wurde, zeigte übrigens, dass das Potenzial der Oberflächengewässer genügen würde, um den ganzen Heizwärmebedarf der Schweiz ohne ökologische Schäden abzudecken. Die Entnahmegrenzen liegen also nicht beim Ökosystem der Gewässer, sondern bei den wirtschaftlichen Grenzen der Wärmeentnahme mit langen Rohrleitungen und Pump-systemen [Imboden et al. 1981].
MODELLIERUNG VON ERDWÄRMESONDEN
Wie in viele Fällen zu beobachten ist, kam die wissenschaftliche Erfassung auch im Bereich der Erdwärmesonden nach den praktischen Entwicklungen der Pioniere. Nach dem Widerstand gegen diese belächelten Pioniere wurde aus den Erdwärmesonden eine seriöse Angelegen-heit. Eine wissenschaftlich fundierte Auslegung und Optimierung der Anlagen wurde zur Voraussetzung für einen optimalen Langzeitbetrieb. Im Anschluss an Horrorgeschichten über die Auskühlung des Erdbodens bis zum Permafrost in weniger als zehn Jahren wurden durch das Bundesamt für Energiewirtschaft und den NEFF40 Langzeit-Felduntersuchungen zur Er-langung eines besseren Verständnisses der physikalischen Vorgänge finanziert. In der Schweiz hat Robert J. Hopkirk mit seiner Firma Polydynamics http://www.polydynamics.ch anfangs der 1980er Jahre mit der Modellierung und der Computersimulation begonnen. Später folgte – dazu übrigens auch durch Ernst Rohner von Grundag angehalten - Ladislaus Rybach von der ETH Zürich mit seinen Mitarbeitern (vorab Walter J. Eugster). Die auch inter-national beachteten theoretischen und experimentellen Arbeiten dieser Personen führten zu-sammen mit der praktischen Erfahrungen der Bohr- und Wärmepumpenpioniere zu einer füh-renden Stellung von Schweizer Firmen in der Auslegung und Realisierung von Erdwärmeson-denanlagen als Wärmequelle für Wärmepumpen, als Erdwärmespeicher für den optimalen Ganzjahresbetrieb von Anlagen für die kombinierte Kälte- und Wärmeerzeugung sowie als Wärmesenke für die passive Raumkühlung [Schwanner et al. 1983], [Hopkirk et al. 1985], [Ry-bach 1987].
KONFERENZEN FÜR WISSENSTRANSFER UND ERFAHRUNGSAUSTAUSCH
Die ersten schweizerischen Konferenzen zur Wärmepumpentechnik wurden in den Jahren 1980 und 1981 organisiert. In 12 Beiträgen wurden alle schweizerischen Aktivitäten von den Wärmequellen über Kältemittel und Kompressoren bis hin zu Wärmepumpen-Gesamthei-zungssystemen behandelt [SVG 1981]. Seither werden diese Konferenzen jährlich durchge-führt. Schwerpunkte sind abwechslungsweise Themen aus der Forschung und ein Erfahrungs-austausch zu Pilotanlagen. Die Konferenzen wurden im Auftrag des Bundesamts für Energie durch Hans Ulrich Schärer, Martin Zogg, Fabrice Rognon, Thomas Kopp und Max Ehrbar or-ganisiert und durchgeführt.
7.2.8 Unterstützung durch Verbände, Bundesverwaltung und Medien
ARBEITSGEMEINSCHAFT WÄRMEPUMPEN
Auf die Initiative von Ernst Lüthi (Geschäftsführer der CTC Wärmetechnik41) haben sich 1980 schweizerische Hersteller und Lieferanten von Wärmepumpen und Wämepumpenkomponen-ten sowie Bohrfirmen zur „Arbeitsgemeinschaft Wärmepumpen“ AWP http://www.awpschweiz.ch zusammengeschlossen. Die AWP strebte eine gemeinsame Sprache aller Lieferanten, eine Vereinfachung und Vereinheitlichung der Bewilligungsverfahren, gemeinsame Planungsgrund-lagen, einen Erfahrungsaustausch und die berufliche Weiterbildung der Fachleute an. Mitglie-der der technischen Kommission waren G. Szokody (Vorsitzender), C. Brugnoli, E. Grüniger, K. Hess, H. Reiner und P. Schneiter. Unter der Leitung von G. Szokody erarbeitete diese Kommission in sehr kurzer Zeit wegweisende Wärmepumpenrichtlinien und veröffentlichte die-se bereits im Jahr 1981 [SVK 1981]. Die technische Kommission war auch an der Entstehung der durch das damalige Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft BUWAL (heute Bundes-amt für Umwelt) ausgearbeiteten und 1982 in Kraft getretenen Verordnung über den Wärme-entzug aus Oberflächenwasser, Grundwasser und dem Erdboden beteiligt. Ein wesentliches Hindernis zur Verbreitung der Wärmepumpen waren die Unsicherheiten im Zusammenhang mit dem Anschluss ans Elektrizitätsnetz. Zusammen mit den Elektrizitätswer-ken hat die technische Kommission der AWP Richtlinien für den elektrischen Anschluss von Wärmepumpen erarbeitet [VSE 1983], [Schär 1983]. Zusammen mit dem Bundesamt für Energiewirtschaft wurde 1983 ein Treffen mit den Energiewirtschaftsdepartementen der Kan-tone organisiert, um auch die übrigen Bewilligungsverfahren zu vereinfachen und zu verein-heitlichen. Eine ganze Anzahl weiterer Empfehlungen und Richtlinien mit internationaler Ausstrahlung folgten [Szokody 1984]. 1990 wurde die Erschliessung des Sanierungsmarktes mit einer Checkliste der für die Planung notwendigen Daten angegangen [Szokody 1990]. Der selbstlose Einsatz von Gyula Szokody für die Wärmepumpengemeinschaft wird durch seine Vorbereitung der rund 120 Seiten starken AWP-Planungsrichtlinien in den Tagen zwischen Weihnachten und Neujahr illustriert. Wie bereits erwähnt, diente Szokody der AWP von 1980 bis 1995 als Vorsitzender ihrer technischen Kommission. Die AWP ist immer noch aktiv. Sie erweitert ihre technischen Bulletins, welche von Wärmequellen bis zu CO2-Wärmepumpen das ganze Wärmepumpenspektrum abdecken, laufend [AWP 2007].
41 Heute CTC Giersch, CH-8112 Otelfingen, http://www.ctc-giersch.ch
BUNDESAMT FÜR ENERGIEWIRTSCHAFT BEW
Nebst der direkten aktiven Unterstützung von Forschungsaktivitäten war das Bundesamt für Energiewirtschaft auch ein wichtiger Katalysator für die wärmepumpenrelevanten Aktivitäten der Verbände und der Kantone. Es veranlasste auch eine Studie über das Potenzial der Wär-mepumpenheizung im Falle eines neuen Erdölembargos [BEW 1983].
