Add-on-Wärmepumpe steigert die Wirtschaftlichkeit in Heizanlagen mit Heizkörpern
Raumwärme in Gebäuden sowie Warmwasserbereitung machten im Jahr 2023 über 30 Prozent des gesamten Endenergieverbrauchs in Deutschland aus, wie das Umweltbundesamt berichtet. In vielen Objekten kommen zum Heizen noch Erdgas und Heizöl zur Anwendung. Damit bis 2045 ein klimaneutraler Gebäudebestand entsteht, sind im Zuge der Wärmewende also viele Anlagen zu sanieren oder umzustellen. Oft handelt es sich um Heizanlagen in alten Gebäuden mit Heizkörpern, die eine höhere Vorlauftemperatur benötigen (Hochtemperaturheizung), bei denen der Einsatz einer elektrischen Luft-Wasser-Wärmepumpe auf den ersten Blick unwirtschaftlich erscheint. Doch dieser Eindruck kann täuschen…
Das Problem: Hoher Temperaturhub = geringe Effizienz
Bei einer Hochtemperaturheizung sind Vorlauftemperaturen von 55 bis 60 °C im Winter nichts Ungewöhnliches. Doch je höher der Temperaturhub ist, den eine elektrische Wärmepumpe erbringen muss, desto schlechter ist der Wirkungsgrad. In Folge ergeben sich relativ hohe Heizkosten. Auch bei einer PV-Eigenstromversorgung wirkt sich ein niedriger Wirkungsgrad negativ aus: Mehr Verbrauch heißt, dass für denselben Autarkiegrad zum Heizen mehr PV-Module installiert werden müssten.
Die Lösung: Add-on-Wärmepumpe als Effizienz-Booster
Eine Lösung ist, den Temperaturhub auf die hohe Vorlauftemperatur nicht in einem Schritt vorzunehmen, sondern in zwei Stufen. So kann die Heizungswärmepumpe eine erste, kleinere Stufe übernehmen und in dem idealen Betriebsmodus laufen – ähnlich als würde sie eine Niedertemperaturheizung mit nur 36 °C Vorlauftemperatur bedienen. Die Anhebung der Temperatur auf über 60 °C leistet dann ein zweites Gerät, das ausdrücklich für diesen Einsatzbereich konzipiert ist: die eXergiemaschine (eXm).
Die eXergiemaschine ist ein intelligenter Temperatur-Booster für Quellentemperaturen von 35 °C und mehr. Sie kann Zieltemperaturen bis zu 80 °C erreichen und stellt somit Wärme auf einem Niveau bereit, das für Hochtemperaturheizungen (zum Beispiel mit konventionellen Radiatoren, Heizregistern in Lüftungsanlagen oder Hochtemperatur-Fußbodenheizungen) genügt und für die hygienische Warmwasserbereitung geeignet ist.
So funktioniert die eXergiemaschine
Die eXergiemaschine ist eine elektrisch betriebene, spezielle Wasser-Wasser-Wärmepumpe für hohe Quellentemperaturen bis 55 °C und hohe Temperaturhübe. Sie ist erhältlich als
- Wandgerät mit 3 oder 5 kW max. thermischer Leistung und
- Standgerät mit 5, 10, 20, 40 oder 100 kW.
Die eXergiemaschine wird in Kombination mit einem Heizungspufferspeicher (auch Heizspeicher, Wärmespeicher) betrieben und stellt in einem Speicher eine optimierte Temperaturschichtung her. Das heißt, unabhängig vom Abnehmerverhalten sorgt sie für einen heißen Vorlauf zu den Verbrauchern und einen kühlen Rücklauf zu Wärmequellen. Der Betrieb der eXm wird abhängig von den konkreten Temperaturen im Heizspeicher gesteuert.
Im Betrieb entnimmt die eXm über zwei Kreisläufe Wasser aus der Speichermitte (dem warmen Speicherbereich). Ein Kreislauf leitet das Wasser zum Kondensator der eXergiemaschine, wo es erhitzt wird, bevor es in den heißen, oberen Teil des Speichers gelangt. Dort sind zum Beispiel Verbraucher wie HT-Heizkreise oder Warmwasserbereiter angeschlossen. Der andere Kreislauf führt das entnommene Wasser über den Verdampfer und kühlt es herunter, bevor es in den kühlsten Speicherbereich fließt (siehe Bild).
