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Startseite - GBT Forum - W√§rmepumpen !!
 

Wärmepumpen !!

Text Datum Benutzer
Wärmepumpen !!
Hallo !!!
Ich mache ein Referat √ľber w√§rmepumpen.
Kennt sich jemand damit aus ?
Bitte melden !
18 Jun 2005
14:16:23
Johannah
Wärmepumpen Vortrag Technik Systeme Gebäudetechnik
Guten Morgen,

im Anhang Links zu Wärmepumpen Vorträge, viel Erfolg!

Gruss Wallemann


http://www.fws.ch/dateien/bernhard_eggen.pdf

http://www.forumenergie.ch/pub/events/docs/FEZ_EV050405_Wellig_000.pdf

http://www.zafh.net/dokumente/Sence_pelz.pdf

http://www.gbt.ch/forum_topic.php?f=3&id=382

http://www.energieland.nrw.de/aktuelles/fk2005/C6-Eckert.pdf


W√§rmepumpen & Co. dezentrale L√ľfter mit W√§rmer√ľckgewinnung
Latentspeicher (PCM-Speicher, Paraffin)
Takten und Leistungszahl
Flächentemperierungssysteme
Wärmepumpe
Kreislauf
Wärmequelle Außenluft
Erdwärmetauscher
Wärmequelle Wasser
Direkterwärmung (AVENIR)
Adsorptionswärmepumpen
Wärmequelle Sole
Wärmequelle Massiv-Absorber
Studie-Abwasser-Wärmepumpe
Wirtschaftlichkeit
Praxisbeispiele
wichtige Randbemerkungen
Exkursion in die Geothermie
Grundsätzliches:


Wer in eine energetische Ma√ünahme u.U. viel Geld investieren m√∂chte, sollte die damit verbundenen bzw. wesentlichen Vor- und Nachteile genau √ľberpr√ľfen (lassen).


Neben den Kosten/Nutzen-Berechnungen sind auch bautechnische und/oder gesundheitliche Aspekte von großer Tragweite. Derartige Hinweise werden in Hochglanzprospekten häufig nicht angesprochen.


Die hier dargestellten Produktinformationen entstammen unterschiedlichen Quellen und dienen lediglich der Information. Sie ersetzen oder ergänzen keinesfalls Herstellerangaben.


F√ľr die ordnungsgem√§√üe Funktionalit√§t usw. haften ausschlie√ülich die Hersteller bzw. die Vertreiber.
dezentraler L√ľfter mit WRG:

Die moderne Niedrigenergiebauweise wie auch die moderne Gebäudesanierung, hat durch effektive Wärmedämmung den Heizenergieverlust auf ein Minimum reduziert. Es gibt keine Fugen oder Ritzen mehr, durch die Raumluft unkontrolliert entweicht oder frische Luft eindringt.

Bei geschlossenen Fenstern findet praktisch keine Luftzirkulation mehr zwischen drinnen und draußen statt, das Gebäude ist luftdicht.

Raumluft verbraucht sich jedoch schnell, die Luftqualität nimmt rapide ab, das Wohnklima verschlechtert sich.

Regelm√§√üiges L√ľften wird zur unabdingbaren Voraussetzung f√ľr gesundes Wohnen und pers√∂nliches Wohlbefinden.

L√ľftungssystem ‚ÄúThermo-L√ľfter 1230‚ÄĚ mit W√§rmebereitstellungsgrad 80 % und bauaufsichtlicher Zulassung (Z-51.3-150)

Latentspeicher (PCM-Speicher, Paraffin)

Was ist ein LATENT-Speicher und wer und wo kann man ihn einsetzen? Lassen Sie es mich anhand eines leicht verständlichen Beispiels erklären:

Erhitzt man fl√ľssiges Wasser lange genug, f√§ngt es an zu kochen. Von diesem Zeitpunkt an geht das Wasser in die gasf√∂rmige Phase √ľber. Der Teil, der noch fl√ľssig ist, erw√§rmt sich nicht weiter, obwohl man st√§ndig weitere W√§rmeenergie zuf√ľhrt. Wo bleibt diese Energie? Sie wird ben√∂tigt, um das fl√ľssige Wasser in Wasserdampf zu √ľberf√ľhren.

Mit Wasserdampf ist hier unsichtbares gasförmiges Wasser gemeint und nicht der Dampf, den man sieht, wenn das Essen "dampfend" auf dem Tisch steht. Die benötiget Energiemenge bezeichnet man als Verdampfungswärme.

Diese betr√§gt f√ľr Wasser etwa 2.257 J/g. Sie ist ein Teil der im Wasserdampf enthaltenen latenten W√§rme, und wird beim kondensieren des Wassers als Kondensationsw√§rme, wieder frei. Wandelt sich fl√ľssiges Wasser beim abk√ľhlen in Eis um, wird Kristallisationsw√§rme frei, der zweite Teil der latenten W√§rme.

Um Eis wieder in den fl√ľssigen Aggregatzustand zu versetzen, ben√∂tigt man die Schmelzw√§rme. Sie betr√§gt etwa 335 J/g. Wasserdampf kann auch direkt vom gasf√∂rmigen in den festen Zustand √ľbergehen und umgekehrt, ohne dabei in die fl√ľssige Phase √ľberzugehen.

Diesen Vorgang bezeichnet man in beiden Richtungen als Sublimation. Dies tritt beispielsweise bei der Rauhreifbildung auf. Dabei werden sowohl Kondensations- als auch Kristallisationswärme frei, also 2.592 J/g.

Angenommen Sie w√ľrden 1 dm Eis von 0 ¬įC erw√§rmen, um 1 dm Wasser von 0 ¬įC zu erhalten, dann m√ľssten Sie ungef√§hr die gleiche Energiemenge aufbringen, die ben√∂tigt wird, um 1 dm Wasser von 0 ¬įC auf 80 ¬įC zu erw√§rmen. Anhand dieses Beispiels k√∂nnen Sie sich auch als Nichtphysiker vorstellen, von welchen Gr√∂√üenordnungen, wir hier ausgehen, denn verwendet man anstatt Wasser z.B. Paraffin, dann √∂ffnen sie "energetische Welten", die locker das 4-fache betragen k√∂nnen (Physiker m√∂gen mir diese einfache Darstellung verzeihen).

Gehen Sie nun davon aus, dass die so gespeicherte "latente" Energie zu jedem beliebigen Zeitpunkt als so genannte "sensible" Energie, d.h. als f√ľhlbare Energie verwendet bzw. in Ihrem Heizungssystem eingesetzt werden kann.

Fazit:

Kostenlose Energie ganzj√§hrig latent speichern, um dann nach Bedarf abgerufen werden zu k√∂nnen. Ein Latent-Speicher kann erg√§nzend zu allen g√§ngigen Heizungsanlagen (√Ėl-, oder Gasheizung, alle W√§rmepumpenarten, Holzpellets, St√ľckholzheizung, Brennstoffzelle usw.) eingesetzt werden. Wer jedoch richtig und zukunftsorientiert sparen m√∂chte, der nutzt die kostenlose Solarthermie als Hauptenergielieferanten.

Die Auslegung (Berechnung) des Latent-Speichers ist jedoch eine Angelegenheit f√ľr Spezialisten, denn alle Energietr√§ger (alte Heizung + Solarthermie + Latentspeicher + Anlagetechnik) m√ľssen optimal aufeinander abgestimmt werden, wenn man f√ľr sein sauer verdientes Geld eine Top-Spar-Heizung w√ľnscht.

Wenden Sie sich deshalb ohne zu zögern, und vertrauensvoll an uns, denn wir kennen die Fachleute, auf die Sie sich in Puncto Lieferung, Einbau und Funktionalität garantiert verlassen können. In einer PDF-Datei können Sie sich die Wirkungsweise der Latent-Abläufe nochmals anschauen, und/oder ausdrucken.

Das Takten und die wahre Leistungszahl von √Ėl- und Gasheizungen:

Hier erfahren Sie, was Ihnen von Heizkesselherstellern und von Heizungsinstallateuren √ľber das Takten (Ein- und Ausschalten des Brenners) und √ľber die dadurch abzuleitende "wirkliche" Leistungszahl (Wirkungsgrad) beharrlich verschwiegen wird. Schlie√ülich hat man ja gr√∂√ütes Interesse daran, in den n√§chsten Jahren noch √ľber 5 Millionen Heizkessel an den Mann, bzw. an die Frau zu bringen ...

Hierzu eine interessante Geschichte eines ehemaligen Heizkesselherstellers:

"... Nehmen wir einmal an, Sie haben ein Auto, dessen Benzinverbrauch mit 8 ltr. / 100 km angegeben ist. Nun starten Sie, fahren 1 km und machen dann 10 Minuten Pause. Sie starten wieder, fahren wieder 1 km und machen auch wieder 10 Minuten Pause. Sie starten wieder, ..............und so weiter und so fort. Was soll der Unsinn, werden Sie nun fragen. Wenn Sie dann am Ziel sind (100 km), f√ľllen Sie Ihren Tank wieder auf. Vermutlich werden Sie anstatt 8 ltr. nun 40 ltr. einf√ľllen m√ľssen. So f√§hrt doch wohl kein Mensch werden Sie jetzt sagen - Sie haben recht, aber warum heizen dann alle so?..."

Den vollständigen und höchst interessanten Brief können Sie hier als PDF-Datei (Takten) downloaden.

F√ľr weitere Informationen und Probleml√∂sungen stehen wir Ihnen gerne zur Verf√ľgung.

Flächentemperierungssysteme:

Was ist ein LATENT-Speicher und wer und wo kann man ihn einsetzen? Lassen Sie es mich anhand eines leichtverständlichen Beispiels erklären:

Erhitzt man fl√ľssiges Wasser lange genug, f√§ngt es an zu kochen. Von diesem Zeitpunkt an geht das Wasser in die gasf√∂rmige Phase √ľber. Der Teil, der noch fl√ľssig ist, erw√§rmt sich nicht weiter, obwohl man st√§ndig weitere W√§rmeenergie zuf√ľhrt. Wo bleibt diese Energie? Sie wird ben√∂tigt, um das fl√ľssige Wasser in Wasserdampf zu √ľberf√ľhren.

Mit Wasserdampf ist hier unsichtbares gasf√∂rmiges Wasser gemeint und nicht der Dampf, den man sieht, wenn das Essen ‚Äúdampfend‚ÄĚ auf dem Tisch steht. Die ben√∂tigte Energiemenge bezeichnet man als Verdampfungsw√§rme.

Diese betr√§gt f√ľr Wasser etwa 2.257 J/g. Sie ist ein Teil der im Wasserdampf enthaltenen latenten W√§rme, und wird beim kondensieren des Wassers als Kondensationsw√§rme wieder frei. Wandelt sich fl√ľssiges Wasser beim Abk√ľhlen in Eis um, wird die Kristallisationsw√§rme frei, der zweite Teil der latenten W√§rme.
Um Eis wieder in den fl√ľssigen Aggregatzustand zu versetzen, ben√∂tigt man die Schmelzw√§rme. Sie betr√§gt etwa 335 J/g. Wasserdampf kann auch direkt vom gasf√∂rmigen in den festen Zustand √ľbergehen und umgekehrt, ohne dabei in die fl√ľssige Phase √ľberzugehen.

Diesen Vorgang bezeichnet man in beiden Richtungen als Sublimation. Dies tritt beispielsweise bei der Rauhreifbildung auf. Dabei werden sowohl Kondensations- als auch Kristallisationswärme frei, also 2.592 J/g.

Angenommen Sie w√ľrden 1 dm Eis von 0 ¬įC erw√§rmen, um 1 dm Wasser von 0 ¬įC zu erhalten, dann m√ľ√üten Sie ungef√§hr die gleiche Energiemenge aufbringen, die ben√∂tigt wird, um 1 dm Wasser von 0 ¬įC auf 80 ¬įC zu erw√§rmen. Anhand dieses Beispiels k√∂nnen Sie sich auch als Nichtphysiker vorstellen, von welchen Gr√∂√üenordnungen wir hier ausgehen, denn verwendet man anstatt Wasser z.B. Paraffin, dann √∂ffnen sie "energetische Welten", die locker das 4-fache betragen k√∂nnen (Physiker m√∂gen mir diese einfache Darstellung verzeihen).

Gehen Sie nun davon aus, dass die so gespeicherte "latente" Energie zu jedem beliebigen Zeitpunkt als so genannte "sensible" Energie, d.h. als f√ľhlbare Energie verwendet bzw. in Ihrem Heizungssystem eingesetzt werden kann.

Fazit:

Kostenlose Energie ganzj√§hrig latent speichern, um dann nach Bedarf abgerufen werden zu k√∂nnen. Ein Latent-Speicher kann erg√§nzend zu allen g√§ngigen Heizungsanlagen (√Ėl-, oder Gasheizung, alle W√§rmepumpenarten, Holzpellets, St√ľckholzheizung, Brennstoffzelle usw.) eingesetzt werden. Wer jedoch richtig und zukunftsorientiert sparen m√∂chte, der nutzt die kostenlose Solarthermie als Hauptenergielieferanten.

Die Auslegung (Berechnung) des Latent-Speichers ist jedoch eine Angelegenheit f√ľr Spezialisten, denn alle Energietr√§ger (alte Heizung + Solarthermie + Latentspeicher + Anlagetechnik) m√ľssen optimal aufeinander abgestimmt werden, wenn man f√ľr sein sauer verdientes Geld eine Top-Spar-Heizung w√ľnscht.

Wenden Sie sich deshalb ohne zu zögern und vertrauensvoll an uns, denn wir kennen die Fachleute, auf die Sie sich in Punkto Lieferung, Einbau und Funktionalität garantiert verlassen können. In einer PDF-Datei können Sie sich die Wirkungsweise der Latent-Abläufe nochmals anschauen, und/oder ausdrucken.

Was ist eine Wärmepumpe?


Das Grundprinzip der W√§rmepumpe kann man anhand der Arbeitsweise eines K√ľhlschrankes erkl√§ren. Dort wird dem K√ľhlgut √ľber den Verdampfer W√§rme entzogen und √ľber den Verfl√ľssiger an der R√ľckseite des Ger√§tes in den Raum abgegeben.

Bei der W√§rmepumpe entzieht der Verdampfer die W√§rme aus der Umwelt (Luft, Wasser, Erdreich) und f√ľhrt sie √ľber den Verfl√ľssiger dem Heizsystem (Fu√übodenheizung oder Radiatoren) zu.

Brechnungsbeispiel der Firma Ochsner:

Klicken Sie auf eines der Fotos und √ľberzeugen Sie sich selbst von den Vorteilen einer W√§rmepumpe:



Wenn Sie sich etwas tiefer mit W√§rmepumpen befassen m√∂chten und zus√§tzlich den Vergleich zu √Ėl- und Gasheizungen suchen, dann √∂ffnen Sie diese pdf-Datei

Wenn Sie wissen möchten, wie eine Wärmepumpe mit Solarthermie und Latentspeicher funktioniert und PowerPoint besitzen, dann klicken Sie HIER.,

Der Kreisprozess (siehe Schema) erfolgt nach einfachen physikalischen Gesetzm√§√üigkeiten. Das Arbeitsmittel, eine schon bei niedriger Temperatur siedende Fl√ľssigkeit (K√§ltemittel), wird in einem Kreislauf gef√ľhrt und dabei nacheinander verdampft, verdichtet, verfl√ľssigt und entspannt.

Im Verdampfer befindet sich das fl√ľssige Arbeitsmittel bei niedrigem Druck. Die Umgebungstemperatur des Verdampfers ist jedoch h√∂her als die dem vorhandenen Druck entsprechende Siedetemperatur des Arbeitsmittels. Diese Temperaturdifferenz bewirkt eine W√§rme√ľbertragung von der Umgebung auf das Arbeitsmittel, wobei das Arbeitsmittel siedet und verdampft. Die dazu erforderliche W√§rme wird der W√§rmequelle (Luft, Wasser, Erde) entzogen.

Das nun dampfförmige Arbeitsmittel wird ständig vom Verdichter aus dem Verdampfer abgesaugt und verdichtet. Bei der Verdichtung steigt sowohl der Druck des Dampfes, als auch seine Temperatur.

Vom Verdichter gelangt das erhitzte Arbeitsmittel in den Verfl√ľssiger, der vom Heizungswasser umsp√ľlt wird. Die Temperatur des Heizwassers ist niedriger als die Verfl√ľssigertemperatur, so dass der Dampf gek√ľhlt und dabei wieder verfl√ľssigt wird. Die im Verdampfer aufgenommene Energie (W√§rme), zuz√ľglich der durch das verdichten zugef√ľhrten Energie (Strom), wird im Verfl√ľssiger freigesetzt und an das k√§ltere Heizwasser abgegeben.

Zum Schluss wird nach dem Verfl√ľssigen das Arbeitsmittel √ľber ein Expansionsventil wieder in den Verdampfer zur√ľckgef√ľhrt. Das Arbeitsmittel wird dabei von dem hohen Druck des Verfl√ľssigers auf den niedrigen Druck des Verdampfers entspannt (expandiert). Beim Eintritt in den Verdampfer sind der Anfangsdruck und die Anfangstemperatur wieder erreicht. Der Kreislauf ist geschlossen und beginnt immer wieder von neuem.

Wärmequelle Außenluft:

Au√üenluft steht immer und √ľberall in unbegrenzter Menge zur Verf√ľgung. Durch eine in der W√§rmepumpe integrierte Abtaueinrichtung ist eine einwandfreie Funktion bis ca. -20 ¬įC gegeben.

Eine Au√üenluft-W√§rmepumpe eignet sich √ľberall zum nachtr√§glichen Einbau (besonders bei Altbauten). Dort wo es die √Ėrtlichkeit zul√§sst (ausreichende Gartenfl√§che) kann die Au√üenluft √ľber ein im Erdreich verlegtes Rohrsystem (Erdw√§rmetauscher) auch extrem kalte Luftmassen von unter -20 ¬įC noch auf deutlich √ľber 0 ¬įC erw√§rmen.

Die Wirkung des Erdwärmetauschers besteht darin, dass im Winter die kalte Außenluft im Erdreich vorgewärmt wird und somit den Temperaturwirkungsgrad der Wärmepumpe sehr deutlich anhebt.

Dadurch garantiert monovalenter Anlagenbetrieb, dass in allen Regionen Deutschlands noch geringere Heizenergiekosten möglich sind. Die Röhren des Erdwärmetauschers können unter fachlicher Anleitung vom Bauherrn in Eigenleistung verlegt werden.

Erdwärmetauscher (ETW):

E r d w ä r m e t a u s c her können vorteilhaft den Energieverbrauch von Gebäuden beeinflussen. Im Winter wärmen sie die Luft zur Ventilation von Gebäuden bei minimalen Betriebskosten vor, im Sommer helfen sie, Überhitzung von Gebäuden zu vermeiden. Beides trägt dazu bei, das Gebäudeklima und den Wohnkomfort mit einfachen Mitteln und sehr geringen Kosten zu erhöhen.

Trotz des meist einfachen Aufbaus von ETW ist es schwierig, deren Temperaturverhalten und Wärmeertrag in ausreichender Genauigkeit zu berechnen.

Aber auch Gr√∂√üe und Lage des EWT und eine erforderliche Entw√§sserung, sowie Filtereigenschaften der erw√§rmten Luft bed√ľrfen gewissenhafter Berechnungen...

Schwierig bedeutet jedoch nicht unmöglich, denn wir berechnen und optimieren auf der Basis analytischer Berechnungen die Auslegung Ihres ETW.


Wärmequelle Wasser:

Die effektivste W√§rmequelle f√ľr Umweltw√§rme ist Grundwasser. Sofern diese in geeigneter Qualit√§t und Tiefe vorhanden ist. Eine konstante Temperatur von +8 bis 12 ¬įC pr√§destiniert den Energietr√§ger Grundwasser f√ľr die Ganzjahresheizung zu niedrigsten Betriebskosten.

Die hohen Jahresarbeitszahlen (Wirkungsgrade) dieser W√§rmequelle sind unerreicht. Dabei wird das Grundwasser vom F√∂rderbrunnen zur W√§rmepumpe und von dort in den zirka 15 m entfernten Schluckbrunnen gef√ľhrt.











TOP



Erdwärme Direkterwärmung (Typ: AVENIR):

Der Flachkollektor des Erdw√§rmesystems stellt einen besonders wirkungsvollen Sonnenkollektor dar: Er liefert auch nachts und im Winter W√§rme! Das Erdreich dient dabei als nat√ľrliche Speichermasse, welche bei kompetenter Planung weit √ľber die Heizperiode ausreicht.

Bei der Direkterwärmung zirkuliert das Arbeitsmittel als Wärmeträgermedium im Erdkollektor in einer Verlegetiefe von 100 bis 120 cm. Zwischenwärmetauscher und Soleumwälzpumpen entfallen.

Daher ist das System besonders wirtschaftlich und betriebssicher. Der Erdkollektor besteht aus dickwandigen, nahtlosen Kupferrohren mit Kunststoffummantelung.

Ein Kollektor in Form eines kunststoffummantelten Kupferrohres enth√§lt ein Medium, das die Energie aus dem Boden aufnimmt.Das Medium transportiert die Energie zur W√§rmepumpe die sie in Heizw√§rme umwandelt. Im Inneren des Hauses wird die W√§rme √ľber einen herk√∂mmlichen Niedertemperatur-Wasserkreislauf verteilt.

Der Kreislauf mit der K√ľhlfl√ľssigkeit umfasst sowohl die im Erdreich verlegten Kollektoren als auch die Fu√übodenheizung im Inneren des Hauses. Bei dieser Methode kann die Temperatur nicht getrennt f√ľr die einzelnen R√§ume eingestellt werden. Die Option K√ľhlung entf√§llt ebenfalls.

Ein Kollekt or in Form eines kunststoffummantelten Kupferrohres enth√§lt ein Medium, das die Energie aus dem Boden aufnimmt.Das Medium transportiert die Energie zur W√§rmepumpe die sie in Heizw√§rme umwandelt. Im Inneren des Hauses wird die W√§rme √ľber einen herk√∂mmlichen Niedertemperatur-Wasserkreislauf verteilt.





Die Vorteile:

Die Temperatur kann f√ľr jeden Raum getrennt geregelt werden

Verwendung bei herkömmlichen Niedertemperatur-Heizsystems

maximale Leistung der Heizqualität und der Einsparungen

K√ľhlung als Option f√ľr den Sommer m√∂glich



ie Energieaufnahme in den Kollektoren und der Energietransport findet mit Hilfe von mit Glykol (Frostschutzmittel) versetztem Wasser statt. Das Wasser transportiert die Wärme zur Wärmepumpe, die die Energie in Heizwärme umwandelt.



Die Vorteile:

Möglichkeit, Grundwasser oder eine Quelle zu nutzen

Wenn die Grundst√ľcksfl√§che f√ľr eine flache Verlegung nicht ausreicht, kann eine Tiefensonde installiert werden.

Adsorptionswärmepumpen (z.B. Zeolith)

Eine neue Entwicklung sind sogenannte Adsorptionsw√§rmepumpen, auf Basis des Stoffsystems Zeolith und Wasser. Sie sollen k√ľnftig h√∂here Wirkungsgrade erreichen als Niedertemperatur- und Brennwertger√§te. Adsorptionsw√§rmepumpen unterscheiden sich von herk√∂mmlichen Kompressionsw√§rmepumpen im Wesentlichen durch den Antrieb.

Komperessionswärmepumpen arbeiten mit einem motorisch angetriebenen Verdichter, die Adsorptionstechnik beruht dagegen auf einem thermischen Antrieb. Beim Zeolith-Heizgerät wird Wasser - das Kältemittel- in einem periodischen Prozess an Zeolith angelagert und durch Wärmezufuhr wieder ausgetrieben.

Die daf√ľr ben√∂tigte W√§rme liefert eine Gasbrennwerttherme. Energiewandelverluste, wie sie bei der Erzeugung von Strom f√ľr den Antrieb von Elektro-W√§rmepumpen notwendig anfallen, treten nicht auf. Durch das zus√§tzliche Einspeisen von Umgebungsw√§rme in den Prozess k√∂nnen im Jahresdurchschnitt Wirkungsgrade von bis zu 135% erreicht werden.

Damit √ľbertrifft das Heizger√§t auch Brennwertger√§te, die einen maximalen Wirkungsgrad von 111% (bezogen auf Hu) erzielen k√∂nnen. √Ąhnliche Wirkungsgrade werden dank Einkoppelung von Umweltw√§rme auch von der Diffusions-Absorptionsw√§rmepumpe der Fa. Buderus erreicht einer zweiten Neuentwicklung im Bereich der Gasw√§rmepumpen. Hier wird ein Ammoniak-Wassergemisch als Arbeitsmedium eingesetzt mit Helium als Tr√§gergas. Vorgesehen ist, ein System f√ľr den Neubau mit einer maximalen Heizleitung von 11 kW auf den Markt zu bringen. Ein zweites System mit einer Leitung von 19 kW wird f√ľr den Sanierungsbereich entwickelt.

Ziel des innovativen Projektes "Zeolith: Ein Mineral zum energieeffizienten Heizen und K√ľhlen" war die Entwicklung einer Nachfolgetechnologie der Brennwerttechnik. Im Rahmen des Projekts wurde ein energieeffizientes Heizsystem f√ľr Raumheizungen und Brauchwasser entwickelt. Das System ist eine Kombination aus einem Brennwertkessel des aktuellen Standes der Technik und einer mit einem Gasbrenner angetriebenen Feststoff-Sorptionsw√§rmepumpe mit dem umweltvertr√§glichen Arbeitsstoffpaar Wasser und dem Mineral Zeolith. Dieses Heizkesselsystem der Zukunft heizt und k√ľhlt zugleich! N√§here Informationen erhalten Sie u.a. bei den Firmen Buderus und Vaillant. (pdf-Datei BINE und IZW)

Erdwärme Sole:

Bei gen√ľgend Gartenfl√§che die preisg√ľnstigste L√∂sung. Im unverrottbaren Rohrsystem zirkuliert ein W√§rmetr√§germedium (Sole), welches die Sonnenenergie als Erdw√§rme aufnimmt und zur W√§rmepumpe leitet. Die Flachkollektoren werden in einer Tiefe von 120 bis 140 cm verlegt.

Dort wo die Gartenfl√§che nicht ausreicht, k√∂nnen K√ľnettenkollektoren in einer Tiefe von ca. 180 cm verwendet werden. Aber auch Erdsonden k√∂nnen bei sehr geringem Platzanteil optimal genutzt werden.



Ab einer Tiefe von 15 m herrscht eine konstante Jahrestemperatur, die ab ca. 30 m nach der geothermischen Tiefenstufe allmählich ansteigt. Zwei parallele Sondenkreise bilden dabei eine Erdsonde.

Anmerkungen zu Erdkollektoren und Erdsonden:

Als Faustformel gilt, das zwei bis dreifache der zu beheizenden Fl√§che ergibt die Erdreichfl√§che des Erdkollektors. Der Erdkollektor besitzt daher ideale Voraussetzungen f√ľr einen monovalenten Heizungsbetrieb. Die Entzugsleistung des Erdreichs liegt je nach Bodenbeschaffenheit zwischen 15 und 35 Watt pro m¬≤. Bei Erdsonden zwischen 30 und 100 Watt pro Meter Sondenl√§nge (n√∂rdl. BaW√ľ. durchschnittlich zw. 50 und 60 W/m).

Hier können Sie den Bohrablauf in einer keinen (aktuellen, 12.05.2005) Fotogalerie verfolgen.

Massiv-Absorber-Heizsysteme:

Hier nutzen massive luftgekoppelte Betonbauteile, z.B. Umfriedungs-, St√ľtz- oder Schallschutzmauern, Carports oder Garagen, Balkonbr√ľstungen sowie Betonfassaden die Sonnenw√§rme. Zus√§tzlich wird √ľber Massivspeicher, beispielsweise Fundament/Bodenplatten, die im Erdreich gespeicherte Sonnenenergie genutzt.

Studie: Jahreswärmemenge beträgt 40 Gigawattstunden.

Nach einer Studie der Bremer Energiekonsens GmbH ist die Nutzung von Abwasserw√§rme aus der √∂ffentlichen Kanalisation wirtschaftlich und √∂kologisch sinnvoll. Die Abwasserw√§rme eignet sich demnach zur Warmwasserbereitung und Beheizung von Geb√§uden. Die Energiekonsens GmbH hatte f√ľr die Studie der bisher noch wenig genutzten Energiequelle aus technischer, wirtschaftlicher und √∂kologischer Sicht das Beispiel der Seestadt Bremerhaven untersucht.

