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Luft/Wasser-Wärmepumpen – genauso effizient wie Wärmepumpen

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Energie Apéro Luzern, 4.11.2013
Luft/Wasser-Wärmepumpen – genauso effizient wie Wärmepumpen mit Erdsonden?
Prof. Dr. Beat Wellig
Hochschule Luzern – Technik & Architektur, Horw
Luft/Wasser-Wärmepumpen (L/W-WP) sind heute ein weit verbreitetes System zur Bereitstellung
von Heizenergie, mithin weil sie einfach zu installieren und betreiben sind. Im Hinblick auf die
nachhaltige Entwicklung ist ihre Effizienzsteigerung von grossem Interesse. Verschiedene sich
ergänzende Studien des Bundesamts für Energie (BFE) belegen die Tatsache, dass L/W-WP ein
noch grosses Potenzial zur Einsparung von Primärenergie haben. Insbesondere die Fortschritte in
der Kompressor-, Inverter-, Ventilator- und Pumpentechnologie eröffnen neue Möglichkeiten für
die Prozessführung und ermöglichen damit markante Effizienzsteigerungen von Wärmepumpen.
Besonders vielversprechend erscheint in diesem Zusammenhang die Anwendung der kontinuierlichen Leistungsregelung.
Zur Bestätigung des Potenzials der Leistungsregelung von L/W-WP wurde an der Hochschule
Luzern – Technik & Architektur in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern Emerson Climate
Technologies GmbH und Ziehl-Abegg Schweiz AG eine leistungsgeregelte L/W-WP entwickelt,
aufgebaut und in Versuchsreihen umfassend untersucht. Die Untersuchungen zeigen eindrücklich,
dass bei L/W-WP durch die simultane Leistungsregelung von Kompressor und Ventilator markante
Effizienzsteigerungen erreicht werden können. Vergleiche mit Jahresarbeitszahlen „heutiger“ L/WWP mit Ein/Aus-Regelung aus Feldstudien zeigen, dass durch die simultane Leistungsregelung von
Kompressor und Ventilator Effizienzsteigerungen im Bereich von bis zu 70% erzielt werden können. Im Schweizer Mittelland können Jahresarbeitszahlen über 4 erreicht werden!
L/W-WP-Prototyp (links) und Luftaufbereitungsanlage mit L/W-WP-Prototyp (rechts) an der Hochschule Luzern
Zur weiteren Bestätigung des Potenzials der Leistungsregelung von L/W-WP wurde im Einfamilienhaus von Beat Wellig (Suhr, AG) eine leistungsgeregelte L/W-WP mit optimierter Ventilator/
Verdampfer-Paarung installiert und mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet. Die Wärmepumpe
stellt ganzjährig sowohl die erforderliche Heizwärme als auch das Brauchwarmwasser in monovalenter Betriebsweise bereit. Die seit der Installation der L/W-WP (Sommer 2011) erfassten Messdaten bestätigen eine einwandfreie Funktion der Leistungsregelung sowie eine hohe Effizienz unter
realen Betriebsbedingungen im Feld. Die Jahresarbeitszahl „Heizen“ der Wärmepumpe mit Berücksichtigung der Abtauung und der Ventilatorleistung beträgt 4.1. Die Jahresarbeitszahl mit Berücksichtigung der Brauchwarmwasseraufbereitung beträgt 3.7. Die erreichbaren Jahresarbeitszahlen
5000
Kompressordrehzahl
Luftvolumenstrom
6000
4000
4000
3000
2000
2000
Dampfeinspritzung Keine Dampfeinspritzung
0
1000
-10
-5
0
5
Kontinuierliche
Leistungsregelung
Ein/AusRegelung
f=100 - 49%
f=49 - 47%
10
10
Heizleistung [kW]
-1
Kompressordrehzahl [min ]
f=49 - 47%
3
f=100 - 49%
8000
Ein/AusRegelung
Luftvolumenstrom [m /h]
Kontinuierliche
Leistungsregelung
10
8
8
6
6
AZH+A
4
2
4
Heizleistung:
erzeugt
erforderlich
-10
0
2
0
0
Umgebungstemperatur [°C]
-5
5
10
Arbeitszahl Heizen & Abtauen AZH+A
mit leistungsgeregelten L/W-WP liegen damit im Bereich Ein/Aus-geregelter Wärmepumpen mit
Erdsonden (siehe Feldstudien). Künftige L/W-WP-Systeme mit Leistungsregelung ermöglichen
damit nicht nur beträchtliche Energieeinsparungen, sondern sind anderen Heizsystemen, insbesondere bei Verwendung in sanierten Altbauten, auch wirtschaftlich überlegen.
Umgebungstemperatur [°C]
L/W-WP-Prototyp: Kompressordrehzahl, Luftvolumenstrom, erforderliche und erzeugte Heizleistung sowie Arbeitszahl Heizen & Abtauen des L/W-WP-Prototyps mit Inverter-Scroll Kompressor mit Dampfeinspritzung in Funktion
der Umgebungstemperatur für die Heizkurve Minergie (VL/RL 30°C/25°C bei -10°C Umgebungstemperatur)
Eine zwingende Voraussetzung zur Erreichung effizienter Wärmepumpen mit kontinuierlicher
Leistungsregelung ist der Einsatz von Kompressoren, Ventilatoren und Pumpen mit geeignetem
Teillastverhalten, weiten zulässigen Regelbereichen und hohen Teillastwirkungsgraden. Eine
weitere Voraussetzung, welche massgeblich über die Effizienz leistungsgeregelter Wärmepumpen
entscheidet, ist die Anwendung der „richtigen“ Regelstrategie. Untersuchungen zeigen, dass die
Teillastwirkungsgrade des Kompressors einen starken Einfluss auf die Effizienz und die optimale
Regelung leistungsgeregelter Wärmepumpen haben. Nimmt der Gesamtwirkungsgrad eines
Kompressors bei Teillast stark ab, kann dies bei „falscher“ Regelung des Kompressors dazu führen,
dass die Leistungszahl im Teillastbetrieb mit angepasster Heizleistung unter diejenige einer
Wärmepumpe mit Ein/Aus-Regelung sinkt.
Fussbodenheizung
Brauchwarmwasser
FBH
Speicher
VL
L/W-WP
RL
Umgebungsluft
Frischwasserversorgungnetz
Leistungsgeregelte L/W-WP mit Luftkanal im Einfamilienhaus von Beat Wellig (links) und Prinzipschema des
Heizsystems mit leistungsgeregelter L/W-WP und Frischwassersystem zur Brauchwarmwasseraufbereitung (rechts)
Horw, 29.10.2013, Lukas Gasser, Beat Wellig
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Gesundheitswesen
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