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Wärmepumpen Geschichte Teil 4
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Wärmepumpen Geschichte Teil 4
Unter Berücksichtigung der elektrischen Hilfsenergie für das Umgebungsluftgebläse und die Regelung wurde ein Primärenergienutzungsgrad von 137% (PER = 1.37) erreicht. Der Feldtest demonstrierte die im Vergleich zum Dampfkompressionsprozess nur geringe Abhängigkeit des Nutzungsgrads der DAWP von der Verdampfungstemperatur. Es wurde auch bestätigt, dass die DAWP möglichst stationär betrieben werden sollte. Ein dritter Prototyp wurde an der ETH-Zürich unter Laborbedingungen und Einhaltung der DIN-Normen 8900 und 33830 detailliert untersucht. Sie ergaben dieselben erfreulichen Ergebnisse. Bei 0°C / 35°C wurde ein Nutzungsgrad von 143% und bei 0°C / 50°C ein solcher von 135% gemessen (PER 1.43 bzw. 1.35). Im Falle der Nutzung eines Teils der Abwärme durch Aufstellen in einem Wohnraum würden diese Werte sogar 150% bzw. 142% betragen. Durch ein einfaches Vertauschen der Anschlüsse kann mit der DAWP übrigens im Sommer auch gekühlt werden. Als problematisch erwies sich die Warmwasserbereitung [Stierlin et. al 1993], [Stierlin und Wassermann 1996]. In einem weiteren Schritt wurde die Kombination einer Diffusions-Absorptionswärmepumpe mit einem konventionellen Gaskessel für die Spitzenlastdeckung ausgearbeitet. Diese Kombination wurde als “AWP-Kessel” bezeichnet, und es wurde verlangt, dass diese einen Gesamtnut-zungsgrad von 125% bis 130% erreichen sollte. Die Planung des AWP-Kessels sah eine intel-ligente Steuerung für den optimalen Einsatz von DAWP und Kessel sowie einem Gaskessel entsprechend einfachen Anschlüsse an die Heizung vor. Um die schweizerischen Kesselherstel-ler zum Mitmachen zu bewegen, wurde eine Marktstudie durchgeführt und eine detaillierte An-forderungsliste aufgestellt. Leider war dann aber keiner der im internationalen Massstab klei-nen Schweizer Kesselhersteller bereit, das hohe Entwicklungsrisiko einzugehen. In der Folge wanderte die weitere Entwicklung nach Deutschland und Holland ab (siehe Abschnitt 8.3). Nachdem SIBIR an Electrolux verkauft wurde, gründete Carl Ulrich Wassermann (war während vier Jahren Leiter der Abteilung „Engineering“ bei SIBIR) 1990 die Firma ENTEX Energy53. ENTEX entwickelt Diffusions-Absorptionssysteme für unterschiedliche Anwendungen wie Kühl-schränke für Hotelzimmer und mit Erdgas betriebene Klimatisierungseinheiten. In den späten 1990er Jahren entwickelte Wassermann eine zweite Generation von Diffusions-Absorptionswärmepumpen. Sie zeichnet sich aus durch das Fehlen von Druckbehältern: Die Ammoniak-Wasser-Lösung befindet sich nur noch im Innern von Rohrleitungen. Weiter wurde auch die Fertigung des Aggregats vereinfacht. Die Heizleistung der bis 4 Moduleinheiten be-trägt je 1.9 kW. Der Nutzungsgrad soll 150% erreichen. Bei der Fertigstellung dieses Berichts sind Verhandlungen mit europäischen Herstellern noch im Gang.
ABSORPTIONSWÄRMEPUMPEN IN WOHNÜBERBAUUNGEN
Um 1995 wurde in der Wohnsiedlung “Im Bilander” in Brugg mit 342 Wohnungen eine Wärme-pumpenanlage installiert. Diese übernimmt rund 40% des Wärmebedarfs der Siedlung. Bei dieser Pilotanlage wird in einer ersten Stufe Wasser für ein lokales Mitteltemperaturnetz mit einer kommerziellen 870 kW Lithium-Bromid/Wasser-Absorptionswärmepumpe mit Grundwasser (10°C-13°C) als Wärmequelle auf eine Temperatur von 50°C (Vorlauf) / 40°C (Rücklauf) erwärmt. Ab diesem Mitteltemperaturniveau wird die Resterwärmung für die Warm-wasserbereitung mit elektrischen Wärmepumpen übernommen. Unter Berücksichtigung der Hilfsenergien für die Umwälzpumpen resultierte ein Gesamtnutzungsgrad von 130% (PER = 1.3) [Krüsi 1996]. Dieser Wert liegt klar unter demjenigen einer modernen Kombination Block-heizkraftwerk – Wärmepumpe oder Kombikraftwerk – Wärmepumpe. Dieses System wurde deshalb nicht mehr weiter verfolgt.
8.2.2 Wärmepumpe für den Einfamilienhaus-Sanierungsmarkt
Als Resultat koordinierter Anstrengungen von Herstellern, Installateuren, Verbänden, öffentli-cher Unterstützung und Bauherren hat der Wärmepumpenanteil beim Bau neuer Einfamilien-häuser einen Anteil von 75% erreicht: Bild 8-1. Im viel grösseren Sanierungsmarkt erreicht der Anteil an Wärmepumpen aber erst etwa 3%. In anderen Ländern ist dieser Anteil noch viel kleiner. Dies lässt auf ein sehr hohes Potenzial im Sanierungsmarkt schliessen. Jeder neu installierte Kessel bedeutet eine verpasste Gelegenheit für eine effizientere Heizung. Allein in Europa passiert dies pro Jahr etwa eine Million Mal. Es werden also fast diskussions-los höhere CO2-Emissionen akzeptiert, als es der Stand der Technik ermöglichen würde. Wo liegen die Hindernisse? Die älteren Warmwasser-Zentralheizungssysteme weisen im All-gemeinen eine hohe Vorlauftemperatur auf. Konventionelle Wärmepumpen stossen an ihre Grenzen, wenn sie die mit den hohen Heizungstemperaturen im Sanierungsmarkt verbunde-nen hohen Temperaturhübe überwinden müssen. Auf Initiative von Hans Ulrich Schärer, Fab-rice Rognon und Martin Zogg wurde deshalb 1998 das Vorhaben “Swiss Retrofit Heat Pump” gestartet. Ziel der Entwicklung war eine Sanierungsmarkt-Wärmepumpe, welche die Anforde-rungen für alte Zentralheizungssysteme bei hohem Wirkungsgrad und tragbaren Kosten erfül-len. Dieses Vorhaben hatte zwischen 1998 und 2003 im Wärmepumpenforschungsprogramm des Bundesamts für Energie (BFE) oberste Priorität. Während grössere Wärmepumpen für den Sanierungsmarkt (beispielsweise mit Economizer und Schraubenkompressoren) bereits verfügbar waren, gab es für Heizleistungen unter 25 kW noch keine befriedigende Lösung. Um diese Situation möglichst rasch zu ändern, lancierte das BFE noch 1998 den Wettbewerb “Swiss Retrofit Heat Pump” zur Entwicklung eines neuen Wärmepumpentyps. Dieser musste Heizung und Warmwasserbereitung umfassen, auch Luft als Wärmequelle nutzen und deshalb einen effizienten Betrieb bis zu einem Temperatur-hub von –12°C bis 60°C ohne Zusatzheizung bewältigen können. Hauptanforderungen waren mit Luft als Wärmequelle (einschliesslich aller Hilfsantriebe) Lorenz-Wirkungsgrade von über 37.5% im ganzen Betriebsbereich und von 42.5% für den Testpunkt mit Luft 2°C / Wasser 50°C. Die übrigen Anforderungen sind in [Zogg 2002a] aufgeführt. Zur Unterstützung der Schweizer Wärmepumpenhersteller wurden durch das BFE eine Reihe flankierender Forschungsprojekte gestartet. Diese bearbeiteten sowohl die thermodynami-schen Herausforderungen wie auch Themen der Regelung. Sie wurden in Zusammenarbeit zwischen Herstellern, Hochschulen und dem Wärmepumpentestzentrum durchgeführt. Hauptthema der Forschungsprojekte waren neue Kreisprozesse für Kleinwärmepumpen mit einer Heizleistung unter 25 kW, um die erwähnten Anforderungen für einen hohen Tempera-turhub erfüllen zu können. Im Vordergrund standen ein geringerer Heizleistungsabfall, eine tie-fere Kompressoraustrittstemperatur und eine höhere Effizienz bei hohen Temperaturhüben. Die vielversprechendsten Prozesse wurden dann in realen Wärmepumpenheizungen getestet. Die thermodynamisch meist versprechende Lösung für hohe Temperaturhübe ist die Zweistufen-Wärmepumpe mit zwei Kompressoren. Eine Wärmepumpe mit diesem Kreisprozess wurde gebaut und getestet [Zehnder et al. 1999]. Verglichen mit dem einfachen einstufigen Prozess wurde eine um 50% höhere Heizleistung und eine um 14% höhere Leistungszahl erreicht. Es zeigte sich aber, dass die Schmierölmigration im Kreislauf schon nach wenigen Betriebsstunden eine einwandfreie Schmierung der beiden Kompressoren behinderte. Zudem ist eine Wärmepumpe dieses Typs zu kompliziert, um mit den zu ersetzenden kostengünstigen Kesseln zu konkurrieren. Der Kreisprozess mit Economizer und einer Zwischeneinspritzöffnung für Dampf ist eine einfachere und kostengünstigere Lösung. Er ist von grösseren Wärmepumpen mit Schrauben-kompressoren gut bekannt: Ein Kondensatteilstrom wird auf ein mittleres Druckniveau expandiert. Das dabei entstehende Gas-Flüssig-Zweiphasengemisch wird dann im Economizer dur Unterkühlung des Restkondensats verdampft. Dieser Dampf wird dem Kompressor durch die Zwischeneinspritzungsöffnung zugeführt. Dieser Kreislauf hat die folgenden Vorteile (Begründungen in [Zogg 2002a]):