W√§hrend die W√§rmer√ľckgewinnung bei Abwasser im industriellen Bereich bereits zum Einsatz kommt, ist das Abwasser der √∂ffentlichen Kanalisation eine bisher ungenutzte W√§rmequelle. In der Schweiz gibt es schon seit einigen Jahren W√§rmepumpen zur Abwasserw√§rme-Nutzung, bei der die W√§rme zumeist gereinigtem Abwasser entzogen wird. Der W√§rmeentzug bei ungereinigtem Abwasser existiert bisher nur in Modellprojekten. Die √úberlegung der Energieexperten sieht in dem in der √∂ffentlichen Kanalisation noch ungereinigten Abwasser eine kontinuierliche W√§rmequelle. Die betr√§chtliche im Abwasser enthaltene W√§rmemenge reicht aus, um eine signifikante Zahl aller an die Kanalisation angeschlossenen Geb√§ude mittels effizienter W√§rmepumpentechnik zu beheizen, berichtet das Unternehmen.

In Bremerhaven fallen jeden Tag rund 17,5 Mio. Liter Abwasser mit einer Durchschnittstemperatur von 14 Grad Celsius an. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass mit der geeigneten Technik eine Jahreswärmemenge in der Größenordnung von 40 GWh genutzt werden kann. Die Studie hat drei Fallbeispiele aufgezeigt, in denen ein breites Anwendungsspektrum von Schwimmbädern, öffentlichen Gebäuden bis hin zu Privathaushalten erschlossen werden kann. Die Nutzung von Abwasserwärme ist außerdem umweltfreundlich: Die CO2-Emissionen sind niedriger als bei konventionellen Heizungsanlagen.

W√§rmepumpen sind wirtschaftlich: Die W√§rmepumpenheizung ist nicht nur umweltschonend, sondern auch extrem kosteng√ľnstig im Betrieb, da bis zu 75% der Energie kostenlos von der Umwelt bereitgestellt wird. Das unten aufgef√ľhrte Ergebnis zeigt eine Vergleichsrechnung verschiedener Heizsysteme (Auszug aus EnBW). Der Berechnung zugrunde gelegt wurde ein Einfamilienhaus mit einer Wohnfl√§che von 150 m¬≤ und einem Heizenergiebedarf von 90 kWh/m¬≤/a. Verglichen wurde eine Sole/Wasser/W√§rmepumpe mit einer Erdsonde als W√§rmequelle, eine √Ėlzentralheizung mit einem modernen Niedertemperaturkessel und eine Erdgaszentralheizung mit Brennwertkessel. Als Energiepreis wurden eingesetzt: 9,5 Ct/kWh f√ľr die W√§rmepumpe, 40,9 Ct/ltr Heiz√∂l und 4,06 Ct/kWh f√ľr Erdgas.



Beispiel: Einfamilienhaus mit 150 m² Wohnfläche

in Euro ( ‚ā¨ )
Wärmepumpen
Zentralheizung
moderne √Ėl-
Zentralheizung
moderne Erdgas
Zentralheizung

Energiekosten pro Jahr
375 ‚ā¨
767 ‚ā¨
609 ‚ā¨

Nebenkosten pro Jahr
72 ‚ā¨
355 ‚ā¨
364 ‚ā¨

Betriebskosten pro Jahr
447 ‚ā¨
1.122 ‚ā¨
973 ‚ā¨

Betriebskosten pro Monat
37,25 ‚ā¨
93,50 ‚ā¨
81,08 ‚ā¨

Einsparung gegen√ľber
√Ėl- bzw. Gasheizung
durchschnittlich:
50 ‚ā¨ / Monat

Praxisbeispiele: Kirchardt, Bad Mergentheim, EnBW-Magazin

WICHTIG:

Mit einer W√§rmepumpe ersparen Sie sich nicht nur das l√§stige √Ėltanken, ben√∂tigen keinen Schornsteinfeger mehr und brauchen sich auch keinen Kopf mehr √ľber Brennerservice oder √ľber teure Abgastests zerbrechen. W√§rmepumpen arbeiten vollautomatisch und nahezu wartungsfrei und der bisherige √Ėllagerraum kann nun als Freizeit-, Hobby- oder Abstellraum genutzt werden.

Die Energiequellen einer W√§rmepumpe liegen krisensicher und direkt vor Ihrer eigenen Haust√ľre, denn gespeicherte Sonnenenergie aus Luft, Wasser und Erdw√§rme stehen kostenlos und unbegrenzt zur Verf√ľgung. Die Abh√§ngigkeit als Risikofaktor entf√§llt.


Exkursion in die Geothermie:

Auch in der Natur wird unser "L√§ndle" bevorzugt, denn Baden-W√ľrttemberg ist das "erdw√§rmste" Bundesland in Deutschland, da hier an vielen Stellen Anomalien bestehen.

Geothermische Anomalien sind ungew√∂hnlich hohe Temperaturgradienten. So betr√§gt der geothermische Temperaturgradient etwa 100 K/km im Oberrheingraben, die dem wichtigsten bruchtektonischen Element Mitteleuropas folgend weiter nach Norden fortsetzt. Aber auch das s√ľddeutsche Molassebecken zwischen Bodensee, Passau, Donau und Alpen, das S√ľ√üwasser in Trinkwasserqualit√§t mit Temperaturen zwischen 70 und 100 ¬įC aufweist z√§hlt zu den erdw√§rmsten Regionen Baden-W√ľrttembergs.

Daneben deutet sich eine etwa West/Ost gerichtete, Muldenstruktur wie "Kraichgau-, Stromberg- und Löwensteinermulde" folgende Ausbuchtung erhöhter Temperaturen ab. Im Gebiet Karlsruhe - Landau - Heidelberg befindet sich ein ausgeprägtes Temperaturmaximum, zu dem die Spezialanomalie am Standort des bisher erfolgreichsten Tiefengeothermieprojekts zu rechnen ist.

Der geothermische Einfluss in der obersten Schicht des Erdreichs bis zur "neutralen Zone" bei etwa 10 bis 20 m Tiefe, in der etwa konstante Temperaturen herrschen, ist vernachl√§ssigbar. Hier spielen jahreszeitliche Temperaturschwankungen die gr√∂√üte Rolle. Hin zu gr√∂√üeren Tiefen steigt die Temperatur an. F√ľr die Nutzung ist au√üer der Temperatur jedoch vor allem die Existenz von Aquiferen (wasserf√ľhrende Schichten) entscheidend. (eigener Text, aber Bildquelle:

Auszug ohne Bilder aus:

http://www.enev-check.de/html/body_waermepumpe.html

20 Jun 2005
08:31:33
Wallemann
Wärmepumpen Vortrag Technik Systeme Gebäudetechnik
Ich schreibe auch eine Facharbeit. Nun möchte ich aber eine genaue und detalierte Beschreibung haben von der Funtionsweise einer Sorptionswärmepumpe und einer Kompressionswärmepumpe.
17 Dec 2007
01:23:49
Barcardi
Wärmepumpen
Hallöchen :)

ich bin zur Zeit Sch√ľlerin eines Gymnasium's & besuche die 12. Klasse .
Da ich eine Seminarfacharbeit schreiben mus, w√§re es total nett wenn ihr mir ein paar Link's zu dem Thema W√ĄRMEPUMPEN schicken w√ľrdet an meine E-Mail addresse ( anne.esc@freenet.de )

- Arten von Wärmepumpen
- Entstehung der Wärmepumpe
- Funktionsweise einer Wärmepumpe


DANKE SCH√ĖN IM VORRAUS :)

Liebe Gr√ľ√üe die Abi - Sch√ľlerin !
07 Oct 2008
10:22:55
anne
Wärmepumpen Geschichte
Im Anhang Text und Links aus meinem FUNDUS zum Thema Geschichte Wärmepumpe.
Viel Erfolg
Zogg

Wärmepumpe Geschichte
Zusammenfassung:
Mit Heizen durch W√§rmepumpen kann der Brennstoffverbrauch und damit die CO2 Emission im Vergleich zu einer konventionellen Kesselheizung auf rund die H√§lfte gesenkt werden. Gegen-√ľber einer elektrischen Widerstandsheizung ergibt die W√§rmepumpenheizung sogar eine Re-duktion des Energiebedarfs um bis zu 80%. Die W√§rmepumpenheizung wird sich deshalb k√ľnf-tig noch vermehrt durchsetzen. Schweizer Pioniere haben als erste funktionierende Br√ľden-kompressionsanlagen gebaut. Die ersten W√§rmepumpen in Europa wurden in der Schweiz realisiert. Die Schweiz ist in der W√§rmepumpentechnik bis heute bei den f√ľhrenden L√§ndern geblieben. Ihre Pionierarbeiten in der Entwicklung von Erdw√§rmesonden, der Nutzung von Ab-wasser als W√§rmequelle, der Entwicklung √∂lfreier Kolbenkompressoren sowie von Turbokom-pressoren sind allgemein bekannt. Die gr√∂sste je gebaute W√§rmepumpe stammt aus der Schweiz. Obwohl ein umfassendes Gasverteilnetz besteht, werden heute rund 75% der neuen Einfamilienh√§user mit W√§rmepumpen beheizt. Dieser Bericht pr√§sentiert einige ‚ÄěHighlights‚Äú aus dieser Erfolgsgeschichte. Dabei werden die Schweizer Entwicklungen ins Zentrum ger√ľckt und ihre Beziehungen zu den internationalen Meilensteinen aufgezeigt. Um anzudeuten, in welcher Richtung die k√ľnftigen Entwicklungen gehen k√∂nnten, werden auch einige neuere Arbeiten aus der Schweizer W√§rmepumpenforschung vorgestellt.
Abstract :
Compared to conventional boilers, heating by heat pumps cuts down fuel consumption and CO2 emissions to some 50%. Compared to electric resistance heating, the energy consumption is even reduced up to 80%. Therefore the impressive market penetration growth of heat pumps will continue. Swiss pioneers were the first to realize functioning vapour recompression plants. The first European heat pumps were realized in Switzerland. To date it remains one of the heat pump champions. Its pioneering work in the development of vertical borehole heat exchangers, sewage heat recovery, oil free piston compressors and turbo compressors is well known. The biggest heat pump ever built comes from Switzerland. Although there is a fairly comprehensive natural gas distribution grid, 75% of the new single-family homes built in Switzerland are cur-rently heated by heat pumps. This paper presents some of the highlights of this success story focusing on Swiss developments and relating them to the international milestones. In order to indicate the direction in which the future development might go to, some recent Swiss research projects are presented as well.
Einf√ľhrung
1 WARUM HEIZUNG MIT W√ĄRMEPUMPEN?
2 GRUNDLAGEN DER W√ĄRMEPUMPENTECHNIK
3 DIE PIONIERE VOR 1875
3.1.Komponenten und Kältetechnik
3.1.1.Dampfkompressionsprozess
3.1.2.Absorptionsprozess
3.2.Br√ľdenkompression
4 INDUSTRIALISIERUNG 1876-1918
4.1.Komponenten und Kältetechnik
4.1.1.Dampfkompressionsprozess
4.1.2.Absorptionsprozess
4.2.Br√ľdenkompression - Schweizerische Pionierleistungen
5 W√ĄRMEPUMPENHEIZUNG WIRD INTERESSANT 1919-1950
5.1.Komponenten und Kältetechnik
5.1.1.Dampfkompressionsprozess
5.1.2.Absorptionsprozess
5.2.W√§rmepumpenheizung ‚Äď eine Schweizerische Pionierleistung
5.2.1.Historische W√§rmepumpen der Stadt Z√ľrich
5.2.2.Ausgewählte weitere Wärmepumpen
5.3.Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
5.4.Br√ľdenkompression ‚Äď eine Schweizer Erfolgsgeschichte
6 DIE PERIODE TIEFER ENERGIEPREISE 1951-1972
6.1.Komponenten und Kältetechnik
6.1.1.Dampfkompressionsprozess
6.1.2.Absorptionsprozess
6.2.Wärmepumpen in der Schweiz
6.2.1.Seltene Wärmepumpen zu Heizzwecken
6.2.2.Erfolg bei der Br√ľdenkompression
6.3.Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
7 ENTHUSIASMUS UND ENTT√ĄUSCHUNG 1973-1989
7.1.Komponenten und Kältetechnik
7.1.1.Dampfkompressionsprozess
7.1.2.Absorptionsprozess
7.2.Schweizer Beiträge zur Wärmepumpenheizung
7.2.1.Wärmepumpenpioniere im Einfamilienhausbereich (10-50 kW)
7.2.2.Wärmepumpensysteme mittlerer Grösse (50-1000 kW)
7.2.3.Grosse Wärmepumpensysteme ( > 1 MW)
7.2.4.Pioniere der Erdwärmesonden
7.2.5.Pioniere der Nutzung von Rohabwasser
7.2.6.Qualit√§tssicherung f√ľr Kleinw√§rmepumpen
7.2.7.Unterst√ľtzung durch √∂ffentliche Forschung und Entwicklung
7.2.8.Unterst√ľtzung durch Verb√§nde, Bundesverwaltung und Medien
7.3.Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
7.4.Rektifikation mit Br√ľdenkompression - Schweizer Pionierarbeit
8 DIE ERFOLGSGESCHICHTE 1990 ‚Äď HEUTE
8.1.Komponenten und Kältetechnik
8.2.Schweizer Beiträge zur Wärmepumpenheizung
8.2.1.Ausgewählte Anlagen und Entwicklungen
8.2.2.W√§rmepumpe f√ľr den Einfamilienhaus-Sanierungsmarkt
8.2.3.Weitere Unterst√ľtzung durch √∂ffentliche Forschung und Entwicklung
8.2.4.Unterst√ľtzung durch Verb√§nde und den Bund
8.2.5.Qualitätssicherung
8.2.6.Br√ľdenkompression
8.3.Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
9 SONDERPRINZIPIEN
10 REFERENZEN