MEDIENPRÄSENZ
1985 wurde in Münchenstein erstmals eine alte Ölheizung eines Wohnblocks durch eine Wär-mepumpe mit mehreren Erdwärmesonden ersetzt. Dieses Ereignis wurde zu einem Durch-bruch in der Medienpräsenz der Wärmepumpe. Es wurde darüber nicht nur in der Tagespres-se42, sondern auch in einer ausführlichen Fernsehsendung43 berichtet [Beck 2007].
7.3 Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
Weltweit wurde 1979 die Anzahl an Wärmepumpen zu Heizzwecken (einschliesslich Warm-wasserboiler) auf rund 800’000 und die Anzahl der Wärmepumpen zur Klimatisierung mit Küh-len und Heizen auf 4’000'000 geschätzt. Unter den Wärmepumpen zu Heizzwecken erreichten die U.S.A. einen Anteil von 90%. Jener von Europa betrug nur rund 6.5% und teilte sich wie folgt auf: Schweiz 6'600, Deutschland 30’000 (ohne Wärmepumpenboiler nur rund 500), Frank-reich 13'000, Österreich 2'000, Italien 100. [Barclay J.A. et al 1978], [IEA 1980].
OESTERREICH
Das Erdölembargo von 1973 vermochte in Österreich noch wenig zu bewegen. Am 5. Novem-ber 1978 beschloss das österreichische Volk in einem Referendum, das bereits gebaute Kern-kraftwerk in Zwentendorf nicht in Betrieb zu nehmen. Auch dies war der Wärmepumpenhei-zung nicht förderlich.
DEUTSCHLAND
Auch auf die Wärmepumpenszene in Deutschland hatte das Erdölembargo von 1973 keinen grossen Einfluss. Bis 1979 wurden in Deutschland nur rund 500 Heizungswärmepumpen ver-kauft. Die erste Wärmepumpengeneration litt an zahlreichen Kinderkrankheiten. Sie war volu-minös und wies einen problematisch hohen Kältemittelinhalt (meist R-22, R-12 und R-502) auf. Zur Enteisung von Wärmepumpen mit Luft als Wärmequelle wurden bis zu 8 Magnetventile nö-tig. Das wachsende Interesse wurde aber durch die 1977 von Horst Kruse und Fritz Steimle organisierte dreitägige Wärmepumpentagung in Essen deutlich [Joachim 1980]. 1978 erschien das erste umfassende Lehrbuch zur Wärmepumpentechnologie in deutscher Sprache. Schon ein Jahr später folgte ein Zweites. Beide Bücher erschienen später in mehreren Überarbeitun-gen und Neuauflagen [Cube und Steimle 1978], [Cube et al 1997], [Kirn und Hadenfeldt 1979]. Die technischen Entwicklungen verliefen ähnlich wie in der Schweiz. Thermoaktive Bauele-mente wie Wände und Decken vorgefertigter Garagen oder Fassadenelemente waren in Deutschland populärer [Jochheim, Bracke 1985]. Sechs Jahre nach Jürg Rechsteiner in der Schweiz wurde in Deutschland 1980 die erste Erdwärmesondenanlage mit 8 je 50 m tiefen Koaxialsonden installiert. Andere Anlagen folgten bald darauf [Sanner 1992]. In den Jahren 1981 bis 1983 entwickelten Volkswagen und Ruhrgas den sogenannten “Thermodiesel”, eine durch einen 1.6-Liter Dieselautomotor angetriebene Wärmepumpe. Diese Heizmaschine enthielt alle Elemente einer modernen Totalenergieanlage wie Wärmerückgewinnung aus den Motorabgasen, Drehzahl-Leistungsregelung und sogar ein ke-ramisches Russfilter. Hoval Herzog in Feldmeilen (Schweiz) wurde mit einem Pilotmarketing und Pilotverkäufen beauftragt. Einige Einheiten wurden 1985 bis 1986 bei Hoval getestet. Lei-der wurde das Scheitern des kostspieligen Vorhabens ziemlich rasch klar. Die Zeit zwischen zwei nötigen Servicearbeiten war viel zu kurz - sie lag teilweise sogar unterhalb der Dauer ei-ner Heizsaison - und auch der Schmierölbedarf war mit etwa 17 Litern pro Jahr teuer. Die Mo-torlaufzeit für eine einzige Heizsaison entspricht einer Autofahrleistung von über 200'000 km. Dies ergibt für eine minimale Lebensdauer des Aggregats von 15 Jahren eine entsprechende Fahrleistung von etwa 3’000'000 Kilometern. Dies ist ganz einfach zuviel – auch für einen deut-schen Qualitätsautomotor. Neben der zu kurzen Lebensdauer des Motors und dem hohen Schmierölbedarf gab es aber noch weitere Probleme wie die direkte Kopplung von Motor und Wärmepumpe (dies ergab eine zu hohe Drehzahl für den Kompressor) und der zu hohe Lärm-pegel [Adolph 2004], [Szokody 2007]. In der Periode von 1980 bis 1985 wurde an der Fachhochschule Karlsruhe ein Wärmepum-penprüfstand betrieben. Etwa 45 Heizungswärmepumpen und 45 Boilerwärmepumpen wurden in dieser Zeit nach DIN-Normen getestet. Die Prüflinge stammten aus Deutschland, Österreich. Dänemark und der Schweiz. Als die Nachfrage um 1985 zusammenbrach, wurde der Testbe-trieb eingestellt [Adolph 2004].
HOLLAND
In Holland wurde 1978 ein Funktionsmuster einer durch einen Stirlingmotor angetriebenen Wärmepumpe gebaut. Der Kurbeltrieb-Stirlingmotor erreichte einen mechanischen Wirkungs-grad von 25% und einen elektrischen Wirkungsgrad von 55%. Die Wärmepumpe nutzte Grundwasser als Wärmequelle. Die Wärmeverteilung erfolgte mit einer Fussbodenheizung. Diese unkonventionelle Totalenergieeinheit als Kombination von Stirlingmotor und Wärmepumpe hatte eine variable Heizleistung von 8 kW bis 25 kW und einen Nutzungsgrad (PER) von 1.4 [Philips – OGEM 1978].