1. Grösserer Massenstrom am Kompressoraustritt , Höhere Heizleistung.
2. Reduktion der Kompressoraustrittstemperatur , Einhalten der Betriebstemperaturgren-zen des Kompressors.
3. Kondensatunterkühlung , Vergrösserung der Leistungszahl (bei geeignetem Kompres-sor).
Als die ersten Versuche durchgeführt wurden, war auf dem Markt noch kein geeigneter Kom-pressor für Heizleistungen unter 25 kW verfügbar. Aber die Resultate mit dem damals verfügbaren Scroll Kompressor mit Flüssigkeit-Einspritzöffnung waren bereits vielversprechend [Zehnder et al. 2000]. Für ein Folgeforschungsprojekt wurde dann von der Firma Copeland ein erster Prototyp eines Scroll Kompressors mit für die Dampfeinspritzung optimierter Zwischen-einspritzung zur Verfügung gestellt. Zusätzlich wurde die Versuchswärmepumpe noch mit einem Sauggaswärmeüberträger ausgerüstet. Gegenüber einem einfachen Einstufen-prozess wurden damit bei hohen Temperaturhüben mit dem Kältemittel R-407C die folgenden Verbesserungen erzielt: Erhöhung der Heizleistung um 30%, Erhöhung der Leistungszahl um 15% (gemessen bei –7°C/60°C) [Brand et al. 2000]. Diese Entwicklung war erfolgreich. 2002 startete Copeland die Massenproduktion von Scroll Kompressoren mit Dampfzwischen-einspritzung. Dieser Prozess wurde in der Praxis erstmals von SATAG/Viessmann eingesetzt. Inzwischen wurde dieser Prozess (je nach Kältemittel mit oder ohne Sauggaswärmeüberträger) zum Standardprozess für Einfamilienhaus-Wärmepumpen mit hohem Temperaturhub. In einem weiteren Lösungsansatz haben [Reiner et al. 1998] einen Kreisprozess mit einem separaten Hilfskreislauf untersucht. Dieser Hilfskreislauf nutzt die Kondensat Unterkühlung als Wärmequelle für die Enderwärmung des Zentralheizungswassers. Ein entsprechen-des Wärmepumpen-Funktionsmuster wurde mit den Kältemitteln R-407C und R-417A (Isceon 59) getestet. Bei hohen Temperaturhüben wurde gegenüber einem Einstufenprozess eine Steigerung der Heizleistung um 20% und der Leistungszahl um 5% erreicht. Mit R-417 war die Kompressoraustrittstemperatur problemlos. R-407C ergab dagegen zu hohe Kompressor-austrittstemperaturen und ist deshalb für diesen Prozess nicht geeignet. Für kleine Wärmepumpen ist dieser Prozess wohl zu komplex. Man sollte ihn aber für grössere Wärmepumpen weiterhin in Betracht ziehen. Gewinner des Wettbewerbs „Swiss Retrofit Heat Pump“ war die Firma KWT in Belp. Die Lö-sung von KWT war eine zukunftsweisende Split-Lösung mit integrierter Warmwasserbereitung mit separatem Kreislauf und Nutzen der Enthitzung [Trüssel et al. 2000], [Cizmar et al. 2001]. Die Markteinführung dieser Entwicklung war noch nicht erfolgreich. Möglicherweise war die Maschine zu komplex. Vielleicht behinderte aber auch der Wärmepumpen-Verkaufsboom die weitere Entwicklung. Warum entwickeln, wenn Engpässe bei der Produktion zu beheben sind? So oder so, das vorläufige „Aus“ kam durch den Verkauf des interessierten Herstellers an ei-nen grossen ausländischen Konzern.
EIN NEUER UND UNKONVENTIONELLER ANSATZ – ABER NOCH NICHT BEREIT
Wie oben erwähnt, würde ein echt zweistufiger Prozess für eine Wärmepumpe mit hohem Temperaturhub den höchsten Wirkungsgrad bringen; aber die Schmierung der beiden Kom-pressoren ist problematisch. Jürg Schiffmann hat deshalb für den zweistufigen Prozess an-stelle konventioneller Scroll- oder Kolbenkompressoren einen ölfreien Miniatur-Radialkompressor vorgeschlagen. Diese Lösung besteht aus zwei Radialkompressoren mit Mini-Laufrädern auf einer Welle, die mit variablen Drehzahlen mit bis zu 240'000 U/min rotiert. Die Wellenlagerung erfolgt durch Präzisionsgaslager mit Toleranzen im Bereich von 5 bis 10 Mikrometern. Sie sind zur Verwendung durch das entsprechende Kältemittel konstruiert. Untersuchungen bei ABB zeigten für die Machbarkeit solcher Mini-Turbo-kompressoren ermutigende Ergebnisse. Sie wären kleiner und leichter als bisherige Kompressoren [Schiffmann und Molyneaux 2002]. In einer zweiten Projektphase wurde ein erster Einstufenkompressor gebaut und getestet. Die Lagereinheit lief mit einer Luftturbine bis 150'000 U/min problemlos. Der Antrieb mit einem Elektromotor entpuppte sich als schwieriger. Mit einem ersten Motor konnten die Lager bei tieferen Drehzahlen nicht betrieben werden. Mit dem zweiten Versuchsmotor war der Betrieb bis 104'000 U/min erfolgreich – dann kam es zur metallischen Berührung und das Gaslager wurde zerstört [Schiffmann et al. 2005]. Das Projekt wird fortgesetzt.
8.2.3 Weitere Unterstützung durch öffentliche Forschung und Entwicklung
Die folgenden Projekte wurden durch das Wärmepumpenforschungsprogramm des BFE (Bun-desamt für Energie) koordiniert und teilweise oder ganz finanziert. Leiter dieses Programms waren Hans Ulrich Schärer (bis 1992), Martin Zogg (bis 2002) und Thomas Kopp (bis heute). Fabrice Rognon und Max Ehrbar sind verantwortlich für die Wärmepumpen-Pilot- und -Demonstrationsprojekte.Im Rahmen des Impulsprogramms „RAVEL“ (rationelle Verwendung von Elektrizität) des dama-ligen Bundesamts für Konjunkturfragen stellten erfahrene Fachleute konsolidiertes technisches Wissen zur direkten Anwendung in der Wärmepumpenpraxis zusammen. In den Jahren 1993 bis 1996 wurden drei Handbücher publiziert. Das erste über die Planung, die Ausführung und den Betrieb von Wärmepumpen [Baumgartner et al. 1993], das zweite über sinnvolle hydrauli-sche Schaltungen [Gabathuler et al. 1994] und das dritte zur Qualitätssicherung [Gabathuler et al. 1996].
KOSTENGÜNSTIGE WÄRMEPUMPENHEIZUNG FÜR NIEDRIGENERGIEHÄUSER
Niedrigenergiehäuser mit einem Jahreswärmebedarf unter 160 MJ/m2a weisen eine dichte und gut isolierte Gebäudehülle, hohe solare Wärmegewinne, Niedrigtemperatur-Wärmeverteilsys-teme und einen hohen Wärmebedarfsanteil für die Warmwasserbereitung auf. Zum Auffinden optimaler Regelstrategien für kostengünstige Wärmepumpenheizungen ohne Wärmespeicher und Mischventile wurden Untersuchungen des Gesamtsystems aus Gebäude und Heizung durchgeführt. Die Ergebnisse wurden in einem Handbuch für solche Systeme zusammenge-fasst [Afjei et al. 2000], [Afjei 2002].
HYDRAULISCHE STANDARDSCHALTUNGEN
Auf der Grundlage einer ausführlichen Evaluation der häufigsten hydraulischen Standardschal-tungen für Einfamilienhäuser mit einem Heizleistungsbedarf bis 25 kW wurden in Zusammen-arbeit mit den wichtigsten Wärmepumpenanbietern sieben Standardschaltungen identifiziert. Sie wurden aufgrund der Kriterien hoher Energieeffizienz, hoher Verlässlichkeit und einfacher praktischer Realisierbarkeit ausgewählt. Die sieben Standardschaltungen (wovon eine zur In-tegration thermischer Solaranlagen) decken Luft und Erdboden als Wärmequelle, unterschied-liche Temperaturniveaus der Wärmeverteilsysteme, kombinierte Raumheizung und Warmwasserbereitung ab. Sie wurden durch Computersimulationen untersucht und optimiert. Die Resultate wurden in eine Schritt-für-Schritt-Planungsrichtlinie zur direkten Anwendung in der Praxis komprimiert. Diese Planungsrichtlinien bringen eine deutliche Reduktion der verwirrenden Zahl existierender Schaltungen. Sie erlauben die Auslegung effizienter und kostengünstiger Wärmepumpensysteme mit einem minimalen Planungsaufwand. Dies begünstigt auch eine gu-te Qualitätssicherung und erleichtert den Vergleich von Offerten verschiedener Hersteller [Afjei et al. 2002], [Gabathuler et al. 2002b].