EINF√úHRUNG:
Seit der Steinzeit hat die Menschheit W√§rme durch k√ľnstlich entz√ľndete Feuer erzeugt. Aber das Problem der k√ľnstlichen K√§lteerzeugung war viel komplexer und wurde erst um 1850 ge-l√∂st. Zu dieser Zeit haben Pioniere die ersten K√§ltemaschinen erfunden. Die gleiche Maschine kann auch als W√§rmepumpe zu Heizzwecken verwendet werden. Aber es war der enorme Wunsch nach K√ľhlung, welcher die Weiterentwicklung der neuen Erfindungen rasch vorantrieb und zu einer triumphalen weltweiten Verbreitung f√ľhrte. Um 2005 waren weltweit √ľber 130 Mil-lionen Klimatisierungsger√§te (Einheiten zum K√ľhlen und Heizen) in Betrieb und der Jahresab-satz lag um 15 Millionen Ger√§ten in Asien, 2 Millionen in Nordamerika und einige Hunderttau-send in Europa [Groff 2005]. Dies illustriert die grosse internationale Bedeutung der W√§rme-pumpentechnik. In Europa ist der Hauptbedarf f√ľr Raumk√ľhlung auf die s√ľdlicheren Regionen beschr√§nkt. In Zentral- und Nordeuropa √ľberwiegt f√ľr gut ausgelegte Geb√§ude der Bedarf f√ľr die Raumhei-zung und die Warmwasserbereitung. Die Anzahl der W√§rmepumpen f√ľr reine Heizzwecke liegt deutlich unter den oben erw√§hnten Zahlen f√ľr Klimatisierungsger√§te. Der Grund daf√ľr liegt in der Tatsache, dass W√§rme - im Gegensatz zu K√§lte - auch durch kosteng√ľnstige Erdgas- und Heiz√∂lkessel erzeugt werden kann. W√§rme kann sogar wie in der Steinzeit durch ein offenes Feuer erzeugt werden. Damit die komplexeren W√§rmepumpen mit h√∂heren Investitionskosten mit den einfachen Kesseln konkurrieren k√∂nnen, m√ľssen sie hohen Effizienz- und Gesamtkos-tenanforderungen standhalten. Es ist f√ľr W√§rmepumpen trotz steigenden Energiepreisen im-mer noch eine Herausforderung, diesen Wettbewerb im Interesse einer bedeutend besseren Prim√§renergienutzung zu gewinnen. Dieser Bericht konzentriert sich auf die Entwicklung von W√§rmepumpen zur ausschliesslichen oder haupts√§chlichen Erzeugung von W√§rme. Die zus√§tzliche Nutzung der kalten Seite der W√§rmepumpe (K√ľhlung) wird ebenfalls in die Be-trachtungen einbezogen. Die Schweizer Beitr√§ge zur internationalen Entwicklung werden her-vorgehoben und ihr Zusammenhang mit den internationalen Meilensteinen der W√§rmepumpen- und K√§ltetechnik wird aufgezeigt. Die Letztere hat die Entwicklung der W√§rmepumpe wesent-lich beg√ľnstigt. Dank der Massenproduktion f√ľr die Raumk√ľhlung und die K√§ltetechnik stehen f√ľr W√§rmepumpen kosteng√ľnstige Komponenten zur Verf√ľgung. Soweit diese f√ľr die W√§rme-pumpentechnik relevant sind, werden deshalb auch ausgew√§hlte Entwicklungen aus der K√§lte-technik vorgestellt. Zur K√§ltetechnik gibt es bereits zahlreiche detaillierte und zusammenfassende Publikationen. Die Umfassendste ist das Buch von [Thevenot 1979]. Dieser Bericht konzentriert sich auf den f√ľr die W√§rmepumpentechnik wichtigeren Dampfkompressionsprozess (auch Kaltdampfpro-zess oder umgekehrter Rankine-Prozess). Im Hintergrund werden auch einige ausgesuchte Entwicklungen aus der Absorptionstechnik verfolgt. Auf Sonderl√∂sungen wie den umgekehrten Stirling-Prozess, den magnetokalorischen Effekt und den thermoelektrischen Effekt wird im Kapitel 9 kurz eingegangen. K√§lteprozesse ohne Bedeutung f√ľr Heizzwecke wie den Gaszyk-lus1 (auch Brayton-Zyklus , Joule-Thomson Effekt), die Verdampfungsk√ľhlung und die Mischw√§rmeeffekte werden dagegen ausgeklammert. Es ist allgemein bekannt, dass der Gaszyklus weniger effizient ist als der Dampfkompressionsprozess. Dies wurde 1979 durch einen Gaszyklus-Wassererw√§rmer demonstriert. Dieser erreichte eine Leistungszahl von lediglich 1.29.
WARUM HEIZUNG MIT W√ĄRMEPUMPEN? Bei der Heizung mit elektrischer Energie aus Wasserkraftwerken, Kernenergie oder Photovoltaik ist der Vorteil der W√§rmepumpen mit einer Einsparung an elektrischer Energie bis zu 80% offensichtlich. Es gibt aber immer noch Skeptiker, wenn von Brennstoffen ausgegangen wird.Das Feuer ist eher eine Entdeckung aus Zufall als eine Innovation. Vor rund 1.5 Millionen Jahren f√ľhrte die pr√§historische Menschheit das kontrollierte Feuer ein. Dies war f√ľr unsere Uhr-ahnen ein grosser Fortschritt, vergleichbar mit der Bedeutung der Erfindung der Dampfmaschinen oder der Elektrizit√§t f√ľr uns. Das pr√§historische offene Feuer wurde laufend verbessert und f√ľhrte schliesslich zum modernen, kondensierenden Kessel. Solange es keine Nachschubprobleme f√ľr die Brennstoffe gab, war man mit der Verbrennung aller Arten von Brennstoffen zur W√§rmeerzeugung zufrieden. Aber auch ein moderner Kessel hat immer noch Verluste, und das einfache Verbrennungsprinzip erreicht deshalb nur einen Prim√§renergienutzungsgrad von etwas weniger als 100%. Oder anders ausgedr√ľckt: Ein Kessel erzeugt von 100% Brennstoffenergie (Heiz√∂l, Erdgas oder Biomasse) weniger als 100% Nutzw√§rme. Diese konventionelle L√∂sung zur W√§rmeerzeugung ist eine Verschwendung von Exergie2. In der Flamme eines Kessels mit einer Temperatur von 1800 ¬įC und einer angenommenen Raumtemperatur von 20 ¬įC betr√§gt der Anteil an Exergie 85.9% der W√§rme. Ein Kessel nutzt diese hohe Qualit√§t der Flammenenergie sehr schlecht. Bei einer Heizungsvorlauftemperatur von 40 ¬įC betr√§gt der Anteil an Exergie nur 6.4% der produzierten W√§rme. Der Kessel vernichtet 92.5% der Exergie!
Das Grundkonzept einer effizienten Erzeugung von Niedertemperaturwärme
Das oben beschriebene ‚ÄěSteinzeitprinzip‚Äú muss durch eine Kombination von Blockheizkraftwerken (oder effizienten Kombikraftwerken) mit W√§rmepumpen ersetzt werden. Im Allgemeinen sind gr√∂ssere Blockheizkraftwerke (BHKW) zur Beheizung gr√∂sserer Geb√§ude wie Schulen oder B√ľrogeb√§uden effizienter und wirtschaftlicher. Die dabei erzeugte elektrische Energie wird dann durch das Elektrizit√§tsnetz zu kleineren Geb√§uden in der Nach-barschaft transportiert. Dort werden damit elektrische W√§rmepumpen zur Geb√§udeheizung und zur Warmwasserbereitung unter Nutzung der Umgebungsw√§rme betrieben. Mit einem Einsatz von 100% an Brennstoffenergie (Heiz√∂l, Erdgas oder Biomasse) k√∂nnen mit dieser Anordnung schon mit heutiger Technologie 150% bis 200% an Nutzw√§rme produziert werden (Nutzungs-grad 150% bis 200%). Exergien sind die maximale Arbeit, die aus W√§rme produziert werden kann. F√ľr Einzelheiten dazu sei auf Lehrb√ľcher zur technischen Thermodynamik wie [Baehr 2005] oder [Moran and Shapiro 2007] verwiesen. BHKW mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 35% und einem Gesamtwirkungsgrad von 90%, elektrische Leitungsverluste im Nahbereich 2.5% der elektrischen Energie, Jahresar-beitszahl der W√§rmepumpe 3.5. K√ľnftig werden Nutzungsgrade dieses Systems √ľber 200% zum Standard werden. Selbstverst√§ndlich k√∂nnen Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmoto-ren k√ľnftig auch durch Brennstoffzellen ersetzt werden. Hohe Nutzungsgrade in der gleichen Gr√∂ssenordnung liefert auch die Kombination moderner Kombikraftwerke (Ko-KW oder GuD) - selbst ohne Abw√§rme Nutzung - mit W√§rmepumpen
2 GRUNDLAGEN DER W√ĄRMEPUMPENTECHNIK
Der Franzose Nicolas L√©onard Sadi Carnot hat als erster eine pr√§zise Beziehung zwischen W√§rme und Arbeit formuliert. Erst 1871 wurden seine Manuskriptnotizen durch seinen Bruder gefunden. 1832 starb Carnot im fr√ľhen Alter von 36 Jahren an einer ansteckenden Krankheit. Sein B√ľchlein aus dem Jahr 1824 blieb unbekannt, da es nur privat publiziert wurde. Der ent-scheidende Beitrag von Carnots ‚ÄěReflections‚Äú ist, dass sich mechanische Energie vollst√§ndig in W√§rme umwandeln l√§sst ‚Äď dass W√§rme aber nur teilweise in mechanische Energie umgewan-delt werden kann. Der Franzose Beno√ģt Paul √Čmile Clapeyron holte Carnots ‚ÄěReflections‚Äú aus dem Verborgenen und analysierte sie 1834 in einer Denkschrift. Clausius hat Carnots Ideen 1850 neu formuliert. 1842 fand der Deutsche Robert Julius von Mayer das Prinzip der √Ąquivalenz zwischen Arbeit und W√§rme. Der Engl√§nder James Prescott Joule hat 1843 daf√ľr den experimentellen Nach-weis erbracht. Der Deutsche Hermann von Helmholtz hat 1847 das Energieerhaltungsgesetz in allgemeiner Form publiziert. Damit war das erste Gesetz der Thermodynamik gesichert. Der deutsche Physiker und Mathematiker Rudolf Julius Emanuel Clausius ist einer der Be-gr√ľnder der modernen Thermodynamik [Cardwell 1971]. Durch seine bereits erw√§hnte Neu-formulierung des Carnot‚Äôschen Kreisprozesses stellte er die Theorie der W√§rme auf eine wis-senschaftlich klare Basis. Mit seiner wichtigsten Publikation zur mechanischen Theorie der W√§rme formulierte er 1850 als erster die Grundidee des zweiten Hauptsatzes der Thermo-dynamik. In dieser Publikation war auch bereits das Konzept der Entropie enthalten. Diesen Begriff f√ľhrte er aber erst 1865 ein [Clausius 1865]. Clausius war √ľbrigens von 1855 bis 1867 Professor an der ETH Z√ľrich [Thevenot 1979], [Carnot et al. 2003]. Unabh√§ngig von Clausius (und ohne dessen Priorit√§t zu bezweifeln) fand William Thomson, der sp√§tere Lord Kelvin, 1851 eine allgemeinere Formulierung des zweiten Hauptsatzes und f√ľhrte 1852 die thermodynamische Temperaturskala ein. 1866 gab der √∂sterreichische Physiker, Ludwig Eduard Boltzmann, eine neue Bedeutung, indem er das Konzept der Entropie mit dem Konzept der Wahrscheinlichkeit in der statistischen Physik verband. Die Entropie repr√§-sentiert danach den Grad der Unordnung und das Carnot-Prinzip wurde damit verst√§ndlicher. 1873 bis 1878 f√ľhrte der Amerikaner Josiah Willard Gibbs den Begriff der Enthalpie in die the-oretische Thermodynamik ein. Richard Mollier brachte diese Gr√∂sse dann 1902 in die ange-wandte Thermodynamik und benutzte sie als eine Koordinate (die andere war die Entropie oder der Druck) in seinen thermodynamischen Diagrammen f√ľr Ammoniak und CO2. Ab 1904 f√ľhrte er mit seinen Diagrammen eine graphische Visualisierung des Dampfkompressionszyk-lus ein und trug damit zur Verst√§ndlichkeit und leichten Berechenbarkeit dieses Prozesses bei. Aus den √úberlegungen von G. Zeugner (1859) und Hans Lorenz (1896) entstand das Konzept der Exergie, der maximalen Nutzarbeit, welche bei einer Zustands√§nderung von einer konstan-ten W√§rmequellentemperatur auf eine konstante Endtemperatur gewonnen werden kann. Die-se Idee wurde wieder aufgegriffen von Fran Bosnjakovic (1935) und nach 1950 von Peter Grassmann und Kurt Nesselmann. 1870 hielt Carl von Linde4 Vorlesungen zur Theorie der K√§ltemaschinen an der "K√∂niglichen Polytechnischen Schule" in M√ľnchen. Er legte in seiner Arbeit zum W√§rmeentzug bei tiefen Temperaturen mit mechanischen Mitteln den Grundstein zu einer sauberen thermodynami-schen Theorie der K√§ltetechnik. Aufgrund eines thermodynamischen Vergleichs zeigte Linde bereits die √úberlegenheit der Dampfkompression gegen√ľber dem damals noch √ľblichen Ab-sorptionsprozess und anderen Prinzipien zur K√§lteerzeugung. Der belgische Chemiker Frederic Swarts legte zwischen 1890 und 1893 mit seinen Arbeiten zu den aliphatischen Fluorkohlenstoffen den Grundstein zur organischen Fluorchemie. In den 1910er Jahren f√ľhrte Edmund Altenkirch umfassende thermodynamische Studien zu Zweistoffgemischen f√ľr Absorptionsk√§ltemaschinen durch. Sein zweistufiges Absorptionsaggregat hatte bereits eine hohe Effizienz. Aus den Erkenntnissen der erw√§hnten Wissenschafter werden in diesem Bericht die folgenden Gr√∂ssen ben√∂tigt: Die Leistungszahl oder der ‚Äúcoefficient of performance‚ÄĚ eines idealen Carnot-W√§rmepumpen-Prozesses COPrev (theoretischer Maximalwert des COP) betr√§gt mit den absoluten Temperatu-ren auf der warmen Seite TH (W√§rmesenke) und auf der kalten Seite (W√§rmequelle) TC: Die Leistungszahl oder der ‚Äúcoefficient of performance‚ÄĚ einer realen elektrisch angetriebenen W√§rmepumpe ist wesentlich kleiner. Bei W√§rmepumpenprozessen w√ľrden die Temperaturen der W√§rmequel-le und der W√§rmesenke nur bei unendlichen Volumenstr√∂men konstant bleiben. Um W√§rme-pumpen trotzdem vergleichen zu k√∂nnen, ist es praktisch, mit der Eintrittstemperatur der W√§r-mequelle TCein und der Austrittstemperatur der W√§rmesenke (Heizungsvorlauftemperatur) THaus zu rechnen. Dies f√ľhrt zu einer brauchbaren N√§herung f√ľr den exergetischen Wirkungsgrad, dem Lorenz-Wirkungsgrad: Der Nutzungsgrad erlaubt den direkten Vergleich elektrisch betriebener W√§rmepumpen mit Absorptionsw√§rmepumpen. Bei mit Brennstoffen betriebenen Systemen entspricht die aufge-nommene Prim√§renergie der zugef√ľhrten Brennstoffenergie5.
DIE PIONIERE VOR 1875 Wie bei vielen anderen Technologien auch zu beobachten ist, gingen Innovationen und erste technische Entwicklungen von geschickten Erfindern und Visionären aus. Die wissenschaftliche Erfassung und Optimierung erfolgte im Allgemeinen erst später. Die fand in der Kälte- und Wärmepumpentechnik erst ab ungefähr 1875 statt.
Lord Kelvin hat die W√§rmepumpe bereits 1852 vorausgesagt, in dem er bemerkte, dass eine ‚Äúumgekehrte W√§rmekraftmaschine‚ÄĚ nicht nur zum K√ľhlen, sondern auch f√ľr Heizzwecke ein-gesetzt werden k√∂nnte. Er erkannte, dass eine solche Heizeinrichtung dank dem W√§rmeentzug aus der Umgebung weniger Prim√§renergie ben√∂tigen w√ľrde [Thomson 1852], [Ostertag 1946]. Aber es sollte noch rund 85 Jahre dauern, bis die erste W√§rmepumpe f√ľr die Raumheizung in Betrieb ging. In der Periode vor 1875 wurden W√§rmepumpen zu Heizzwecken erst f√ľr die Br√ľ-denkompression in Salzwerken mit ihren offensichtlichen Vorteilen zur Holz- und Kohleeinspa-rung verfolgt. Die sp√§tere Entwicklung der W√§rmepumpe basiert jedoch auf Erfindungen zur Deckung des insbesondere in der Nahrungsmittelindustrie enormen Bedarfs zur K√ľhlung. Als eine vorbereitende Entwicklung f√ľr die sp√§teren W√§rmepumpen zur Raumheizung ist die Ein-f√ľhrung der Warmwasser-Zentralheizung bedeutend. Zu jener Zeit wurden Zentralheizungen mit Dampf betrieben. Die Firma Sulzer (Winterthur) installierte bereits 1867 die erste Wasser-Zentralheizung in einem privaten Wohngeb√§ude im schweizerischen Oberuzwil. Nebst d√ľnne-ren, kosteng√ľnstigeren Rohrleitungen und einem gesteigerten Wohnkomfort brachte dieses neue Heizungssystem den f√ľr W√§rmepumpen wichtigen Vorteil tieferer Vorlauftemperaturen. Dies vermochte den Anforderungen einer W√§rmepumpenheizung allerdings noch nicht zu ge-n√ľgen. Die ersten Warmwasser-Zentralheizungen wurden n√§mlich mit freier Konvektion ohne Umw√§lzpumpen betrieben. Dies funktioniert erst oberhalb von Vorlauftemperaturen um 50¬įC einwandfrei [Br√ľgger et al. 1991]. Gegen√ľber der seit √ľber mehr als einer Million Jahren bekannten W√§rmeproduktion durch Verbrennung gab es noch keine L√∂sung f√ľr die k√ľnstliche K√ľhlung. Einzige Ausnahme war die Verdunstungsk√ľhlung, die bereits durch die Zivilisationen Indiens und √Ągyptens angewandt wurde. Dies √§nderte erst durch die Erfindung der K√§ltemaschinen vor rund 150 Jahren. Zur K√ľhlung diente nat√ľrliches Eis, das sogar √ľber internationale und interkontinentale Distanzen transportiert wurde. Noch 1890 wurde von einer Knappheit an nat√ľrlichem Eis berichtet. Des-halb lag die Priorit√§t der ersten Entwicklungen bei der k√ľnstlichen K√§lteerzeugung. Die ein-zige Ausnahme war wie bereits erw√§hnt die Br√ľdenkompression mit ihrem enormen Einsparpo-tenzial. W√§rmepumpen zur Raumheizung und zur Warmwasserbereitung waren damals infolge der geringen Effizienz des Dampfmaschinenantriebs nicht attraktiv.
3.1 Komponenten und Kältetechnik. Im Hinblick auf die Entwicklung der Wärmepumpen ist der Dampfkompressionsprozess we-sentlich wichtiger als der Absorptionsprozess. Deshalb werden Absorptionsprozesse nur am Rande erwähnt.
3.1.1 Dampfkompressionsprozess. Jacob Perkins, ein amerikanischer Erfinder, der in England lebte, hat 1834 die erste funktio-nierende Dampfkompressionsmaschine zur k√ľnstlichen Eisproduktion gebaut. Es wird an-genommen, dass damit erstmals eine mechanische K√§lteerzeugung erfunden wurde. Die Er-findung von Perkins blieb beinahe 50 Jahre lang unbekannt. Die mit Ether betriebene K√§ltema-schine enthielt aber die vier Hauptkomponenten einer modernen K√§ltemaschine: einen Kom-pressor, einen Kondensator, einen Verdampfer und ein Expansionsventil. Perkins hatte sehr weitreichende technische Interessen und befasste sich insbesondere auch mit Dampfmaschi-nen, dem Gravieren f√ľr die Banknotenherstellung, der Massenfertigung von N√§geln und der Herstellung eines Barometers.
DIE PIONIERE VOR 1875 12
1849 begann der Amerikaner Alexander C. Twining mit der Dampfkompressionsk√ľhlung und der Eisherstellung. 1855 pr√§sentierte er die erste kommerzielle Eisproduktionsanlage. In Australien begann James Harrison mit Versuchen zur Dampfkompressionsk√ľhlung f√ľr die Her-stellung von Eis. Er entwickelte 1856 den ersten praktisch einsetzbaren Kompressor und f√ľhrte die Dampfkompressionsk√ľhlung in das Bierbrauen und die Fleischverpackung ein. 1861 waren bereits ein Dutzend seiner Maschinen im Einsatz. Charles Tellier f√ľhrte 1863 Methylether als K√§ltemittel ein. Auch die erste 1875 durch den Deutschen von Linde konstruierte K√§ltemaschine verwendete Methylether als K√§ltemittel. Sie wurde 1877 in einer Brauerei in Italien installiert [Linde 2004]. Der Amerikaner Thaddeus S.C. Lowe f√ľhrte 1866 mit der Erfindung eines funktionierenden CO2 Kompressors Kohlendioxid als K√§ltemittel ein. 1867 patentierte er sein Kohlendioxid-K√§ltesystem. Es erfuhr allerdings erst nach 1990 zur K√ľhlung auf Schiffen einen grossen Erfolg und ersetzte dort die Luftexpansionsmaschinen. In Amerika haben John Beath 1858 eine Anlage zur Eisherstellung mit einer Ammoniak ‚Äď Dampfkompressionsmaschine und Francis DeCoppet 1869 einen doppelt wirkenden Ammoniak-Kompressor konstruiert. Der in Schottland geborene Amerikaner David Boyle baute seinen ersten Ammoniakkompressor 1873 im Alter von 23 Jahren! Die Maschinen von Boyle entsprachen jenen eines geschickten Mechanikers. Der Schweizer Roul Pictet be-fasste sich als Professor in Genf mit der Verfl√ľssigung von Gasen. Er f√ľhrte 1874 Schwefeldioxid SO2 als K√§ltemittel ein. Dieses hatte den Vorteil, selbstschmierend zu wirken und es war auch unbrennbar. Allerdings entstand im Kontakt mit Feuchtigkeit schweflige S√§ure und an-schliessend Schwefels√§ure. Damit ergaben sich grosse Korrosionsprobleme. Erw√§hnenswert ist auch die Erfindung eines thermostatisch geregelten K√§lteprozesses durch Peter Van der Weyde im Jahr 1870.
[Thevenot 1979], [Nagengast et al. 2006], [Cleveland und Saundry 2007].
3.1.2 Absorptionsprozess
1851 legte der Franzose Ferdinand Carr√© das erste kommerziell erfolgreiche Ammoniak-Absorptionsk√§ltesystem aus und f√ľhrte Ammoniak als K√§ltemittel ein. Zum einen wurde ein kleines, absatzweise arbeitendes Aggregat f√ľr die Produktion von 0.5 bis 2 kg Eis pro Ansatz produziert. Allerdings verhinderten Kosten, Gr√∂sse und Komplexit√§t des K√§lteaggregats ge-koppelt mit der Toxizit√§t von Ammoniak eine allgemeine Verbreitung bei privaten Anwendern. Zum andern wurde eine Version f√ľr kontinuierlichen Betrieb gebaut. Diese war erfolgver-sprechender und wurde 1859/1860 in Frankreich, England und in den U.S.A. patentiert. Carr√©‚Äôs Maschinen wiesen alle Elemente moderner Absorptionsaggregate einschliesslich eines Ver-dampfers mit Rektifikator auf. Diese K√§ltemaschine wurde bereits 1860 durch Mignon&Rouart in Paris gebaut. Zun√§chst wurden f√ľnf Modelle zur Produktion von 12 kg bis 100 kg Eis pro Stunde hergestellt. Die kontinuierliche Absorptionsk√§ltemaschine wurde zur ersten K√§ltema-schine, die eine allgemeine industrielle Bedeutung erlangte. Die erfolgreiche Maschine wur-de verschiedentlich verbessert, in mehrere L√§nder exportiert und auch in mehreren L√§ndern produziert. Im n√∂rdlichen Teil der U.S.A. wurde die k√ľnstliche K√§lteerzeugung zuerst in Braue-reien genutzt. Den Anfang machte 1870 die S. Liebmann‚Äôs Sons Brewing Company in Brook-lyn, New York, mit einer Absorptionsmaschine. Die Entwicklungen waren meist empirischer Art. Eine theoretische Erfassung des Absorptionsprozesses erfolgte erst sehr viel sp√§ter ‚Äď insbe-sondere durch den Deutschen Altenkirch im Jahr 1913 [Thevenot 1979].
3.2 Br√ľdenkompressionen
Konzentrieren und Verdampfungskristallisation ist ein wichtiger verfahrenstechnischer Prozess mit weltweiter Anwendung in grossen Anlagen. Bei der Br√ľdenkompression wird der beim Ein-
DIE PIONIERE VOR 1875 13
dampfen einer L√∂sung entstehende Dampf ‚Äď der Br√ľden ‚Äď auf einen h√∂heren Druck komprimiert. Dadurch kann die Kondensationstemperatur √ľber den Siedepunkt der einzudampfenden L√∂sung angehoben werden. Damit kann die Kondensationsw√§rme der Br√ľden der zu verdampfenden L√∂sung zugef√ľhrt werden: Obwohl dabei die Erh√∂hung des Siedepunktes der L√∂sung gem√§ss dem Raoult‚Äôschen Gesetz6 ber√ľcksichtigt werden muss, gen√ľgt oft schon eine geringe Temperaturdifferenz. Dies ist nat√ľrlich ideal f√ľr einen W√§rmepumpenprozess. Stand der Technik sind heute Leistungszahlen √ľber 15. Das ist der Grund, weshalb die Br√ľden-kompression schon viel fr√ľher realisiert wurde als W√§rmepumpen zur Raumheizung und andere Niedrigtemperaturanwendungen.
Br√ľdenkompression ohne zus√§tzliche W√§rmer√ľckgewin-nung durch Vorw√§rmen des Zulaufs mit dem Kondensat. Eine der Hauptanwendungen der Br√ľdenkompression ist die Produktion von Kochsalz aus einer Salzl√∂sung. Der enorme Energiebedarf solcher Prozesse l√§sst sich aus der Tatsache er-kennen, dass f√ľr die Gewinnung von 1 kg Kochsalz etwa 3 kg Wasser verdampft werden m√ľs-sen. Daf√ľr wurden fr√ľher ganze W√§lder abgeholzt.
Der √∂sterreichische Ingenieur Peter von Rittinger versuchte als erster, die Idee der Br√ľden-kompression in einer kleinen Pilotanlage zu realisieren. Seine theoretischen √úberlegungen aus dem Jahr 1855 ergaben gegen√ľber direkter Beheizung mit einer Holzfeuerung durch die Br√ľ-denkompression eine m√∂gliche Energieeinsparung von 80%. Er legte eine entsprechende An-lage aus und baute sie. Er realisierte damit die erste bekannte W√§rmepumpe f√ľr reine Heiz-zwecke mit einer Leistung von 14 kW f√ľr die Saline Ebensee in Ober√∂sterreich. Die Inbetrieb-nahme von Rittingers ‚ÄěDampfpumpe‚Äú erfolgte 1857. Aber es blieb mit seinem geschlossenen Kreislauf bei einem Experiment. Die technische Reife war noch nicht erreicht. Neben dem et-was eigenartigen geschlossenen Kreisprozess traten zu viele Prozessprobleme auf. Davon sind der ungeeignete Batch-Verdampfer mit zu zahlreichen Unterbrechungen f√ľr die Salzent-nahme oder die Belagsbildung auf den Verdampferoberfl√§chen durch Gips und Kalk zu erw√§h-nen [Wirth 1955, 1995], [Lieberherr 2007].
6 Raoult'sches Gesetz f√ľr ideale L√∂sungen: Der Partialdruck pi einer Komponente i ist proportional zu ihrem molaren Anteil in der L√∂sung xi (< 1) und dem Dampfdruck der reinen Komponente pbi: pi = pbi * xi. Bei nur einer fl√ľchtigen Komponente (z.B. Wasser) in der L√∂sung ist der Gesamtdruck gleich dem Partialdruck dieser Komponente (pi = p). Der Dampfdruck dieser Komponente betr√§gt dann pbi = p / xi. Er ist also gr√∂sser als bei der Verdampfung der reinen Komponente. Entsprechend h√∂her ist die Siedetemperatur. Man nennt diesen Effekt Siedepunktserh√∂hung. Beispiel in [Zogg 1983].
INDUSTRIALISIERUNG 1876-1918
4 INDUSTRIALISIERUNG 1876-1918
In dieser Periode wurden die Funktionsmuster der Pioniere auf der Basis einer rasch fortschrei-tenden wissenschaftlichen Durchdringung und dem Fortschritt der industriellen Produktion durch verl√§sslichere und besser ausgelegte Maschinen ersetzt. Die K√§ltemaschinen und ‚Äďanlagen wurden zu industriellen Produkten und im industriellen Massstab gefertigt. Die bedeu-tendste Pers√∂nlichkeit, die diesen Wandel einleitete, war der Deutsche Carl von Linde. Er war nicht nur ein talentierter Ingenieur und Unternehmer, sondern auch ein hervorragender akade-mischer Lehrer und Forscher. Im Mittelpunkt der Aktivit√§ten seines M√ľnchner Instituts standen die praktischen Anwendungen. Bereits 1875 f√ľhrte die Polytechnische Gesellschaft von M√ľn-chen unter der Leitung von M.Schr√∂ter erste Vergleichstests mit K√§ltemaschinen durch. Um 1900 lagen die meisten fundamentalen Innovationen der K√§ltetechnik bereits vor. 1918 gab es schon viele Kompressorhersteller in den U.S.A. und in Europa. In der Schweiz waren dies Escher Wyss in Z√ľrich, Sulzer in Winterthur und die Soci√©t√© Genevoise in Genf [Thevenot 1979]. Zu jener Zeit blieben W√§rmepumpen Visionen einiger Ingenieure. Der Schweizer Turbinenin-genieur Heinrich Zoelly7 hat als erster eine elektrisch angetriebene W√§rmepumpe mit Erd-w√§rme als W√§rmequelle vorgeschlagen. Er erhielt daf√ľr 1919 das Schweizer Patent 59350. Aber der Stand der Technik war noch nicht bereit f√ľr seine Ideen [Wirth 1955].