SKANDINAVIEN
Ab 1982 gab es in Skandinavien einen ausgesprochenen Boom für grosse Wärmepumpen, auf den im Abschnitt 7.2.3 bereits eingegangen wurde. Die thermische Analyse der Vorgänge in Erdwärmesonden begann in den frühen 1980er Jahren (vergleiche mit den Schweizer Aktivitäten im Abschnitt 7.2.4). In der Abteilung für Ma-thematik und Physik der Universität Lund leistete Per Eskilson fundamentale Beiträge zu die-sem Thema [Eskilson 1987]. Auch in den skandinavischen Ländern wurde die Bedeutung der Qualitätssicherung für die Verbreitung der Wärmepumpe erkannt. 1989 hat der Nordische Ministerrat ein freiwilliges, neutrales Zertifizierungsprogramm, den Nordischen Schwan, eingeführt. Dieses Programm wurde als Versuch gestartet, die in den nordischen Ländern aufkommenden Ökolabel-Programme zu vereinheitlichen. Die teilnehmenden nationalen Organisationen schlagen darin neue Produktkategorien vor, begleiten die Zertifizierungskriterien, erteilen entsprechende Li-zenzen und vermarkten das Programm. Das nordische Umweltkennzeichen ist firmenunab-hängig und garantiert einen guten ökologischen Standard. Es darf nur von Produkten getra-gen werden, welche diesen durch objektive Bewertungen zu erfüllen vermögen. Das Kennzei-chen soll nicht nur den Konsumenten die Wahl der umweltverträglichsten Produkte ermögli-chen, sondern auch die Hersteller anregen, ökologisch noch bessere neue Produkte zu entwi-ckeln. Auf diese Weise helfen die Marktkräfte der Zielrichtung der Umweltgesetzgebung. Das Zeichen mit dem grünen Schwan wird heute für über 60 Produktgruppen vergeben und er-freut sich bei den Konsumenten eines hohen Gewichts. Das Kennzeichen ist in der Regel nur während drei Jahren gültig. Anschliessend müssen die Hersteller in einem neuen Gesuch zei-gen, dass auch die neuesten Erfordernisse erfüllt werden. Momentan nehmen an diesem Pro-gramm Norwegen, Schweden, Finnland, Island und Dänemark teil.
U.S.A.
Wie bereits erörtert, stagnierte der Heiz-Wärmepumpenmarkt vor der Erdölkrise von 1973. Nachher begann aber eine rasche Expansion. 1976 waren in den U.S.A. 1.6 Millionen Klimage-räte für Kühlen und Heizen in Betrieb, und es wurden 300'000 neue Einheiten produziert.
7.4 Rektifikation mit Brüdenkompression - Schweizer Pionierarbeit
Die Rektifikation („Mehrstufen-Gegenstrom-Destillation“) ist einer der energieintensivsten Pro-zesse der chemischen Verfahrenstechnik. Der Geschäftsbereich “Chemtech” von Sulzer44 hat um 1985 die weltweit erste Rektifikationsanlage mit Brüdenkompression gebaut und in diesem Bereich noch weitere Pionierleistungen erbracht [Meili 1990]. 1986 wurde gezeigte Anlage zur Trennung von Feinchemikalien45 mit einer Verdampfungsleistung von etwa 2 MW in einer Chemiefirma in den U.S.A. in Betrieb genommen. 1987 wurde eine Rektifi-kationsanlage zur Trennung von 1,2-Dichlorethan installiert. Sie wurde mit einem Druckverhältnis von 2.2 und einer Antriebsleistung von 1.3 MW betrieben [Dummer und Schmidhammer 1991]. Eine weitere Brüdenkompressions-Rektifikationsanlage wurde 1987 für die Trennung Styrol/Chlorbenzol gebaut. Seither wurden viele weitere Trennkolonnen mit Brüdenkompressi-on gebaut, darunter jene in einer Propylenanlage mit einer Jahresproduktion von 125'000 [Meszaros 2007]. Falls zu grosse Korrosionsprobleme oder eine erhöhte Explosionsgefahr be-stehen, werden anstelle der direkten Brüdenkompression auch Wärmepumpen mit geschlossenem Arbeitsmittelkreislauf eingebaut.
In dieser letzten Periode wurden kostengünstigere, effizientere und verlässlichere Wärmepum-pen verfügbar. Die zunehmenden Umweltprobleme sind der Idee der Einsparung von Primär-energie durch Wärmepumpen förderlich. In einer Zeit mit stark steigenden Ölpreisen bedeutet dies aber auch immer höhere Energiekosteneinsparungen durch Wärmepumpen. Weiter wird die Wärmepumpentechnologie durch nationale und internationale Anstrengungen in Forschung und Entwicklung, in der Qualitätssicherung und im Marktauftritt gefördert. In einigen Ländern gibt es auch zusätzliche finanzielle Anreize.
8.1 Komponenten und Kältetechnik
Der Dampfkompressionsprozess entwickelte sich schon vor Jahren zu einer reifen Technik. Aber der rasche Ausstieg aus den chlorierten synthetischen Kältemitteln (FCK, HFCK) war eine grosse Herausforderung. Der Entwicklungsschwerpunkt verschob sich von der Innovation neu-er Komponenten zur Systemoptimierung und zur kostengünstigeren Massenproduktion. Dies wurde durch die eindrücklichen Fortschritte der Informatik begünstigt. Weiter ist eine Tendenz zu natürlichen Kältemitteln – insbesondere zu Ammoniak – und zu höheren Wirkungsgraden mit Niedrigtemperatur-Fussbodenheizungen unverkennbar. Energie-Contracting nimmt dem Nutzer das Risiko teurer Investitionen ab und wurde bei grösseren Anlagen sehr populär.
KOMPRESSOREN
Ab den frühen 1990er Jahren hat die Anzahl eingesetzter hermetischer Scrollkompressoren jene hermetischer Kolbenkompressoren deutlich überholt. Sie wurden für kleinere Wärmepum-pen zum Standardkompressor. Die Effizienz kleiner Kompressoren wurde deutlich gesteigert. Neue Permanentmotoren werden weitere Verbesserungen bringen. Für das wieder aktuell ge-wordene Kohlendioxid werden weltweit neue Kompressoren entwickelt. Für Kleinkompressoren wurde dazu im Rahmen des IEA Annex 27 ein Schweizer Beitrag geleistet (siehe Abschnitt 8.2.3).