EFFIZIENZSTEIGERUNG DURCH OPTIMIERTES ABTAUEN
Der Energiebedarf für das Abtauen von Wärmepumpen mit Luft als Wärmequelle ist beachtlich, erreicht er doch etwa 10% des gesamten Bedarfs an elektrischer Energie. Eine Reduktion auf 5% liegt im Bereich des Möglichen. Zu Beginn des Vorhabens wurden die wichtigsten Abtau-methoden theoretisch analysiert [Hubacher und Ehrbar 2000]. Dann wurde in der zweiten Pro-jektphase ein energetischer und ökonomischer Vergleich der Methoden vorgenommen [Bertsch et al. 2002]. Als Datengrundlagen dienten die Messungen des Wärmepumpentest-zentrums in Winterthur-Töss (WPZ). Sie wurden ergänzt durch weitere Messungen im Labor und durch Feldmessungen. Aus den Messungen im WPZ wurden 6 Wärmepumpen mit Pro-zessumkehrabtauung und 7 Wärmepumpen mit Heissgasabtauung analysiert. Es wurden auch unkonventionelle Abtaulösungen wie Nutzen der Wärme aus dem Wärmeverteilsystem oder Abtauen mit Raumluft (Luftabtauung) untersucht. Überraschenderweise ergibt die Heiss-gasabtauung über eine Betriebsdauer von 15 Jahren etwa dieselben Gesamtkosten wie die Prozessumkehr. Die Luftabtauung schneidet recht gut ab – sie ist aber mit einem beträchtli-chen Raumkomfortverlust verbunden.
EFFIZIENZSTEIGERUNG DURCH ERDREGISTER
Es wurden zahlreiche monovalente Luft/Wasser-Wärmepumpensysteme mit Erdregistern ge-baut. Bei diesen wird die Umgebungsluft durch ein im Erdboden verlegtes Rohrleitungssystem (100-250 mm Innendurchmesser, 20-60 m lang, Luftgeschwindigkeit 3 – 10 m/s) zur Wärme-pumpe geführt. Die Rohre werden beispielsweise ums Haus oder im Garten verlegt. Grundidee ist das Vorheizen der Luft in kalten Nächten oder auch über längere Perioden mit tiefer Tempe-ratur. Eine Untersuchung zeigte, dass die Jahresarbeitszahl mit solchen Systemen um 5% bis 10% erhöht werden kann. Verglichen mit Erdwärmesondenanlagen ist dies nicht überwälti-gend. Aber im Sommer kann das Rohrleitungssystem zur passiven Kühlung einen oft entschei-denden Komfortsteigerungsbeitrag leisten [Huber et al. 1995].
GERÄUSCHARME LUFT/WASSER-WÄRMEPUMPEN
Über die Hälfte der Kleinwärmepumpen mit Heizleistungen bis 25 kW nutzen Umgebungsluft als Wärmequelle. Speziell in dicht überbauten Gebieten haben die Luft/Wasser-Wärmepumpen gelegentlich zu Beanstandungen infolge der Geräuschentwicklung geführt. Im Rahmen eines Forschungsprogramms wurden die Lärmquellen von Luft/Wasser-Systemen analysiert, und es wurden Richtlinien für Planer und Hersteller zur Konstruktion leiser Maschinen ausgearbeitet. Sie enthalten eine grosse Zahl zu ergreifender Einzelmassnahmen [Graf 2002]. Ihre Umset-zung in kommerziellen Luft/Wasser-Wärmepumpen hat bereits zu Erfolgen geführt [Beerhalter 2007].
MODELLIERUNG VON ERDWÄRMESONDEN
Unter der Leitung von Ladislaus Rybach wurden die Studien zur rechnerischen Erfassung von Erdwärmesonden und Erdwärmesondenfeldern an der ETH-Zürich fortgesetzt [Rybach et al. 1990, 1992, 1998], [Rybach 2001, 2004]. Computersimulationen sind allerdings nur nützlich, wenn die benötigten geothermischen Stoffwerte hinreichend genau bekannt sind. Deshalb wurde 1998/1999 durch Werner Leu und Mitarbeiter ein Computerprogramm entwickelt, wel-ches die Abschätzung dieser Stoffwerte für das Schweizerische Mittelland ermöglicht. Es wur-de 2006 überarbeitet und ergänzt [Leu 1998], [Leu et al. 1999, 2006].
Als Werkzeug für Computersimulationen ganzer Wärmepumpensysteme mit Erdwärmesonden wurde durch Arthur Huber55 das neue, dynamische Berechnungsmodul EWS zur Berechnung der Temperatur des aus der Sonde tretenden Wärmeträgers entwickelt. 1997 wurde es zu-nächst für Einzelsonden ausgearbeitet [Huber 1997] und dann 1999 auf Erdwärmesondenfel-der erweitert [Huber und Pahud 1999]. Dank der kurzen Rechenzeit des Moduls EWS56 erlaubt es die dynamische Computersimulation ganzer Wärmepumpenanlagen mit Erdwärmesonden auf Personal Computern. EWS wurde später in das schweizerische Wärmepumpenausle-gungsprogramm WpCalc eingebaut [Stalder et al. 2001] und durch Sarah Signorelli und Tho-mas Kohl, dem Nachfolger von Ladislaus Rybach, am Institut für Geophysik der ETH-Zürich, validiert [Signorelli und Kohl 2002].
ÖKOLOGISCHE EINWIRKUNG VON ERDWÄRMESONDEN
Das damalige Bundesamt für Umwelt- Wald und Landschaft BUWAL (heute Bundesamt für Umwelt) liess die ökologischen Einwirkungen von Erdwärmesonden auf den Erdboden und das Grundwasser gründlich abklären. Darauf veröffentlichte das BUWAL 1994 Richtlinien für die Installation von Erdwärmesonden. Dies war eine weitere Schweizer Pionierarbeit und hatte auch einen wichtigen Einfluss auf die spätere deutsche Richtlinie VDI 4640 (siehe Abschnitt 8.3). Es war übrigens für die Schweiz nicht sehr einfach, ihrer restriktiven Haltung in diesen Fragen in der beratenden Kommission für die VDI-Richtlinie Gehör zu verschaffen. Eine ent-sprechende Schweizerische Norm SN 565 384/6 (Erdwärmesonden / Sondes géothermiques / Sonde geotermiche) ist in Vorbereitung. Aus ökologischen Gründen wurden in der Schweiz Direktexpansionssysteme für Wärmepum-pen mit ölgeschmierten Kompressoren nie zugelassen, falls dazu alternative Lösungen möglich sind. Und die gibt es immer. Als einzige Ausnahme wären im Moment ölfreie CO2-Kreisläufe möglich [Beck 2007], [Rognon 2007].
REGENERATION VON ERDWÄRMESONDEN - NACHHALTIGKEIT
Eine detaillierte Untersuchung der Nützlichkeit einer Sommerregeneration einzelner Erdwär-mesonden und ganzer Erdwärmesondenfelder durch thermische Solaranlagen zeigte ein er-nüchterndes Ergebnis. Meistens vermag der durch die Regeneration bewirkte Mehrertrag nicht einmal die dafür benötigte Umwälzpumpenergie zu kompensieren. Die Sommerregeneration ist höchstens für stark belastete Erdwärmesondenfelder von Interesse [Hässig et al. 1998]. Eine umfassende Antwort zur Nachhaltigkeit von Erdwärmesondenanlagen findet man in [Signorelli et al. 2005].
55 Arthur Huber, Huber Energietechnik, Zürich,. http://www.hetag.ch56 Dies wurde durch eine Kombination numerischer Berechnung in Sondennähe mit einer analytischen Rechnung im entfernteren Erdbodenbereich erreicht.
KOMBINIERTES KÜHLEN UND HEIZEN MIT ERDWÄRMESPEICHER
In der Nutzung der Abwärme von Kälteanlagen und Klimaanlagen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung liegt im Vergleich zu getrenntem Kühlen und Heizen ein grosses Ener-giesparpotenzial. Bei Kälteanlagen ist der Kälteleistungsbedarf während dem Jahr oft annä-hernd konstant. Dies gilt auch für den Wärmeleistungsbedarf zur Warmwasserbereitung. Im Gegensatz dazu gibt es in der Schweiz nur im Sommer einen allfälligen Bedarf zur Raumküh-lung und nur im Winter einen Raumheizungsbedarf. Der entsprechende Heiz- oder Kühlbedarf variiert zudem mit der sich laufend ändernden Umgebungstemperatur. Deshalb stimmen im Allgemeinen die Bedürfnisse zum Kühlen und Heizen weder im Tagesverlauf noch saisonal überein.
Während tägliche Schwankungen noch durch Warmwasserspeicher aufgefangen werden kön-nen, erfordert der Ausgleich jahreszeitlicher Schwankungen Erdwärmespeicher mit Erd-wärmesondenfeldern. Bei niedrigem Wärmebedarf kann die Überschusswärme aus den Kon-densatoren der Kälteanlagen im Erdboden gespeichert werden. Dies ist typisch für den Som-merbetrieb. Bei typischem Winterbetrieb dominiert der Raumheizungsbedarf, und die Wärme aus dem Erdboden kann dann als zusätzliche Wärmequelle genutzt werden. Sie ist typisch für den Gewerbekältebereich mit Kälte- und Tiefkühleinhei-ten, die mit der Warmwasserbereitung und der Raumheizung kombiniert werden. Für solche Systeme zur kombinierten Heizung und Kühlung wurde im Auftrag des Bundesamts für Energie ein Planungshandbuch ausgearbeitet. Darin wird das in fünf Schritte unterteilte Auslegungs-vorgehen an einem praktischen Beispiel illustriert [Good 2000], [Good et al. 2001]. Die Dimensionierung grosser Erdwärmesondenfelder aufgrund detaillierter Computersimulationen wird in [Rohner et al. 2005] behandelt.
