Gaswärmepumpen und Kältetechnik

Eine effiziente Lösung um den Heizbedarf und den Wunsch nach einer Klimatisierung in Einklang zu bringen, bieten Gaswärmepumpen und Absorptionstechniken, die die Abwärme nutzen, wie z. B. bei der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung. Solch eine Technik kann zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten eingesetzt werden. Typische Einsatzfelder sind beispielsweise Industrie- und Gewerbebetriebe, Messehallen, Hotels, Kaufhäuser, Supermärkte, Verwaltungsgebäude, Einkaufszentren, Supermärkte und Tankstellen-Verkaufsräume.

Man unterscheidet zwischen gasmotorischen Wärmepumpen, die auch Gasklimageräte genannt werden, und Gasabsorptionswärmepumpen. Beiden gemeinsam ist, dass sie über den Wärmepumpeneffekt effizient Wärme zur Beheizung von Räumen und zur Warmwasserbereitung bereitstellen und effizient kühlen können.

Bild 1 zeigt eine gasmotorische Wärmepumpe. Als Wärmequelle beim Heizen bzw. als Wärmesenke beim Kühlen dient die Umgebungsluft. Die Geräte werden in der Regel außen aufgestellt, ein zusätzlicher Raum für die Heiz- bzw. Kühltechnik ist somit nicht erforderlich. Die Heiz- und Kühlleistung wird entweder über Kältemittelkreisläufe oder Wasserkreisläufe im Gebäude verteilt. Die Abgase verlassen das Gerät durch einen integrierten Abgasstutzen, der im Bild auf der Oberseite des Gerätes mittig zu erkennen ist. Eine weitere Abgasabführung ist nur erforderlich, wenn sich z. B. Fenster oder Frischluftansaugungen in der Nähe des Abgasstutzens befinden.

In Deutschland sind die Geräte z. B. von Aisin (Toyota Group) und Sanyo verfügbar, die in Kooperation mit ihren deutschen Vertriebspartnern Berndt und Kaut vertrieben werden.

Obwohl es diese Geräte in Deutschland erst seit wenigen Jahren gibt, handelt es sich um eine etablierte und weit verbreitete Technik. Weltweit gibt es mehr als 600 000 Geräte mit einer Anschlussleistung von mehr als 7000 MW.

Das Prinzip der motorischen Gaswärmepumpe, auch Gasklimagerät genannt, zeigt Bild 2. Wie bei elektrischen Wärmepumpen und Kälte­maschinen besteht auch hier der Aufbau aus Verdichter, Kondensator, Drossel und Verdampfer. Der Verdichter wird jedoch durch einen Gasmotor angetrieben (Bild 3). Hierdurch steht neben der Umweltwärme auch die Abwärme des Motors zur Verfügung. Für den Betrieb ergeben sich gegenüber elektrischen Geräten folgende Vorteile:

keine Abtauzyklen,

schnellere Bereitstellung von Wärme,

höhere Heizleistung auch bei niedrigen Temperaturen.

Darüber hinaus reduziert sich die elektrische Anschlussleistung, und elektrische Lastspitzen werden vermindert. Beides führt zu geringeren Kosten für den Betreiber.

Eine Gasabsorptionswärmepumpe zeigt Bild 4. Auch dieses Gerät wird zum Heizen und Kühlen eingesetzt. Als Wärmequelle bzw. -senke nutzt dieses Gerät beispielsweise Bodensonden oder Flächenkollektoren. Analog zu den motorischen Gaswärmepumpen gibt es sie auch mit Luftwärmetauschern. Je nach Bauart werden Gasabsorptionswärmepumpen innerhalb oder außerhalb von Gebäuden platziert.

Das Funktionsprinzip zeigt Bild 5. Im Unterschied zum mechanischen Verdichter wird hier Wärme, die z.B. durch einen Erdgasbrenner erzeugt wird, genutzt. Aus dem Gemisch zweier unterschiedlich leicht siedender Flüssigkeiten (z. B. Ammoniak und Wasser) wird die leichter siedende Flüssigkeit ausgetrieben (in diesem Beispiel das Ammoniak) und für den Wärmepumpen- bzw. Kältekreislauf genutzt. Dieser läuft analog zu den Prozessen mit motorisch angetriebenem Verdichter. Den Eingang des „thermischen Verdichters“ bildet der Absorber, in dem das Ammoniak wieder in Wasser gelöst wird. Hierbei wird zusätzliche Wärme freigesetzt, die genutzt werden kann. Das ammoniakreiche Gemisch wird über eine kleine mechanische Pumpe kontinuierlich in den Austreiber gefördert, das ammoniakarme Gemisch mit hohem Wasseranteil fließt im Gegenzug kontinuierlich über eine Druckentspannung in den Absorber-Behälter.

Neben dem Brenner kann auch Abwärme – z. B. aus einem BHKW – als Wärmequelle für den thermischen Verdichter eingesetzt werden.

Die Heiz- und Kühlleistung wird über Wasserkreisläufe im Gebäude verteilt. Auch diese Geräte eignen sich zur Brauchwassererwärmung. Bei Innenaufstellung werden Abgassysteme wie bei konventionellen Gaskesseln eingesetzt, bei Außenaufstellung reichen einfachere Systeme bzw. Abgasstutzen aus.

Die Wirtschaftlichkeit einer Gaswärmepumpe zum Heizen und Kühlen hängt vor allem vom Einsatzfall und von der Benutzungsdauer ab. Bild 6 zeigt exemplarisch die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für eine motorische Gaswärmepumpe zur Beheizung und Kühlung eines Büro- und Verwaltungsgebäudes. Da mit Gaswärmepumpen nur ein System zum Heizen und Kühlen erforderlich ist, kann dieses zu einer Einsparung von Investitions- und somit von Kapitalkosten führen. Weiterhin wird die Einsparung bei den Energiekosten deutlich, da Erdgas i.d.R. pro kWh günstiger als elektrischer Strom ist.

Plant ein Nutzer den Einsatz einer Gaswärmepumpe, so sollte er eine individuelle Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchführen. Hierbei kann er Unterstützung durch Planer, Installateure, die Hersteller und seinen Energieversorger bekommen. Dieses Know-how sollte genutzt werden, um die Anlage in der richtigen Leistungsgröße auszuwählen, und um die Vorteile der Geräte möglichst weitgehend nutzen zu können.

Vorteile von Gaswärmepumpen:

Energieeinsparung durch den Wärmepumpeneffekt beim Heizen,

geringere Energiekosten durch die im Vergleich zum Strom niedrigeren Erdgaspreise,

Reduzierung elektrischer Lastspitzen im Sommer,

durch Einsatz des Primärenergieträgers „Erdgas“ Vermeidung von Umwandlungsverlusten in Kraftwerken,

vielfach Außenaufstellung möglich, dadurch kein Raumbedarf in Gebäuden.

Neben den Gaswärmepumpen werden insbesondere in industriellen und gewerblichen Anwendungen Absorber zur reinen Kälteerzeugung eingesetzt, insbesondere als Komponenten von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs-Anlagen. Hierdurch kann die Laufzeit von Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung deutlich verlängert werden, was deren Wirtschaftlichkeit verbessert. Insbesondere in den Sommermonaten, wenn weniger Wärme benötigt wird, kann durch die Kälteerzeugung aus der BHKW-Abwärme die die verfügbare Wärme genutzt werden.