KÄLTEMITTEL
Das Geschehen bei den Kältemitteln wurde durch die Herausforderungen zur Bewältigung der durch die synthetischen Kältemittel verursachten Umweltprobleme diktiert. 1990 stimmen die Unterzeichnerstaaten des Protokolls von Montreal in London zwei Übereinkommen zur Elimi-nation der FCK-Kältemittel aus Produktion und Gebrauch bis zum Jahr 2000 zu [Nagengast et al. 2006]. 1992 wurde das Protokolls von Montreal für einen bis 1995 vorgezogenen Ausstieg aus den FCK-Kältemitteln (R-11, R-12, ...) modifiziert und für die HFCK-Kältemittel (R22, ...) wurde ein stufenweiser Ausstieg bis 2030 beschlossen. In zahlreichen Ländern erfolgte der Ausstieg aus den HFCK-Kältemitteln bereits viel früher (z.B. Deutschland 2000, Österreich und die Schweiz 2002). Als Konsequenz aus diesen Ausstiegsszenarien wurden neue Kältemittel eingeführt. 2001 wurde das Programm „Global Refrigerants Environmental Evaluation Network (GREEN)” gegründet, um unabhängige Effizienzdaten für neue und eine Vergleichsbasis für bereits exis-tierende Kältemittel in Kälteanlagen, Wärmepumpen und Klimaanlagen zu ermitteln. Die Test-aktivitäten wurden durch eine Kommunikationsanstrengung zur Verbreitung der Ergebnisse der Effizienzmessungen und anderer Vergleiche zwischen den alternativen synthetischen Kältemit-teln (FKW wie z.B. R-134a), Kohlenwasserstoffen und Kohlendioxid mit den alten FCK-Kältemitteln ergänzt. Mit den neuen FKW-Kältemitteln werden gute Resultate erzielt. Sie können die FCK und HFCK vollumfänglich ersetzen. Sie bleiben aber infolge ihres hohen Treibhauspotenzials GWP und vor allem ihrer schwer abbaubaren Zersetzungsprodukte (Trifluoressigsäure) auch international nicht unangefochten und möglicherweise wird es auch noch zu einem FKW-Ausstieg kommen. Natürliche Kältemittel werden als die endgültige Antwort auf die Frage nach den optimalen Kältemitteln angesehen [IIR 1998]. Die wichtigsten Vertreter sind Ammoniak, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Isobutan. Aber jedes dieser Kältemittel kommt mit Herausforderungen: Das in Grossanlagen oft eingesetzte Ammoniak hat zwar ausgezeichnete thermodynamische Stoffwerte – ist aber toxisch und entzündbar. Sein stechender Geruch warnt im Leckagefall allerdings lange vor dem Erreichen gefährlicher Konzentrationen. Kohlen-dioxid erfordert einen überkritischen Prozess, welcher für die meisten Raumheizungsanwen-dungen (im Gegensatz zur Warmwasserbereitung) ungünstig ist. Dafür kann die hohe Abwär-metemperatur bei Kälteanwendungen zu zusätzlichen Abwärmenutzungsmöglichkeiten führen. Kohlendioxid-Wärmepumpen für die Warmwasserbereitung werden schon seit 2000 erfolgreich eingesetzt. Mit Propan lassen sich effiziente Wärmepumpenprozesse betreiben. Es ist aber leicht entzündbar, und seine Verwendung wird deshalb insbesondere in den U.S.A. und in Ja-pan als nicht tolerierbares Risiko eingestuft. Zum Vergleich der Umwelteinwirkung unterschiedlicher Kältemittel auf den globalen Treib-hauseffekt wurden zahlreiche Untersuchungen durchgeführt. Der GWP-Wert (Global Warming Potential) vergleicht die Wirkung eines Kältemittels auf den globalen Treibhauseffekt mit jener von Kohlendioxid. Relevanter für die Beurteilung des Treibhauseffekts eines Kältemittels ist dieGesamteinwirkung als Summe aus dem direkten globalen Erwärmungspotenzial des Kälte-mittels (Leckage während der gesamten Lebensdauer einer Anlage und bei deren Entsorgung) und dem indirekten globalen Erwärmungspotenzial durch Treibhausgasemissionen (insbe-sondere CO2), die bei der Erzeugung der zum Betrieb von Kälteanlagen oder Wärmepumpen benötigten elektrischen Energie entstehen. Die entsprechende Grösse wird als TEWI (Total Equivalent Warming Impact) bezeichnet. Der TEWI-Wert hängt deshalb stark von der Effizienz eines Wärmepumpenprozesses und natürlich auch von der Art der benützten Primärenergie ab. Eine hohe Energieeffizienz des Dampfkompressionsprozesses vermag deshalb höhere GWP-Werte des Kältemittels bis zu einem gewissen Grad zu kompensieren. Die Umweltbeeinflussung durch Wärmepumpen ist aber nicht auf den Treibhausgaseffekt be-schränkt. Eine umfassende Antwort auf Umweltschäden bei der Verwendung unterschiedlicher Kältemittel kann deshalb nur eine vollständige Ökobilanz (Life Cycle Assessment LCA) lie-fern. Der Umweltrelevanz und die Wärmetransporteigenschaften der natürlichen Kältemittel wurden weltweit zahlreiche Studien gewidmet. Die Beiträge der Schweiz werden im Abschnitt 8.2.3 erörtert. Durch den durch solche Studien zusätzlich beschleunigten Ausstieg aus den FCK- und HFCK-Kältemitteln ist es durch weltweite Anstrengungen bis etwa 2005 gelungen, den die Zivilisation bedrohenden Ozonschichtabbau zu stoppen [Baumann M. et al 2007].
WÄRMEÜBERTRAGER
Zu Beginn der 1990er Jahre setzte sich der Plattenwärmeübertrager endgültig durch. Dies führte zu geringerem Kältemittelinhalt, zu kleineren Temperaturdifferenzen (und somit geringe-rem Exergieverlust bzw. höherer Effizienz) und zu kleineren Wärmepumpen.
DIGITALE REGELUNG
Um 1990 kam die digitale Regelung auf. Mikrocomputer ermöglichten Regler mit komplizierte-ren Konzepten wie dem modellbasierten Ansatz zu programmieren und ganze Prozesse zu au-tomatisieren. Nur wenig später folgte das Zeitalter der Datenkommunikation über längere Dis-tanzen. Die Mensch-Maschinen-Kommunikation wurde damit auf eine völlig neue Ebene geho-ben. Die Fernüberwachung und dann die Fernbedienung über Modems wurden möglich. Neue Diagnosemethoden ermöglichten einen Übergang vom periodischem Unterhalt zu einem Un-terhalt nach effektivem Bedarf. All dies führte zu einer deutlichen Verbesserung der Verläss-lichkeit und Effizienz des Anlagenbetriebs und zu einer Reduktion der Unterhaltskosten. Schliesslich wurden all diese Entwicklungen durch das Internet enorm beschleunigt. Nebenbei sei bemerkt, dass das Internet seine Wurzeln in der Schweiz hat, nämlich am internationalen Kernforschungszentrum CERN in Genf [Segal 1995].