UMWELTRELEVANZ NATÜRLICHER KÄLTEMITTEL
Als Schweizer Beitrag zum Annex 22 (F+E-Vorhaben 22 „Compression Systems with Natural Working Fluids“) des IEA Wärmepumpenprogramms wurde 1966 eine erste Ökobilanz (Life Cycle Assessment (LCA) zur Umweltrelevanz alternativer Kältemittel durchgeführt [Weibel 1996]. In einer zweiten Studie wurde der Ökobilanzvergleich auf alle relevanten Umwelteinwirkungen natürlicher und synthetischer Kältemittel für schweizerische Stromproduktionsverhältnisse erweitert und vertieft. Diese neue Ökobilanzstudie wurde für die Wärmepumpenhei-zung, die Klimatisierung und die Kälteerzeugung durchgeführt. Es wurden für Systeme mit Ammoniak, Propan, Kohlendioxid, die Fluorkohlenwasserstoffe (FKWs) R-134a, R-404A, R-407C, R-410A, Isceon 59 (das heutige R-417A) und Chlordifluormethan R-22 als Referenz die folgenden Umwelteinwirkungen analysiert: nicht erneuerbarer Primärenergiebedarf, Treibhauseffekt, Ozonschichtabbau, Versauerung, photochemische Ozonbildung, aquatische und terrestrische Ökotoxizität und Emissionen radioaktiver Isotope (karzinogene und erbgutschädigende Effekte). Die Resultate bestätigten, dass der Energieeffizienz der Anlagen eine Schlüsselrolle zu-kommt. Anlagen mit natürlichen Kältemitteln und vergleichbarer oder besserer Effizienz als An-lagen mit FKWs ergeben geringere Umweltbelastungswerte. Einzige Ausnahme ist die höhere photochemische Ozonbildung bei Anlagen mit Propan. Wenn die Anlagen mit natürlichen Käl-temitteln aber eine tiefere Effizienz aufweisen als jene mit synthetischen Kältemitteln, ist die Si-tuation nicht mehr so eindeutig. Dann ist ein individuelles Abwägen zwischen der Schonung nicht erneuerbarer Primärenergien, der Versauerung, dem Sommersmog, der Giftwirkung in Gewässern und der Emission radioaktiver Emissionen einerseits und dem Treibhauseffekt, dem Ozonschichtabbau und der Giftwirkung auf den Boden andererseits erforderlich, um die ökologischen Vorteile natürlicher Kältemittel zu beantworten. Hauptschlussfolgerung der Studie war, dass FKW-Kältemittel noch toleriert werden können, wenn es keine zumutbaren Al-ternativen mit natürlichen Kältemitteln gibt. Dies aber nur unter den Bedingungen einer regel-mässigen, strikten Dichtheitskontrolle während der ganzen Anlagelebensdauer und einem fachgerechten Kältemittelrecycling vor der Entsorgung der Anlage. Gleichzeitig sollten die Herstellungsverfahren für die FKW-Kältemittel verbessert werden [Frischknecht 1999, 2000], [Zogg 2000b].
2003 wurde mit der Schweizerischen Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) für die weitere praktische Verwendung von FKW-Kältemitteln ein vernünftiger Kompromiss beschlossen: Neue Anlagen mit einer FKW-Füllung von mehr als 3 kg benötigen eine offizielle Bewilligung und die Anlagedichtheit muss jährlich überprüft werden.
WÄRMEÜBERGANG BEI FKW- UND NATÜRLICHEN KÄLTEMITTELN
Unterstützt durch das Wärmepumpenforschungsprogramm des Bundesamts für Energie wur-den an der ETH-Lausanne umfassende Untersuchungen zum Wärmeübergang bei der Ver-dampfung von alternativen Kältemitteln in glatten und strukturierten Rohren ohne und mit Schmierölen durchgeführt. Für den experimentellen Teil wurde eine spezielle Versuchsanlage mit neigbaren Rohren gebaut [Thome 1994, 1996], [Kattan et al. 1995], [Thome et al. 1997]. Die Untersuchungen wurden auch auf das natürliche Kältemittel Ammoniak ausgedehnt [Zür-cher et al. 1997]. An der ETH-Zürich wurde der Wärmeübergang bei überkritischem CO2 unter-sucht [Trepp Ch. 1997].
AMMONIAKWÄRMEPUMPE FÜR EINFAMILIENHÄUSER
Die ausgezeichneten thermodynamischen Stoffeigenschaften von Ammoniak sind bestens be-kannt. Es wird deshalb in grossen Anlagen in hohem Umfang eingesetzt. Es gibt aber noch keine kommerziellen Kleinwärmepumpen mit Ammoniak. Im Rahmen des Wärmepumpenfor-schungsprogramms des Bundesamts für Energie wurde deshalb die Entwicklung einer Ammo-niak-Kleinwärmepumpe gestartet. Zuerst wurden die Vorteile von Ammoniak gegenüber Pro-pan oder R-407C für Kleinwärmepumpen theoretisch untersucht. Die Resultate für Ammoniak waren ermutigend – insbesondere für kleine Temperaturhübe, wie sie bei Fussbodenheizungen genügen. Mit Ammoniak sind für solche Wärmepumpen Druckverhältnisse um 15 nötig. Ohne Gegenmassnahmen würde diese mit einem einzigen Kompressor zu hohe Austrittstemperaturen ergeben. Ein Kleinkompressor mit Zwischeneinspritzung ist nicht verfügbar, und eine Zweistufenanlage wäre zu aufwändig. Deshalb wurde ein Schraubenverdichter oder ein Flügelzellen-verdichter mit einem hohen Ölumlauf zur Kühlung vorgeschlagen [Boyman et al.1997].
In der zweiten Projektphase wurde ein Funktionsmuster einer Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einem offenen Flügelzellenverdichter ausgelegt, gebaut und nach zahlreichen Rückschlägen schliesslich doch noch erfolgreich gestartet. In der dritten Projektphase wurden mit dem Flügelzellenverdichter und einem kleinen Schraubenkompressor umfangreiche Versuche durchgeführt. Dabei wurden die folgenden Leistungszahlen erreicht:
2.4 bei –7°C/50°C und 2.7 bei 2°C/50°C. Der Grund für diese bescheidenen Resultate liegt im hohen Öldurchsatz. Die Wärmepumpe schaffte einen maximalen Temperaturhub von einer Soletemperatur von –20°C auf eine Senkenwassertemperatur von 60°C. Der Economizer bewirkte eine Erhöhung der Leistungszahl um 6% und der Heizleistung um 12%. Einige Tests wurden auch mit dem kleinen Schraubenkompressor ohne Zwischeneinspritzmöglichkeit gefahren. Beide für die Versuche benützten Kompressoren vermochten nicht zu befriedigen. Eine Kommerzialisierung der Ammoniak-Kleinwärmepumpe wäre nur mit geeigneteren Kompressoren möglich [Geisser und Kopp 2003].
KLEINER OELFREIER CO2 KOMPRESSOR
Überkritische CO2-Prozesse kämpfen immer noch mit Schmierölproblemen. Ziel eines im Rahmen der IEA58 durch geführten BFE-Forschungsvorhabens war deshalb ein Machbarkeits-nachweis für einen kleinen, ölfreien, halbhermetischen CO2-Kolbenkompressor für überkriti-sche Wärmepumpen-Prozesse mit hohem Temperaturhub. Diese arbeiten unter hohen Drücken, typischerweise mit 35 bar Saugdruck und 80 bis 150 bar Enddruck. Zu diesem Zweck wurde ein Vierzylinder-Kolbenkompressor mit einer elektrischen Antriebsleistung von 150 W bis 950 W und variabler Drehzahl (750 bis 2'900 U/min) konstruiert und gebaut.Das Funktionsmuster wurde über den ganzen Leistungs- und Drehzahlbereich erfolgreich getestet und erbrachte vielversprechende Resultate [Baumann 2001], [Baumann und Conzett 2002].
58 Beitrag der Schweiz zum Annex 27 (F+E-Vorhaben 27 “Selected Issues on CO2 as a Working Fluid in Compression Systems”) des Wärmepumpenprogramms der Internationalen Energieagentur.
PULSBREITENMODULATION – EIN FORTSCHRITTLICHES KONZEPT
Der übliche Ein/Aus-Betrieb zur Heizleistungsregulierung von Wärmepumpen ergibt oft zu häu-fige Ein- und Ausschaltvorgänge mit zu kurzen Betriebsperioden. Dies hat nicht nur eine gerin-gere Effizienz, sondern auch eine Beeinträchtigung der Lebensdauer der Wärmepumpen zur Folge. Deshalb wurde die Pulsbreitenmodulation eingeführt. Grundidee dieses neuen Kon-zepts ist die volle Nutzung der thermischen Trägheit von Gebäude und zentralem Wärmeverteilsystem zum Erreichen möglichst langer Wärmepumpenbetriebszeiten ohne merklichen Komfortverlust. Ein weiteres Ziel ist die Elektrizitätskostenreduktion durch einen möglichst langen Betrieb in Niedertarifzeiten. Das Konzept der Pulsbreitenmodulation wurde mit drei unter-schiedlichen Lösungsansätzen realisiert. Sie unterscheiden sich in den Methoden zur Bestimmung der benötigten Wärmemenge und der optimalen Verteilung der Betriebsperioden über den ganzen Tag. Bei den beiden einfacheren Methoden wird der Wärmebedarf entweder aus der Energiekenn-linie (Tageswärmebedarf in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur) oder aus der Laufzeit-kennlinie (Wärmeleistungsbedarf gemäss Energiekennlinie dividiert durch die Wärmeleistungsproduktion gemäss der Wärmepumpenkennlinie) bestimmt. Die dritte Methode, die modellbasierte prädiktive Regelung, ist wesentlich komplexer. Sie erfasst die thermische Träg-heit von Gebäude und Wärmeverteilungssystem durch ein physikalisches Modell. Diese Variante schätzt die Umgebungstemperatur in den folgenden Stunden aus den in den letzten 24 Stunden gemessenen Temperaturen. Bei der Optimierung der paketweisen Wärmezufuhr wer-den die Leistungszahl der Wärmepumpe wie auch die Tarifstrukturen und die von den Elektrizitätswerken vorgegebenen Betriebsunterbruchszeiten für Wärmepumpen berücksichtigt. Der modellbasierte prädiktive Regler kann je nach Präferenz des Betreibers entweder einen mini-malen Elektrizitätsverbrauch oder minimale Elektrizitätskosten anstreben. Die neuen Regler wurden in einem für Heizungssanierungen typischen Einfamilienhaus mit ei-ner Luft/Wasser-Wärmepumpe erprobt. Das Warmwasser-Zentralheizungssystem war mit einem in Serie geschalteten Wärmespeicher ausgestattet. Die Wärmeverteilung erfolgte über eine Fussbodenheizung (FBH) und Radiatoren (RAD). Die Heizleistungsanteile konnten von 33% FBH / 67% RAD bis 33% RAD / 67% FBH verändert werden.Gegenüber der herkömmlichen aussentemperaturgeführten Rücklauftemperaturregelung (ARL) ergaben sich mit der Pulsbreitenmodulation bei vergleichbarem Komfort in den beheizten Räumen folgende Vorteile [Gabathuler et al. 1998, 2002a], [Shafai et al. 1999, 2002]:
􀂾 Die Wärmepumpen konnten mit einem Niedertarifanteil von 60% bis 70% gefahren werden (gegenüber 43% bei ARL).