4.1 Komponenten und Kältetechnik
Die Drehzahl der Kompressoren wurden langsam gesteigert. Um 1890 lag in den U.S.A. die mittlere Drehzahl f√ľr einen 350 kW Kompressor bei 40 U/min. 1916 erreichte sie bereits 220 U/min. Die schweren Kompressoren beanspruchten viel Raum und ihre Effizienz war ziemlich bescheiden. Sie waren aber meist √ľberraschend langlebig. Es sind Maschinen bekannt, welche w√§hrend 75 Betriebsjahren nie gewartet wurden. Dampfmaschinen dienten zu jener Zeit als Hauptantrieb von Kompressoren: Bild 4-1. Die Elektromotoren steckten noch in den
Kinderschuhen. Die Entwicklung in den U.S.A. ist daf√ľr typisch: 1914 wurden 90% der Kom-pressoren durch Dampfmaschinen angetrieben. Aber nach 1920 ging dieser Anteil rasch zu-r√ľck. Gegen das Ende dieser Periode war Ammoniak das dominierende K√§ltemittel. Kohlendioxid (CO2) war f√ľr die K√ľhlung auf englischen Schiffen √ľblich. Schwefeldioxid (SO2) wurde in gr√∂sseren industriellen Anlagen immer weniger gebraucht. In kleineren gewerblichen Kompresso-ren wurde es aber weiterhin verwendet. Methylchlorid (CH3Cl) wurde haupts√§chlich in Frankreich f√ľr kleine und mittlere Anlagen eingesetzt. In begrenztem Umfang wurden aber noch weitere K√§ltemittel wie die Kohlenwasserstoffe Propan (C3H8) und Isobutan (C4H10) verwendet [Thevenot 1979], [Fischer 2004].
4.1.1 Dampfkompressionsprozess
AMMONIAK
Carl von Linde verhalf dem Ammoniakkompressor zum eigentlichen Durchbruch. Im Gegen-satz zu seinen Vorgängern entwickelte er seine Maschinen mit einem wissenschaftlichen An-satz, und er verfolgte eine hohe Qualität in der Fertigung. Linde’s neuer Ammoniakkompressor wurde 1877 in einer Brauerei in Triest installiert und war dort bis 1908 in Betrieb. 1877 kon-struierte Linde einen verbesserten Kompressor mit horizontalem, doppelt wirkendem Zylinder. Diese Maschine wurde sofort zum grossen Erfolg und war Gegenstand zahlreicher Patente. Später haben viele Konstrukteure auf diesem Vorbild aufgebaut. Der Kompressor wurde unter Linde-Lizenz durch viele Firmen gebaut: in Deutschland durch Augsburg (spätere MAN), in der Schweiz von Sulzer, in Belgien durch Carels, in England durch Morton & Burton und in den U.S.A. durch Fred Wolf. Damit wurde Ammoniak rasch zum wichtigsten Kältemittel.
1867 und 1885 wurde durch den Australier W.G.Lock ein Zweistufen-Verbundkompressor f√ľr Ammoniak patentiert. Aber die erste industrielle Anwendung erfolgte 1889 mit dem Bau eines Ammoniak-Zweistufenkompressors durch die Schweizer Firma Sulzer. Ein weiterer Zweistu-fenkompressor wurde von Stuart Saint Clar konstruiert und durch York in den U.S.A. gefertigt. Um die Jahrhundertwende war der horizontale Zweistufen-Ammoniakkompressor von Linde die √ľbliche Ausf√ľhrung f√ľr die wichtigsten K√§lteanlagen: Bild 4-2. Sulzer Winterthur geh√∂rte zu den wichtigsten Herstellern f√ľr Linde. Sulzer begann mit der Konstruktion von K√§ltekompressoren und K√§lteanlagen im Jahr 1878. Dies als logische Erweiterung ihrer Aktivit√§ten in den Abteilun-gen Dampfmaschinen8 und Kompressoren. Obwohl K√§lteanlagen zu jener Zeit gross und schwer waren, exportierte Sulzer 1878 eine Anlage zur Produktion von Eis nach Bombay in In-dien. Ihre beiden Kolbenkompressoren wurden durch zwei Sulzer Dampfmaschinen mit je 37 kW Leistung angetrieben. Die erste K√§lteanlage in der Schweiz wurde 1879 in der Brauerei H√ľrlimann in Z√ľrich installiert. 1909 baute Sulzer einen 1.45 MW K√§ltekompressor und 1914 eine Klimaanlage f√ľr ein Hotel in Buenos Aires.
[Thevenot 1979], [Kläy 1994], [Nagengast et al. 2006], [Friotherm 2008].
8 Sulzer begann bereits 1851 mit dem Bau von Dampfmaschinen und baute 1867 die erste horizontale Ventil-Dampfmaschine [Kläy 1994].
INDUSTRIALISIERUNG 1876-1918 16
ANDERE K√ĄLTEMITTEL
Franz Windhausen legte 1880 eine CO2 - K√§ltemaschine aus und konstruierte 1886 einen funktionierenden CO2 K√§ltekompressor. 1889 entwickelte J.& E. Hall eine sehr erfolgreiche zweistufige CO2 ‚Äď Maschine f√ľr industrielle Anwendungen.
1876 baute der Schweizer Raoul Pictet einen neuen horizontalen SO2 Kompressor, der ohne Schmiermittel auskam. Die sogenannte ‚ÄěPictet Maschine‚ÄĚ war ein sofortiger Erfolg und fand in Europa eine recht grosse Verbreitung. Sie wurde gleichzeitig in Genf (durch die Genfer Gesell-schaft f√ľr physikalische Instrumente ‚ÄúSoci√©t√© Genevoise‚ÄĚ) und Paris und anschliessend noch in einigen weiteren L√§ndern gebaut. Bei grossen Anlagen verdr√§ngte Ammoniak allerdings zuse-hends das Schwefeldioxid als K√§ltemittel.
Vincent f√ľhrte 1878 das K√§ltemittel Methylchlorid (CH3Cl, auch Chlormethan) ein. Methylchlo-rid-Kompressoren wurden ab 1885 durch die Pariser Firma Crespin & Marteau hergestellt. Aus dieser wurde sp√§ter die Firma Douane. 1900 konstruierte Douane einen neuen 70 kW Kom-pressor. Er wurde in der Schweiz ab 1913 durch die Firma Escher Wyss und ab 1920 auch in den U.S.A. gefertigt.
Cassius Palmer f√ľhrte 1883 Ethylchlorid (C2H5Cl, Chlorethan) als K√§ltemittel ein und ab 1884 verbreitete Raoul Pictet ein Gemisch aus SO2 und CO2, die sogenannte Pictet-Fl√ľssigkeit [Thevenot 1979], [Nagengast et al. 2006].
KOMPRESSOREN
In Deutschland wurde 1878 das Prinzip des Schraubenkompressors durch Heinrich Krigar patentiert. Sp√§ter verbesserte er seine Konstruktion und meldete ein zweites Patent an. Beide Patente z√§hlen zu den fr√ľhesten deutschen Patenten, da das Deutsche Patentamt erst ein Jahr zuvor gegr√ľndet wurde. Es war zu jener Zeit allerdings noch nicht m√∂glich, die Erfindung umzusetzen, da die Fertigungstechnik daf√ľr noch nicht bereit war. Bis zur praktischen Realisie-rung eines Schraubenkompressors sollte es noch rund f√ľnfzig Jahre dauern.
Eine der ersten Fl√ľgelzellenmaschinen, das Lemielle-Gebl√§se, wurde in den fr√ľhen 1880er Jahren in Frankreich erfunden. Es fand in Belgien eine weite Verbreitung zur L√ľftung von Koh-lebergwerken. Der √úbergang von schwenkbaren Fl√ľgeln zu im Rotor gleitenden Fl√ľgeln war dann nur noch ein relativ kleiner Schritt. Das Prinzip der Fl√ľgelzellenkompressoren mit glei-tenden Fl√ľgeln geht auf die fr√ľhen 1900er Jahre zur√ľck, als der Amerikaner Robert Blackmer die erste Fl√ľgelzellenpumpe erfand. 1909 wurde aus diesem Pumpenprinzip ein mit Methyl-chlorid betriebener Fl√ľgelzellenkompressor f√ľr K√ľhlzwecke auf dem amerikanischen Schiff ‚ÄěCarnegie‚Äú entwickelt. Aber es dauerte noch bis 1920, bis der moderne Fl√ľgelzellenkompressor f√ľr den praktischen Gebrauch bereit war.
Die ersten Turbokompressoren wurden anfangs der 1900er Jahre gefertigt. Sie wurden ur-spr√ľnglich durch Dampfturbinenhersteller entwickelt und fanden verbreiteten Einsatz zur Bel√ľf-tung von Bergwerken, insbesondere im Kohlenabbau. Zu jener Zeit waren die Herstellungs-m√∂glichkeiten von Rotoren aber durch die damals verf√ľgbare Fertigungstechnik noch sehr be-schr√§nkt. Bis zur Herstellung effizienter Turbokompressoren dauerte es noch Jahrzehnte. Der Amerikaner Willis Carrier (1876-1950) suchte nach einem kompakteren Kompressortyp als den damals √ľblichen, volumin√∂sen Kolbenkompressoren. Er hat sich deshalb ab 1911 als erster eingehend mit Radialkompressoren f√ľr Klimaanlagen befasst. Um 1919 versuchte er es zu-erst mit einem Radialkompressor f√ľr Dichlorethylen (C2H2Cl2) aus deutscher Fertigung und dann mit einem solchen von Eastman Kodak aus den U.S.A. f√ľr Dichlormethan (CH2Cl2). Bei kleinen Kompressoren wurde ein viel zu hoher Anteil der Antriebsenergie in den Stopf-buchs-Dichtungen vernichtet. Zur √úberwindung dieses Problems begannen sich die Erfinder mit dem Prinzip hermetischer Kompressoren mit Antriebsmotor und Kompressor in einem einzigen Geh√§use zu befassen. Der Franzose Marcel Audiffren hat das Prinzip 1905 mit einer noch etwas kuriosen technischen L√∂sung realisiert. Aber die Elektromotoren jener Zeit waren mit ihren B√ľrsten, Kommutatoren und einer rudiment√§ren Isolation f√ľr den Bau hermetischer Kompressoren noch ungeeignet. Zu einem kommerziellen Durchbruch kam es erst nach dem ersten Weltkrieg. 1920 baute der Australier Douglas Stokes den ersten hermetischen ‚ÄěMotor-Kompressor‚Äú. Das Prinzip des Scrollkompressors wurde bereits 1905 durch den Franzosen Leon Creux patentiert. Wie beim Schraubenkompressor erm√∂glichte die damalige Fertigungstechnik aber noch keine wirtschaftliche Herstellung der komplizierten spiralf√∂rmigen Fl√ľgelr√§der. Die kom-merzielle Umsetzung erfolgte erst in den sp√§ten 1980er Jahren. Weiter ist erw√§hnenswert, das der franz√∂sische Ingenieur Henri Corblin 1919 den Membrankompressor patentierte.
VERSCHIEDENES. 1895 setzte De la Verne in den U.S.A. vermutlich erstmals einen Dieselmotor zum Antrieb des Kompressors ein. Bemerkenswert ist auch die Einf√ľhrung von Kork als Isolationsmaterial durch Gr√ľnzweig im Jahr 1880. Gegen 1900 erschien in der K√§ltetechnik nach den Doppelrohr- und Mehrrohrkonstruktionen der Rohrb√ľndelkondensator. Darin str√∂mte das Wasser in den Rohrleitungen und das K√§ltemittel kondensierte auf der Aussenseite der Rohre. 1902 installier-te Vilter in den U.S.A. einen Fl√ľssigkeitsabscheider in der Ansaugleitung der Kompressoren, um den Kompressor trocken betreiben zu k√∂nnen [Thevenot 1979], [Nagengast et al. 2006].
4.1.2 Absorptionsprozess. Der direkte Antrieb durch Dampf war einer der Hauptgr√ľnde f√ľr die Dominanz der Absorptions-k√§ltesysteme bis ungef√§hr 1890. Die Elektrizit√§t musste damals unter geringem Wirkungsgrad durch Dampfmaschinen produziert werden. Das Hybridsystem (Kombination von Absorptions- und Kompressionsprozess) wurde in Australien und Deutschland bereits 1895, in Paris 1900 und in den U.S.A. 1916 eingef√ľhrt. Auch der kontinuierliche Diffusions-Absorptionsprozess, welcher ohne L√∂sungsmittel-pumpe auskommt, wurde von H. Geppert bereits im Jahr 1899 patentiert. Er benutzte daf√ľr aber noch Luft anstelle von Inertgasen, was einem Erfolg der Erfindung im Wege stand [Thevenot 1979], [Burget et al. 1999].
4.2 Br√ľdenkompression - Schweizerische Pionierleistungen. Vermutlich angeregt durch die Experimente von Rittinger in Ebensee, wurde in der Schweiz 1876 von Antoine-Paul Piccard9 von der Universit√§t Lausanne und dem Ingenieur J.H. Weibel von der Firma Weibel-Briquet in Genf die weltweit erste wirklich funktionierende Br√ľden-kompressionsanlage gebaut. 1877 wurde diese erste W√§rmepumpe der Schweiz in der Sa-line Bex installiert. Diese Anlage war wesentlich gr√∂sser als der Prototyp von Rittin-ger und produzierte in kontinuierlichem Betrieb rund 175 kg Kochsalz pro Stunde: Diese Anlage wies nun einen echten offenen W√§rmepumpenprozess auf. Als Kompressor diente ein zweistufiger Kolbenkompressor: Antoine-Paul Piccard wurde 1844 in Lausanne geboren. Von 1869 bis 1881 war er war Professor an der technischen Fakult√§t der Universit√§t (Akademie) Lausanne. Seine Innovationen umfassten auch Wasserturbinen (Niagara und andere). Als Unternehmer gr√ľndete er die Firma ‚ÄúPiccard et Pictet‚ÄĚ in Genf, aus der sp√§ter die ‚ÄúAtelier des Charmilles‚ÄĚ hervorgingen. Piccard starb im Jahr 1929 [Kemm 2008].
INDUSTRIALISIERUNG 1876-1918 18
Zur Vermeidung einer Belagsbildung (Fouling) auf den W√§rme√ľbertragungs-Oberfl√§chen war der neue Kristallisator mit einem mechanischen Sch√§lwerkzeug ausger√ľstet. Nach der Inbe-triebnahme traten allerdings auch einige bedeutende Probleme auf. Aber sie wurden durch das Talent und den grossen Einsatz von Piccard √ľberwunden. So konnte der regul√§re kontinuierli-che Betrieb im Jahr 1878 aufgenommen werden. Das System von Piccard war ein grosser Er-folg, obwohl die Produktionskapazit√§t auch nach den zahlreichen Verbesserungen nur etwa 70% des vorausgesagten Werts erreichte. 1881 wurde f√ľr die Saline Ebensee eine gleiche An-lage gebaut. Vier weitere Anlagen wurden in den franz√∂sischen Salines du Salat und eine An-lage im deutschen Sch√∂nbeck in Betrieb genommen. 1917 wurde in Bex eine zweite, gr√∂ssere Anlage in Betrieb genommen [Winkler 1995]. Erstaunlicherweise wurde Piccard‚Äôs System 1877, also ein Jahr nach seinen Arbeiten, in leicht modifizierter Form von den Deutschen Sch√§ffer und Budenberg als Deutsches Reichspatent 191 patentiert. Die Beiden brachten ihre ‚ÄěErfindung‚Äú aber nie zum Funktionieren [Winkler1995]. W√§hrend dem ersten Weltkrieg litt die Schweiz unter exorbitanten Brennstoffpreisen. Aber es war gen√ľgend elektrische Energie aus Wasserkraft vorhanden. Unter diesen Umst√§nden wur-de 1917 durch die Schweizer Firma Kummler & Matter eine kleinere Br√ľdenkompressionsan-lage f√ľr die F√§rberei Jenny in Aarau gebaut. In dieser weltweit ersten Br√ľdenkompression-sanlage mit elektrischem Antrieb wurde der Br√ľden von 100¬įC auf einen Druck f√ľr eine Kondensationstemperatur von 114 ¬įC verdichtet. Dabei wurde eine Leistungszahl von 11.7 gemessen. Nebenbei sei bemerkt, dass die Abnahmepr√ľfung der Anlage durch den ber√ľhmten Aurel Boreslav Stodola von der ETH Z√ľrich durchgef√ľhrt wurde. Stodola, dessen B√ľste am Eingang zum Maschinenlaboratorium der ETH-Z√ľrich steht, war ein weltbekannter Dampf- und Gasturbinenexperte. Aufgrund der erfreulichen Resultate wurden in der Schweiz in den folgen-den Jahren diverse weitere Br√ľdenkompressionsanlagen gebaut [Wirth 1936, 1955].
5 W√ĄRMEPUMPENHEIZUNG WIRD INTERESSANT 1919-1950
In dieser Periode haben sich W√§rmepumpen zur Raumheizung und f√ľr die Warmwasserberei-tung von seltenen, ersten Prototypen zu einer verl√§sslichen, effizienten und ‚Äď je nach den herr-schenden Randbedingungen ‚Äď sogar √∂konomischen Heizungsvariante entwickelt.
5.1 Komponenten und Kältetechnik
5.1.1 Dampfkompressionsprozess
Die Drehzahlsteigerung bei den Kolbenkompressoren hat sich verst√§rkt fortgesetzt. Die alten, oft doppelt wirkenden Kolbenkompressoren drehten mit etwa 40 U/min bis 60 U/min. Um 1920 erreichten ‚Äěschnelle‚Äú Kompressoren 500 U/min. Dies hatte selbstverst√§ndlich auch eine Reduktion des Volumens und des Gewichts der Kompressoren zu Folge. Nach 1918 wurde der Elektromotor zur ersten Wahl f√ľr den Kompressorantrieb. 1925 ergab eine Umfrage in den U.S.A., dass noch 36% der Kompressoren durch Dampfmaschinen und bereits 58% durch Elektromotoren angetrieben wurden. Weitere 4% wurden durch Dieselmoto-ren und 2% durch Gasmotoren betrieben. Um 1920 wurde der ohne Riementrieb direkt an den Kompressor gekoppelte elektrische Synchronmotor popul√§r [Thevenot 1979].
K√ĄLTEMITTEL
Trotz den offensichtlichen Vorteilen hatte die k√ľnstliche K√ľhlung auch mit Problemen zu k√§mp-fen. K√§ltemittel wie Schwefeldioxid oder Methylchorid waren lebensgef√§hrlich. Auch Ammoniak hatte im Leckagefall verheerende gesundheitliche Konsequenzen. Deshalb suchten die K√§lte-ingenieure vehement nach ungef√§hrlichen Ersatzk√§ltemitteln. Sie wurden gegen das Ende der 1920er Jahre mit einer ganzen Anzahl synthetischer K√§ltemittel gefunden. 1928 wurden durch Thomas Midgley, Albert Henne und Robert McNary in den Forschungslaboratorien von General Motors f√ľr Frigidaire erstmals Fluorchlorkohlenstoffe synthetisiert. Die Entwicklung der K√§l-temittel R-11 und R-12 als Ersatz f√ľr Ammoniak (NH3), Schwefeldioxid (SO2) und Methylchlorid (CH3Cl) wurde 1930 √∂ffentlich angek√ľndigt. Die bekanntesten Fluorchlorkohlenstoffe wurden von DuPont unter dem Markennamen Freon patentiert. Fluorierte, chlorierte und in einigen F√§l-len bromierte Kohlenwasserstoffe sind unbrennbar, geruchlos, nur in grossen Konzentrationen toxisch wirkend, schmiermittelvertr√§glich und relativ kosteng√ľnstig zu produzieren. Zudem wei-sen sie auch vorteilhafte thermodynamische Stoffwerte auf. Diese Entwicklung bedeutete einen grossen Schritt vorw√§rts ‚Äď wenigstens bis lange nachher die durch die Fluorchlorkohlenstoffe verursachten Umweltsch√§den bekannt wurden. Ausser-halb der U.S.A. fand die Hauptverbreitung der halogenierten Kohlenwasserstoffe erst nach 1945 statt. Gleichzeitig stieg die Anzahl der unterschiedlichen synthetischen K√§ltemittel, und es stand f√ľr praktisch jede Anwendung ein ideales K√§ltemittel zur Verf√ľgung. 1936 hat Albert Henne, ein Miterfinder der Fluorchlorkohlenstoffe, den Fluorkohlenwasser-stoff R-134a synthetisiert. Dieses K√§ltemittel erwies sich in den 1980er Jahren als das beste Ersatzk√§ltemittel ohne Abbaupotenzial f√ľr die Ozonschicht f√ľr die meisten gebr√§uchlichen Flu-orchlorkohlenstoffe. Trotzdem blieben vor allem in Europa NH3, SO2 und CH3Cl in der Zeit zwi-schen den beiden Weltkriegen noch die wichtigsten K√§ltemittel.
KOMPRESSOREN
Der Rollkolbenkompressor wurde 1920 von W.S.E. Rolaff eingef√ľhrt. Er wurde zuerst durch die Firma Norge in Detroit unter der Bezeichnung ‚ÄěRollator‚Äú f√ľr Schwefeldioxid als K√§ltemittel hergestellt. Ebenfalls um 1920 begann General Electric mit der Massenproduktion hermeti-scher Kompressoren f√ľr Haushaltanwendungen. Sulzer Winterthur startete 1920 eine umfangreichere Produktion von horizontalen Zweizylin-der-K√§ltekompressoren. 1925 folgte die Seriefabrikation von vertikalen K√§ltekompressoren f√ľr NH3 und CO2. 1927 baute Sulzer den weltweit gr√∂ssten Kolben-K√§ltekompressor mit einer Leistung von 9.4 MW. 1937 folgte eine noch gr√∂ssere Version mit 11.6 MW (Bild 5-1). In den fr√ľhen 1930er Jahren f√ľhrte Sulzer den √∂lfreien Labyrinth-Kolbenkompressor ‚Äď zun√§chst f√ľr die Verdichtung von Luft - ein: Bild 5-2 (1: Labyrinthkolben, 2: Zylinderwand, 3: Drosselstelle, 4: Volumenkammer, 5: Wirbel). Ab ungef√§hr 1955 wurde er f√ľr den Gebrauch als K√§ltekompres-sor modifiziert. Heute wird der weiter entwickelte Labyrinthkolbenkompressor unter der Be-zeichnung ‚ÄěLaby‚Äú durch Burckhardt Compression in Winterthur mit Leistungen bis √ľber 25 MW gefertigt und in die ganze Welt exportiert. Hauptabnehmer ist die petrochemische Industrie. Der fr√ľher nur f√ľr Luft verwendete Fl√ľgelzellenverdichter wurde ab 1920 auch f√ľr K√§ltemittel eingesetzt ‚Äď zuerst in Deutschland, den U.S.A. und der Schweiz. Ab 1922 fertigte Sulzer die kompakte K√§lteeinheit ‚ÄúFrigorotor‚ÄĚ und die gr√∂ssere Version ‚ÄúFrigocentrale‚ÄĚ. "Frigorotor" wies eine K√§lteleistung von 1.2 ‚Äď 11.6 kW auf und ben√ľtzte Methylchlorid als K√§ltemittel. Sulzer begann bereits 1909 mit der Herstellung von Turbokompressoren und trat 1927 mit ei-nem mehrstufigen Turbokompressor f√ľr Ammoniak mit Dampfturbinenantrieb in den K√§lte-technikmarkt ein. Brown Boveri10 (BBC) konzentrierte sich auf Turbokompressoren und baute 1926 einen 9.3 MW Ammoniakverdichter. 1927 folgte eine 17.4 MW Ausf√ľhrung. Sp√§ter ver-wendete BBC Ethylchlorid sowie Ethylbromid und dann Fluorchlorkohlenstoffe als K√§ltemittel. 1935 war ihr Wasser- oder Solek√§ltesatz ‚ÄěFrigobloc‚ÄĚ mit Kompressoren im Leistungsbereich von 23 kW bis 1.4 MW ausger√ľstet. Vor 1940 wurden f√ľr die Radial-Turbokompressoren 5 bis 6 Laufr√§der ben√∂tigt. Die Entwicklung in Richtung immer h√∂herer Umfangsgeschwindigkeiten f√ľhrte in der Zeit von 1940 bis 1960 auf 2 bis 3 Laufr√§der. Nach 1960 wurden immer mehr Ra-dialverdichter mit einem Laufrad und Umfangsgeschwindigkeiten nahe an der Schallgeschwin-digkeit realisiert. Escher Wyss baute 1936 einen Rollkolbenkompressor, den sogenannten ‚ÄúRotasco‚ÄĚ. Dieser Kompressor fand eine rasche Verbreitung und wurde aus L√§rmgr√ľnden auch f√ľr die erste eu-rop√§ische W√§rmepumpe im Z√ľrcher Rathaus verwendet 1923 baute Willis Carrier einem Prototyp eines Radialturbokompressor-K√§ltesatzes mit Koh-lenstofftetrachlorid und Dichlorethylen als K√§ltemittel. 1927 waren bereits 50 seiner Radialtur-bokompressoren mit Dichlorethylen in Betrieb. Sp√§ter wurde das Dichlorethylen durch die f√ľr Turbokompressoren geeigneteren FCK11 (R-11, gefolgt von R-12) ersetzt. Trane verwendete in ihren Radialkompressoren f√ľr die Raumklimatisierung R-113. Axiale Turbokompressoren erschienen in der K√§ltetechnik erst nach dem zweiten Weltkrieg ‚Äď und dann meist in grossen Anlagen zur Verfl√ľssigung von Erdgas. Der schwedische Turbinenhersteller Ljungstroms Angturbin suchte 1934 nach leichten Kom-pressoren f√ľr Gas- und Dampfturbinen. Da das urspr√ľngliche Patent f√ľr Schraubenkompres-soren nicht mehr g√ľltig war, hat Lysholm ein brauchbares Profil von Schraubenkompressoren entwickelt und mehrere Kombinationen von Schraubenrotoren getestet. Lysholm besch√§ftigte sich aber nicht nur um die Rotorgeometrie ‚Äď er k√ľmmerte sich auch um die genaue Herstellung der Rotoren und patentierte eine entsprechende Herstellungsmethode. Das Patent aus dem Jahr 1935 zeigt seine asymmetrische Rotorkonstruktion mit 5 m√§nnlich und 4 weiblichen Ro-torbl√§ttern. Obwohl die Geometrie im Laufe der Jahre weiter verfeinert wurde, war dies die Grundlage f√ľr die heutigen Schraubenkompressoren. Die Anwendung war noch auf die Ver-dichtung von Luft beschr√§nkt. F√ľr die K√§ltetechnik war das erreichbare Druckverh√§ltnis noch zu gering. Es vergingen noch vier weitere Dekaden, bis aus dem Schraubenkompressor ein konkurrenzf√§higer K√§ltekompressor wurde. Kleinkompressoren f√ľr Haushaltanwendungen kamen erst etwa 50 bis 60 Jahre nach den in-dustriellen Kompressoren. Sie konnten erst realisiert werden, als weniger verlustreiche Wellen-dichtungen und eine genaue und verl√§ssliche automatische Regelung entwickelt waren. In den 1930er Jahren setzte sich der kapazitive Elektromotorstart durch. Damit war der Weg frei f√ľr den Bau hermetischer Kompressoren. Nach 1940 wurden die hermetischen Kompressoren namentlich infolge neuer Elektromotortypen kleiner.
VERSCHIEDENES. Der Plattenw√§rme√ľbertrager wurde 1923 durch Richard Seligman von der ‚ÄěAluminium Plant & Vessel Company Limited (APV)‚Äú erfunden. Infolge der grossen Oberfl√§che, der kurzen W√§rme-transportwege, der durch die Plattenprofile perfekt gef√ľhrten Str√∂mung und der Freiheit in der Volumenstromaufteilung brachte dieser neue W√§rme√ľbertrager eine revolution√§re Reduktion des Bauvolumens und des K√§ltemittelinhalts. Zudem wurde im Bedarfsfall eine nachtr√§gliche Vergr√∂sserung der W√§rme√ľbertrageroberfl√§che leicht m√∂glich. Vorerst waren zur Vermeidung von K√§ltemittelverlusten noch anspruchsvolle Dichtungen zwischen den Platten erforderlich. Das erste thermostatische Expansionsventil wurde vermutlich durch E. Diffinger von den ‚ÄěEtablissement P. Colombier Fils‚Äú in Paris im Jahr 1923 erfunden. Drei Jahre sp√§ter erfand H. Thompson ein der heutigen Ausf√ľhrung entsprechendes thermostatisches Expansionsventil und erhielt daf√ľr 1927 ein U.S.A.-Patent. 1925 meldete R. Bernat ein Patent f√ľr die erste Aus-f√ľhrung eines Schwimmerventils zur K√§ltemitteldurchsatzregulierung an. 1927 wurde durch T. Carpenter die Kapillarrohrregulierung erfunden. In den sp√§ten 1940er Jahren erhielt Kork als Isolationsmaterial eine √ľberlegene Konkurrenz durch Isoliersch√§ume.
5.1.2 Absorptionsprozess