8.2 Schweizer Beiträge zur Wärmepumpenheizung
Nach der Überwindung des “Einmal-gebrannt-Effekts” begann ab 1990 ein definitiver Auf-schwung des Heizens durch Wärmepumpen. Dies hatte technische Gründe wie eine grössere Verlässlichkeit, ruhigere, effizientere Kompressoren und die Regelung durch Mikrocomputer. Aber weniger Vorurteile durch ein breiteres Verständnis der Vorteile der Wärmepum-penheiztechnik, besser ausgebildete Planer, kompetentere Installateure, Qualitätskontrolle und nicht zuletzt innerhalb von 25 Jahren auf 50% gefallene Investitionskosten waren ebenso ent-scheidend. 1991 waren in der Schweiz etwa 30'000 Wärmepumpen mit einer mittleren Heizleistung von 25 kW in Betrieb. Etwa 2/3 davon nutzten Umgebungsluft als Wärmequelle, aber der Anteil an Erdwärmesondenanlagen nahm rasch zu [BFE 1993]. Um jene Zeit lag die Jahresarbeitszahl bei [Hubacher 2007]. Der Grund für den kleinen Unterschied zwischen diesen beiden Systemen liegt in den hohen Energieverlusten durch die Umwälzpumpen zur Förderung viel zu hoher Wämreträgervolumenströme durch die Erdwärmesonden und einem Mangel an verlässlichen Auslegungsgrundlagen. Nach 1998 beschleunigte sich der Anteil mit Wärmepumpen beheizter neuer Einfamilienhäuser deutlich. Wärmepumpen erobern nun langsam auch den Sanierungsmarkt. Um 2006 hat der Anteil der Wärmepumpen im gesamten Raumheizungsmarkt unter 20 kW 33% erreicht. Zu die-ser Zeit waren in der Schweiz etwa 100'000 Wärmepumpen in neuen Gebäuden und erst etwa 3000 Wärmepumpen in ehemaligen Kesselheizungen in Betrieb http://www.fws.ch . Bei Heizleistun-gen über 50 kW wird die Wärmepumpenheizung auf der Basis des Energie-Contractings46 immer populärer. Die grössten Energie-Kontraktoren in der Schweiz sind die Elektrizitätswerke des Kantons Zürich (EKZ) und der Stadt Zürich (EWZ). Sie haben 2006 zusammen mehr als 50 GWh Wärme geliefert.
Die meisten grundlegenden Innovationen kamen bereits vor 1990. Aber es galt und gilt noch ein enormes Optimierungspotenzial anzugehen. Viel wurde bereits erreicht, wie die Resultate des Schweizerischen Wärmepumpentestzentrums belegen. Innerhalb der vergangenen 15 Jahre wurde bei den getesteten Wärmepumpen für zentrale Warmwasserheizungen und Luft als Wärmequelle eine Verbesserung der mittleren Leistungszahlen um 30% von 2.6 auf 3.4 beobachtet. Dies entspricht nur moderaten Lorenzwirkungsgraden von 28% bis 36%. Die getesteten Luft/Wasser Wärmepumpen lagen bei einer mittleren Heizleistung von 8 kW in einem Heizleistungsbereich von 2.5 kW bis 30 kW.
In der gleichen Zeitperiode wurde bei Sole47/Wasser-Wärmepumpen nur eine Verbesserung der mittleren Leistungszahl um 17% von 3.8 auf 4.5 oder eine Erhöhung des Lorenz-Wirkungsgrads von 43% auf 50% gemessen. Bei den besten Maschinen wurden al-lerdings in den letzten 15 Jahren keine merklichen Verbesserungen mehr erzielt. Die geteste-ten Sole/Wasser-Wärmepumpen lagen bei einer mittleren Heizleistung von 12 kW in einem Heizleistungsbereich von 5 kW bis 80 kW. Die deutlich höheren Werte für die Sole/Wasser-Maschinen verraten allerdings noch nicht die ganze Wahrheit, da sie die Pumpenergie zur „Sole“ ist der leider allgemein verwendete Ausdruck. Heute werden für Erdwärmesonden aber Mischungen aus Wasser und organischen Antifrostmitteln (meist Ethylenglykol) als Wärmeträger verwendet.
Die bei den Messungen benützten Temperaturen der Wärmequellen (Luft 2°C, Sole 0°C) und der Wärmesenke (Wasser 35°C) geben einen ersten groben Eindruck über die für schweizeri-sche Verhältnisse zu erwartenden Jahresarbeitszahlen. Es gibt aber viele Variablen, welche den tatsächlich erreichten Wert beeinflussen. Darauf wird in der Besprechung der Feldtests an vollständigen Wärmepumpenanlagen noch eingegangen. Wie dort noch gezeigt wird, werden heute bei Luft/Wasser-Systemen maximale Jahresarbeitszahlen von 3.4 und bei Erdwärme-sonden/Wasser-Systemen sogar solche von 5.6 gemessen.
Die Betrachtung der Messergebnisse lässt den Verdacht aufkommen, dass seit dem verstärkten Wärmepumpenboom ab 2005 keine Effizienzverbesserungen mehr erzielt wurden. Behindert ein boomender Markt die Entwicklungen zu einer weiteren Ver-besserung der Effizienz von Wärmepumpen?
Weiter zeigen sie nach einem anfänglichen Enthusiasmus einen gewissen Rückzugvon Propan als natürliches Kältemittel bei den Luft/Wasser-Wärmepumpen. Sieger bei den Luft/Wasser- und den Sole/Wasser-Wärmepumpen ist R-407C, gefolgt von R-404A für Luft/Wasser- und R-134a oder Propan für Sole/Wasser-Maschinen.Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten wurden in der Schweiz durch Pioniergeist und eine gute Zusammen-arbeit zwischen Praxis und Hochschule gefördert. Sie konzentrierten sich auf den Ersatz ozon-schichtgefährdender synthetischer Kältemittel (FCK, HFCK) durch teilhalogenierte Fluorkoh-lenwasserstoffe (HFC), die Entwicklung validierter Auslegungswerkzeuge für Erdwärmeson-denanlagen, die Verbesserung der Wärmeübertragung bei Ein- und Zweiphasenoperationen, die Reduktion des Kältemittelvolumens, die Untersuchung neuer Kompressortypen, die Com-putersimulation für die verbesserte Auslegung von Wärmepumpenheizungssystemen und die Entwicklung einer Diffusions-Absorptionswärmepumpe. Auch Stirlingprozesse – vorab Freikol-bensysteme – wurden untersucht. Hauptprioritäten waren aber die Entwicklung einer Wärme-pumpe für den Sanierungsmarkt mit hohen Vorlauftemperaturen (Projekt „Swiss Retrofit Heat Pump“) und die Optimierung ganzer Wärmepumpenheizungssysteme durch ein optimales Ein-binden der Wärmepumpen sowie der Entwicklung neuer Regelungs – und Diagnosemethoden. Weiter wurden neue Testmethoden zum Erfassen des dynamischen Verhaltens der Wärme-pumpen und von Wärmepumpen mit kombinierter Warmwasserbereitung ausgearbeitet.