􀂾 Es ergaben sich längere Wärmepumpenlaufzeiten im Teillastbereich von 0.5...1.5 Stunden.
􀂾 Die Umwälzpumpe musste während den Zeiten mit ausgeschalteter Wärmepumpe nicht betrieben werden, tieferer Hilfsenergiebedarf.
􀂾 Einfache Einstellung (keine Heizkurveneingabe, keine Koppelung von Heizkurve und Zeit-programm sowie von Heizkurve und Warmwasserbereitung).
􀂾 Optimale Nutzung von Niedertarifzeiten ohne Überdimensionierung der Wärmepumpe.
In den Projektphasen 3 und 4 wurden zum Vergleich der drei erwähnten Regelungskonzepte in Zusammenarbeit mit Industriepartnern Versuche unter identischen Randbedingungen mit ei-nem an der ETH-Zürich eigens dafür gebauten dynamischen Prüfstand durchgeführt [Zogg und Shafai 2001], [Gabathuler et al. 2003]. In der vierten Projektphase wurde die Regelung durch prädiktive Pulsbreitenmodulation durch eine adaptive Selbsteinstellung erweitert. Dies erforderte eine on-line Parameteridentifikation des Hausmodells. In einer weiteren Erweiterung hat der Regler nun auch Zugriff auf die Wettervorhersagedaten von MeteoSchweiz. Dies erlaubt eine bessere Voraussage der in den kommenden Stunden zu erwartenden Temperaturen und Solarstrahlung. Schliesslich wurde auch noch die Warmwasserbereitung integriert. Der neue Regler benötigt nach der Inbetriebnahme der Wärmepumpe und insbesondere auch nach der Austrocknungsphase neuer Häuser kein manuelles Nachjustieren mehr. Er reduziert die Heizkosten ohne Komforteinbusse um rund 10% gegenüber konventionellen Reg-lern. Dies wird hauptsächlich durch eine bessere Nutzung von Niedertarifzeiten erreicht [Bianchi et al. 2005].
FORTGESCHRITTENE FEHLERERKENNUNG UND DIAGNOSEMETHODEN
Während dem Betrieb einer Wärmepumpe können Fehler, wie die Belagsbildung auf Wärme-übertrageroberflächen (Fouling), Komponentenversagen oder Kältemittelverlust durch Leckage auftreten. Diese Fehler reduzieren die Effizienz der Wärmepumpe bereits in einem frühen Sta-dium. Um sie auch früh zu erkennen, wurde ein Diagnosesystem entwickelt und auf dem Wär-mepumpenprüfstand getestet. Mit diesem werden die Parameter einer Wärmepumpe laufend identifiziert und während dem Betrieb klassifiziert. Es wurden eine physikalische Methode zur Erfassung wichtiger Parameter und Kennzahlen (HeatWatch) und eine Fuzzy-Methode zur au-tomatischen Fehlererkennung (FuzzyWatch) ausgearbeitet. Die „Black-Box-Methode“ Fuzzy-Watch kommt mit einer minimalen Anzahl von Sensoren (in der Regel einige Temperatur-sensoren) aus, während HeatWatch bessere Klassifizierungsergebnisse liefert. Die entwickelte Software ermöglicht dem Überwachungssystem in einer Trainierphase die automatische Fuz-zy-Regelbildung und lässt sich auf einem modernen Wärmepumpenregler programmieren. Damit ist eine laufende Überwachung der optimalen Funktion einzelner Komponenten einer Wärmepumpenanlage möglich geworden. Dies erlaubt es, anstelle eines periodischen Wärme-pumpenservices auf einen gezielten Unterhalt nach Bedarf überzugehen. Das entwickelte Diagnosesystem kann auch für Kältemaschinen angewendet werden [Zogg und Shafai 2001], [Zogg et al. 2001, 2005].
DYNAMISCHER WÄRMEPUMPENTEST
Der übliche Wärmepumpentest auf der Basis der Europäischen Norm EN 14511 ist ein Test bei stationärem Betrieb. Aber insbesondere im Ein-/Aus-Betrieb verursachen die An- und Auslauf-phasen eine deutliche Verschlechterung der Heizleistung der Wärmepumpen. Ein dynamischer Wärmepumpentest soll diese im realen Betrieb auftretenden Verluste erfassen. Ein erster An-satz dazu wurde ausgearbeitet [Shafai et al. 2000] und wurde an Sole/Wasser- und Luft/Wasser-Wärmepumpen bereits mit Erfolg getestet [Ehrbar und Hubacher 2001].
WÄRMEPUMPENTEST FÜR KOMBINIERTE HEIZUNG UND WARMWASSERBEREITUNG
Im Zuge eines energieeffizienteren Bauens nimmt der Anteil des Wärmebedarfs für die Warm-wasserbereitung gegenüber jenem für die Raumheizung stetig zu. Die Warmwasserbereitung erreicht heute einen Anteil von 10% bis 50% des gesamten Jahreswärmebedarfs. Es wird des-halb immer dringender, einen Wärmepumpentest durchzuführen, welcher die Gesamteffizienz für kombinierte Raumheizung und Warmwasserbereitung liefert. Trotzdem sind die bestehen-den Testverfahren auf die separate Raumheizung (oder –Kühlung) und die separate Warm-wasserbereitung beschränkt. Auf die Initiative von Martin Zogg wurde deshalb 2002 ein interna-tionales Vorhaben als Annex 28 (F+E-Vorhaben “Test Procedure und Seasonal Performance Calculations for Residential Heat Pumps with Combined Space und Domestic Hot Water Hea-ting”) des IEA Wärmepumpenprogramms gestartet. An diesem nehmen die Schweiz (Projektleitung), Österreich, Kanada, Frankreich, Deutschland, England, Japan, Norwegen, Schweden und die U.S.A. teil. Projektziel ist ein neues Testverfahren, welches die nötigen Daten zur korrekten Berechnung der Jahresarbeitszahl kombinierter Heizungs-Warmwasser-Systeme er-möglicht. Das Bilanzgebiet umfasst dabei die Wärmepumpe, den Boiler (oder Durchlauferhit-zer) und optionale Zusatzerwärmer für die Spitzendeckung.
Die Resultate des Vorhabens wurden 2005 an der Eröffnungsveranstaltung der 8. Internationalen Wärmepumpenkonferenz in Las Vegas vorgestellt. Teile davon fanden bereits Eingang in Normen. So wurde der Berechnungsansatz in die Europäische Norm EN 14335 übernommen, und das deutsche Normengremium hat sie in ihre nationale DIN-Norm implementiert. Die Resultate des Annex 28 werden auch Eingang in die Arbeitsgruppen des Europäischen Komitees für Normung CEN finden [Wemhöner und Afjei 2005]. Die Schweizer Beiträge an den Annex 28 waren nebst der Projektleitung eine Berechnungsmethode für die Jahresarbeitszahl [Afjei und Wemhöner 2003] und ein experimenteller Ansatz basierend auf den Erfahrungen des Schweizerischen Wärmepumpentestzentrums in Winterthur-Töss [Montani 2003].
8.2.4 Unterstützung durch Verbände und den Bund
POLITISCHE RANDBEDINGUNGEN
Die Schweizer Stimmbürger und Stimmbürgerinnen haben in einer Referendumsabstimmung vom 23. Oktober 1990 mit einer Mehrheit von 53.6% einem zehnjährigen Moratorium für die Nuklearenergie zugestimmt. Das war eine Folge der Atomkraftwerkskatastrophe von Tscher-nobyl von 1986 und dem jahrelangen Widerstand der Bevölkerung gegen den Bau eines gros-sen, neuen Kernkraftwerks in Kaiseraugst. Die politische Antwort auf diese neue Situation war das Aktionsprogramm „Energie 2000“. Es setzte die folgenden bis zum Jahr 2000 zu errei-chende Ziele: Verbrauch an fossiler Energie und CO2-Produktion nicht grösser als 1990, Stei-gerung der Nutzung erneuerbarer Energien um 0.5% bezüglich dem Gesamtenergiebedarf und um 3% bezüglich dem Raumheizungsbedarf, Erhöhung der Elektrizitätsproduktion aus Was-serkraftwerken um 5% und jener aus den bestehenden Kernkraftwerken um 10%.
„Energie 2000“ wird durch das Aktionsprogramm „EnergieSchweiz“ mit analogen Zielen und einem Jahresbudget von rund 40 Millionen Franken oder 0.1% des Bundesbudgets fortgesetzt. Nebst anderen Punkten wurde das Ziel einer Reduktion der CO2-Emmissionen bis 2010 um 10% gesetzt. Um die Umsetzungsherausforderungen effizient lösen zu können, wurden 5 Energieagenturen gegründet. Die Wärmepumpentechnologie wird durch die Agentur Erneu-erbare Energien und Energieeffizienz AEE abgedeckt. In dieser ist auch die Fördergemein-schaft Wärmepumpen Schweiz FWS vertreten [Schmid 2001].