Zwei Jahrzehnte nach der Erfindung des Diffusions-Absorptionsprozesses durch H. Geppert f√ľhrten die Schweden Carl Munters und Baltazar von Platen das Prinzip zum Erfolg, indem sie Wasserstoff anstelle von Luft als Inertgas einsetzten. Sie erhielten daf√ľr 1920 ein Patent und erste K√ľhlschrankfunktionsmuster wurden bereits Ende 1920 hergestellt [Theveonot 1979], [Burget et al. 1999]. Der ger√§uschlose Ammoniak-Wasser K√ľhlschrankprozess arbeitete ohne bewegliche Teile (insbesondere ohne L√∂sungsmittelpumpe) und konnte mit Gas, Petroleum oder Elektrizit√§t betrieben werden. Ein weiterer Vorteil dieser technischen Revolution war der im Vergleich zu den damaligen Kompressionsprozessen tiefere Preis. Electrolux kaufte 1925 die Patente von Munters und Platen und startete 1926 die Produktion von K√ľhlschr√§nken. Der Absorptionsk√ľhlschrank wurde sp√§ter ein weltweiter Erfolg. Nach 1927 wurde die Produktion durch mehrere Firmen in den U.S.A. ausgeweitet.Die Patentrechte von Electrolux verfielen zuerst in der Schweiz (als Folge des zweiten Welt-kriegs wurden sie f√ľr die √ľbrigen L√§nder Europas um 6 Jahre verl√§ngert). Hans Stierlin ‚Äď ein sp√§terer Ehrendoktor der ETH Z√ľrich ‚Äď ergriff die Chance, verbesserte den Prozess und be-gann ab 1944 mit der K√ľhlschrankproduktion in seiner Firma SIBIR in Schlieren. Im Vergleich mit den damaligen Kompressor-K√ľhlschr√§nken waren seine SIBIR-K√ľhlschr√§nke sensationell preisg√ľnstig. Entsprechend nahm die Nachfrage stark zu. In den 1960er Jahren wurde SIBIR ein Synonym f√ľr K√ľhlschrank. 1962 waren in Europa rund 50% der Haushaltk√ľhlschr√§nke Ab-sorptionsk√ľhlschr√§nke. Stierlin verbesserte die Effizienz des Diffusions-Absorptionsprozesses durch die R√ľckgewinnung der W√§rme des aus dem Rektifikator str√∂menden Ammoniaks (rund 1/3 der gesamten W√§rmezufuhr!). Er hat die erhebliche Prozessverbesserung 1967 zum Patent angemeldet und dieses 1969 erhalten [Stierlin 1969]. Eine vergleichbare Verbesserung des Rektifikationsprozesses wurde auch durch A. Lenning vorgeschlagen [Lenning 1971], [Was-sermann 2007]. Als die Kompressionsk√ľhlschr√§nke kosteng√ľnstiger, ruhiger und dank herme-tischen Kompressoren und k√ľnstlichen K√§ltemitteln effizienter und sicherer wurden, schmolzen die Vorteile der Absorptionsk√ľhlschr√§nke dahin. Die Verk√§ufe von SIBIR brachen gegen das Ende der 1980er Jahre ein und um 1990 wurde SIBIR an Electrolux verkauft [Wassermann 2007]. Nebenbei sei bemerkt, dass sich der ber√ľhmte Albert Einstein am Rande auch f√ľr den Absorp-tionsprozess interessierte. Unf√§lle mit Kompressionsk√ľhlschr√§nken motivierten seinen ungari-schen Assistenten, Leo Szilard, zur Entwicklung eines Absorptionssystemschrankes. Szilard und Einstein haben ein Patent f√ľr ein Absorptionssystem zur K√ľhlung einer Eiskiste einge-reicht. Es wurde ihnen 1930 auch erteilt. Aber was immer auch der Grund gewesen sein mag ‚Äď die Apparatur funktionierte nicht wie vorgesehen. Um 1930 regte sich das Interesse zur Nutzung von Abw√§rme f√ľr den Absorptionsk√§lteprozess. Bereits vor 1935 waren einige Anlagen in den U.S.A., Deutschland und Frankreich in Betrieb. 1932 f√ľhrte G. Maiuri in England ein Mehrstufen-Ammoniakabsorptions-Aggregat ein. In den 1930er Jahren begann eine allm√§hliche Erweiterung vom dominanten Ammoniak-Was-ser-System auf andere Arbeitspaare. Um 1937 verwendete Kathaber Lithiumchlorid-Wasser in einem offenen Absorptionssystem. Die bedeutendste Ver√§nderung bei Absorptionsk√§ltean-lagen war die Einf√ľhrung der Lithiumbromid-Wasser-Systeme um 1940. Eine Studie von Ser-vel, Carrier und anderen zeigte, dass Absorptionsaggregate mit diesem Stoffpaar f√ľr die Er-zeugung von K√§lte bei Temperaturen um +5¬įC bei tieferen Heiztemperaturen betrieben werden k√∂nnen als mit Ammoniak-Wasser. Allerdings wurden Kristallisation und Korrosion auch als Haupthindernis f√ľr dieses Stoffpaar identifiziert. Carrier f√ľhrte ab 1938 zu Lithiumbromid-Wasser-Systemen eingehendere Studien durch und baute 1945 die erste dampfbeheizte 430 kW Anlage. Damit hatte das ‚ÄěGoldene Zeitalter der Absorptionstechnik‚Äú begonnen. Um 1960 hatte Carrier bereits 1'500 grosse Lithiumbromid-Wasser-Anlagen ausgeliefert. Um 1965 be-trug in den U.S.A. der Anteil an Absorptionssystemen 30% [Thevenot 1979], [Burget et al. 1999], [Nagengast et al. 2006].
5.2 W√§rmepumpenheizung ‚Äď eine Schweizerische Pionierleistung
Die Schweiz litt w√§hrend und nach dem ersten Weltkrieg an einer grossen Brennstoffknappheit. Gleichzeitig bestand das Potenzial f√ľr einen Ausbau der Wasserkraft. Not macht erfinderisch. So begannen um 1918 ernsthafte Diskussionen √ľber die Aussichten einer Raumheizung mit W√§rmepumpen [Wirth 1955]. Sie wurde angeregt durch die erste Publikation zur Raumhei-zung mit W√§rmepumpen in einer der bedeutendsten Schweizer Fachzeitschriften [Hottinger 1920]. Sie kam zu folgendem Schluss: ‚ÄěAllgemeing√ľltige Kostenberechnungen aufstellen zu wollen, hat bei den heutigen labilen Marktpreisen keinen Wert; dagegen lohnt es sich wohl, von Fall zu Fall zu pr√ľfen, ob die Anordnung einer W√§rmepumpe Aussicht auf Erfolg hat‚Äú. In seinem umfassenden Buch zur Geschichte der K√§ltetechnik schrieb Thevenot: ‚ÄúDie W√§rme-pumpe ist ein k√§ltetechnisches System zur Produktion von W√§rme. Es gibt eine gewisse Ver-suchung, dieses System als eines zu bezeichnen, welches einer Weltkrise bedarf, bevor es entwickelt wird...‚Äú und an anderer Stelle: ‚ÄěEs war die Schweiz, ein an fossilen Energiereserven armes aber an hydroelektrischer Energie reiches Land, welches um 1939 - nach einigen Experimenten um 1930 - den Anstoss zur Realisierung dieser Heizmethode gab.‚Äú Vor und w√§hrend dem zweiten Weltkrieg litt die Schweiz erneut unter einer ernsthaften Knapp-heit des Kohlenachschubs. Sie gab Anlass zu einem entschlossenen Bau weiterer Wasserkraftwerke vor und w√§h-rend des zweiten Weltkriegs und zu einer rationellen Verwendung der Hydroelektrizit√§t oder der ‚Äěweissen Kohle‚Äú, wie diese auch genannt wurde [Wirth 1941]. Der hohe technische Stand des schweizerischen W√§rmekraftmaschinenbaus war ein weiterer Grund, weshalb die Schweiz zu einem W√§rmepumpenpionierland wurde. Dieser wird etwa durch die Tatsache illustriert, dass Brown Boveri Baden im Jahr 1939 in der Stadt Neuenburg die weltweit erste industrielle Gasturbine in Betrieb nahm. Raumheizen durch Nutzen der Abw√§rme von K√§lteanlagen in Eisbahnen und Brauereien wur-de bereits in der Mitte der 1930er Jahre praktiziert. Zwischen 1938 und 1945 wurden in der Schweiz dann aber durch die Firmen Sulzer in Winterthur, Escher Wyss in Z√ľrich und Brown Boveri in Baden 35 eigentliche W√§rmepumpen gebaut und installiert. Diese W√§rmepumpen wurden zur Raumheizung und f√ľr andere Niedrigtemperaturanwendungen (zum Beispiel Warmwasserbereitung oder Erw√§rmung von Hallenbad-Schwimmwasser) eingesetzt. Haupt-w√§rmequellen f√ľr die W√§rmepumpen waren Seewasser, Flusswasser, Grundwasser und Abw√§rme [Thevenot 1979], [Bauer 1944].Ein weiteres, wichtiges Motiv zur Realisierung dieser ersten W√§rmepumpen war das Sammeln von Erfahrungen mit diesem neuen Heizsystem und eine Abkl√§rung ihres Potenzials zur k√ľnftigen Deckung des schweizerischen W√§rmebedarfs. Nach f√ľnf Jahren Betriebserfahrung konnte 1944 Erfreuliches berichtet werden [Egli 1944]. Der Bericht hob hervor, dass die W√§rmepumpen bisher problemlos funktionierten und dass sie keinen gr√∂sseren Bedienungsaufwand erfordern als konventionelle Heizungssysteme. Auch nach dem zweiten Weltkrieg blieben die W√§rmepumpen in der Schweiz ein wichtiges Thema. Die Inbetriebnahme zahlreicher W√§rmepumpen veranlasste den Schweizerischen Bundesrat zu einem Rundschreiben an alle Kantone. In diesem wurde nach der Notwendigkeit eines landesweiten Gesetzes zur W√§rmeentnahme aus Oberfl√§chengew√§ssern gefragt. Weiter forderte das Rundschreiben die Kantone dazu auf, den Bund √ľber W√§rmepumpenanlagen mit Flusswasser als W√§rmequelle zu informieren und einen Nutzungszonenplan aufzustellen. Im Interesse der Unabh√§ngigkeit von Brennstoffimporten empfahl der Bundesrat den Kantonen, auf die Erhebung von Geb√ľhren f√ľr die W√§rmeentnahme zu verzichten [Bundesrat 1949]. 1955 gab es in der Schweiz rund 60 W√§rmepumpen. Die gr√∂sste unter ihnen erreichte eine W√§rme-leistung von 5.86 MW.
5.2.1 Historische W√§rmepumpen der Stadt Z√ľrich
Die Installation der ersten W√§rmepumpe im Rathaus Z√ľrich durch die Firma Escher Wyss war ein weltweiter Meilenstein. Das W√§rmepumpensystem wurde durch die Ingenieur-firma Heinrich Lier in Z√ľrich geplant. Es diente dem Ersatz von Einzelraumholz√∂fen. F√ľr die Lagerung fester Brennstoffe wie Holz oder Kohle war zu wenig Platz vorhanden. Deshalb be-schr√§nkte sich die Auswahl m√∂glicher Heizenergien auf Heiz√∂l, Stadtgas (aus Kohle) oder Elektrizit√§t. Im Hinblick auf die zunehmend behinderten Einfuhren von Kohle und √Ėl und die schmerzlichen Erfahrungen w√§hrend dem ersten Weltkrieg entschloss man sich f√ľr Elektrizit√§t. 1937 arbeitete Escher Wyss eine energieeffiziente W√§rmepumpenl√∂sung aus und offerierte sie f√ľr 27'850 Schweizer Franken. Es ist erw√§hnenswert, dass die Anla-ge gem√§ss der Endabrechung nur 24'090 Schweizer Franken kostete. Der Fluss Limmat mit einer mittleren Temperatur w√§hrend der Heizsaison um 7¬įC war eine ideale W√§rmequelle. Das Flusswasser wurde bei einer mittleren W√§rmepumpenleistung um etwa 1.5 K abgek√ľhlt. Die nominale W√§rmeleistung der W√§rmepumpe betrug 100 kW. Die Heizungsvorlauftemperatur lag bei rund 60¬įC. Zur Spitzenlastdeckung wurde ein mit maximal 65 kW elektrisch beheizter Boiler installiert. Als Novum f√ľr Europa konnte die W√§rmepumpe im Sommer (im Gegensatz zu den weiteren historischen W√§rmepumpen der Stadt Z√ľrich) auch f√ľr die Raumk√ľhlung eingesetzt werden. Die Umschaltung auf K√ľhlbetrieb und umgekehrt auf Heizbetrieb erfolgte manuell √ľber vier Dreiwegventile. Abgesehen davon funktionierte die Anlage bereits vollautomatisch. Zur Ver-meidung von L√§rm und Vibrationen entschied sich Escher Wyss f√ľr ihren bereits beschriebe-nen Rollkolbenkompressor ‚ÄěRotasco‚Äú .Er vermochte die Erwartungen in Bezug auf den volumetrischen Wirkungsgrad sowie die Ger√§uscharmut und Vibrationsfreiheit voll zu befriedigen. Als Besonderheit ist zu erw√§hnen, dass der 42 kW Elektromotor nicht nur den Kompressor sondern √ľber ein Getriebe auch die 8 l/s Flusswasserpumpe und die 3.6 l/s Hei-zungsumw√§lzpumpe anzutreiben hatte. Als K√§ltemittel wurde R-12 verwendet. Verdampfer und Kondensator wurden als horizontale Rohrb√ľndelapparate ausgef√ľhrt: Bild 5-10. Die W√§rmepumpenanlage wurde in den Jahren 1937-1938 gebaut und installiert. Die Inbetriebnahme erfolgte 1938. In der Heizsaison 1938-1939 wurden an der W√§rmepumpenanlage umfangreiche Messungen durchgef√ľhrt. Unter Be-r√ľcksichtigung aller Hilfsantriebe (Flusswasserpumpe!) wurde eine Jahresarbeitszahl von 2.16 ermittelt. Die Aufstellung der W√§rmepumpe in einem ehemaligen B√ľro erforderte einen Wanddurchbruch. Die W√§rmepumpe im Z√ľrcher Rathaus ist die √§lteste noch funktionierende W√§rmepumpe. 1964 musste der Kompressor vollst√§ndig √ľberholt werden und in den Jahren 1983-1984 wurden das W√§rmepumpensystem revidiert sowie das L√ľftungssystem ersetzt [Egli 1938, 1940], [D√ľrr 1996]. Erst nach 63 Vollbetriebsjahren wurde die historische Escher Wyss W√§rmepumpe im Jahr 2001 durch eine neue W√§rmepumpe der Firma Scheco in Winterthur er-setzt. Diese erreicht mit dem K√§ltemittel R-134a bei einer Flusstemperatur von 3.5 ¬įC und einer Heizungsvorlauftemperatur von 55 ¬įC eine W√§rmeleistung von 134 kW und eine Leistungszahl von 3.27. Dies entspricht einem Lorenz-Wirkungsgrad von 51% - allerdings ohne Ber√ľcksichti-gung der Hilfsantriebe. Die historische W√§rmepumpe wird seit 2001 nur noch eine Stunde pro Woche betrieben, um sie ‚Äěam Leben‚Äú zu erhalten. Sie wird seit 2001 ebenfalls mit R-134a an-stelle des fr√ľheren R-12 betrieben [Fluri 2007].
1941 HALLENBAD ZÜRICH-CITY (1’025 KW)
Das neu gebaute Hallenbad im Zentrum der Stadt Z√ľrich (Bild 5-11) wies einen j√§hrlichen Heizenergiebedarf von rund 5500 MWh auf. Dies entsprach einem j√§hrlichen Kohlebedarf von 90 damaligen 10-Tonnen-G√ľterwagen ‚Äď eine im Hinblick auf die Kohleknappheit in den Kriegs-jahren enorme Menge! Elektrizit√§t aus Wasserkraftwerken war jedoch immer ‚Äď wenn auch be-schr√§nkt ‚Äď verf√ľgbar. Die Elektrizit√§t musste aber gegen√ľber einer elektrischen Widerstands-heizung rationeller verwendet werden. Ermutigt durch die eindr√ľcklichen Errungenschaften im Rathaus, entschloss sich der Stadtrat, auch f√ľr das Hallenbad eine W√§rmepumpe einzusetzen. Das Schwimmbecken des Hallenbads mit einer damals noch sehr tiefen Temperatur von 23 ¬įC (heutiger Standard ist 28 ¬įC...) versprach einen noch effizienteren W√§rmepumpenbetrieb. Zu-dem war eine ausgezeichnete W√§rmequelle vorhanden. Das frische Schwimmbadwasser wur-de durch die Abw√§rme aus einer benachbarten Transformatorstation auf die erforderlichen 23 ¬įC aufgeheizt. Aber diese reichte nicht aus, um die Temperatur des Schwimmbeckens auf 23 ¬įC zu halten. Deshalb sah Escher Wyss, welche die Anlage plante und die Ammoniak-W√§rmepumpe baute, das A
09 Feb 2012
10:47:42
Zoog
Wärmepumpen Geschichte Teil 2
Deshalb sah Escher Wyss, welche die Anlage plante und die Ammoniak-W√§rmepumpe baute, das Aufheizen eines Teilvolumens des Schwimmwassers auf 45 ¬įC mit einer Heizleistung von 325 kW vor. Zur Nutzung der niedrigen Nachtenergietarife erfolgte diese w√§hrend der Nacht. Diesem Zweck diente ein erstes W√§rmepumpensystem mit dem Badewas-serabfluss als W√§rmequelle und zwei der total f√ľnf Kompressoren. Ein zweites W√§rmepumpensystem mit den drei restlichen Kompressoren diente der Raum-heizung durch eine Beheizung des Fussbodens, der Decke, der W√§nde, der Pfeiler und derSitzb√§nke. Hier wurden also thermoaktive Bauelemente bereits realisiert ‚Äď lange bevor dieser Begriff in der Fachwelt eingef√ľhrt wurde. Dieses W√§rmepumpenheizsystem hatte eine Vorlauf-temperatur von 50¬įC und eine maximale Heizleistung von 700 kW. Als W√§rmequelle f√ľr dieses zweite System wurde Seewasser aus dem Schanzengraben genutzt: Bild 5-14. Nach der mo-natlichen vollst√§ndigen Schwimmwassererneuerung kam eine zus√§tzliche elektrische Wider-standsheizung mit 2000 kW zum n√§chtlichen Einsatz [Hochbauamt 1941]. Im Rahmen einer Revision des Hallenbads in den Jahren 1979-1980 wurde das urspr√ľngliche zweite W√§rmepumpensystem mit den drei Kolbenkompressoren durch eine einzige Sulzer Tur-bo-W√§rmepumpe mit R-12 als K√§ltemittel und einer Heizleistung von 1.2 MW ersetzt [Hoch-bauamt 1980]. Diese erwies sich als stark √ľberdimensioniert. Beim Ersatz des K√§ltemittels R-12 wurde 1996 ein neues W√§rmepumpensystem mit drastisch reduzierter Leistung installiert. Dieses wies f√ľr die Heizung des Schwimmbadwassers noch 100 kW und f√ľr die Raumheizung noch 325 kW auf. Die Spitzenlast wird nun durch eine 500 kW Kesselheizung gedeckt. Mit der W√§rmer√ľckgewinnung aus dem ausfliessenden Schwimmbadwasser, der Luftentfeuchtung, dem Seewasser und zus√§tzlichem Grundwasser erreicht die neue R-134a-W√§rmepumpe eine Jahresarbeitszahl von 3.2. W√§hrend die historischen W√§rmepumpenkom-pressoren gem√§ss dem Bild 5-13 noch eine ganze Maschinenhalle f√ľllten, fanden die neuen Maschinen in einem Container gen√ľgend Platz: Bild 5-12. Selbst unter Ber√ľcksichtigung einer Reduktion der W√§rmeleistung von 1025 kW der historischen Maschinen auf 425 kW der mo-dernen Maschine bleibt die Volumenreduktion eindr√ľcklich. In der Folge einer geplanten v√∂lli-gen Erneuerung des bestfrequentierten Hallenbades der Schweiz erscheinen am Horizont be-reits Umrisse einer dritten W√§rmepumpengeneration [Huwyler 2007].
1942 W√ĄRMEPUMPENANLAGE WALCHE F√úR FERNW√ĄRMEHEIZUNG (5‚Äô860 KW)
Hauptmotive f√ľr den Bau eines dritten W√§rmepumpenheizungssystems waren die unsichere Brennstoffversorgung mit stark steigenden Kohlepreisen in der kleinen Schweizer Insel inmitten faschistisch regierter und Krieg f√ľhrender L√§nder. Massgebend war aber auch der Wille zur Bewahrung der f√ľhrenden Position der einheimischen Industrie und zur St√§rkung von For-schung und Lehre an der ETH-Z√ľrich sowie nicht zuletzt auch das klare Bekenntnis zur Unab-h√§ngigkeit. Unter diesen Umst√§nden beschloss der Bundesrat 1942 den Bau einer grossen W√§rmepumpenanlage an der Walche, nahe beim Hauptbahnhof: Bild 5-17. Ziel des Projekts war eine Einsparung von 45% des W√§rmebedarfs in dem in den Jahren 1930-1932 gebauten Fernw√§rmenetz der Stadt Z√ľrich. Die Anlage sollte aber auch zu einem leuchtenden Beispiel f√ľr das neue Heizsystem werden und einen Beitrag an deren Erforschung und Entwicklung leisten. Das grosse W√§rmepumpensystem wurde trotz der kriegsbedingten Behinderungen in einer Rekordzeit gebaut. Noch 1942 wurden der Untergrund-Maschinenraum erstellt (Bild 5-18) und die drei W√§rmepumpen mit einer f√ľr jene Zeit enormen nominalen Gesamtw√§rmeleistung von 5‚Äô860 kW gebaut. Das W√§rmepumpensystem bestand aus drei W√§rmepumpen. Zwei davon waren identische W√§rmepumpen, sogenannte ‚ÄěThermoblocks‚Äú von Brown Boveri Baden: Bild 5-19. Die beiden Maschinen mit Achtstufen-Radialkompressoren wurden mit 3‚Äô200 kg des FCK-K√§ltemittels R-11 betrieben und hatten eine W√§rmeleistung von je 2'000 kW. Die dritte W√§rmepumpe (Bild 5-20) von Sulzer Winterthur hatte eine W√§rmeleistung von 1'860 kW und arbeitete mit drei dreistufigen Kolbenkompressoren (Bild 5-21) und 6'000 kg Ammoniak als K√§ltemittel. Diese erstaunliche Kombination von Turbo- und Kolbenkompressor-W√§rmepumpen wurde gew√§hlt, um gleichzeitig Erfahrungen f√ľr beide Kompressortypen zu sammeln. Die drei W√§rme-pumpen wurden parallel betrieben. Die weltweit erste Integration von W√§rmepumpen in ein Fernw√§rmenetz mit einer geforderten Vorlauftemperatur von 70¬įC war keine leichte Aufgabe. Sie wurde erstaunlich gut gemeistert. Bei 9 ¬įC / 71 ¬įC erreichten die Turbokompressorw√§rme-pumpen eine Leistungszahl von 2.58 und die Kolbenkompressorw√§rmepumpen eine Leis-tungszahl von 2.73 [Schindler-F√§ssler und Schindler 1944]. Dies bedeutete sehr hohe Lo-renzwirkungsgrade von 46.5% beziehungsweise 49.2%. Es bleibt allerdings unklar, wie der Energiebedarf f√ľr die Hilfsantriebe bilanziert wurde. Die geringe Abk√ľhlung des Flusswassers in 10 Metern Abstand vom Wiedereintritt des Wassers in den Fluss um nur ungef√§hr 0.6 ¬įC entsprach den Anforderungen an den Gew√§sserschutz. Weitere Einzelheiten findet man in [Bauer 1944]. 1972, nach dreissig Betriebsjahren, wurde die Anlage infolge zu hoher Unter-haltskosten und zu tiefer Heiz√∂lpreise stillgelegt. Aufgrund der Beschaffung einer Kehrichtverbrennungsanlage und des nach den √Ėlkrisen rasch wieder zerfallenden √Ėlpreises erfolgte die Wiederaufnahme des W√§rmepumpenbetriebs erst nach 13 Jahren. 1985 bis 1986 wurde von Sulzer eine neue W√§rmepumpenanlage mit Turbo-kompressoren und einer Heizleistung von 6.5 MW gebaut und in Betrieb genommen. Diese An-lage wurde aber durch eine Feuersbrunst vernichtet. 1987-1988 wurden zwei neue Sulzer-Unitop-W√§rmepumpen mit zweistufigen Radialkompressoren und R-12 als K√§ltemittel einge-baut: Bild 5-16. Die gesamte Heizleistung der beiden W√§rmepumpen betrug 13 MW bei 15 ¬įC Flusswasser- und 72 ¬įC Vorlauftemperatur. Bei winterlichen Verh√§ltnissen mit 3.5 ¬įC / 72 ¬įC wurde die Heizleistung auf 10 MW reduziert. Das neue W√§rmepumpensystem wurde trotz etwa doppelter Heizleistung in derselben unterirdischen Maschinenhalle installiert wie die historische W√§rmepumpenanlage von 1942. Die W√§rmepumpen mit Zwischendruckkessel und Konden-satunterk√ľhlung erreichten mittlere Leistungszahlen von 3.4. Erw√§hnenswert ist die Filtrierung des Flusswassers durch selbstreinigende Kugelfilter und die kontinuierliche Reinigung der Ver-dampferrohre durch zirkulierende Kugeln.
Infolge Fehlens grosser Fernleitungen ist das Walche-Wärmepumpensystem bis heute das grösste der Schweiz geblieben. Es deckte 50% des Wärmebedarfs des Fernwärmenetzes und reduziert den Heizölverbrauch um 4'500 Tonnen pro Jahr. Die SO2- und NOx-Emissionen wur-den um 67% reduziert. 1998 wurde die Anlage mit dem Wechsel vom FCK-Kältemittel R-12 auf das FKW-Kältemittel R-134a nochmals modifiziert [AFB 1988].
1943 AMTSH√ĄUSER Z√úRICH (1‚Äô750 KW)
Im Hinblick auf den alarmierend stockenden Kohlenachschub nahm der Z√ľrcher Stadtrat im Juni 1943 eine Offerte von Escher Wyss zum Bau eines grossen W√§rmepumpensystems zur Beheizung von f√ľnf Administrationsgeb√§uden im Bereich Werdm√ľhle-Beatenplatz an. Die Ammoniak-W√§rmepumpe mit 4 Zweistufen-Kolbenverdichtern (Bild 5-22) nutzte ebenfalls Limmatwasser als W√§rmequelle und wurde im Amtshaus 4 installiert. Bei einer Vorlauftempera-tur des Heizungssystems von 50 ¬įC erreichte die W√§rmepumpe eine W√§rmeleistung von 1'750 KW. Mit der W√§rmepumpe konnten 80% des Gesamtw√§rmebedarfs gedeckt werden. Die Spit-zenlast wurde durch einen Kohlekessel abgedeckt. Das W√§rmepumpensystem f√ľr alle Amts-h√§user kostete damals 560'000 Schweizer Franken. Dazu kamen noch 260'000 Franken f√ľr bauliche Ver√§nderungen. Trotz den Wirren der Kriegszeit wurde auch dieses W√§rmepumpen-system in sehr kurzer Zeit realisiert. Es konnte noch Ende 1943 in Betrieb genommen werden. Der vertikale Rohrverdampfer (Bild 5-23) wurde direkt in der Limmat am Bahnhofquai n√∂rdlich der Uraniabr√ľcke installiert. Bei 7 ¬įC / 50 ¬įC erreichte das W√§rmepumpensystem eine Leis-tungszahl um 4 und einen sehr hohen Lorenz-Wirkungsgrad von 53%13. Aber auch hier bleibt offen, ob die Hilfsantriebe in die Energiebilanz einbezogen wurden [SBZ 1944], [Baumann M. In der Literatur wird auch eine W√§rmeleistung von 1.86 MW und eine Leistungszahl von 4.28 bei 4¬į C / 50 ¬įC er-w√§hnt. Dies erg√§be einen unwahrscheinlich hohen Lorenz-Wirkungsgrad von 61%.
1943 KANTONSSPITAL Z√úRICH ‚Äď EIN ABGEBROCHENES PROJEKT
Im Zusammenhang mit den Schweizer Pionierleistungen ist auch das abgebrochene Projekt zur Beheizung des Kantonsspitals Z√ľrich erw√§hnenswert. Das originelle Konzept sah einen zentralen Verdampfer in der Limmat und eine 750 m lange Ammoniakleitung zur W√§rmepumpe im 77 m √ľber der Limmat gelegenen Spital vor [Egli 1943]. Der Verdampfer in der Limmat wur-de bereits gebaut. Aber als nach dem Weltkrieg die Dringlichkeit f√ľr dieses Projekt nicht mehr gegeben war, wurde es gestoppt und der Verdampfer wurde wieder abgebrochen.
5.2.2 Ausgewählte weitere Wärmepumpen