8.2.1 Ausgewählte Anlagen und Entwicklungen
TOALENERGIEANLAGEN – KOMBINATION BLOCKHEIZKRAFTWERK-WÄRMEPUMPE
In dieser Periode wurden zahlreiche grössere Totalenergieanlagen mit Blockheizkraftwerken und Wärmepumpen gemäss dem Bild 1-1 realisiert. Flusswasser, Seewasser, Grundwasser, Abwasser, Erdboden aber auch Kühlhäuser und Kunsteisbahnen wurden als Wärmequellen genutzt.
Hohe Nutzungsgrade von Totalenergieanlagen sind nur mit effizienten Blockheizkraftwerken realisierbar. Deshalb wurde im Rahmen eines BFE-Forschungsprojekts durch die Firma Lieb-herr Machines Bulle und die ETH-Zürich ein Gasmotor mit extrem tiefen Emissionswerten und sehr hohem mechanischen Wirkungsgrad entwickelt. Dieser sogenannte „Swissmotor“ ist mit einer patentierten, geregelten Abgasrückführung ausgerüstet und wird heute durch Liebherr in Bulle für Blockheizkraftwerke im elektrischen Leistungsbereich von 140 kW bis 280 kW produ-ziert.
KALTER WÄRMEVERBUND
Anstatt Wärme über ein konventionelles Fernwärmesystem mit trotz teurer thermischer Isolati-on hohen Wärmeverlusten zu transportieren, wird beim kalten Wärmeverbund Abwärme tiefer Temperatur durch einfache Rohrleitungsnetze zu den Verbrauchern transportiert. Dort wird das Niedrigtemperaturwasser von Wärmepumpen als Wärmequelle genutzt. Diese liefern dann die Nutzwärme mit der gewünschten Temperatur. Solche kalte Wärmeverbünde können kosten-günstiger sein als konventionelle Fernwärmesysteme.
1995 wurde in Muri ein erster solcher kalter Wärmeverbund mit gereinigtem Abwasser aus einer Abwasserreinigungsanlage und kostengünstigen Kunststoffrohren realisiert. Bei einer totalen Heizleistung von 2.4 MW wurde mit den angeschlossenen Wärmepumpen eine mittlere Jahresarbeitszahl von 3.1 erreicht. Inzwischen wurden etwa 50 weitere Abwasserwärmepum-pen nach diesem Prinzip realisiert und der kalte Wärmeverbund wurde zu einer konkurrenzfä-higen Technologie. Mit den angeschlossenen Wärmepumpen wurden Jahresarbeitszahlen bis 5 gemessen. Abwasser hat in der Schweiz das Potenzial, über Wärmepumpen bis zu 15% der an die Kanalisation angeschlossenen Gebäude zu beheizen [Müller 2005].
POSTVERTEILZENTRUM IN SCHLIEREN – ARA ALS WÄRMEQUELLE
Das automatische Verteilzentrum Müllingen der Schweizerischen Post in Schlieren ist das grösste Gebäude in der Umgebung Zürichs. Es hat einen hohen Wärme- (9'500 MWh/a mit ei-ner Maximaltemperatur von 65°C) und Kältebedarf (8'500 MWh/a, 8°C...12°C). Beide werden durch eine Ammoniak-Wärmepumpenanlage mit 5.5 MW Leistung gedeckt. Als Wärmequelle dient die etwa einen Kilometer entfernte Abwasserreinigungsanlage (ARA) Werdhölzli der Stadt Zürich. Das Wärmepumpensystem wurde 2006 durch die Elektrizitätswerke der Stadt Zü-rich EWZ
http://www.ewz.ch im Energie-Contracting-Verfahren erstellt.
WÄRMERÜCKGEWINNUNG AUS UNBEHANDELTEM ABWASSER
Der FEKA-Tank als lokale Lösung zur Wärmerückgewinnung aus unbehandeltem Abwasser wurde bereits im Abschnitt 7.2.5 behandelt.
In den 1990er Jahren hat Urs Studer seine Abwasserkanal-Wärmeübertrager „Rabtherm” ein-geführt. Diese Wärmeübertrager werden in der Bodenzone der Kanalisationsrohre einge-baut: Bild 8-6. Das System “Rabtherm” wurde in der Schweiz schon in mehreren Pilotinstallati-onen erprobt. Im Stadium Bachgraben-Basel funktioniert es bereits seit 25 Jahren problemlos [Müller 2005]. Auch in der Anlage in Binningen, welche 2001 installiert wurde, sind bisher keine Belagsbildungen bekannt geworden. In Zürich-Wipkingen wurden 1999 durch die Elektrizitäts-werke der Stadt Zürich EWZ Rabthermelemente mit einer Gesamtlänge von 200 m installiert. Sie dienen als Wärmequelle zur Wärmepumpenbeheizung von 900 Wohnungen. Hier traten ei-nige Probleme durch die Bildung eines Biofilms auf den Wärmeübertrageroberflächen auf. Die-se wurden in einem BFE-Forschungsprojekt analysiert und als Gegenmassnahmen wurden Empfehlungen zur Fliessgeschwindigkeit und zur Oberflächenbehandlung ausgearbeitet [Wan-ner 2004]. 2007 hat Studer diverse Patente für Werkstoffe zur Verhinderung der Biofilmbildung eingereicht.
GROSSE ERDWÄRMESONDENFELDER
In dieser Periode wurden zahlreiche Wärmepumpensysteme mit Erdwärmesonden von Anla-gen mit einzelnen Sonden bis zu grossen Feldern mit zahlreichen Erdwärmesonden gebaut. Bis 1990 lag die Bohrtiefe für Erdwärmesonden unter 150 m. Heute werden Bohrtiefen bis zu 350 m erreicht. Hier liegt die Festigkeitsgrenze des heutigen Sondenmaterials aus Kunststoff. Die optimale Bohrtiefe hängt von zahlreichen Einflussgrössen wie den geothermischen Eigen-schaften und dem Temperaturgradienten des Erdbodens, der Durchströmgeschwindigkeit und dem Druckverlust (, Wärmeträgerpumpleistung!) ab. Heute liegen die häufigsten Bohrtiefen zwischen 150 m bei wichtiger passiver Sommerkühlung und bis 250 m bei reinem Heizen. Das bisher grösste Erdwärmesondenfeld der Schweiz wurde 2005 für das Hotel “The Dolder Grand” in Zürich mit 72 Sonden und einer gesamten Sondenlänge von 10'600 m gebaut. In diesem Luxushotel der Spitzenklasse wird die Sommerkühlung als ebenso wichtig beurteilt wie die Heizung im Winter. Deshalb wird das Erdwärmesondenfeld als Erdwärmespeicher betrie-ben und die Bohrtiefe beträgt nur 152 m.