FÖRDERGEMEINSCHAFT WÄRMEPUMPEN SCHWEIZ FWS
1992 arbeitete Hans Ulrich Schärer vom Bundesamt für Energiewirtschaft ein Strategiepapier zum Erreichen der Ziele des Aktionsprogramms „Energie 2000“ aus. Er wies dabei auf das ho-he Energiesparpotenzial der Wärmepumpentechnologie hin. Wärmepumpen hatten damals in neuen Gebäuden nur einen Marktanteil von etwa 7.5%. 1991 gab es in der Schweiz etwa 37’000 Wärmepumpen. Schärer postulierte bis zum Jahr 2000 einen Ausbau der Wärmepum-penheizungen um weitere 100'000 Einheiten mit einer Gesamtwärmeleistung von 2'500 MW. Er schloss in seine Strategie auch die Beschaffung der zusätzlichen elektrischen Energie durch Ersatz der elektrischen Widerstandsheizungen sowie der zusätzlichen Stromproduktion durch Dampfturbinen in Kehrichtverbrennungsanlagen und durch Blockheizkraftwerke ein. Schärer hat die Wärmepumpentechnik übrigens stets zu den erneuerbaren Energien gezählt, was sich später als vorteilhaft für die politische Akzeptanz und für die Finanzierung der flankierenden Massnahmen zeigte [Schärer 1992, 2007].
Auf der Basis dieses Strategiepapiers arbeitete Franz Beyeler einen detaillierten Aktionsplan für Marketing und Kommunikation aus [Beyeler, Lehni 1992]. Aufgrund seines Aktionsplans schlug er die Schaffung der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz vor [Beyeler 2007].
Gabriella Brugger, damalige Leiterin der Stabsstelle für Energiewirtschaft des Kantons Zürich, erhielt von ihrem Vorgesetzten Rudolf Kriesi, dem Begründer des sehr erfolgreichen Minergiekonzepts
59, den Auftrag, die Wärmepumpentechnik durch die Gründung eines Informations- und Qualitätssicherungszentrums zu unterstützen. Sie wusste, worum es ging, brachte sie doch von ihrem Elternhaus sehr schlechte Erfahrungen mit einer erbärmlichen Wärmepum-penanlage mit. Dank ihrer ausgezeichneten Kommunikationsfähigkeit gelang es ihr, die (zu-mindest zu Beginn) misstrauische Wärmepumpengemeinschaft zu motivieren und den Auftrag in einem gesamtschweizerischen Rahmen zu einem erfolgreichen Ende zu führen.
1993 wurde auf der Grundlage einer engen Zusammenarbeit zwischen Gabriella Brugger, Hans Ulrich Schärer (BFE), Franz Beyeler (MKR Consulting), Ruedi Kriesi (Kanton Zürich) und Hanspeter Eicher (Energie Schweiz) die Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz (FWS) gegründet. Verantwortliche Mitglieder dieses Verbandes waren ab Beginn der Bund (vertreten durch Fabrice Rognon vom BFE), die Kantone, der Verband der Schweizerischen Elektrizitätswerke VSE 60, die Verbände der relevanten Installateure VSHL und SSIV61 und die Mitglieder der Arbeitsgemeinschaft Wärmepumpen AWP. Dieter Wittwer von INFEL62 war der erste Geschäftsleiter der FWS [Brugger und Eicher 1994], [Mariani-Brugger 2007], [Schärer 2007], [Szokody 2007].
Hauptziel der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz ist die Verbreitung effizienter Wärmepumpensysteme von hoher Qualität zu einem erschwinglichen Preis gemäss dem Motto „zufriedene Wärmepumpenbesitzer vor hohen Verkaufszahlen“. Bereits im Dezember 1993 organisierte die FWS ihre ersten Tage der offenen Tür in Worblaufen. Die Besucher konnten dort eine Wärmepumpe im Betrieb sehen und erhielten neutrale Informationen. Die erste öffentliche Wärmepumpenausstellung, die sogenannte “Wärmepumpen-Expo”, wurde durch Franz Beyeler organisiert und öffnete ihre Tore im November 1996 [Beyeler 2007].
Heute ist die Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz für alle an der Wärmepumpentech-nik interessierten Personen ein ausgezeichnetes, neutrales Informationszentrum. Sie stellt eine wertvolle Dokumentation zur Verfügung. Die Dokumente können in Deutsch, Französisch und Italienisch bequem von der Internetsite der FWS http://www.fws.ch heruntergeladen werden. Eine Übersicht über den aktuellen Stand der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz fin-det man in [Peterhans und Rognon 2005].
59 In der Schweiz wurde Minergie zu einem Synonym für die Nachhaltigkeit neuer und sanierter Gebäude. Das Konzept wurde durch Rudolf Kriesi begründet. Der Standard Minergie ist ein in der Schweiz und im Ausland regist-riertes Markenzeichen. Das Ziel von Minergie ist die Förderung der Anwendung von Konstruktionsstrategien und Techniken, welche es auf kostengünstige Art und Weise erlauben, die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Ener-gien zu reduzieren. Der Minergie-Standard verfolgt aber noch weitere Ziele wie gesunde Raumluft, hoher thermi-scher Komfort in allen Jahreszeiten und Lärmschutz. Die Erfahrung von neuen Bauten zeigt, dass die Mehrkosten gegenüber einem herkömmlichen Gebäude weniger als 1 % betragen. Sie sind durch die geringeren Heizkosten in wenigen Jahren amortisierbar. Der Minergie-Standard ist in der Schweiz bereits sehr weit verbreitet und allgemein anerkannt. So gewähren viele Banken für Gebäude mit dem Minergie-Markenzeichen günstigere Finanzierungsbe-dingungen. Minergie hat bei entsprechender Verbreitung das Potenzial, die durch die Raumheizung verursachten CO2-Emmissionen zu halbieren. Weitere Informationen in http://www.minergie.ch
60 Verband der Schweizerischen Elektrizitätswerke VSE, http://www.vse.ch .
61 „Verband der Schweizer Heizungs- und Lüftungsfirmen VSHL“ und „Verband der Schweizerischen Spenglermeis-ter- und Installateure SSIV; später zur „suissetec“ (Schweizerisch-Liechtensteinischer Gebäudetechnikverband) vereint,
http://www.suissetec.ch
62 INFEL Informationsstelle für Elektrizitätsanwendung, Zürich.
8.2.5 Qualitätssicherung
WÄRMEPUMPEN TEST- UND AUSBILDUNGSZENTRUM - EINE PIONIERINSTITUTION
Auf dem Weg von den Prototypen der Pioniere zu verlässlichen Produkten ist eine strikte Qua-litätskontrolle unumgänglich. Es gab dazu einen offensichtlichen Bedarf, der durch die Elektri-zitätswerke, politische Akteure und zukunftsorientierte Hersteller unterstützt wurde. Zahlreiche Hersteller und Lieferanten leisteten allerdings auch erheblichen Widerstand gegen die Einfüh-rung einer Qualitätskontrolle. Gabriella Brugger hat das Eis gebrochen. Sie stand an der Grün-dungsversammlung des unabhängigen Wärmepumpentest- und Ausbildungszentrum (WPZ) in Winterthur-Töss als Juristin etwa 100 Technikern und Ingenieuren gegenüber. Viele Hersteller und Lieferanten waren immer noch sehr skeptisch: „Und was geschieht, wenn nie-mand zum Testen kommt?“ Aber dank dem grossen Engagement und der Führungskraft von Karl-Heinz Handl63, Brugger und der ausgezeichneten Zusammenarbeit zwischen den Elektrizi-tätswerken NOK (Handl), EKZ64 (Georgio Lehner) sowie EWZ65, dem Kanton Zürich und nicht zuletzt dem Bundesamt für Energiewirtschaft wurde das Testzentrum schliesslich realisiert. Die NOK und das EKZ waren für den Betrieb des Zentrums verantwortlich, und das Bundesamt für Energiewirtschaft übernahm den Hauptanteil der Betriebskosten. Max Ehrbar vom Neutechni-kum Buchs (NTB), der das Testzentrum konzipiert hatte, wurde als technischer Experte enga-giert. Später wurde das Wärmepumpentestzentrum auch durch den Energieforschungsfonds der Elektrizitätsindustrie PSEL66 und dann durch die AXPO67 mitfinanziert. Mit diesem Wärme-pumpentestzentrum hat die Schweiz erneut europäische Pionierarbeit geleistet. Die offizielle Einweihung erfolgte am 26. Januar 1993. Die ersten Tests wurden noch gegen Ende 1993 ge-startet. Der Test von Luft/Wasser-, Wasser/Wasser- und Sole/Wasser-Wärmepumpe erfolgte nach der Europäischen Norm EN 255. Für Umgebungsluft als Wärmequelle wurde ein voll-ständiger Abtauzyklus in den Test integriert. Die Hersteller mussten nur rund 30% der anfal-lenden Kosten übernehmen [Handl 1993], [Ochsner 1993], [Mariani 2007], [Schärer 2007].
1996 wurden die Prüfungen auf Luft/Luft-Wärmepumpen ausgedehnt. Um Schlaumeiereien vorzubeugen, wurde die wärmesenkenseitige Differenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftempe-ratur als Zusatz zur EN 255 auf einen Maximalwert von 10 K reduziert. Dieses Problem wurde auch im Ausland erkannt. Die neue Europäische Prüfnorm EN 14511, welche die EN 255 er-setzte, ist mit einer Beschränkung auf maximal 5 K noch strenger.