Auch ausserhalb der Stadt Z√ľrich wurden zahlreiche W√§rmepumpen gebaut. Von diesen wer-den im Folgenden einige interessante Beispiele herausgegriffen. Escher Wyss installerte 1941 eine W√§rmepumpe in der Brauerei Baumberger in Langenthal mit gleichzeitiger Nutzung von W√§rme (Sp√ľlen der Flaschen, Raumheizung) und K√§lte (Produktion von Eis und Kellerk√ľhlung). Auch Sulzer baute K√§lteanlagen mit gleichzeitiger Ab-w√§rmenutzung, beispielsweise f√ľr die Kunstseidefabrik in Widnau oder einer Grossmetzge-rei in Basel. Bei diesen W√§rmepumpen bzw. K√§ltemaschinen mit ‚Äědoppeltem Nutzen‚Äú ergaben sich Gesamtleistungszahlen bis 5.5 [Ostertag 1946]. Auf Initiative des Kunden wurde 1943 in der Firma Truninger in Solothurn eine ausserge-w√∂hnliche Ammoniak-Kleinw√§rmepumpe mit einer Heizleistung von 10 kW installiert. Diese wurde √ľber eine kleine Francis-Turbine und einen Riementrieb durch einen nahegelegenen Bach angetrieben, und sie nutzte diesen Bach auch als W√§rmequelle. Der Kondensator war di-rekt in dem zu beheizenden Raum angeordnet. Der Betrieb an kalten Wintertagen erzwang ei-ne m√ľhsame manuelle Enteisung des Verdampfers im Bach. Trotzdem war dieses Kleinsystem bis 1963 in Betrieb. 1982 hat die Firma Truninger in ihrem neuen Geb√§ude in Langendorf er-neut eine W√§rmepumpenheizung installiert [Truninger et al. 2007]. Escher Wyss realisierte die Leistungsanpassung durch Drehzahlregelung bereits 1944 an ei-ner 128 kW Ammoniak-W√§rmepumpe, welche in den Etzelwerken der Schweizerischen Bun-desbahnen in Altendorf installiert wurde. Dies nutzte warme Abluft aus den Transformatorstati-onen als W√§rmequelle. Dank der W√§rmequellentemperatur zwischen 20¬įC und 30 ¬įC und einer f√ľr jene Zeit √§usserst tiefen Heizungsvorlauftemperatur von nur 48 ¬įC erreichte diese W√§rme-pumpe Leistungszahlen von 6 bis 11. Die W√§rmepumpe vermochte 75% des Gesamtw√§rme-bedarfs zu decken. Ein interessantes Beispiel f√ľr die Freude und den Mut zu neuen L√∂sungen ist auch das 1946 f√ľr die Lederwarenfabrik Schaffhausen gebaute Ammoniak-W√§rmepumpesystem. Es be-stand aus zwei Kolbenkompressoren und einem direkt im Rhein angeordneten Steilrohrver-dampfer. Als riskante Besonderheit wurden die Fabrikationsr√§ume auf 6 Stockwerken direkt durch Plattenkondensatoren auf jedem Stockwerk beheizt. Ab diesen Plattenkondensatoren wurde die W√§rme durch eine Warmluftheizung mit Ventilator in die R√§ume verteilt. Diese W√§r-mepumpe ist nach 62 Jahren immer noch in Betrieb ‚Äď und dies nicht nur f√ľr Demonstrati-onszwecke. Die √§usseren Anlageteile wurden allerdings modifiziert (korrodierten Verdampfer ersetzt, Anzahl der beheizten R√§ume von 9 auf 6 reduziert) [Bosshart 2008]. Zwischen 1945 und 1950 hat auch Sulzer zahlreiche W√§rmepumpen gebaut. Anstelle der √ľbli-chen Radiatoren hat Sulzer schon sehr fr√ľh Strahlungsheizungssysteme eingef√ľhrt. Diese wa-ren f√ľr den W√§rmepumpenbetrieb besonders geeignet [Ostertag 1947]. Ein gutes Beispiel f√ľr Sulzers W√§rmepumpenaktivit√§ten in dieser Periode ist die W√§rmepumpe f√ľr das Administrati-onsgeb√§ude der Metallwerke Selve in Thun. Sie nutzte Grundwasser als W√§rmequelle und deckte bei einer Heizleistung von 440 kW gegen 92% der Gesamtheizleistung. Die Zentralhei-zung hatte eine f√ľr die damalige Zeit sehr tiefe Vorlauftemperatur von maximal 40¬įC. Mit 4.5 war die Jahresarbeitszahl entsprechend erfreulich hoch. Ein Sulzer-W√§rmepumpensystem er-reichte im den Ziegelwerk Frick durch Nutzung feuchter Abluft sogar eine Leistungszahl von 5.2 [Br√ľgger et al. 1991]. Therma Schwanden14, ein bekannter Hersteller elektrischer Wiederstandsheizungssysteme, plante und baute 1948 eine eigene W√§rmepumpe zur Beheizung seines Personalhauses. Die-ses Geb√§ude war f√ľr damalige Verh√§ltnisse gut isoliert. 70% des W√§rmebedarfs wurde bereits √ľber ein Fussbodenheizungssystem gedeckt. Die restlichen R√§ume waren mit gut dimensio-nierten Radiatoren ausger√ľstet. Die W√§rmepumpe wurde mit Grundwasser ab rund 7 ¬įC als W√§rmequelle und R-12 als K√§ltemittel betrieben. Sie diente auch zur Warmwasserbereitung auf 45 ¬įC. Die zwei Achtzylinderkompressoren wurden √ľber Keilriemen angetrieben. Die W√§r-mepumpe erreichte einen Lorenz-Wirkungsgrad von 35% [Ostertag 1949]. Es bleibt allerdings auch hier unklar, ob dieses Resultat auch die Hilfsantriebe ber√ľcksichtigt.
5.3 Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
U.S.A. UND KANADA.In den U.S.A. wurde 1930 eine W√§rmepumpe in ein Haus in Tucson/Arizona eingebaut. Es gab aber in den U.S.A. noch weitere W√§rmepumpeninstallationen: 1932 wurde ein B√ľrogeb√§ude der Southern California Edison Company in Los Angeles mit einer 420 kW Klimaanlage ausger√ľstet. Therma AG in Schwanden wurde 1978 von Electrolux √ľbernommen und entwickelte sich zu einer der modernsten Fabrikationsst√§tten Europas f√ľr gr√∂ssere Haushaltanwendungen. Die Leistungszahl f√ľr die Raumheizung lag bei 9¬įC / 23.5¬įC nur bei bescheidenen 2 [Ostertag 1946], was einem Lorenz-Wirkungsgrad von lediglich 9.8% ent-sprach. Willis Carrier installierte 1932 seine erste W√§rmepumpe im Hauptb√ľro der ‚ÄěUji utility‚Äú in Japan. Frigidaire demonstrierte 1933 an der Weltausstellung "Century of Progress" von Chi-cago die Ganzjahresklimatisierung in Einfamilienh√§usern [Nagengast et al. 2006]. Bis 1940 wurden in den U.S.A. weitere rund 40 ‚ÄěW√§rmepumpen‚Äú im Leistungsbereich von 25 kW bis 1'200 kW installiert. Diese offerierten als Zusatz zur obligaten Sommerk√ľhlung auch eine Heizung im Winter ‚Äď allerdings mit sehr bescheidener Effizienz. Aber diese ‚ÄěW√§rmepumpen‚Äú blieben vor 1938 eine Kuriosit√§t. Effizienzvergleiche der Kompressions-Klimatisierungssysteme in der Ohio Power Company in Portsmouth (Luft/Luft) und in Coshocton (Wasser/Luft) zeigten auch 1940 recht geringe Effizienz [Ostertag 1946], [Thevenot 1979], [Groff 2005]. Um 1945 hat Robert C. Webber, ein Angestellter der ‚ÄěIndianapolis Power & Light Co‚Äú, mit sei-nem Tiefgefrierapparat experimentiert. Er senkte die Temperatur im Gefrierraum ab und ver-brannte sich dabei beim Ber√ľhren der W√§rmesenkenseite beinahe die H√§nde. Er nutzte darauf diese sonst verlorene W√§rme zum Aufheizen des Zulaufs zu seinem Warmwasserboiler und produzierte so mehr Warmwasser als seine Familie brauchen konnte. Es blieb immer noch Abw√§rme √ľbrig und deshalb leitete er warmes Wasser durch ein zylindrisch gewickeltes Rohr. Durch diesen blies er mit einem kleinen Ventilator Luft und konnte damit Kohle zur Raumhei-zung sparen. Webber war so erfreut √ľber diese Ergebnisse, dass er beschloss, eine richtige W√§rmepumpe zur Versorgung seines ganzen Hauses zu bauen. Dabei kam er auf die Idee, W√§rme aus dem Erdboden mit einer √ľber das ganze Jahr recht konstanten Temperatur zu entziehen. Er verlegte 152 m Kupferrohr zwei Meter unter der Erdoberfl√§che und liess das FCK-K√§ltemittel direkt in diesen Rohren verdampfen. Damit war die erdgekoppelte W√§rme-pumpe mit direkter K√§ltemittelverdampfung geboren. Die elektrische W√§rmepumpe hatte eine Antriebsleistung von 2.2 kW. Die W√§rme wurde im Haus durch ein Warmluftsystem ver-teilt. Im darauf folgenden Jahr hat Webber seinen alten Kohleofen verkauft. In Kanada wurde die erste erdgekoppelte W√§rmepumpe 1949 installiert [Sanner 1992], [IGSHPA 2007].F√ľr die Fenster- und Wandklimager√§te zur Raumk√ľhlung und flammenlosen Heizung gab es in den U.S.A. rasch eine grosse Nachfrage. Um 1947 waren davon bereits 43‚Äô000 Einheiten verkauft [Nagengast et al. 2006]. Aber es gab wie oben erw√§hnt auch gr√∂ssere Installationen, wie die W√§rmepumpe zur K√ľhlung und Heizung des Equitable Building (ein B√ľrogeb√§ude mit 14 Stockwerken) aus dem Jahr 1948 [ASME 80].
ENGLAND
T.G.N. Haldane baute 1927-1928 in England die erste W√§rmepumpen-Klimatisierungsanlage zum Beheizen seines B√ľros in London und seines Hauses in Schottland. Ab 1946 wurden eini-ge W√§rmepumpenprototypen installiert (1948 waren es ein Dutzend). Davon sei die W√§rme-pumpe erw√§hnt, mit der die Festhalle f√ľr die britischen Feiern zum Kriegsende beheizt wurde. Dieser diente die Themse als W√§rmequelle und der Kompressor wurde durch ein mit Stadtgas betriebenes D√ľsentriebwerk angetrieben [Thevenot 1979]!
DEUTSCHLAND
Die Deutschen, insbesondere K.Nesselmann und W.Niebergall, waren an Absorptionskältema-schinen im Wärmepumpenbetrieb interessiert. Einige dieser Aggregate wurden ab 1947 zur Erzeugung von Prozesswärme und zur Klimatisierung in mehreren Ländern installiert.
5.4 Br√ľdenkompression ‚Äď eine Schweizer Erfolgsgeschichte
Der eigentliche Anfang der Salzproduktion durch mechanische Br√ľdenkompression fand in den 1920er Jahren statt, als es gelang, eine L√∂sung zur Verhinderung der Verkrustung der W√§r-me√ľbertragungsoberfl√§chen durch Abtrennen der verkrustungsbildenden Mineralien zu finden und als die Korrosionsprobleme gemeistert wurden. Die erste Pilotanlage mit Radialkom-pressoren wurde 1920 in der deutschen Saline Reichenhall installiert. Sie wurde in enger Kooperation mit der Schweizer Firma Kummler & Matter gebaut. Anf√§nglich traten noch ernsthafte Kompressorkorrosionsprobleme auf, und zudem erwies sich der Prozess komplexer als erwartet. Deshalb wurde er 1923 der Firma Escher Wyss √ľbergeben. Bereits 1926 konnte die erste industrielle Br√ľdenkompressionsanlage mit einem Turbokompressor (344 kW) in Betrieb genommen werden. Die fruchtbare Zusammenarbeit mit den Bayrischen Salzwerken gab Escher Wyss entscheidende Anst√∂sse f√ľr die sp√§tere Entwicklung von W√§rmepumpen [Wirth 1955, 1995]. 1941 baute Escher Wyss eine Br√ľdenkompressionsanlage in der Schweizer Saline Riburg (Rheinsalinen) f√ľr eine Kochsalzproduktion von 40‚Äô000 Tonnen pro Jahr: Bild 5-24 und Bild 5-25. Eine Erweiterung um einen zus√§tzlichen Kompressor erfolgte 1959. 1973 wurde durch Escher Wyss eine neue Anlage mit einer Kapazit√§t von 250'000 Tonnen pro Jahr gebaut: Bild 5-26. Sie ersetzte die historische Anlage von 1941 und blieb f√ľr manche Jahre Europas gr√∂ss-te Anlage. 1943 wurde auch die Schweizer Saline Schweizerhalle zu einer Br√ľdenkompressi-onsanlage umgebaut. 1964 wurde diese Anlage umgebaut und erhielt ein verbessertes Ein-dampfsystem mit einem Vierstufen-Radialkompressor: Bild 5-27. Es erreichte Leistungszahlen von 13.5. Heute arbeiten in den Salinen Riburg und Schweizerhalle die gr√∂ssten W√§rmepumpensys-teme der Schweiz mit einer Gesamteindampfleistung von rund 80 MW: Bild 5-28 [Winkler 1995], [Lieberherr 2007]. In der Schweiz wird in den Zuckerfabriken Aarberg und Frauenfeld Zucker aus einheimischen Zuckerr√ľben mit einem Zuckergehalt von ca. 17% produziert. Sie stellen zusammen rund 230‚Äô000 Tonnen Weisszucker pro Jahr her. Gegen Ende 1945 wurde auch die Zuckerfabrik Aarberg auf Br√ľdenkompressionsbetrieb umger√ľstet. Diese Anlage wurde von Escher Wyss gebaut. Die Mehrstufen-Eindampfanlage f√ľr das Konzentrieren der Zuckerl√∂sung wurde durch einen doppelflutigen Radialkompressor (Bild 5-29) mit einer Antriebsleistung von 2.9 MW betrieben. Dazu komprimierte der Escher-Wyss-Kompressor f√ľr die erste Verdampfungs-stufe 125 Tonnen Dampf pro Stunde von 0.9 auf 1.3 bar. Diese weltweit erste Kombination der Br√ľdenkompression mit einer Mehrstufeneindampfanlage erreichte eine hervorra-gende Leistungszahl von 26.8! Die Anlage war bis 1984 in Betrieb. Dann wurde sie vergr√∂s-sert und auf den neuesten technischen Stand gebracht. Der neue Radialkompressor von Atlas Copco (Bild 5-30) hatte nur noch 60 Tonnen Dampf pro Stunde von 1.1 bar auf 1.57 bar zu verdichten und der Leistungsbedarf des Elektromotors konnte auf 1.84 MW reduziert werden. Ein zweites Br√ľdenkompressionssystem diente der Verdampfungskristallisation. Zu diesem Zweck komprimierte ein 3.3 MW Axialkompressor von Escher Wyss (Bild 5-31) 25 t/h Dampf von 0.25 bar auf 1.5 bar. Dies Teilsystem erreichte eine Leistungszahl von rund 5.3 [Brunner 1981] und war w√§hrend 46 Jahren bis 1991 in Betrieb! Dann wurde der historische Kompressor anl√§sslich einer Totalrevision der Verdampfungskristallisation durch einen neuen Radialkompressor von Sulzer ‚Äď Escher Wyss15 (Bild 5-32) zur Verdichtung von 25 t/h Dampf von 0.23 bar auf 0.73 bar ersetzt. Damit wurde eine Leistungsreduktion des elektrischen Antriebmotors auf 2.0 MW erreicht [Brunner et al. 1981, 1992], [Brunner 1992], [Fankhauser 2007].
6 DIE PERIODE TIEFER ENERGIEPREISE 1951-1972
In den 1950er und 1960er Jahren fielen die √Ėlpreise stetig. Dadurch wurden in k√§lteren Klima-zonen alle W√§rmepumpenaktivit√§ten zu reinen Raumheizzwecken stark gebremst. Daraus er-gab sich leider auch eine Stagnation in der Weiterentwicklung der W√§rmepumpen. Eine weitere Folge war auch ein Stillstand in deren Marktdurchdringung, da in dieser Periode f√ľr W√§rme-pumpen im Allgemeinen keine akzeptablen Amortisationszeiten mehr erreichbar waren. Bis zum Erd√∂lembargo im Jahr 1973 waren W√§rmepumpeninstallationen deshalb auch Spezialf√§lle mit besonders g√ľnstigen Randbedingungen beschr√§nkt.
Dagegen gab es in w√§rmeren Klimazonen weiterhin einen Bedarf sowohl f√ľr die Raumk√ľhlung und die mit entsprechenden Ger√§ten m√∂gliche Raumheizung. In diesen Klimazonen mit Priori-t√§t auf Raumk√ľhlung waren die ‚ÄěW√§rmepumpen‚Äú weiterhin erfolgreich. Der Erfolg der Klimati-sierungsger√§te sicherte das W√§rmepumpen-Know-how und erm√∂glichte eine Weiterentwick-lung. Vorab in den U.S.A. und in Japan gab es einen deutlichen Aufschwung der W√§rmepum-penanwendung in Wohngeb√§uden und in der K√ľhlung von Automobilen. Europa und namentlich Schweizer Firmen √ľbernahmen in dieser Zeit die F√ľhrung im Rauml√ľf-tungsbereich [Scholten 2004].
6.1 Komponenten und Kältetechnik
In dieser Zeitperiode war die Entwicklung gekennzeichnet durch die Einf√ľhrung des Schrau-benkompressors, eine deutliche Verbesserung der √ľbrigen Kompressortypen, das Anhalten des triumphalen Siegeszuges der halogenierten Kohlenwasserstoffe und nicht zuletzt durch die aufkommenden Computer.
6.1.1 Dampfkompressionsprozess
KOMPRESSOREN
In dieser Zeitperiode war der Schraubenkompressor die einzig wirklich neue Maschine. Die Firma Ljungstroms Angturbin √§nderte ihren Namen 1951 in Svenska Rotor Maskiner AB. Diese Firma hat f√ľr Schraubenkompressoren grundlegende Entwicklungen durchgef√ľhrt und in der Folge an fast alle Schraubenkompressorhersteller Lizenzen vergeben [Cashflo 2007]. Durch √Ėleinspritzung konnte das mit Schraubenkompressoren erreichbare Druckverh√§ltnis deutlich erh√∂ht werden. Damit war der Schraubenkompressor 1958 auch reif f√ľr die K√§ltetechnik. Diese Maschinen fanden in der betrachteten Zeitperiode aber infolge des geringen Wirkungsgrads und bescheidener Druckverh√§ltnisse noch keine weite Verbreitung in der K√§ltetechnik. In den 1970er Jahren hat Bernhard Zimmern in Paris den ‚ÄěMono-Schraubenverdichter‚Äú mit nur einer Welle und zwei Verdr√§ngerr√§dern entwickelt. 1974 hat auch Grasso in Holland einen Einwellen- Schraubenkompressor eingef√ľhrt. Schraubenkompressoren erreichten aber erst nach et-wa 1980 signifikante St√ľckzahlen. Sie wurden haupts√§chlich in den U.S.A., Schweden, Deutschland, Holland und Japan produziert. Die lang anhaltende Konkurrenz zwischen Kolben- und Schraubenkompressoren wurde gegen das Ende der 1980er Jahre durch die Einsicht, dass sich diese beiden Maschinen gut erg√§nzen, abgel√∂st: Die Vorteile der Kolbenkompressoren √ľberwiegen bei tieferen und jene der Schraubenkompressoren bei h√∂heren Leistungen [Frommann 2004], [Thevenot 1979]. Bei der Massenproduktion waren die U.S.A. Westeuropa weit voraus. Die Massenfertigung hermetischer Kompressoren begann in den 1950er Jahren. Brown Boveri (BBC) entwickel-te und produzierte nicht nur grosse Turbokompressoren. Um 1960 war BBC Mannheim mit 25'000 Einheiten pro Jahr f√ľr Leistungen bis 10 kW Europas gr√∂sster Produzent von offenen und halbhermetischen K√§ltemittelkompressoren. Zu jener Zeit produzierte BBC auch K√ľhl-schr√§nke [Stenzel 2004]. 1956 baute Sulzer den ersten √∂lfreien Labyrinthkolbenkompressor f√ľr K√§ltemittel und die d√§nische Sabroe f√ľhrte den W-Typ Ammoniakkolbenkompressor mit 1'200 U/min ein. In den fr√ľhen 1950er Jahren erreichte eine Stufe eines Radialturbokompressors ein Druck-verh√§ltnis von nur etwa 1.5. Durch enorme Anstrengungen in den Bereichen der Werkstoffwis-senschaft, der Str√∂mungslehre und der Genauigkeitssteigerung in der Fertigung wurde es m√∂glich, die Rotordrehzahl so weit zu erh√∂hen, dass die Rotoren Tangentialgeschwindigkeiten im Bereich der Schallgeschwindigkeit erreichen. Es wurde damit m√∂glich, ein Druckverh√§ltnis um 8 in einer Stufe zu erreichen. In dieser konzertierten Forschungsanstrengung spielten in der Schweiz die Firmen Escher Wyss und Brown Boveri in enger Zusammenarbeit mit der ETH Z√ľrich eine hervorragende Rolle. Sulzer installierte 1958 den ersten Hochgeschwindigkeits-Radialkompressor in einer Klimatisierungsanlage in England. Um eine Verdampfungstempe-ratur von ‚Äď55 ¬įC zu erreichen, wurden 1967 zwei Sulzer-Turbokompressoren in Serie geschal-tet [Friotherm 2008].
K√ĄLTEMITTEL
Gegen Ende der 1950er Jahre haben die halogenierten Kohlenwasserstoffe praktisch alle alten K√§ltemittel ersetzt. Dies mit Ausnahme von Ammoniak, welches in grossen, industriellen Anlagen weiterhin verwendet wurde. Ab 1968 wurde das teilhalogenierte R-22 zum Standard-k√§ltemittel f√ľr Kleinklimager√§te und W√§rmepumpen [Nagengast et al. 2006].
COMPUTER
In den sp√§ten 1960er und fr√ľhen 1970er Jahren kamen in der K√§ltetechnik die ersten Compu-ter zum Einsatz und provozierten rasch einen enormen technologischen Wandel. Urspr√ľng-lich revolutionierten die noch volumin√∂sen, in speziell klimatisierten R√§umen betriebenen Com-puter die Berechnung der Anlagen und ersetzten dort Rechenschieber, Logarithmentafeln und langsame, ger√§uschvolle mechanische Rechenmaschinen. Damit konnten optimale L√∂sungen f√ľr Komponenten und ganze Anlagen viel pr√§ziser und in einem kleinen Bruchteil des fr√ľheren Zeitbedarfs gefunden werden. Bald eroberten die Computer auch den Betriebsbereich. In den fr√ľhen 1970er Jahren hat Brown Boveri16 mit dem System ‚ÄěULMA‚Äú das weltweit erste kom-merzielle Online-√úberwachungssystem eingef√ľhrt. Die fr√ľhen ULMA-Generationen basierten noch auf der patentierten Phototransistortechnologie. Einige dieser Installationen sind in Pa-pierfabriken noch heute in Betrieb [ABB 2008]. Inzwischen wurde ABB (Asea Brown Boveri) einer der Marktf√ľhrer in der Automatisierungstechnik und im Bereich drehzahlvariabler Antriebe. Dies auch im Bereich gr√∂sserer W√§rmepumpenanlagen. ABB ging 1988 aus dem Zu-sammenschluss der Schweizerischen Brown Boveri Baden und der Schwedischen ASEA hervor.
6.1.2 Absorptionsprozess
Obwohl der Dampfkompressionsprozess immer effizienter und billiger wurde, behielten Ab-sorptionsk√ľhlschr√§nke in l√§rmempfindlichen Bereichen wie Hotelzimmern oder Campingwa-gen ihren hohen Marktanteil. Bei Campinganwendungen war auch der zus√§tzliche Vorteil, mit unterschiedlichen Energien betrieben werden zu k√∂nnen, entscheidend. Um 1950 wurden die ersten solarbeheizten Absorptionsk√ľhlschrank-Protoypen, insbesondere von G. Lof, gebaut [Nagengast et al. 2006]. In Japan und in den U.S.A. hielt das ‚ÄěGoldene Zeitalter der Absorption‚Äú noch weiter an. 1959 f√ľhrte Trane die erste hermetische Ausf√ľhrung ein. 1960 baute Carrier bereits 3.5 MW Einhei-ten. Es gab aber noch viele andere US-Firmen, welche Absorptionsk√§ltes√§tze produzierten. Um 1965 wurden K√§lteleistungszahlen um 0.6 bis 0.7 erreicht. Da die Kosten f√ľr Heiz√∂l und Dampf gering waren, wuchs der Markt f√ľr Absorptionsk√§ltemaschinen rasch und erreichte in den U.S.A. um 1970 mit einem Wasserk√§ltesatzanteil von 25% sein Maximum. Vor allem in Ja-pan wurden h√∂here Wirkungsgrade angestrebt. Kawasaki Thermal Engineering baute 1964 ei-ne indirekt beheizte Doppeleffekt-Absorptionsk√§ltemaschine. 1965 bauten Mitsubishi und Eba-ra ihre ersten Einheiten. Auch Sanyo und Hitachi f√ľhrten in den 1960er Jahren neue Aggregate ein. In den sp√§ten 1960er Jahren begannen auch in den U.S.A. mehrere Firmen in effizientere Prozesse zu investieren. Um 1970/1971 bauten Carrier und Trane in ihren Laboratorien eben-falls indirekt beheizte Doppeleffekt-Einheiten. Trane kommerzialisierte sie 1972 [Burget et al. 1999].
6.2 Wärmepumpen in der Schweiz
Wie bereits erw√§hnt, kam es in dieser Periode bei den ‚Äěnormalen‚Äú W√§rmepumpen zur aus-schliesslichen W√§rmeerzeugung zu einer Stagnation. Im Gegensatz dazu wurden einige inte-ressante Br√ľdenkompressionsanlagen gebaut.
6.2.1 Seltene Wärmepumpen zu Heizzwecken
W√§rmepumpen zu reinen Heizzwecken konnten der eindr√ľcklichen Marktdurchdringung in den 1940er Jahren nicht folgen. Die Gr√ľnde waren nicht technischer Art. Sie lagen in den stetig sinkenden Heiz√∂lpreisen, welcher mit einer Zunahme der Preise f√ľr elektrische Energie einher-ging.Trotzdem wurden bereits in den 1950er Jahren Forschungsarbeiten zu horizontalen Erdkollek-toren durchgef√ľhrt. Sie f√ľhrten zu ersten Richtwerten f√ľr den W√§rmedurchgangskoeffizienten, die L√§nge und den Durchmesser der Rohre sowie den Abstand zwischen den Rohren. In Ver-suchen wurden Leistungszahlen bis 3 erreicht. Sogar die Regeneration im Sommer und La-tentw√§rmespeicher wurden zu jener Zeit bereits untersucht [Ostertag 1955], [Baumann et al 2007].In gr√∂sseren Kaufh√§usern entstand im Sommer ein Raumk√ľhlungsbedarf. Dies f√ľhrte zu einer sporadischen Verwendung entsprechender K√§ltes√§tze zur Raumheizung im Winter. Solche Systeme wurden durch Dreyer-Hanson gebaut. Den sogenannten ‚ÄúAir-Topio‚ÄĚ gab es f√ľr K√§l-teleistungen von 10 kW bis 50 kW. Um 1967 baute Kurt Tr√ľssel17, der sp√§tere Gr√ľnder der Fi-ma KWT (K√§lte-W√§rmetechnik) in Belp, eine kleine K√§lteanlage f√ľr eine K√§serei in Mamishaus (bei Schwarzenburg FR) mit einer K√ľhlleistung von 5 kW und einer gleichzeitigen Nutzung der bei 45 ¬įC anfallenden Kondensatorabw√§rme. Sie ist nach 40 Jahren immer noch in Be-trieb [Tr√ľssel 2007]! Aufgrund speziell tiefer Elektrizit√§tstarife im Zusammenhang mit dem Bau eines neuen Kraft-werkes der Zentralschweizerischen Kraftwerke auf der G√∂scheneralp kam es im Spital Altdorf zur Realisierung einer 350 kW Ammoniak-W√§rmepumpe zur Raumheizung und Warmwasser-bereitung. Im Interesse einer h√∂heren Leistungszahl wurden die Heizk√∂rper der alten 90¬įC / 70 ¬įC - Zentralheizung um 40% vergr√∂ssert. Als Resultat sank die maximale Vorlauftemperatur auf immer noch sehr hohe 77¬įC. Das durch Escher Wyss hergestellte W√§rmepumpensystem mit drei W√§rmepumpeneinheiten nutzte Grundwasser als W√§rmequelle und wurde 1961 in Be-trieb genommen. Bei einer mittleren Temperatur von 4 ¬įC (Grundwasser) und 44 ¬įC (Hei-zungsvorlauf) ergab sich mit der ersten W√§rmepumpeneinheit unter Ber√ľcksichtigung der f√ľr die Grundwasserpumpe ben√∂tigten elektrischen Energie eine Leistungszahl von 4.15, welche einem respektablen Lorenz-Wirkungsgrad von 52.3% entspricht. Zwei weitere, parallel betrie-bene W√§rmepumpeneinheiten erreichten bei 4 ¬įC / 42.5¬įC eine Leistungszahl von 4.4 oder ei-nen Lorenz-Wirkungsgrad von 53.7%. Unter diesen Temperaturbedingungen erbrachten die drei Einheiten eine W√§rmeleistung von je 116 kW. Eine Einheit wurde im Sommer auch zur Raumk√ľhlung √ľber eine K√ľhldecke genutzt [Mustoe 1977].
6.2.2 Erfolg bei der Br√ľdenkompression
Das weltweite Gesch√§ft mit den Br√ľdenkompressionsanlagen verlief auch in diesem ersten ‚ÄúTal der Tr√§nen‚ÄĚ trotzdem erfolgreich. In den 1960er und 1970er Jahren hielt Escher Wyss in diesem Bereich einen Weltmarktanteil von etwa 30%. Hauptkonkurrenten waren Standard Messo (Deutschland), Wiegand (Deutschland) und Swenson Evaporator (U.S.A.). Einen aus-gezeichneten √úberblick √ľber die Entwicklung der Br√ľdenkompressionstechnik findet man bei [Austmeyer et al. 1987, 1993].
6.3 Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
ZENTRALEUROPA
Nicht nur aufgrund des als unangenehm empfundenen L√§rms und der oft l√§stigen Luftstr√∂-mung, sondern auch infolge der bei den meisten Einheiten fehlenden Enteisungsm√∂glichkeit fanden die Klimatisierungseinheiten aus den U.S.A. in Zentraleuropa wenig Akzeptanz. Ge-gen das Ende der 1950er Jahre waren in Zentraleuropa Warmwasserzentralheizungen mit ma-ximalen Temperaturen von 80 ¬įC im Vorlauf und 60 ¬įC im R√ľcklauf √ľblich. Das war nat√ľrlich f√ľr W√§rmepumpen viel zu hoch. Strahlungsheizungen mit Maximaltemperaturen von 50 ¬įC / 40 ¬įC wurden noch als exotisch betrachtet. Sie wurden aber als Deckenheizsysteme mit der M√∂g-lichkeit zur Sommerk√ľhlung bereits fabriziert [Ostertag 1958].
FRANKREICH
Bemerkenswert ist in Frankreich die W√§rmepumpenbeheizung einer Fabrik und eines B√ľros in der Nachbarschaft eines K√ľhlhauses in Chalon-sur-Sa√īne (1950) und die Beheizung von Sportzentren und Schwimmb√§dern insbesondere in der n√§heren Umgebung von Kunsteisbah-nen. 1973 gab es in Frankreich etwa 200 W√§rmepumpen.
DEUTSCHLAND
In Deutschland kamen W√§rmepumpen nur sporadisch zum Einsatz. Im Hinblick auf die tiefen Kosten von Kesseln und Heiz√∂l waren die Kosten f√ľr eine ausschliessliche W√§rmepumpenhei-zung zu hoch. Nur wenn sich gleichzeitig auch K√§lteanwendungen ergaben, bewegte sich et-was. Beispiele sind die gleichzeitige Nutzung von K√§lte und W√§rme in Molkereien und die W√§r-mer√ľckgewinnung bei der Klimatisierung von Kaufh√§usern. Entsprechende Pilotanlagen wurden durch die Elektrizit√§tswirtschaft und das Ministerium f√ľr Landwirtschaft gef√∂rdert [Os-tertag 1955], [Adolph 2004], [Dienel 2004]. 1969 wurde in Deutschland die erste Sole-Wasser-W√§rmepumpe mit horizontalem Erdkollektor als W√§rmequelle realisiert [Sanner 1992].
√ĖSTERREICH
Die √∂sterreichischen Salzwerke r√ľsteten ab 1951 auf Br√ľdenkompression um [Matl 1984].
U.S.A.