TUNNELABWASSER ALS WÄRMEQUELLE
1993 wurde eine Wärmepumpenanlage zur Beheizung von Oberwald (Goms) mit warmem Ab-wasser aus dem Furkatunnel installiert [Arnold 1993]. Das Abwasser aus dem neuen Lötsch-berg-Basistunnel hat eine Temperatur von rund 20°C. Es soll als Wärmequelle für ein kleines Fernheiznetz in Frutigen genutzt werden. Der “Nahwärmeverbund Frutigen” plant die Be-triebsaufnahme auf die Heizsaison 2008/200948.
BERGSEE AUF 1759 MüM ALS WÄRMEQUELLE
Das Gebirgstal Engadin gehört in der Schweiz zu den Regionen mit den tiefsten Wintertempe-raturen. Die mittlere Januartemperatur erreicht in St.Moritz nur rund –10°C. Deshalb ist hier besonders auf eine effiziente Raumheizung zu achten. 2006 wurde für das Palace Hotel und das Schulgebäude “Grevas” in St.Moritz ein Wärmepumpenheizungssystem mit dem St.Moritzer See als Wärmequelle gebaut. Die neue Ammoniak-Wärmepumpe mit einer Jah-reswärmeproduktion von 4’000 MWh deckt 80% des Bedarfs des Hotel Palace und 70% des Wärmebedarfs der Schule. Während die Oberfläche des St.Moritzer Sees mit einer bis zu 75 cm dicken Eisschicht bedeckt ist, beträgt die Wassertemperatur an der Entnahmestelle für die Wärmepumpe im Winter etwa 4°C. Obwohl die erforderliche maximale Heizungsvorlauftempe-ratur 70°C beträgt, erreicht die Wärmepumpe noch eine Jahresarbeitszahl von rund 3.
NULLENERGIE-WOHNÜBERBAUUNG – EINE VISION WURDE WIRKLICHKEIT
Heute werden in der Schweiz etwa 15% der neuen Häuser nach dem Niedrigheizenergiestandard „Minergie“ gebaut, auf den im Abschnitt 8.2.4 noch eingegangen wird. Einige zukunftsorientierte Architekten und Ingenieure gehen aber noch weiter. Ein solches Beispiel ist die 2006/2007 gebaute Wohnüberbauung Eulachhof in Winterthur mit 132 Wohnungen. Sie un-terschreitet sogar noch deutlich den Passivhaus-Standard “Minergie-P-Eco”. Sie kann hier nicht umfassend beschrieben werden, die Isolationsdicke von 38 cm mag aber einen Eindruck über die hervorragende Isolation der Gebäudehülle geben. Auf dem Dach der Gebäude sind 1’240 m2 Photovoltaikzellen mit einer Gesamtspitzenleistung von 176 kWp installiert: Bild 8-9. Diese liefern im Mittel über das ganze Jahr die volle Antriebselektrizität für die Gebläse der kontrollierten Lüftung und die beiden Wärmepumpen49. Bei Überproduktion der Photovoltaikan-lage wird die nicht benötigte elektrische Energie in das öffentliche Elektrizitätsnetz abgegeben – bei ungenügender Produktion wird die fehlende Energie aus dem Netz bezogen.
Die kontrollierte Lüftung ist mit einem zentralen Plattenwärmeübertrager zur Wärmerückgewin-nung aus der Abluft ausgerüstet. Dies ist die Wärmequelle der ersten Wärmepumpe zur Raumheizung. Sie arbeitet hocheffizient, da die Vorlauftemperatur unter 30°C liegt. Als Wär-mequelle für die zweite Wärmepumpe, die der Warmwasserbereitung dient, wird die Wärme aus dem häuslichen Abwasser mit Hilfe des bereits beschriebenen FEKA-Tanks (Bild 7-15) zu-rück gewonnen. Zur Spitzendeckung werden etwa 8.5% des Gesamtwärmebedarfs durch die Fernheizung einer Kehrichtverbrennungsanlage gedeckt. Die aus der Fernheizung bezogene Wärme entspricht etwa der Verbrennungsenergie des Hausmülls, welche die Überbauungsbe-wohner der Kehrichtentsorgung abliefern [Eulachhof 2006], [Weber 2007], [Kalberer 2007].
GROSSWÄRMEPUMPEN VON FRIOTHERM
In Europa ist mit Friotherm nur noch ein Hersteller von Turbokompressor-Wärmepumpen übrig geblieben. Skandinavien war immer ein wichtiger Wärmepumpenmarkt für Sulzer und ist es heute auch für Friotherm. Die relevanten Aktivitäten von Sulzer wurden 1996 zur Sulzer Frio-therm umgruppiert. Zusammen mit Sulzer Infra wurde diese 2001 an die französische Suez-Gruppe verkauft und setzte die Tätigkeit unter dem Namen Axima Kältetechnik fort. Schliess-lich wurde Friotherm 2005 durch ein Management-Buyout wieder eine selbständige Schweizer Firma. Nachfolgend werden nur einige ausgewählte Anlagen erwähnt, welche für skandinavi-sche Länder gebaut wurden. Eine umfassendere Übersicht zu den grossen UNITOP-Radial-kompressor-Wärmepumpen findet man in [Friotherm 2008]. Eine Friotherm-Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 18.4 MW und einer Leistungszahl von 2.8 wurde 2002 in Oslo (N) installiert. Sie nutzt Rohabwasser mit 9.6°C als Wärmequelle zur Erzeugung von Nutzwärme von 60°C und 90°C für das Fernwärmesystem von Oslo: Bild 8-11 [Friotherm 2003]. In Umea (S) wird die Abwärme der Rauchgase eines Kraftwerks von 38°C/28°C zur Ver-wendung im Fernheizungssystem mit 60°C/70-75°C aufgewertet. Die Wärmepumpenanlage (Bild 8-12) mit einer Heizleistung von 13.7 MW erreicht eine Leistungszahl von 4.1. Die Heiz-leistung lässt sich im weiten Bereich von 10% bis 100% regeln. Eine andere „Abfall-zu-Energieanlage” wurde für ein Kraftwerk in Malmö (S) gebaut: 19 MW und eine Leistungszahl von 5.43 bei 34.2°C/24.3°C , 50°C/60-70°C [Pietrucha 2008]. 49 Der restliche elektrische Energiebedarf der Bewohner wird durch die Energieversorgung der Stadt gedeckt. In Helsinki, Finnland, hat Friotherm kürzlich die weltweit grösste kombinierte Heiz- und Kühlwärmepumpe montiert. Mit 60 MW Kälteleistung und 90.5 MW Heizleistung im Som-merbetrieb bei 45°C/88°C und 83.8 MW Heizleistung bei 40°C/62°C im Winterbetrieb erreicht sie im Winterbetrieb eine Heizleistungszahl von 3.5 und im Sommerbetrieb eine Kühl-Heizleis-tungszahl von 6.0. Im Winterbetrieb dient ein indirektes Abwassersystem mit 12°C/5°C als Wärmequelle [Pietrucha 2008].