Seit 1998 wird die elektrische Sicherheitsprüfung nach der Europäischen Prüfnorm EN 60 335-2-240 ebenfalls am Wärmepumpentestzentrum durchgeführt. 2003 wurde das Wärmepumpen-testzentrum von Winterthur-Töss an die Fachhochschule Buchs (vormals Neutechnikum Buchs NTB) gezügelt. Dort wird die Wärmepumpenprüfung nach EN 14511 seit 2004 für Heiz-leistungen bis 60 kW fortgesetzt. Zusätzlich wurde die Prüfung von Wärmepumpenboilern nach der EN 255-3 eingeführt. Neben der konventionellen Leistungszahl werden die Tester-gebnisse an Sole/Wasser- und an Wasser/Wasser-Wärmepumpen neu auch mit einer modifi-zierten Leistungszahl, der sogenannten „Standard-Energiekennzahl SEKZ”, angegeben. Die-se trägt im Gegensatz zur konventionellen Leistungszahl (COP) dem Energiebedarf für die Energiequellen-Umwälzpumpe durch einen für die beiden Fälle standardisierten Ansatz Rech-nung [Nani 2005].
63 Karl-Heinz Handl war zu jener Zeit Vizedirektor der Nordostschweizerischen Kraftwerke
(NOK, http://www.nok.ch).
Das Testzentrum wurde in einer Unterstation der NOK in Winterthur-Töss aufgebaut,
64 EKZ Elektrizitätswerke des Kantons Zürich, http://www.ekz.ch
65 EWZ Elektrizitätswerk der Stadt Zürich (Zürich City electric utility),
http://www.stadt-zuerich.ch/
66 Projekt und Studienfonds der Elektrizitätswirtschaft PSEL.
67 Die AXPO Holding ist ein führendes Schweizer Energieunternehmen mit Sitz in Baden,
http://www.axpo.ch
Der Erfolg des Wärmepumpentestzentrums lässt sich aus der Anzahl der bis Novemer 2007 geprüften Wärmepumpen erkennen: Luft/Wasser 118, Sole/Wasser 200, Wasser/Wasser 122, Wärmepumpenboiler 7. Seit Beginn der Prüfungen werden die Resultate in regelmässig er-scheinenden Bulletins veröffentlicht. Heute können sie von http://www.wpz.ch heruntergeladen werden.
4DACH-GÜTESIEGEL FÜR WÄRMEPUMPEN
Um den Konsumenten die Wahl einer effizienten Wärmepumpe hoher Qualität mit gesichertem Unterhalt nach der Inbetriebnahme zu erleichtern, wurde 1998 von Deutschland (D), Österreich (A) und der Schweiz (CH) das DACH-Gütesiegel eingeführt. Es wurde 1999 erstmals verge-ben und ist heute wohl das renommierteste Gütesiegel in Europa. Momentan laufen die Ver-handlungen mit dem Europäischen Wärmepumpenverband EHPA (European Heat Pump As-sociation, http://ehpa.fiz-karlsruhe.de) um das DACH-Gütesiegel in ein europäisches Gütesie-gel überzuführen.
Für die Erteilung des DACH-Gütesiegels müssen die folgenden Anforderungen erfüllt sein:
􀂾 Bei Wärmepumpen bis zu einer Heizleistung von 60 kW müssen wenigstens 20 Einheiten pro Jahr hergestellt werden (keine Prototypen).
􀂾 Minimale Effizienzanforderungen auf der Basis von Messungen nach der Europäischen Prüfnorm EN 14511
􀂾 Bestehen der Sicherheitsprüfungen für das Europäische Sicherheitskennzeichen CE und gemäss den Schweizer SEV-Normen.
􀂾 Elektrische Anschlüsse gemäss den Anforderungen der Elektrizitätswerke.
􀂾 Erfüllen der Anforderungen an die Dokumentation für Planung und Installation.
􀂾 Serviceorganisation muss verfügbar sein.
􀂾 Zwei Jahre Vollgarantie und zehn Jahre garantierte Ersatzteilverfügbarkeit.
Das DACH-Gütesiegel ist nur für drei Jahre gültig. Nach Ablauf dieser Frist ist ein neues Ge-such einzureichen. Das Gütesiegelkomitee68 der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz ist für die Gütesiegelerteilung in der Schweiz zuständig. Weitere Einzelheiten in http://www.fws.ch
DACH-GÜTESIEGEL FÜR ERDWÄRMESONDEN
Im Gegensatz zum DACH-Gütesiegel für Wärmepumpen wird beim DACH-Gütesiegel für Erd-wärmesonden die ausführende Bohrfirma beurteilt. Entsprechend wird es nur an geprüfte Bohr-firmen vergeben. Nach Ausbildungskursen wird die Ausführung im Feld periodisch geprüft und das Bohrpersonal muss alljährliche Kurse besuchen. Ein wichtiges Ziel ist die Verhinderung jeder Art von Grundwasserverschmutzung. 2001 wurden in der Schweiz die ersten DACH-Gütesiegel für Erdwärmesonden an die Firmen Frutiger, Hastag, KWT und Geotherm vergeben. Die exakten Anforderungen zur Erteilung des Gütesiegels findet man in
http://www.fws.ch
FELDANALYSE GANZER WÄRMEPUMPENSYSTEME FAWA
Eine hocheffiziente Wärmepumpe ist eine Sache – ein hocheffizientes vollständiges Wärme-pumpensystem eine andere. Selbst wenn die bestverfügbaren Wärmepumpen eingesetzt wer-den, kann von der Wärmequelle bis zur Wärmeverteilung in die einzelnen Räume vieles schief gehen. Aus dieser Erkenntnis beschloss das Bundesamt für Energiewirtschaft 1995 auf die Ini-tiative von Fabrice Rognon eine umfassende systematische Feldanalyse ausgeführter Wärmepumpensysteme durchführen zu lassen. Ziele des Vorhabens FAWA (Feldanalyse Wärmepumpen) war die Aufdeckung von Systemschwächen und die Ermittlung der besten Wärmepumpensysteme. Von 1996 bis 2003 wurden unter der Leitung von Peter Hubacher total 236 Wärmepumpensysteme im Heizleistungsbereich bis 20 kW ausgemessen. Unter diesen waren grob 45% Luft/Wasser-, 45% Sole/Wasser- und der Rest (als Kontrollbeispiele) Was-ser/Wasser- sowie Grundwasser/Wasser-Systeme. Insgesamt wurden 1.3 Millionen Be-triebsstunden oder 740 Betriebsjahre messtechnisch erfasst. Dabei ergaben sich für Luft/ Was-ser-Systeme eine mittlere Jahresarbeitszahl von 2.6 und für Sole/Wasser-Systeme mit Erd-wärmesonden eine solche von 3.4 [Hubacher et al. 2004].
Die 20 besten Anlagen (8.5% der total geprüften Anlagen) wurden näher analysiert. Sie er-reichten bei den Luft/Wasser-Systemen eine mittlere Jahresarbeitszahl von 3.1 (mit einem Ma-ximalwert von 3.4) und bei den Sole/Wasser-Systemen mit Erdwärmesonden eine mittlere Jah-resarbeitszahl von 5.0 (mit einem Maximalwert von 5.6!). Diese Werte liegen deutlich über den Mittelwerten aller gemessenen Anlagen. Dabei waren diese „Meisteranlagen“ keineswegs exo-tische, sondern einfach streng nach den heute bekannten Richtlinien ausgelegte Anlagen. Bei den Sole/Wasser-Systemen mit Erdwärmesonden gab es durch eine sorgfältige Optimierung des Wärmeträgervolumenstroms durch die Sonden sehr deutliche Verbesserungen. Sehr hohe Effizienzwerte erzielten die Erdwärmesondenanlagen mit reinem Wasser anstelle von „Sole“ (Wasser-Ethylenglykol-Mischung). In einem Fall wurde dadurch eine Verbesserung der Leis-tungszahl um 24% beobachtet. Die Verwendung von reinem Wasser als Wärmeträger ist al-lerdings infolge des Einfrierrisikos nur bei sehr sorgfältiger Erdwärmesondenauslegung mög-lich. Weiter ist bemerkenswert, dass ein hoher Anteil der Bestanlagen Wärmepumpen mit Pro-pan als Kältemittel besitzt [Nani et. al 2005].
AUSBILDUNG DER INSTALLATEURE
Ab Beginn war die Ausbildung der Installateure für die Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz ein wichtiger Pfeiler der Qualitätssicherung. Hansueli Bruderer war der erste Leiter des Ausbildungsbereichs der FWS. Seit 2006 wird ein regelmässig stattfindender Dreita-gesausbildungskurs angeboten. Die erfolgreichen Absolventen erhalten ein Zertifikat http://www.fws.ch
WÄRMEPUMPENDOKTOR
Die Mitglieder der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz haben mit dem „Wärmepum-pendoktor“ noch einen vierten Pfeiler der Qualitätssicherung für Wärmepumpenanlagen. Die-ser kann angerufen werden, wenn sich zwischen den Installateuren und den Endkunden Unei-nigkeiten ergeben sollten. Ein erster Augenschein des Wärmepumpendoktors ist für den Kun-den gratis. Er führt normalerweise zu einer gütlichen Einigung. Glücklicherweise sind solche Probleme aber selten – zum Einsatz des Wärmepumpendoktors kommt es nur in 0.25% der installierten Anlagen. Die ersten Wärmepumpendoktoren waren Georgio Lehner von den Elektrizitätswerken des Kantons Zürich EKZ und Gyula Szokody von Hoval Herzog [Mariani 2007], [Szokody 2007].