Wird eine Heizungswärmepumpe in ein solches System eingebunden, speist sie die Wärme auf einen Temperaturniveau von knapp 40 °C in den mittleren (warmen) Speicherbereich. Sie muss also nur eine relativ niedrige Temperatur liefern und arbeitet mit hohem Wirkungsgrad. Die eXm hebt die Temperatur ebenfalls sehr effizient an, ein Temperaturhub von ca. 35 auf 60 °C erfolgt oft mit einem COP von ungefähr 5. Gleichzeitig kühlt die eXm den Rücklauf zur Heizungswärmepumpe, was dieser zugutekommt.
Heizungssanierung im Altbau: „Erst mit eXm wirtschaftlich“
Anwendungen im Wärme-Contracting für Wohnungen
Die Ausgangssituation:
In Mehrfamilienhäusern aus dem 1970ern (87 Wohneinheiten, Gesamtfläche ca. 4.000 m²) wurden bisher Gas-Heizungen betrieben, die eine hohe Vorlauftemperatur für die Radiatoren erzeugten. Der Wärmebedarf der Gebäude beträgt ungefähr 175 kWh / (m² * a). Der Einsatz klassischer Heizungswärmepumpen allein war wirtschaftlich kaum sinnvoll. Der Wärme-Contractor Enloc Construct in Dresden wollte dennoch ein Konzept umsetzen, das auf Wärmepumpen basiert und bei dem die neue Heiztechnik keine Mehrkosten für Investoren oder Mieter verursacht.
Technik für die Wärmewende:
In jeder der vier Wärmezentralen des 70er-Jahre-Häuserensembles arbeitet heute eine zweistufige Wärmepumpenlösung. Eine außenaufgestellte Luft-Wasser-Heizungswärmepumpe liefert Wärme auf niedrigem Temperaturniveau und eine zweite Einheit – die eXergiemaschine – übernimmt den Temperatur-Boost auf 60 oder 65 °C. Das Ergebnis: Der CO₂-Ausstoß wird bis zu 95 % reduziert, die Betriebskosten gesenkt. Dank der eXergiemaschine kann das Gesamtsystem mit einer Jahresarbeitszahl von etwa 3,5 arbeiten (statt ~2 ohne die eXergiemaschine). Die Zusatzinvestition in die eXm macht sich daher binnen weniger Jahre bezahlt.
Das Konzept der zweistufigen Wärmepumpenheizung hat Enloc Construct überzeugt. Geschäftsführer Matti Hennel: „Es ist einfach wirtschaftlicher, weil die Heizungswärmepumpe so in dem vorgesehenen Betriebsbereich und entsprechend effizient laufen kann und die eXergiemaschine den weiteren Temperaturhub mit einem COP von über fünf erledigt. Daraus ergeben sich die hohen Systemjahresarbeitszahlen für das Gesamtsystem.“
Klimaschutz mit der eXm: Runter mit dem CO2-Ausstoß
Weitere Einsatzgebiete der eXergiemaschine für eine schnellere Wärmewende:
- Abwärmenutzung: Kompressoren für Kühlzellen und ähnliche Anlagen erzeugen Abwärme oft bei einer geringen Temperatur um 40 °C. Bislang war eine sinnvolle Nutzung zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung oft nur mit hohem technischem Aufwand möglich. Die eXm hingegen kann mit gutem Wirkungsgrad genügend hohe Systemtemperaturen generieren, sodass Abwärme zur Warmwasserbereitung für Reinigungszwecke dienen kann. Das macht den Einsatz anderer Energieträger (zumindest teilweise) überflüssig.
- PV- und Solarertrag erhöhen: Im Sinne eines hohen PV-Stromertrags wird die Wärme aus PVT-Modulen abgeführt und bei geringer Vorlauftemperatur (z.B. 20 bis 40 °C) ausgekoppelt. Die eXm hebt diese Wärme auf ein für Wärmeanwendungen gut nutzbares Temperaturniveau an. Sie kühlt dabei den Rücklauf zu den PVT-Modulen und steigert so nicht nur den Wirkungsgrad der PV-Stromerzeugung, sondern bewirkt auch einen um bis zu zehn Prozent höheren Wärmeertrag.
Weitere Anwendungsgebiete finden Sie auf unserer Website.
Mehr Informationen & technische Details:
www.exergiemaschine.com