In den U.S.A. gab es eine langsame, aber stetige Entwicklung von W√§rmepumpen, vorab von Einheiten im Leistungsbereich von 12 kW bis 35 kW. In den 1950er Jahren erlebten W√§rme-pumpenboiler mit etwa 300 Liter Inhalt und Warmwassertemperaturen bis 65% einen starken Marktauftritt. Sie wiesen allerdings eine recht geringe Leistungszahl von nur etwa 2.2 auf und k√ľhlten den Aufstellungsraum oft in unerw√ľnschter Weise ab (‚ÄěW√§rmeklau‚Äú). Dies war vor al-lem im Winter w√§hrend Zeiten mit Raumheizungsnotwendigkeit von erheblichem Nachteil [Os-tertag 1955].Wie bereits in 5.3 erw√§hnt, wurden kleine Klimatisierungseinheiten im Leistungsbereich von 250 W bis 1 kW oft in den Fenstern installiert. Sie sorgten nicht nur f√ľr die Sommerk√ľhlung, sondern mit der Kondensatorw√§rme auch f√ľr eine Winterheizung. Diese vollst√§ndig elektrisch betriebenen Ganzjahresklimager√§te brachten im Sommer einen zus√§tzlichen Komfort und ver-breiteten sich im S√ľden der U.S.A. ab 1951. Die Wachstumskurve zeigte zun√§chst einen stei-len Anstieg (2'000 Einheiten im 1951; 10'000 im 1957 und 76'000 Einheiten im 1963). Dann entstanden aber Qualit√§tsprobleme. Die hohe Unzuverl√§ssigkeit f√ľhrte zu einer Stagnation der Verbreitung dieser Klimatisierungseinheiten. In diesem Zusammenhang hat ARI18 1958 die ers-te Leistungszertifizierung mit einem Qualit√§tslabel f√ľr diese Klimatisierungseinheiten einge-f√ľhrt [Nagengast et al. 2006].Noch vor 1955 haben General Electric und die Marveyer Corporation Luft/Luft W√§rmepum-pen zum Heizen und K√ľhlen mit einem elektrischen Antriebsleistungsbereich von 2.2 kW bis 3.7 kW verkauft. Diese waren mit einer Enteisungsvorrichtung ausger√ľstet und erreichten Leis-tungszahlen im Bereich von 2 bis 3. Einige dieser Einheiten wurden auch in der Schweiz ver-kauft. J. Donald Kroeker baute 1952 W√§rmepumpen f√ľr B√ľrogeb√§ude und Einkaufszentren mit Grundwasser als W√§rmequelle [Nagengast et al. 2006]. In den fr√ľhen 1950er Jahren wurden in den U.S.A. einige W√§rmepumpen durch Verbrennungsmotoren angetrieben. Dabei wurden in einigen F√§llen auch die heissen Motorabgase bereits genutzt [Ostertag 1955].
JAPAN
Ab 1950 hat Japan seine Installationen zur Klimatisierung stark ausgebaut und war an W√§rme-pumpen zum K√ľhlen und Heizen entsprechend interessiert. Allein im Jahr 1957 wurden solche W√§rmepumpen mit einer Gesamtleistung von 11.6 MW in Betrieb genommen.
7 ENTHUSIASMUS UND ENTT√ĄUSCHUNG 1973-1989
Das Jahr 1973 wurde zu einem der bedeutendsten Wendepunkte in der Geschichte des zwan-zigsten Jahrhunderts. Zuvor gew√∂hnte sich die Welt an eine unbegrenzte Verf√ľgbarkeit der fossilen Energien Kohle, Heiz√∂l und Ergas. Die Weltwirtschaft verliess sich vollst√§ndig auf die-se kosteng√ľnstigen Energietr√§ger. 1973 √§nderte diese Situation dramatisch. Die Ver√§nderung wurde durch einen Beschluss der Arabischen Mitglieder der OPEC (Organization of Petroleum Exporting Countries) ausgel√∂st. Sie beschlossen im Oktober 1973 als Antwort auf die Unter-st√ľtzung Israels im Yom-Kippur-Krieg mit Syrien und √Ągypten, die Erd√∂lversorgung der West-lichen Staaten zu reduzieren. Dieses Erd√∂lembargo wirkte sich mit einer globalen Rezession und einer hohen Inflation verheerend auf die Weltwirtschaft aus. Die sogenannten entwickelten Nationen hatten nun zu lernen, wie sie mit weniger Energie aus-kommen k√∂nnen und mussten ihre enorme Abh√§ngigkeit von importierten fossilen Energien √ľberdenken. Das Erd√∂lembargo l√∂ste weltweite Sofortmassnahmen aus. So wurden beispiels-weise in der Schweiz der Motorfahrzeugverkehr an Sonntagen verboten, die Raumtemperatur auf maximal 20 ¬įC vorgeschrieben und die Strassenbeleuchtung w√§hrend der Nacht ausge-schaltet usw. Als das Erd√∂lembargo im M√§rz 1974 aufgehoben wurde, waren die √Ėlpreise auf √ľber 300% gestiegen. Einen wesentlich gr√∂sseren Einfluss auf den √Ėlpreis als die physische Reduktion der Liefermenge und die Preiserh√∂hung um rund 100% durch einige OPEC-Mitglieder √ľbten die Erd√∂lfirmen aus. Sie ergriffen die Gelegenheit zur Gewinnerh√∂hung, auf die sie schon w√§hrend Jahren gewartet hatten. Das Interesse an Alternativenergien und an der rationellen Verwendung der Energie war lange nur Angelegenheit einiger Idealisten geblieben. Nun r√ľckten diese Themen in den Mittelpunkt der √∂ffentlichen Diskussion. Weltweit wurden neue Energieversorgungsstrategien ausgearbei-tet. Dies gab nicht nur der Sonnenenergie, der Windenergie, der Biomasse und der geothermi-schen Energie neue Chancen, sondern auch der Nutzung der Umgebungsw√§rme durch W√§rmepumpen. Eine Renaissance der W√§rmepumpen begann. In dieser Situation wurde durch die OECD-Staaten die Internationale Energie Agentur IEA gegr√ľndet. Diese identifi-zierte die W√§rmepumpentechnologie rasch als eine der Schl√ľsseltechnologien zur Reduktion des Energiebedarfs im Geb√§udebereich. Dies war der Anfang der internationalen Zusammen-arbeit im W√§rmepumpenbereich im Rahmen des ‚ÄěIEA Heat Pumping Technologies Implemen-ting Agreement‚Äú [Groff 2005].
Die Tendenz zur rationelleren Energienutzung wurde durch die zweite √Ėlkrise im Jahr 1979 beschleunigt und 1980 mit dem Ausbruch des Krieges zwischen Iran und Irak noch verst√§rkt. Im Hinblick auf die erneut auf das Doppelte angestiegenen √Ėlpreise wurden die alternativen Energien immer popul√§rer. Die Haupthoffnung lag aber auf dem Ersatz des Erd√∂ls durch Nuk-learenergie. Man wandte sich erwartungsvoll den nuklearen Hochtemperaturreaktoren und schnellen Br√ľtern zu. Man tr√§umte auch von der Realisierbarkeit der Energiegewinnung durch Fusionsreaktoren bis zur Jahrtausendwende. Gleichzeitig stiegen ernsthafte Bedenken √ľber die Umweltverschmutzung auf, welche sich im sauren Regen und im Waldsterben besonders deutlich manifestierten. All dies beg√ľnstigte die Heizung mit W√§rmepumpen und f√ľhrte zu ei-nem zweiten W√§rmepumpenboom.Das (zu) rasche Wachstum des W√§rmepumpengesch√§fts f√ľhrte aber zu zahlreichen Anbietern mit ungen√ľgenden Fachkenntnissen. Das war einer der Hauptgr√ľnde f√ľr den Zusammen-bruch des Europ√§ischen W√§rmepumpengesch√§fts gegen das Ende der 1980er Jahre. Deshalb wurden die 1980er Jahre f√ľr die Heizungs-W√§rmepumpen zum zweiten ‚ÄěTal der Tr√§-nen‚Äú.
7.1 Komponenten und Kältetechnik
Hauptentwicklungen in dieser Periode waren der Durchbruch von Scroll- und Schraubenkom-pressoren, das Ende der Fluorchlorkohlenstoffe FCK, der definitive Durchbruch der Platten-w√§rme√ľbertrager und die Mikroprozessorregelung.
7.1.1 Dampfkompressionsprozess
KOMPRESSOREN
1972, 67 Jahre nach der Erfindung von Leon Creux begann die Arthur D. Little Co. in Cam-bridge, Mass. die Entwicklung der Scrolltechnologie f√ľr die Kompressoren von Klimaeinheiten. Im Hinblick auf die Bedeutung dieser Arbeiten finanzierte sie zusammen mit Trane die For-schungsarbeiten f√ľr Scrollkompressoren. Dank der neuen computergesteuerten und hoch-pr√§zisen Fr√§stechnik wurde in den 1980er Jahren die industrielle Fertigung von Scroll- und Schraubenkompressoren voran getrieben. Die erste Massenfertigung von Scrollkompressoren durch Copeland erfolgte 1986. 1992 erreichte die dritte Generation von Copeland Scroll-kompressoren eine Jahresproduktionsmenge von einer Million Einheiten. Die Herstellung wur-de globalisiert (in Europa seit 1995) und erreichte gegen Ende 1997 10 Millionen St√ľck. 2001 folge ein Scrollkompressor mit Dampfzwischeneinspritzung - dies war f√ľr Sanierungsw√§rme-pumpen ein sehr erfreulicher Schritt19. In den U.S.A. wurde Bristol Compressors ein weiterer, bedeutender Hersteller von Scrollkompressoren. Maneurop (eine Tochtergesellschaft von Danfoss) in Lyon, Frankreich, wurde zum wichtigsten europ√§ischen Konkurrenten f√ľr Scroll-kompressoren. In Deutschland begann die Massenfertigung von Schraubenkompressoren ge-gen das Ende der 1980er Jahre [Frommann 2004].Die untere Leistungsgrenze f√ľr Radialkompressoren lag in der Gr√∂ssenordnung von 200 kW. 1975 betrug die h√∂chste Antriebsleistung f√ľr einen Radialkompressor 25 MW. Axialkompres-soren wurden in der K√§ltetechnik erst nach den Radialkompressoren eingesetzt20. Sie kamen dann nur f√ľr sehr grosse Leistungen, insbesondere bei der Kompression von Erdgas vor der Verfl√ľssigung zum Einsatz. In Skikda, Algerien, hat die BST (Brown Boveri Sulzer Turbo Ma-chines) Maschinen mit √ľber 80 MW Leistung auf einer Welle eingesetzt [Thevenot 1979]. Die deutsche Borsig baute einen Axialturbokompressor f√ľr eine Ammoniak-K√§lteanlage mit einer K√§lteleistung von 12 MW. 1973 brachte Sulzer eine neue Generation von Hochgeschwindig-keits-Radialkompressoren, den sogenannten ‚ÄěUNITURBO‚Äú, auf den Markt [Friotherm 2008].
K√ĄLTEMITTEL
James Lovelock berichtete 1973 √ľber in der Atmosph√§re gefundene Spuren von K√§ltemittelga-sen. 1974 haben Sherwood Rowland und Mario Molina vorausgesagt, dass Fluorchlorkoh-lenstoff-K√§ltemittel (FCK) die h√∂here Stratosph√§re erreichen. Sie vermuteten, dass das durch partielle Dissoziation in der Atmosph√§re freigesetzte Chlor die Ozonschicht, welche sich auf 25 bis 35 km √ľber der Erde befindet und uns von der hochenergetischen UV-Strahlung sch√ľtzt, sch√§dige. Diese Furcht wurde 1978 zur Gewissheit. 1985 entdeckte man das ‚ÄěOzonloch‚Äú √ľber der Antarktis. Gegen 1990 waren Rowland‚Äôs und Molina's Voraussagen bewiesen [Thevenot 1979].Nun folgte eines der wenigen Beispiele, bei denen sich die Menschheit im Interesse der Ver-hinderung einer Zukunftskatastrophe freiwillig und erfolgreich einschr√§nkte. Mit dem Toronto Protokoll wurde 1984 ein Entwurf f√ľr eine schrittweise Reduktion der FCK-Verwendung beschlossen. Darauf folgte die Wiener Konvention zum Schutz der Ozonschicht. Im September 1987 wurde mit dem Montreal Protokoll ein rigoroser Plan zum Ausstieg aus den FCK-K√§ltemitteln vereinbart. Weltweit wurden Notprogramme zur raschen Realisierung dieses Ausstiegs lanciert. In einer Rekordzeit von nur vier Jahren wurde der Fluorkohlenwasserstoff (FKW) R-134a entwickelt. Ungl√ľcklicherweise sind R-134a und andere FKWs sehr schwer ab-baubare Substanzen (persistent), und sie haben eine sehr grosse Treibhauswirkung. In der Folge wurden speziell in Europa L√∂sungen mit Kohlenwasserstoffen wie Propan und Isobu-tan als K√§ltemittel gesucht. Diese Bem√ľhungen fielen in den U.S.A. und in Japan aus Angst vor Haftpflichtfolgen bei Brand- und Explosionsunf√§llen nicht auf fruchtbaren Boden. In Europa begann 1993 die Massenfertigung von K√ľhlschr√§nken mit Kohlenwasserstoffen als K√§ltemittel [Kunis et al. 2004], [Frommann 2004].Nicht azeotrope Mischungen von K√§ltemitteln wurden um 1984 eingef√ľhrt. Mit Ammoniak-Wasser k√∂nnen beispielweise bei W√§rmepumpenboilern - oder generell bei W√§rmesenken mit stark √§ndernder Temperatur ‚Äď durch den Joule- anstelle des Ranking-Prozesses signifikant h√∂here Leistungszahl erreicht werden [Mucic und Schermann 1984].
W√ĄRME√úBERTRAGER
In den 1970er Jahren hielten die Plattenw√§rme√ľbertrager endg√ľltig Einzug in die K√§lte- und W√§rmepumpentechnik. F√ľr synthetische K√§ltemittel wurden die Elastomerdichtungen bereits in der Mitte der 1980er Jahre durch gel√∂tete Verbindungen ersetzt. Diese Technik fand eine ein-dr√ľckliche Verbreitung. Zwischen 1987 und 2001 wurden weltweit rund drei Millionen gel√∂tete Plattenw√§rme√ľbertrager mit profilierten Platten produziert. Lasergeschweisste Plattenverbin-dungen wurden zu Beginn der 1990er Jahre eingef√ľhrt [Frommann 2004].
ELEKTRONISCHE REGELUNG
Ein entscheidender Meilenstein der 1980er Jahre war die Einf√ľhrung von Mikroprozessoren21. Diese erm√∂glichten nicht nur den Wechsel von mechanischen P-Reglern zu PID-Reglern, son-dern auch die Verwendung von bedeutend mehr Sensoren und Aktoren. Daraus resultierte ei-ne deutlich verbesserte Temperaturregelung auf der W√§rmesenken- und der W√§rmequellensei-te. Dies ist f√ľr W√§rmepumpen mit Luft als W√§rmequelle von besonderem Vorteil. Carrier f√ľhrte bereits 1989 ein durch einen Mikroprozessor mit Sensoren im Verdampfer, im Kondensator und im Kompressor gesteuertes elektronische Expansionsventil ein. Dieses System wurde als ‚ÄúFlotronic‚ÄĚ bezeichnet [Szokody 2007].
K√ĄLTETECHNIK
F√ľr die industrielle K√§ltetechnik Europas waren in den 1980er Jahren BBC-York, Stahl K√§lte-technik, Sabroe, Linde und Sulzer Hauptlieferanten [Frommann 2004].
7.1.2 Absorptionsprozess
KLEINE ABSORPTIONSW√ĄRMEPUMPEN
In den 1980er Jahren wurden zahlreiche Versuche zur Entwicklung einer Absorptionsw√§rme-pumpe mit Heizleistungen unter 50 kW unternommen [Loewer 1981], [Murphy und Phillips 1984], [Sch√§fer und Stephan 1984]. Je nach Komplexit√§t des Absorptionsprozesses wurden zur Heizung Nutzungsgrade von 1.15 bis 1.4 erreicht. Das Kosten-Nutzen-Verh√§ltnis vermochte aber nicht zu begeistern, und auch die Probleme mit der L√∂sungspumpe waren wenig markt-freundlich. Absatzweise arbeitende Absorptionsk√§lteprozesse wurden insbesondere f√ľr die Verwendung von Sonnenenergie untersucht [Peters et al. 1986]. Kleinammoniakw√§rmepumpen f√ľr Heizzwecke erreichten aber nie einen kommerziellen Erfolg.
U.S.A.
Die Nachwirkung des √Ėlembargos von 1973 beg√ľnstigte den Dampfkompressionsprozess mit seiner h√∂heren Effizienz. Selbst bei den grossen Wasserk√ľhls√§tzen in den U.S.A. fiel der An-teil an Absorptionsanlagen bis 1978 auf weniger als 10%.
JAPAN
In Japan war die Situation anders. Die japanischen Firmen fuhren fort, ihre Doppeleffekt-Absorptionsk√§ltes√§tze zu perfektionieren. 1975 √ľbertraf der Anteil an Absorptionsk√§ltes√§tzen jene von Dampfkompressionsk√§ltes√§tzen erstmals. 1980 offerierte das Finanzministerium den Endverbrauchern, welche gasbeheizte Absorptionsaggregate einsetzten, Steuererleichterun-gen. Mitte der 1980er Jahre haben die grossen Wasser-Lithiumbromid-Absorptionsk√§ltes√§tze f√ľr die K√ľhlung Nutzungsgrade von 1.2 √ľberschritten. In Japan wurden Absorptionsanlagen bis √ľber 31.6 MW K√§lteleistung gebaut.
7.2 Schweizer Beiträge zur Wärmepumpenheizung
Im Anschluss an mehr als zwei Dekaden der Stagnation erfuhren die W√§rmepumpen durch das √Ėlembargo von 1973 eine Wiedergeburt. Adolf Ostertag, der Leiter der Ingenieurabteilung von Escher Wyss f√ľr K√§ltetechnik und W√§rmepumpen vor und w√§hrend dem zweiten Weltkrieg, er-innerte in einer Publikation an die Grundlagen und Besonderheiten der W√§rmepumpentechnik zur Raumheizung und Warmwasserbereitung und deren Integration in Fernheiznetze [Ostertag 1974].Die Entwicklung einer zweiten Generation von W√§rmepumpen f√ľr Wasserzentralheizungen f√ľr Einfamilienh√§user und gr√∂ssere Wohnbauten begann unmittelbar nach dem √Ėlembargo von 1973. Gegen 1980 erreichten korrekt funktionierende kleinere W√§rmepumpeneinheiten (10 - 25 kW) nur etwa 1.9 bis 2.3 f√ľr Luft als W√§rmequelle. Die Werte bei Sole/Wasser-Systemen mit horizontalen Erdkollektoren waren nicht viel gr√∂sser [Hubacher 2007]. B√∂se Ger√ľchte mit Jah-resarbeitszahlen nur wenig √ľber 1 wurden in der Tagespresse abgedruckt [Blattmann 1981]. Der anf√§ngliche W√§rmepumpenboom endete mit dem sich verschlechternden Ruf der W√§rme-pumpe. Dies war auf eine zu grosse Zahl unseri√∂ser Anbieter mit technisch bedenklich konzi-pierten Anlagen und ungen√ľgender Installationsplanung zur√ľckzuf√ľhren.Die dritte Generation von Kleinw√§rmepumpen nach der zweiten √Ėlkrise im 1979/1980 war weniger volumin√∂s und hatte einen kleineren K√§ltemittelinhalt. Mit Ausnahme von Luft blieben horizontale Erdkollektoren ‚Äď oft kombiniert mit unverglasten Dachkollektoren ‚Äď die Hauptw√§r-mequelle. Es wurden aber auch thermoaktive Geb√§udeelemente mit integrierten Rohrleitungen (W√§nde und D√§cher vorfabrizierter Garagen, Fassadenelemente und spezielle Dachziegel) verwendet. R-502 wurde zum bevorzugten K√§ltemittel f√ľr W√§rmepumpen, ohne R-22 und R-12 ganz zu verdr√§ngen. Nebst der Beheizung von Einfamilienh√§usern wurden gr√∂ssere W√§rme-pumpen f√ľr √∂ffentliche Geb√§ude, Einkaufszentren, Schwimmb√§der, Hallenschwimmb√§der und industrielle Prozesse (vorab in der Nahrungs- und Metallindustrie) etc. gebaut.In den 1980er Jahren kamen auch W√§rmepumpen mit direktem Gasmotor- und Dieselmotor-antrieb im Leistungsbereich von 200 kW bis 1'000 kW auf [Bitterli 1986]. Sie waren allerdings nicht erfolgreich. Nach einigen Betriebsjahren hatten sie mit zu h√§ufigen Pannen und zu hohen Unterhaltskosten zu k√§mpfen. Zudem waren sie im Betrieb nicht so flexibel wie die Kombinati-on von Blockheizkraftwerken mit W√§rmepumpen. Diese ist bedeutend zuverl√§ssiger und es werden trotz kleiner Verluste bei Energieumwandlung und im elektrischen Netz Nutzungsgrade von 150% und mehr erreicht [Zogg 1995].Bevor gegen Ende der 1980er Jahre ein erfolgreicher Neustart mit kompetenten Anbietern er-folgen konnte, ben√∂tigte der W√§rmepumpenmarkt eine gewisse Selbstreinigung und konzertier-te Begleitmassnahmen zur Qualit√§tssicherung. 1993 gab es auch einen Versuch zur einer fruchtvollen Zusammenarbeit der W√§rmepumpenhersteller SHF Ostermundigen (Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-W√§rmepumpen) und Schweizer Hedingen (Luft/Wasser-W√§rmepumpen) sowie die f√ľr Kleinw√§rmepumpen vertriebsorientierten Firmen CTC W√§rmetechnik Z√ľrich und Scheco Winterthur. Das Konsortium ‚ÄěIntegral W√§rmepumpen‚ÄĚ √ľberlebte aber nur wenige Jah-re.
7.2.1 Wärmepumpenpioniere im Einfamilienhausbereich (10-50 kW)
In diesem Leistungsbereich wurde unmittelbar nach 1973 sehr viel unternommen ‚Äď aber es gibt nur wenige Dokumente dazu. Die Pioniere in diesem Bereich haben alle Arten von W√§rme-pumpensystemen realisiert ‚Äď nicht selten Tag und Nacht. Aber sie k√ľmmerten sich nicht um Publikationen. Deshalb sind die meisten der folgenden Ausf√ľhrungen aus pers√∂nlichen Inter-views mit den betreffenden Personen entstanden. F√ľr die Heizung von Einfamilienh√§usern lag der h√§ufigste W√§rmeleistungsbedarf an den k√§l-testen Tagen im Jahr im Bereich von 15 kW bis 25 kW. Bei Zweifamilienh√§usern lag er etwas h√∂her. Es gab noch keine geeigneten W√§rmepumpensysteme f√ľr Warmwasser-Zentralhei-zungen mit Luft oder Grundwasser als W√§rmequelle. Dies motivierte zahlreiche Pioniere zur Entwicklung tauglicherer L√∂sungen f√ľr diesen Bedarf. Es handelte sich dabei meist um ge-schickte Monteure und Techniker aus den Bereichen K√§ltetechnik, Klimatisierung und Elektrizit√§tsversorgung. Diese Pioniere produzierten W√§rmepumpen in kleinen St√ľckzahlen auf gewerblicher Basis im Allgemeinen f√ľr den Schweizer Markt. Alle ben√ľtzten kosteng√ľnstige hermetische Kolbenkompressoren und andere Komponenten aus dem Weltmarkt f√ľr die K√§lte-technik. Als K√§ltemittel verwendeten sie meist R-12 und sp√§ter R-22. Bis 1978 waren horizon-tale Erdkollektoren (Bild 7-1, Bild 7-2) √ľblich. Diese wurden oft mit unverglasten Dachkollek-toren (Bild 7-3, Bild 7-4) kombiniert [Promatec 1978] detailliert beschrieben. Sie wurde gelegentlich auch f√ľr Wohnblocks verwen-det [Baumann und Z√ľllig 1983]. Es gab aber auch recht exotische L√∂sungen, wie das im Bild 7-5 gezeigte Gasmotorw√§rmepumpensystem mit einer Kombination von Dachkollektoren und W√§rmer√ľckgewinnung aus dem h√§uslichen Abwasser. Die oft kritisierte elektrische Wider-standsheizung war ein wichtiger Wegbereiter f√ľr die W√§rmepumpen. Ihre relativ hohen Ener-giekosten erforderten eine gute thermische Isolation der Geb√§ude, ein gut ausgebautes Elektrizit√§tsverteilungsnetz und bei Zentralspeicheranlagen eine auch f√ľr W√§rmepumpen geeignete Warmwasserheizung im Geb√§ude. Die W√§rmepumpenpioniere, die auch oft aus dem elektrischen Widerstandsheizungsbereich stammten, ergriffen die Chance f√ľr eine effizientere Nutzung der Elektrizit√§t.
GRIMM / NEUCALORA
Einer der ersten unter diesen W√§rmepumpenpionieren war der 1928 geborene Heinz Grimm. Nach einer Berufslehre als Werkzeugmacher bet√§tigte er sich sehr vielseitig. Seine Aktivit√§ten reichten von elektrischen Freileitungen bis zur Klimatisierung. 1960 machte er sich selbst√§ndig und produzierte elektrische Zentral-Widerstandsheizungen f√ľr die Bernischen Kraftwerke (BKW). Sein erstes W√§rmepumpenfunktionsmuster hat er 1973 gefertigt. Der erste Betrieb √ľberdauerte nur eine Nacht. Dies hinderte Grimm aber nicht daran, sein neues Funktions-muster in Zusammenarbeit mit den BKW gegen Ende 1973 an der Oberl√§nder Herbstausstel-lung (OHA) in Thun vorzustellen. 1974 installierte Grimm seine erste W√§rmepumpe in einem Einfamilienhaus in Wynigen. Urspr√ľnglich ben√ľtzten Grimm‚Äôs W√§rmepumpen ‚Äď man nannte sie ‚ÄěGrimm-Maschinen‚Äú ‚Äď horizontale Erdkollektoren aus Polyethylenrohren: Bild 7-1. Sp√§ter hat er diese zur Regeneration des Erdbodens mit Dachkollektoren (Bild 7-3) kombiniert. Diese bestanden ebenfalls aus Polyethylenrohren. Sie wurden entweder auf dem Dach oder unter dem Dach zwischen den Sparren (Bild 7-4) angeordnet. Grimm nutzte aber auch Luft, Grund-wasser und Seewasser als W√§rmequelle. Zur l√§rmfreien Nutzung von Umgebungsluft baute er Energiez√§une (Bild 7-6). Er experimentierte auch mit Latentw√§rmespeichern und Kom-pressoren mit variabler Drehzahl zur Leistungsanpassung. In seiner W√§rmepumpe fanden Verdampfung und Kondensation an auf der eigenen Drehbank hergestellten Doppelrohrwen-deln aus Kupfer statt: Bild 7-7. Bereits 1975 berichtete Grimm √ľber in seinen erw√§hnten W√§r-mequellen gemessene Temperaturprofile [Kunckler 1975]. Heinz Grimm baute stets ganze W√§rmepumpensysteme einschliesslich der W√§rmequelle und des W√§rmeverteilsystems im Geb√§ude. In diesem Punkt wich seine Meinung von jener der Konkurrenten ab. Die hohen Kosten f√ľr die vielen Experimente f√ľhrten leider zum Konkurs der Firma Grimm. 1977 schloss sich Grimm der neuen Firma Neucalora in Bern22 an. 1981 waren bereits 1'000 Grimm-Maschinen installiert und 1989 schon 2'000 Einheiten. Es bestand auch eine Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Biel und mit Lucien Borel von der ETH-Lau-sanne. 1990 wechselte Neucalora von der aufw√§ndigen Doppelrohrkonstruktion auf Plattenw√§rme√ľbertrager. 1993 wurde die unten erw√§hnte Firma SHF √ľbernommen und noch im glei-chen Jahr wurden unter dem Namen ‚ÄěIntegral W√§rmepumpen‚Äú auch Kleinw√§rmepumpen f√ľr CTC23 in Z√ľrich und Scheco in Winterthur produziert. 1995 wurde Neucalora durch den W√§r-mepumpenhersteller Gr√ľnewald24 in Affoltern a.A. √ľbernommen [Grimm 2007], [Giger 2007].
SHF / STEINMANN 1973 gr√ľndeten in Zollikofen der Mechaniker und Hauptinvestor Albert Steinmann, der K√§ltetechniker Karl Hess und der Verkaufsfachmann Norbert Felber die Firma SHF. SHF hatte bald einen guten Ruf f√ľr verl√§ssliche W√§rmepumpen auch f√ľr Heizleistungen √ľber 100 kW. Einige SHF W√§rmepumpen sind heute noch in Betrieb. 1976 √ľbernahm SHF die K√§ltefirma AirCold in Worblaufen. Dadurch kam Manfred Beerhalter zur SHF. 1982 trat Steinmann aus der SHF aus und baute in Kirchlindach seine eigene Firma Steinmann auf. Diese wurde 2007 eine Tochter-firma von Danfoss http://www.danfoss.ch. Die Firma SHF wurde an Gr√ľnewald, sp√§ter an Frutiger25 und schliesslich 1993 an Neucalora verkauft [Beerhalter 2007], [Grimm 2007].
GR√úNIGER / SOLTHERM
Emil Gr√ľniger, ein ehemaliger Monteur von Escher Wyss, hat sich weltweite praktische Erfah-rung in der K√§lte- und W√§rmepumpentechnik erworben. Ab 1973 befasste er sich mit dem Bau einer Kleinw√§rmepumpe. 1975 begann er in seiner eigenen Firma Soltherm in Altendorf mit dem Bau von W√§rmepumpen. Sein erstes W√§rmepumpensystem mit einer Heizleistung von 10 kW hatte einen direkt verdampfenden horizontalen Erdkollekter aus Kupferrohren mit Epoxy-harz-Verbindungen. Seine Installation in Alterndorf brachte bereits die sp√§ter wohlbekannten √Ėlrezirkulationsprobleme bei Direktverdampfungssystemen an den Tag. Er setzte danach auf indirekte Verdampfung mit durch eine W√§rmetr√§gerfl√ľssigkeit durchstr√∂mten ‚Äěnormalen‚Äú hori-zontalen Erdkollektoren. Soltherm baute etwa 500 solcher W√§rmepumpensysteme mit herme-tischen Maneurope-Kolbenkompressoren. Gr√ľniger war mit Kurt Tr√ľssel von KWT unter den ersten, welche die K√§ltemittelenthitzung im Winter zur Beheizung von R√§umen im Kellerge-schoss (z.B. W√§schetrocknungsr√§ume) und im Sommer zur Enderhitzung des Brauchwarmwassers nutzten [Gr√ľniger 2007], [Szokody 2007].