8.2.6 Brüdenkompression
In der Schweiz erfolgt die gesamte Kochsalz- und Zuckerproduktion in Brüdenkompressions-anlagen. Die Mehrstufenkompressoren aus den Anfangszeiten wurden durch einstufige Radial-kompressoren mit hohen Tangentialgeschwindigkeiten ersetzt69. Die Anlagen werden vollau-tomatisch betrieben [Hoyer 2007]. Eindampfanlagen des Systems Escher Wyss werden seit mehr als 80 Jahren gebaut. Diese Prozesstechnologie wurde weltweit in der Kochsalz- und Zu-ckerproduktion, in der chemischen Grundstoffindustrie, in der Behandlung hochbelasteter Ab-wässer usw. eingesetzt. Die Anlagen wurden unter den folgenden Firmennamen ausgelegt und gebaut: 1924 – 1981 Escher Wyss; 1981 – 1991 Sulzer - Escher Wyss; 1992 – 1996 Sulzer Chemtech; 1996 – 1999 CT Environment ; 1999 – 2000 VA TECH WABAG; 2001 – 2004 Mes-so und ab 2004 GEA Messo http://www.geamesso.com . Die Escher-Wyss-Technologie wird aber auch durch die Schweizer Firma EVATHERM in Othmarsingen70 weitergeführt.
8.3 Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
Seit 1990 begann in Europa das definitive “Abheben” der Wärmepumpenheizungstechnik. Die Gründe waren im Wesentlichen dieselben wie die bei der Schweiz bereits beschrieben. Ei-nige Länder wie Deutschland, in denen die Elektrizität zu einem grossen Anteil aus Kohle pro-duziert wird, hatten es schwieriger, eine im Vergleich zur Kesselheizung deutliche Reduktion der CO2-Produktion zu erreichen. Das Qualitätsproblem der Vorperiode wurde erkannt und als Konsequenz wurde grösseres Gewicht auf die Qualitätssicherung gelegt. Erdgekoppelte Wärmepumpen wurden populärer. Diverse Personal-Computer-Programme für eine genauere Auslegung von einfachen Erdwärmesonden und Erdwärmesondenfeldern wurden verfügbar, darunter das weit verbreitete EED (Earth Energy Designer) [Hellström und Sanner 2000]. Eine ausgezeichnete Übersicht von führenden Wissenschaftern [Lund et al. 2003] erwähnt eine weltweit installierte Heizleistung von 9’500 MW, welche durch rund 800’000 Wärmepumpenanlagen produziert werden. Als in der Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle für Wärmepumpen führend werden Österreich, Kanada, Deutschland, Schweden, die Schweiz und die U.S.A. aufgeführt. In Europa wurden natürliche Kältemittel schon früh gefördert. Die ersten Wärmepumpen mit Propan erschienen 1993. Innerhalb des IEA-Wärmepumpenprogramms wurden Richtlinien für die Verwendung natürlicher Kältemittel aufgestellt [Stene J. 1998], [IEA-HPC 1999], [Schiefelb-ein 1999]. Neulich wurde in Europa mit dem Projekt SHERHPA (Sustainable Heat and Energy Research for Heat Pump Applications) ein neuer Anlauf für die Verwendung natürlicher Kälte-mittel unternommen. Dieses Projekt der Europäischen Union richtet sich an kleine und mittlere Unternehmen. Es umfasst die Entwicklung, die Herstellung und das Testen effizienter und kos-tengünstiger Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln. Es steht im Einklang mit der künftigen Umweltgesetzgebung Europas. Das Vorhaben wird durch die beiden unabhängigen Verbände Greth (Heat Equipment Association) und EHPA (European Heat Pump Association) koordi-niert. Die Kerngruppe setzt sich aus 18 KMUs aus 11 Ländern zusammen. Die Forschungs- und Entwicklungsaufgaben werden von 9 europäischen Kompetenzzentren übernommen. Na-türliche Kältemittel haben gegenüber den synthetischen Kältemitteln unterschiedliche thermo-dynamische und chemische Eigenschaften. Dies erfordert Neukonstruktionen oder zumindest Anpassungen der Hauptkomponenten wie Wärmeübertrager und Kompressoren. Gleichzeitig sind angepasste Regelungsstrategien zu entwickeln. Weitere Herausforderungen sind Materialkompatibilität und die Minimierung des Kältemittelinhalts. Nach ersten Untersuchungen wer-den in der nächsten Projektphase 10 Prototyp-Systeme mit Heizleistungen von 2 bis 100 kW ausgelegt, gebaut und getestet [Thonon 2006].
DEUTSCHLAND
In Deutschland übernimmt der TÜV (Technischer Überwachungs-Verein) die offizielle Wärme-pumpenprüfung und ist auch verantwortlich für die Gewährung des DACH-Gütesiegels. Seit 1997 wird das Auslegungs-Know-how im Bereich erdgekoppelter Wärmepumpenanlagen in konzentrierter Form als VDI-Richtlinie 464071 herausgegeben. An der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie haben auch Österreich und die Schweiz mitgearbeitet.
1993 hat Stiebel Eltron ihre erste Propan-Wärmepumpe vorgestellt und berichtete einige Jah-re später über die damit erworbenen Markterfahrungen [Schiefelbein 1999]. Für Niedrigenergiehäuser mit kontrollierter Lüftung hat die Firma eine bemerkenswerte Wärmepumpe mit integrierter Wärmerückgewinnung und Warmwasserbereitung auf den Markt gebracht. Sie ist auch mit zusätzlicher Solarwärmenutzung erhältlich. 2006 baute Stiebel Eltron in Holzminden Europas grösste Wärmepumpenfabrik. Die ersten Wärmepumpenwäschetrockner (Wärmepumpentumbler) wurden 1997 getestet und 1998 auf den Markt gebracht [AEG 1988]. Bitzer fertigt seit 2003 ebenfalls hermetische Scrollkompressoren [Frommann 2004]. Infolge fehlenden Interesses der potenziellen Schweizer Hersteller verkaufte der Diffusions-Absorptionswärmepumpen-Pionier, Hans Stierlin, seine Erfindung ins Ausland. Weitere Ver-suche wurden bei Buderus in Deutschland bereits 1994 durchgeführt. 1997 wurde der Zu-sammenarbeitsvertrag zwischen Stierlins Kleinstfirma Creatherm und Buderus unterzeichnet. Das Diffusions-Absorptionswärmepumpen-Projekt hat Buderus in seiner holländischen Tterfirma Nefit Fasto fortgesetzt. 1999 wurden umfangreiche Feldtests mit einem Zusatfür die Spitzendeckung – dem „AWP-Kessel“, wovon die Schweizer Forscher 1995 träumtendurchgeführt. Die Versuche fielen sehr befriedigend aus. Die im Abschnitt 8.2.1 bereits erörtten alten Ergebnisse wurden bestätigt: Heizleistung eines Moduls 3.6 kW, Nutzungsgrad 150%im Alleinbetrieb und 132% beim Betrieb als AWP-Kessel [Blom 2000], [Laue und Heidelck 2000]. Im Jahr 2000 wurde dem nun als “Buderus Loganova” bezeichneten PrototyAuszeichnung der deutschen Gasindustrie zugesprochen. Es gab viel Publizität um den bevostehenden Marktauftritt der Buderus Loganova. Sie ist im Markt aber noch immer nicht erhält-lich. Das Hauptproblem liegt wohl in der Massenproduktion der komplizierten Rohr-in-Rohr-Anordnung.Die Idee eines Betriebes von Erdwärmesonden mit CO2 als Arbeitsmittel entstand im euro-päischen Projekt COHEPS. Die CO2-Wärmerohrlösung (heat pipe) wurde 1988 durch dasForschungszentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen FKW in Hannover patentiert. Um Kor-rosionsprobleme zu meistern, wird gegenwärtig ein flexibles Stahlrohrsystem aus nichtrosten-dem Stahl untersucht [Kruse et al. 2008].
ÖSTERREICH
Wie bereits beschrieben, gehen in den U.S.A. erste Versuche mit Direktexpansions-Erdkollektoren auf das Jahr 1945 zurück. Direktexpansionssysteme weisen Vorteile (keine Wärmeträgerumwälzpumpe, guter Wärmeübergang bei der Verdampfung) aber auch Nachteile (Ölrückführung bei vertikalen Systemen, Gefahr des Mitreissens von Flüssigkeit, Kältemittelfüllung sollte bereits beim Wärmepumpenhersteller erfolgen) auf. Sie wurden in der Schweiz aus ökologischen Gründen nie erlaubt (siehe Abschnitt 8.2.3). In Österreich sind sie aber sehr er-folgreich, und es gibt ein offizielles Testinstitut für Systeme mit Direktexpansion in Wien72. Di-rektexpansionssysteme erreichten 1996 in Österreich einen Anteil von 66% [Halozan 1997].2001 hat Karl Mittermayr Erdwärmesonden mit verdampfendem CO2 für praktische Anwendungen zum Funktionieren gebracht. Zu den offensichtlichen Vorteilen (keine Umweltprobleme und wenn ölfrei, keine Zirkulationspumpe (Thermosyphon), hoher Wärmeübergangskoeffizient, stärkste Verdampfung an Stellen mit höchster Temperatur) gesellen sich auch erhebliche Nachteile (hoher Druck , teure Kupferrohre mit Kunststoff-Korrosionsschutz oder flexible nichtrostende Stahlrohre, maximale Tiefe von ca. 75 m, keine passive Sommerkühlung ohne Zirkulationspumpe, sehr hohe Dichtigkeitsanforderungen). Bis 2007 wurden bereits etwa 500 CO2-Sonden installiert [Ehrbar et al. 2004], [Rieberer et al. 2005], [Wenzel 2007]. Diese Erd-wärmesondenvariante wird durch die VDI-Richtlinien 4640 nicht abgedeckt.
SKANDINAVIEN (NORWEGEN, SCHWEDEN, DÄNEMARK, FINNLAND)
Besonders in Schweden führte eine starke Abneigung gegen Kernkraftwerke zu Initiativen zur Reduktion des Energiebedarfs. Wärmepumpen wurden als eine sehr interessante Alternative zu elektrischen Widerstandsheizungen erkannt, da sie den Bedarf an elektrischer Energie um Faktoren reduzieren. Am Institut für Technologie der Universität Lund wurde die von Per Eskilson begonnene Modellierung von Erdwärmesonden durch Göran Hellström zu einer wegwei
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09 Feb 2012
11:00:41 |
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