INNOVATION ZUR ERHÖHUNG DER LEISTUNGSZAHL BEI ZEOTROPEN KÄLTEMITTELN
SATAG Thermotechnik50 in Arbon patentierte 1997 eine spezielle Anordnung des inneren Wärmeübertragers zur Reduktion des Verdampferdrucks in Wärmepumpen und/oder Kältema-schinen mit zeotropen Kältemitteln. Das Spezielle an der Erfindung ist die Kombination des Temperaturfühlers am Austritt aus dem Wärmeübertrager (nicht wie üblich am Eintritt), eine Drallblechtropfenabscheidung und die Verwendung eines zeotropen Kältemittels. Dank einer Verschiebung der Endverdampfung in den inneren Wärmeübertrager ergibt die Erfindung für eine gegebene Verdampfertemperatur einen tieferen Druck und damit einen geringeren Leis-tungsbedarf. Dies vergrössert die Leistungszahl [Kuratli et al 1997], [Hohl 2008].
WÄRMEPUMPEN-WÄSCHETROCKNER
Schulthess51 und V-Zug52 brachten 2002 einen Wärmepumpen-Wäschetrockner auf den Markt. Verglichen mit konventionellen Wäschetrocknern (Tumbler) benötigen diese nur noch die Hälf-te an elektrischer Energie [Schwarzwald 2002].
HEIZKÖRPERWÄRMEPUMPEN
1995 gab es in der Schweiz rund 200’000 mit elektrischer Widerstandsheizung beheizte Einfa-milienhäuser. Etwa 80% davon waren Einzelraumheizungen mit einem Anteil von 8% am Ge-samtelektrizitätsverbrauch der Schweiz. Angeregt durch Hans Ulrich Schärer und Fabrice Rognon vom BFE wurde 1995 die Entwicklung einer Heizkörperwärmepumpe (kleine Luft/Luft-Wärmepumpe mit einer heizköperförmigen Oberfläche zur Wärmeabgabe) zum Ersatz für die elektrischen Widerstandsheizungen gestartet. Nach einer Marktstudie entwickelte Emil Grüniger mit seiner Firma Soltherm in Altendorf und den Experten Winfrid Seidinger und Max Ehrbar eine solche Einzelraumwärmepumpe samt dazu passender Bohrvorrichtung zum An-bringen der Luftein- und –austrittsöffnungen in der Gebäudewand. Diese Entwicklung erreichte den Stand erster Pilotanlagen. Die Heizkörperwärmepumpe war mit einem Beton-Wärmespeicher versehen und wurde durch die Firma Hegner in Galgenen in kleinen Stückzah-len mit Heizleistungen von 600 W, 900 W und 1.2 kW hergestellt. Um das Betriebsgeräusch so tief wie möglich zu halten, musste an der Wärmeverteilung durch freie Konvektion – analog einem konventionellen Heizkörper – festgehalten werden. Dies hatte ernste Konsequenzen auf die Leistungszahl. Die Jahresarbeitszahl der Heizkörperwärmepumpe erreicht nur etwa 2.3. Die technischen Probleme waren zwar gelöst – aber mit einer Amortisationszeit um 15 Jahre blieben die Käufer fern [Humm 1996]. Auch im Ausland wurden ähnliche Ideen verfolgt. Diese Bemühungen wurden durch den Annex 23 (F+E-Vorhaben 23) des IEA Wärmepumpenpro-gramms in den Jahren 1996 bis 1998 international koordiniert. Teilnehmende Länder waren Kanada (Projektleitung), Frankreich, Schweden, die Schweiz und die U.S.A. [Annex 23 1999].
KLEINE DIFFUSIONS-ABSORPTIONSWÄRMEPUMPEN
Hans Stierlin war überzeugt, dass für Absorptionswärmepumpen, die nach dem im Abschnitt 5.1.2 beschriebenen Prinzip seines SIBIR Kühlschranks funktionieren würden, ein Markt be-stehe. Ihm schwebte ein Aggregat mit etwa 3.5 kW Heizleistung vor, dass dank seinem ge-räuschlosen Betrieb sogar in Wohnräumen installiert werden könnte. In diesem Fall könnten sogar zusätzliche 150 W Abwärme genutzt werden, die sonst nur einen Wärmeverlust darstel-len würden. Für einen höheren Leistungsbedarf sah Stierlin die parallele Verwendung mehrerer Module vor. Er begann 1988, im Alter von 72 (!) Jahren, in seiner kleinen Firma “Creatherm” mit der Umsetzung seiner Idee. Dabei arbeitete er eng mit Carl Ulrich Wassermann von Entex (siehe unten), einem früheren Mitarbeiter in Stierlins SIBIR-Fabrik, zusammen. Das neue Aggregat funktionierte nach demselben Prinzip wie Stierlins berühmter SIBIR Kühl-schrank. 1992 hatte Stierlin seine Ammoniak-Diffusions-Absorptionswärmepumpe „DAWP” bereits soweit entwickelt, dass damit neutrale Tests durchgeführt werden konnten. Im Vergleich zum Funktionsmodell wies der Prototyp nun eine deutlich reduzierte Bauhöhe aus. Im Auftrag des BEW (Bundesamt für Energiewirtschaft) wurden während der Heizperiode 1992/1993 in einem älteren Einfamilienhaus mit Radiatoren und in einem neueren Einfamilienhaus mit Fussbodenheizung Feldversuche in bivalentem Betrieb mit Gaskesseln durchgeführt. In beiden Fällen wurde Luft als Wärmequelle benützt. Beide Absorptionswärme-pumpen funktionierten perfekt. Unter Berücksichtigung der
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09 Feb 2012
10:58:16 |
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