Die Kältemaschine als Wärmepumpe

Wärme kann z. B. aus +10 °C kaltem Grundwasser entnommen werden (in dem dieses gekühlt wird), und die dabei gewonnene Wärmeleistung (Qo+W) kann für eine Betriebsheizung verwendet werden. Die Kühlfunktion im Grundwasser ist dabei unwichtig. Genutzt wird dabei neben der Wärme, die in der Größenordnung der Kühlleistung zur Verfügung steht, auch die Antriebsenergie aus dem Motorantrieb, weil sich die eingesetzte elektrische Energie ebenfalls in Wärme umwandelt.

Der Vorteil des Einsatzes einer Kältemaschine als Wärmepumpe ist, dass keine Wärme durch Umwandlung von Energie – wie z. B. durch Verbrennungsprozesse o. ä. – erzeugt wird, sondern dass bereits in der Umgebung vorhandene Wärme durch Anhebung des Temperaturpotenzials genutzt wird.

Das ist eine außergewöhnlich energieeffiziente, kostengünstige und auch umweltschonende Art der Wärmegewinnung.

Für die Energie-Effizienz des Prozesses ist die Temperatur der zu gewinnenden Abwärme wichtig, weil die Leistungszahl ε der Kältemaschine unmittelbar von der Kondensationstemperatur beeinflusst wird. Soll mit der Abwärme z. B. eine Fußbodenheizung mit einer Heizmitteltemperatur von +30 °C beschickt werden, so reichen +35 °C Kondensationstemperatur aus. Soll ein Prozess z. B. mit +50 °C beheizt werden, muss die Kondensationstemperatur bei +55 °C liegen. Dies lässt die Energie-Effizienz schon deutlich geringer ausfallen. (Die nachfolgenden Berechnungsbeispiele werden dies aufzeigen.)

Zuvor jedoch führen wir die (theoretische auf den Carnot-Prozess bezogene) Wärmeleistungszahl εCW ein, um die Effizienz dieses Prozesses besser beurteilen zu können. Die Kälteleistungszahl εC bezieht sich auf die Kälteleistung und errechnet sich aus dem Quotienten von Kälteleistung durch Antriebsenergie.

Hier addieren wir zur Kälteleistung noch die Antriebsenergie und dividieren dann durch die Antriebsleistung. So erhalten wir die Aussage, wie viel elektrische Energie aufgebracht werden muss, um die gewünschte Heizenergie zu bekommen. Anders formuliert: Wieviel Heizwärme kann aus einer Kilowattstunde elektrischer Energie gewonnen werden? Um eine realistische Betrachtung zu erhalten, muss nicht nur die Antriebsleistung des Verdichters in die Berechnung einfließen, sondern auch die elektrische Leistung aller Hilfsaggregate wie Pumpen und Lüfter. Zudem müssen die über das Jahr hinweg unterschiedlichen Betriebsbedingungen beachtet werden. Aus Gründen der Anschaulichkeit wird an dieser Stelle darauf verzichtet.

Ein Verdichter ist kälteseitig an der Kühlung des Grundwassers mittels Verdampfer angeschlossen. Die Verdampfungstemperatur betrage +2 °C. Da eine Fußbodenheizung beschickt wird, beträgt die Kondensationstemperatur +35 °C.

Der gewählte Verdichter erbringt eine Kühlleistung von 85,9 kW bei einer elektrischen Leistungsaufnahme von 20,9 kW.
Die Kälteleistungszahl (εC) beträgt damit 4,11.

Die Wärmeleistungszahl ergibt sich aus (Kälteleistung + Antrieb) / Antrieb, also:

Das bedeutet: 

Mit einem Einsatz von 1 kWh elektrischer Energie kann man 5,11 kWh Heizenergie erreichen!

Eine Wärmepumpe ermöglicht es also, Heizenergie (in diesem Fall 4,11 kWh oder 80% der gesamten Heizleistung) nahezu kostenlos aus dem Untergrund zu entnehmen! Wird die Wärmepumpe nun noch durch regenerative Energie elektrisch versorgt, ergibt sich eine völlig emissionsfreie Heizmethode.

Ist eine Kondensation von +55 °C notwendig, so verringert sich die Kälteleistungszahl auf 2,6 bei einer Kälteleistung von 66 kW und einer Antriebsleistung von 25,2 kW. Die Wärmeleistungszahl beträgt dann noch 3,6.

Die Amortisation des Verfahrens errechnet sich sehr einfach aus der Tatsache, dass z. B. Heizöl bei der Verbrennung eine Wärmeleistung von 10,2 kWh/L erbringt. Unter Berücksichtigung von Verlusten in den Heizkesseln kann die Verbrennung nicht günstiger als 9 kWh/L sein.

In diesem Beispiel können also 106 kWh Wärme* mit nur 20,9 kWh Strom zur Verfügung gestellt werden. Dividiert durch den Heizwert des Heizöls, ergibt dies bei gleicher Heizleistung einen Heizölbedarf von 106 / 9 = 11,8 Liter pro Stunde.

Bei einem angenommenen Heizölpreis von 0,90 € pro Liter beträgt der Preis: 0,90 x 11,8 Liter = 10,62 €. Kostet der elektrische Strom demgegenüber 0,20 € pro kWh, und werden, bei gleicher Heizleistung, 20,9 kWh Strom verbraucht, dann beträgt der Betriebspreis 4,18 €.

Die Einsparung beträgt demnach:
(10,62 € zu 4,18 €) = 6,44 € pro Betriebsstunde.

Das sind betriebswirtschaftlich überzeugende Gründe, warum Kältemaschinen als Wärmepumpen immer häufiger dort eingesetzt werden, wo eine gute Wärmequelle vorhanden ist, wobei z. B. die Wärmeentnahme – neben der Entnahme aus dem Grundwasser – auch aus Abwasserströmen erfolgen kann.

Natürlich hängt die Energieeinsparung ganz maßgeblich von der Entwicklung des Öl- bzw. Gas- und des Strompreises ab. Für entsprechende Berechnungen ist man also auf Voraussagen (Schätzwerte) der Preisentwicklung angewiesen, und die Rechenergebnisse sind mit einer gewissen Unsicherheit behaftet.

Beispiele aus der Praxis (um nur einige zu nennen) sind die:

• Beheizung von Schwimmbädern aus Grundwasser
• Gebäudeheizung mittels warmer Luft in Fabriken
• Gewinnung von Prozesswärme für industrielle Zwecke

Quelle:

Reisner, Klaus; Reisner, Timo

Fachwissen Kältetechnik
Eine Einführung für die Aus- und Weiterbildung mit Aufgaben und Lösungen

6., neu bearbeitete und erweiterte Auflage 2016
ISBN 978-3-8007-4098-7, E-Book: ISBN 978-3-8007-4099-4

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