HUBACHER / KAUFMANN
In diesem Zusammenhang ist auch Peter Hubacher als einer der ersten Planer kleiner Wär-mepumpensysteme zu nennen. Er installierte 1976 eine Wärmepumpe der Firma Kaufmann in Netstal mit offenem Bitzer-Kolbenkompressor. Von der Firma Kaufmann ist nicht mehr viel be-kannt. Sie soll zuverlässige Wärmepumpen gebaut haben; ging dann aber in Konkurs [Huba-cher 2007].
7.2.2 Wärmepumpensysteme mittlerer Grösse (50-1000 kW)
SZOKODY / HOVAL HERZOG / HOVAL / CARRIER
Unter den W√§rmepumpenpionieren hatte Gyula Szokody einen besonderen Einfluss auf die Berufsgemeinschaft der Schweizer Kleinw√§rmepumpenbauer. Er kann nicht nur auf einen aus-sergew√∂hnlichen pers√∂nlichen Lebenslauf zur√ľckblicken (3 Jahre Studium der Theologie im kommunistischen Ungarn, Flucht aus dem ‚ÄěArbeiterparadies‚Äú und anschliessend Ingenieurstu-dium) ‚Äď er erbrachte der Schweizerischen W√§rmepumpenszene einen grossen pers√∂nlichen Beitrag. 1974 trat er in die Firma Hoval Herzog (http://www.hoval.ch) in Feldmeilen ein. F√ľr gr√∂sseren W√§rmebedarf setzte Hoval Herzog auf modifizierte Carrier Wasserk√§ltes√§tze. Diese luftgek√ľhlten Maschinen waren f√ľr warme Klimazonen konzipiert. F√ľr die Verwendung als W√§rmepumpe mussten spezielle Kondensatoren konstruiert werden. Bereits 1974 hat Ho-val ein W√§rmepumpensystem f√ľr die Warmwasserzentralheizung und die Warmwasserberei-tung in einer √úberbauung mit 40 H√§usern in Balzers (Liechtenstein) gebaut. Die 3 in Frankreich gebauten Carrier Wasserk√ľhls√§tze mit je 4 Kompressoren wurden mit speziellen Kondensato-ren zum Erreichen einer Kondensationstemperatur von 60 ¬įC versehen. Der benachbarte Rhein diente als W√§rmequelle. Die Gesamtheizleistung des W√§rmepumpensystems betrug 1.18 MW. Bei 9¬įC/60¬įC wurde eine Leistungszahl von 3.64 erreicht. Dies entspricht einem Lo-renz-Wirkungsgrad von 46.2%. Zur Sicherstellung der Warmwasserbereitung musste eine der 3 W√§rmepumpen eine Vorlauftemperatur von 55 ¬įC erreichen. Aussergew√∂hnlich f√ľr jene Zeit war nebst dem vollautomatischen Betrieb eine elektronische Mehrstufenregelung, welche die ben√∂tigte Anzahl Einheiten in Abh√§ngigkeit der Aussentemperatur zuschaltete [Szokody 1975, 2007]. Ein wegweisendes W√§rmepumpensystem wurde 1975 durch Hoval Herzog in der Abwasser-reinigungsanlage Obermeilen am Z√ľrichsee gebaut. Es war die erste W√§rmepumpe der Schweiz, welche den Abfluss einer Abwasserreinigungsanlage als W√§rmequelle nutzte. Der Abfluss mit ungef√§hr 0.1 m3/s hatte eine Temperatur von 8 ¬įC ‚Äď 22 ¬įC. Zwei Carrier-W√§rmepumpen mit je 310 kW bei 7¬įC / 55¬įC versorgten den Faulturm der Abwasserreini-gungsanlage mit W√§rme und beheizten die in der N√§he gelegene Alterssiedlung Dollikon. F√ľr den Faulturm war eine konstante Vorlauftemperatur von 50 ¬įC erforderlich, um den frischen Schlamm auf 37 ¬įC aufzuheizen. Um auch die Heizung des Altersheims mit einer Vorlauftem-peratur von 50 ¬įC betreiben zu k√∂nnen, mussten die Heizk√∂rper entsprechend vergr√∂ssert werden. Auch dieses W√§rmepumpensystem funktionierte mit der bereits oben beschriebenen automatischen Mehrstufenregelung [Gubser 1975, 1976], [Szokody 2007]. Um 1975 brachte Hoval Herzog die W√§rmepumpe ‚ÄúWW-Automat‚ÄĚ auf den Markt. Dies war nicht mehr nur ein angepasster K√§ltesatz, sondern ein vollautomatisches W√§rme-pumpensystem mit integrierter Warmwasserbereitung. Es wies nur je einen Ein-/Ausschalter f√ľr die Raumheizung und die Warmwasserbereitung auf. Der erste WW-Automat wurde in einem Geb√§ude in Surava bei Tiefencastel installiert. 1985 realisierte Hoval Herzog in einer neu-en Luft/Wasser-W√§rmepumpe mit der Einf√ľhrung des Mikroprozessors ein neues Entei-sungskonzept.
WERMELINGER / AUTOFRIGOR / SCHECO / SULZER. In der Pionierzeit musste zur √úberzeugung der Heizungsfirmen, der Architekten, der Bauherren und der Bewilligungsbeh√∂rden noch harte Arbeit geleistet werden. Der Neuanfang der W√§rme-pumpentechnik nach dem Erd√∂lembargo war entsprechend gekennzeichnet durch langwierige Bewilligungsprozesse und Absagen infolge Unkenntnis und Ignoranz der Beh√∂rden und der Elektrizit√§tswerke. Im Zweifelsfall galt das ‚ÄěNein‚Äú. In dieser Zeit hat sich bei Autofrigor in Win-terthur der junge Ingenieur Bruno Wermelinger sehr f√ľr die Akzeptanz und hindernisfreie Ver-wirklichung der W√§rmepumpentechnologie eingesetzt. Wermelinger liess sich nicht entmutigen und schreckte auch nicht vor einem Telefonanruf an den damaligen Bundesrat Willi Ritschard (verantwortlicher Minister f√ľr die schweizerische Energieversorgung) zur√ľck. In diesem wies er den Energieminister auf die Unzul√§nglichkeiten in den Bewilligungsverfahren hin. Gemein-sam mit Max Ehrbar von der Fachhochschule Buchs und Gyula Szokody organisierte Werme-linger Arbeitsgruppen zu Themen der W√§rmepumpentechnik. Dies f√ľhrte zu den ersten SVK26-Richtlinien zur W√§rmepumpentechnik. Ab 1975 baute die K√§ltefirma Autofrigor zahlreiche Wasser/Wasser- und Luft/Wasser-W√§rme-pumpen im Heizleistungsbereich von 10 kW bis 150 kW. Unter den bis 1977 gebauten rund 50 W√§rmepumpen waren auch Ausf√ľhrungen mit Verbrennungsmotorantrieb (Erdgasmotoren und Dieselmotoren) zur Erreichung hoher Temperaturen bis 120 ¬įC und Systeme zur kombi-nierten Nutzung von W√§rme und K√§lte. Auch Plattenw√§rme√ľbertrager wurden fr√ľh einge-f√ľhrt. Wermelinger war unter den Gr√ľndungsmitgliedern der AWP (siehe 7.2.8) und √ľbernahm in einem Forschungsprojekt des Bundesamts f√ľr Energie die F√ľhrung beim raschen Ersatz der Fluor-Chlor-Kohlenstoff-K√§ltemittel [Wermelinger 1992]. Von 1981 bis zu seiner Pensionierung 1999 war er der Gesch√§ftsleiter von Scheco in Winterthur http://www.scheco.ch , welche 1989 zu einer Tochterfirma des Sulzer-Konzerns wurde. 1990 erreichte der W√§rmepumpenanteil rund 25% des Umsatzes von Scheco. Auch als Stadtrat an seinem Wohnort B√ľlach engagierte sich Wermelinger f√ľr eine nachhaltige Energiepolitik. Nach seiner Pensionierung leitet er die Firma OptiCasa http://www.opticasa.ch , welche Passivh√§user realisiert, die √ľberhaupt kein aktives Heiz-system mehr ben√∂tigen. Die L√∂sung von OptiCasa wurde 2007 an der Er√∂ffnungsfeier der Ausstellung Swissbau als ‚ÄěGeb√§udeh√ľlle der Zukunft‚ÄĚ ausgezeichnet. Wermelinger bemerkte dazu: ‚ÄěEs treten auch hier wieder dieselben Probleme auf wie in der W√§rmepumpen-Pionier-zeit. Zun√§chst ist jedermann skeptisch und man kann die Leute dann nur √ľberzeugen, wenn man ihnen zeigt, dass es funktioniert!‚Äú [Wermelinger 2007].
SULZER SOLSET / BRUGNOLI /
09 Feb 2012
10:53:21
Zogg
Wärmepumpen Geschichte Teil 3
SULZER SOLSET / BRUGNOLI / STREBEL / CRYOTHERM
Auf der Grundlage jahrzehntelanger Erfahrung baute Sulzer auch in dieser Periode zahlreiche mittelgrosse und grosse W√§rmepumpen. Ab 1978 entwickelte Carlo Brugnoli eine kleine Luft/Wasser-W√§rmepumpe mit integrierter Warmwasserbereitung. Man gab ihr den Namen ‚ÄúSolset‚ÄĚ. Dank bivalent-parallel-Betrieb mit einem Jahresheizenergieanteil der W√§rmepumpe von 75% lieferte Solset eine Vorlauftemperatur von 65 ¬įC. Bei tieferem W√§rmebedarf wurde die Spitzenlastdeckung durch einen elektrischen Durchlauferhitzer √ľbernommen. Bei hohem W√§rmebedarf √ľbernahm ein Kessel die Spitzenlastdeckung. Um ein h√§ufiges Ein- und Aus-schalten der W√§rmepumpe zu verhindern, wurde durch R. Huber ein spezieller W√§rmespei-cherbeh√§lter entwickelt und patentiert. W√§hrend der Heizsaison 1978/1979 wurde Solset pa-rallel im Labor und im Feld gemessen. Ab 1979 wurden die ersten Solset-W√§rmepumpen mit Leistungen bis 30 kW an Installateure verkauft. Aber Serie-Kleinanlagen passten nicht recht ins Konzept von Sulzer.
26 Schweizerischer Verein f√ľr K√§ltetechnik.
Deshalb wurde die Entwicklung an den Kesselhersteller Strebel in Rothrist verkauft. Dieser er-h√∂hte die Heizleistung in Weiterentwicklungen bis 120 kW. Sulzer verfolgte die Entwicklung ei-ner kleinen W√§rmepumpe weiterhin. Doch in den fr√ľhen 1980er Jahren kam es im W√§rme-pumpengesch√§ft aufgrund des oben Beschriebenen zu einem raschen Einbruch. In der Folge gab Sulzer 1984 die Entwicklung von Kleinw√§rmepumpen endg√ľltig auf. Das ganze Wissen blieb bei Brugnoli, der es auch rettete. Er baute in Toffen mit Hilfe von Strebel die Firma Cryo-therm auf. Das Solset-System wurde durch einen W√§rmepumpenboiler und bis vier halbher-metische Kompressoren bis zu Heizleistungen von 300 kW weiterentwickelt. Aufgrund der fol-genden √úbernahmen durch die ‚ÄúVerzinkerei Zug‚ÄĚ und eine √∂sterreichische Gruppe entschloss sich Brugnoli 1996, das Solset-Gesch√§ft allein weiterzuf√ľhren. Bis zu seiner Pensionierung im Jahr 1998 wurden noch einige Solset-W√§rmepumpen verkauft. Darunter solche mit bivalent-alternativem Betrieb und Erdw√§rmesonden. Auch Brugnoli war w√§hrend langer Jahre Mitglied des technischen Komitees der AWP (siehe 7.2.8) [Bula und Bachofner 1979], [Brugnoli 2007].
7.2.3 Grosse Wärmepumpensysteme ( > 1 MW)
Wie oben dargelegt, waren die Schweizer Pioniere grosser W√§rmepumpensysteme lange vor 1950 aktiv. Das angereicherte Wissen f√ľhrte bei grossen W√§rmepumpen zu einer f√ľhrenden Position von Sulzer27. Sulzer baute auch in dieser Periode zahlreiche Anlagen. Im Folgenden werden nur wenige Beispiele erw√§hnt.
4.7 MW TOTALENERGIEANLAGE IM BAHNHOF LUZERN 1984
Wie bereits im Kapitel 1 erw√§hnt, sind Kombinationen von Blockheizkraftwerken mit W√§rme-pumpen im Vergleich zu W√§rmepumpen mit direktem Verbrennungsmotorantrieb verl√§sslicher und flexibler. Eine der ersten Umsetzungen dieses modernen Konzepts erfolgte mit dem durch Sulzer beim Bahnhof Luzern f√ľr die Bundesbahnen und die Post gebauten System. Sechs28 W√§rmepumpeneinheiten mit einer Heizleistung von je 440 kW und Wasser aus dem Vierwaldst√§dtersee als W√§rmequelle wurden installiert. Die elektrische Energie zum Antrieb dieser W√§rmepumpen wurde durch drei Blockheizkraftwerke mit Gasmotoren pro-duziert. Diese Blockheizkraftwerke wiesen je eine Heizleistung von 678 kW und eine Elektrizi-t√§tsproduktion von 374 kW auf. Die Temperaturen auf der W√§rmesenkenseite betragen f√ľr die W√§rmepumpen 55¬įC - 60¬įC f√ľr den Vorlauf und 40¬įC f√ľr den R√ľcklauf. F√ľr die Blockheiz-kraftwerke betragen sie 75¬įC bzw. 60¬įC. Im Sommer k√∂nnen die W√§rmepumpen auch zur K√ľhlung mit einer K√§lteleistung von je 320 kW eingesetzt werden. F√ľr die Spitzendeckung wurde ein 3.2 MW Holzschnitzel-Kessel gebaut. Der Nutzungsgrad des Systems lag bei 170% und die Jahresheiz√∂leinsparung betrug rund 1'300 Tonnen. Das System wurde bereits zu Be-ginn durch einen Computer unter Einbezug des momentanen Heizleistungsbedarfs und des ak-tuellen Elektrizit√§tstarifs optimal betrieben [Etterlin 1985]. 1990 wurde die W√§rmepumpe zur Verwendung von Ammoniak anstelle von R-12 umger√ľstet [Br√ľgger et al. 1991]. Im Jahr 2007 wurden die urspr√ľnglichen Blockheizkraftwerke durch neue von AVESCO29 in Langenthal ge-baute ersetzt. Die Gesamtw√§rmeleistung des Systems wurde auf 7.2 MW erh√∂ht.
27 1970 wurde Escher Wyss in die Sulzer-Gruppe eingegliedert. Nach dem Verkauf der Hydraulikabteilung an die √∂sterreichische VA Tech im Jahr 1999 und der Turbokompressorabteilung an die deutsche MAN im Jahr 2001 ver-schwand der ber√ľhmte Name ‚ÄúEscher Wyss‚ÄĚ.
28 1984 wurden vier Einheiten installiert, zwei weitere folgten 1986.
29 AVESCO baut in Langenthal grosse Blockheizkraftwerke f√ľr Erdgas und Biogas mit Caterpillar-Motoren. Diese erreichen elektrische Wirkungsgrade bis 43%. Kleinere Blockheizkraftwerke werden von AVESCO in Bubendorf her-gestellt. Sie werden mit einem im Rahmen der BFE-Forschung neu entwickelten und von Liebherr in Bulle produzier-ten, hocheffizienten Verbrennungsmotor mit neuem Abgasrezirkulationssystem angetrieben [Hauptmann 2008].
19.2 MW TOTALENERGIEANLAGE AN DER ETH-LAUSANNE 1986
Aufgrund eines Vorschlags von Lucien Borel hat 1979 der beratende Ingenieur Ludwig Silber-ring30 eine zukunftsweisende Heizungsanlage geplant [Silberring 1986]. Sie wurde durch Sul-zer an der ETH-Lausanne (EPFL) realisiert. Die 1986 in Betrieb genommene Total-energieanlage enth√§lt zwei Gasturbinen-Generatoreinheiten, welche die elektrische Energie zum Antrieb von zwei elektrischen W√§rmepumpen liefern. Die Gasturbinen-Generatorein-heiten weisen eine elektrische Leistung von je 3 MW (elektrischer Wirkungsgrad 28.1%) und eine W√§rmeleistung von je 5.7 MW (thermischer Wirkungsgrad 53.4%) auf. Ihr Betrieb ist von jenem der W√§rmepumpen entkoppelt. Sie werden mit leichtem Heiz√∂l betrieben. Die zwei identischen W√§rmepumpen sind mit Schraubenkompressoren mit √Ėleinspritzung und Economizer-Stutzen ausger√ľstet. Sie werden mit Ammoniak als K√§ltemittel und Wasser aus dem 1 km entfernten Genfersee mit einer mittleren Temperatur von 6 ¬įC w√§hrend der Heizsaison als W√§rmequelle betrieben. Die W√§rmeleistung der W√§rmepumpen betr√§gt je 3.9 MW. Das Seewasser wird aus einer Tiefe von 65 m in einem Abstand vom Strand von 700 m entnommen. Das um 3 K abgek√ľhlte Wasser wird in einen nahen Fluss zur√ľckgegeben. Die beiden W√§rmepumpen mit getrennten Ammoniakkreisl√§ufen k√∂nnen je nach Heizungsbedin-gungen entweder in Serie (Zweistufenw√§rmepumpe) oder parallel (dann ist eine W√§rmepumpe meist im Stand-by-Betrieb) betrieben werden. Interessant ist, dass Ammoniak haupts√§chlich im Hinblick auf seine ausgezeichneten thermodynamischen Stoffeigenschaften gew√§hlt wurde. Mit einer Gesamtw√§rmeleistung von 7.8 MW ist diese W√§rmepumpenanlage eine der gr√∂ssten in der Schweiz geblieben. Messungen ergaben die folgenden Lorenz-Wirkungsgrade der W√§rmepumpen: 58.1% bei 5 ¬įC / 50 ¬įC, 59.7% bei 6 ¬įC / 45 ¬įC und 45.4% bei 7 ¬įC / 30 ¬įC. Nach zehn Jahren Betrieb nahm die Leistungszahl der W√§rmepumpen infolge der Be-lagsbildung im Verdampfer, der Anwesenheit von Inertgasen und der Alterung des Kompres-Verdampfers, der Anwesenheit von Inertgasen und der Alterung des Kompressors ab. Der Nutzungsgrad der Gesamtanlage betrug nach der Inbetriebnahme rund 170% [Tastavi 1994], [Fav-rat und Tastavi 1995], [Pelet et al. 1997], [Favrat 2007].
180 MW W√ĄRMEPUMPE F√úR STOCKHOLMS FERNHEIZUNGSSYSTEM
Da es in der Schweiz keine grossen Fernheizungssysteme gibt, mussten die wirklich grossen W√§rmepumpen exportiert werden. Von diesen soll hier stellvertretend eine erw√§hnt werden. Von 1984 bis 1986 wurde f√ľr das Fernheizungssystem von Stockholm das weltgr√∂sste W√§r-mepumpensystem mit Meerwasser als W√§rmequelle (V√§rtan Ropsten) gebaut und in Betrieb genommen. Es weist eine Gesamtw√§rmeleistung von 180 MW auf. Bei einer Meerwassertem-peratur von 2.5 ¬įC / 0.5 ¬įC und einer Heizwassertemperatur von 57 ¬įC / 80 ¬įC erreicht es eine Leistungszahl von 3.75. Das System besteht aus 6 W√§rmepumpen mit Radialkompressoren: Bild 7-14. Die Heizleistung l√§sst sich im weiten Bereich von 10% bis 100% anpassen. 2003 er-folgte ein Umbau f√ľr den Ersatz von R-22 durch R-134a [Friotherm 2008].
FERNHEIZUNGSSYSTEM SCHWEIZER MITTELLAND ‚Äď EIN NIE REALISIERTES ZUKUNFTSWEISENDES KONZEPT
Peter Steiger, Conrad. U. Brunner, Heinz-Horst Becker, Werner Stoos und Bruno Wick haben unabh√§ngig von den Aktivit√§ten und finanziellen Unterst√ľtzungen der ‚ÄěSchweizerischen Ab-w√§rmekommission‚Äú ein zukunftsweisendes Konzept f√ľr grossse Teile des schweizerischen Mit-tellandes umfassendes kaltes Fernw√§rmenetz (40 ¬įC ‚Äď 50 ¬įC) ausgearbeitet. Dieses sollte durch die drei Kernkraftwerke M√ľhleberg, Beznau I und Beznau II und industrielle Abw√§rme gespeist werden. Als Hauptidee des sogenannten ‚ÄěPlenarsystems‚Äú w√§re die W√§rme erst bei den Verbrauchern durch W√§rmepumpen und thermische Solaranlagen auf das erforderliche Temperaturniveau gehoben worden. Als Projektvision wurde eine Kostengleichheit mit konven-tioneller Kesselheizung angestrebt. Die Autoren der Studie rechneten mit einer Realisierungs-zeit von 15 Jahren und Gesamtkosten von 11.7 Milliarden Franken. Dieses zukunftsweisende Projekt wurde nie realisiert. In Zeiten rasch steigender Energiepreise und CO2-Emissionen w√§-re es angebacht, nochmals auf das vision√§re Konzept zur√ľckzukommen [Steiger et. al 1977], [Sch√§rer 2007].
7.2.4 Pioniere der Erdwärmesonden
Schweizer haben wesentlich zur Entwicklung der Erdw√§rmesonden beigetragen, √ľber die bis etwa 1980 nur gel√§chelt wurde.
RECHSTEINER / MULTI-ENERGIE ‚Äď ERSTE ERDW√ĄRMESONDE
Die hohen Bodenpreise in der Schweiz verleiteten zu einer Unterdimensionierung der horizon-talen Erdkollektoren, welche zu einem versp√§teten Vegetationsbeginn und in extremen F√§llen auch zu Frostsch√§den f√ľhrte. Dies motivierte J√ľrg Rechsteiner, einen Ersatz der Erdkollektoren durch Erdw√§rmesonden zu versuchen. Bereits 1974 liess er Stahlsonden mit einem Aussen-durchmesser von 60 mm und einer Gesamtl√§nge von 70 m in den sandigen Boden von Luste-nau (Vorarlberg, √Ėsterreich) rammen. Die koaxialen Stahlrammsonden bestanden aus 2.5 m langen Elementen mit einer √§usseren Wandst√§rke von 5 mm. Das Rammen der ersten Sonde verlief erfolgreich. Die zweite Rammung endete mit einer √úberraschung. Der Kopf der Probe tauchte n√§mlich nur wenige Meter neben der Ramm-Maschine aus dem Boden..! Mangels ver-l√§sslicher Berechnungsunterlagen musste die Auslegung der Sonden noch √ľber grobe Plausi-bilit√§tsannahmen erfolgen. Trotzdem wurde die W√§rmepumpenanlage durch die deutsche Sch√§fer Heiztechnik, welche in den 1980er Jahren in Konkurs ging, gebaut. Zwischen 1974 und 1977 hat Rechsteiners Firma Multi-Energie http://www.multienergie.ch noch 12 weitere W√§rmepumpensysteme mit Stahlrammsonden ausgef√ľhrt. Es gab aber zahlreiche Probleme, wie die Leckage aus besch√§digten Dichtungen zwischen den Sondenelementen. Dies war ein kostspieliger erster Versuch und ruinierte den Ruf der Erdw√§rmesonde als neue W√§rmequelle f√ľr W√§rmepumpen. Nebenbei sei bemerkt, dass eine Stahlrammsonde heute immer noch im Betrieb ist! Aufgrund der schlechten Erfahrungen mit den Stahlsonden entwickelte Rechsteiner die ersten Doppel-U-Sonden aus Polyethylen (Duplex-Sonden, √§usserer Durchmesser der PE-Rohre 25 mm, Wandst√§rke 2.4 mm, L√§nge 50 m). Er stellte seine Erfindung Ernst Rohner von der Bohrfirma Grundag (siehe unten) vor. Kurz darauf f√ľhrte Multi-Energie in der N√§he von St. Gal-len die ersten Tests mit U-Sonden aus Kunststoff durch. Bereits 1980 erfolgte der Bau einer ersten W√§rmepumpenanlage mit Doppel-U-Sonden aus Polyethylen f√ľr ein Einfamilienhaus in Arbon. Die mit einer W√§rmepumpe von Multi-Energie ausger√ľstete Anlage wurde im De-zember 1980 in Betrieb genommen. Wie sp√§tere Langzeitmessungen zeigten, funktionierte sie gut, obwohl die Sonden noch nicht hinterf√ľllt wurden. Nach 30 Betriebsjahren arbeitet die Son-de noch immer zur vollen Zufriedenheit des Bauherrn. Ab 1980 folgten viele neue Installationen in der ganzen Schweiz. Bis 1983 war die N√ľtzlichkeit und Verl√§sslichkeit der Doppel-U-Sonden aus Polyethylen bereits gen√ľgend demonstriert. F√ľr die Erfindung wurde Rechsteiner 1985 das Schweizer Patent 649623 erteilt. Aber bald darauf wurde bekannt, dass ein deutsches Patent f√ľr eine √§hnliche L√∂sung mit einer Umlenkvorrich-tung am Sondenende anstelle des einfachen U-Bogens von Rechsteiner existierte. Obwohl die L√∂sung gem√§ss dem deutschen Patent nie umgesetzt wurde, verhinderte dieses Patent den Schutz von Rechsteiners Erfindung. Sie wurde in der Folge zur Standardausf√ľhrung von Erd-w√§rmesonden im In- und Ausland. Rechsteiner tr√∂stete sich mit der Erkenntnis, dass nur gute Dinge tausendfach kopiert werden... [Rechsteiner 2007].
ROHNER / GRUNDAG / HASTAG
Wie bereits bemerkt, hat die Firma Grundag von Ernst Rohner bereits 1980 die ersten Boh-rungen f√ľr U-Sonden vorgenommen. Aber Grundag war schon vorher eine etablierte Bohrfima. Sie bohrte f√ľr andere Zwecke, vorab f√ľr die Erschliessung von Grundwasser und von heissen Quellen. Die von Grundag eingesetzte Rotations-Sp√ľlbohrtechnik war wesentlich kosten-g√ľnstiger als die Kernbohrtechnik. Grundag wurde ab 1980 zum verl√§sslichen Partner f√ľr die ganze Schweizer W√§rmepumpengemeischaft und f√ľhrte die Bohrarbeiten mit zuverl√§ssigen, erfahrenen Bohrmeistern √ľberall in der Schweiz sowie auch im benachbarten Deutschland und √Ėsterreich aus. Rohner zog sich 2001 altershalber zur√ľck und √ľberliess sein Bohrgesch√§ft der Firma HASTAG in St.Gallen http://www.hastag.ch . 1980 lag die Tiefe der Bohrungen bei 50 m. Bis 1985 ging sie schon √ľber 100 m und erreicht heute mehr als 300 m. Der Hauptgrund f√ľr diese Entwicklung ist nicht die mit gr√∂sserer Tiefe zunehmende Erdreichtemperatur (etwa +1 K pro 30 m), sondern die Landknappheit [Rohner 2007], [Ottinger 2007].
TR√úSSEL / KWT
Kurt Tr√ľssel gr√ľndete um 1980 in Belp seine Firma KWT31. Auch er wollte eine Erdw√§rmeson-de realisieren. Offenbar unabh√§ngig von J√ľrg Rechsteiner f√ľhrte er ein erstes Experiment durch. Er liess in seinem eigenen Garten 50 m tief bohren, brachte eine Koaxialsonde ein und verband sie mit einer K√§lteeinheit. Durch Beobachtung des thermischen Verhaltens der Sonde erhielt er erste Auslegungsanhaltspunkte f√ľr Erdw√§rmesonden. Um 1981 hat Tr√ľssel die erste W√§rmepumpenanlage mit Erdw√§rmesonde f√ľr ein Einfamilienhaus in Hettiswil gebaut. Bei den Bohrarbeiten stiess die an sandigen Grund gewohnte deutsche Bohrfirma in einer Tiefe von 30 m auf Fels und hatte damit grosse Probleme. Trotzdem wurde die Anlage mit zwei 50 m langen Koaxialproben fertig gebaut ‚Äď und sie ist heute noch in Betrieb! Bis 1987 engagierte auch KWT die Firma Grundag f√ľr ihre weiteren Erdw√§rmesonden-Bohrungen. Dann begann KWT selbst zu bohren. Nebenbei sei nochmals auf die von Tr√ľssel 1985 eingef√ľhrten W√§rmepumpen mit integrierter Warmwasserbereitung hingewiesen, welche die Abk√ľhlung des √ľberhitzten K√§l-temitteldampfes f√ľr die Schlusserw√§rmung nutzte. Zu dieser Zeit baute er auch seine bekann-ten separaten kleinen Enthitzer zur Beheizung von W√§schetrocknungsr√§umen im Kellerge-schoss [Tr√ľssel 2007].
BURREN / WA-TEC / FRUTIGER
1980 versuchten es auch die Br√ľder Erwin und J√ľrg Burren mit koaxialen 2-Zoll-Stahlsonden mit einer L√§nge von 50 m. Sie wurden bereits mit Bentonit hinerf√ľllt. Vermutlich handelten sie ohne die von Rechsteiner bereits gesammelten Erfahrungen. Sie nannten ihre koaxialen Stahl-sonden ‚ÄúZonatherm‚ÄĚ. Das Innenrohr ersetzten sie durch einen Polyurethanschlauch. Die erste Bohrung wurde im Sommer 1980 durch die Berner Filiale der Firma Dicht in St.Gallen durchge-f√ľhrt. Die Firma WA-TEC der Gebr√ľder Burren brach infolge zu zahlreicher Kinderkrankheiten ihrer ersten W√§rmepumpen und des zu teuren kathodischen Korrosionsschutzes f√ľr die Stahl-sonden zusammen. Erst 1988 begann auch Frutiger in Uetendorf mit dem Bohren f√ľr Erdw√§r-mesonden [Beck 2007], [Ottinger 2007].
7.2.5 Pioniere der Nutzung von Rohabwasser
Wie oben bereits mitgeteilt, wurde die erste Einrichtung zur Nutzung von h√§uslichem Rohab-wasser als W√§rmequelle durch Heinz Grimm gebaut. Die L√∂sung von Grimm litt aber unter Problemen mit den Feststoffen im Rohabwasser. Ende der 1970er Jahre nahm sich Felix Kalberer dieses Problems an. 1981 patentierte er ein neues System zur W√§rmer√ľckgewinnung aus Rohabwasser. In dieser als ‚ÄěFEKA-Tank‚Äú be-zeichneten Einrichtung wurden die Feststoffe durch Sedimentation und Siebung abgetrennt [Kalberer 1981]. Der erste gr√∂ssere FEKA-Tank wurde in der regionalen Sportanlage Sargans eingesetzt. Er ist immer noch in Betrieb. Bis heute wurden weitere 180 FEKA-Tanks gebaut. Dabei wurde das System laufend verbessert. Bei sehr hohem Feststoffgehalt im Rohabwasser ist eine j√§hrliche Reinigung des FEKA-Tanks n√∂tig. Andernfalls gen√ľgt eine Reinigung im Vierjahresabstand. Die Reinigung kann durch die √∂rtliche Kl√§ranlagenreinigung durchgef√ľhrt werden. In neuen Systemen wird die Leistungszahl der W√§rmepumpen fern√ľberwacht. Bei einem Abfall wird die Reinigung ausgel√∂st [Kalberer 2007].
7.2.6 Qualit√§tssicherung f√ľr Kleinw√§rmepumpen
BOREL / ERSTER W√ĄRMEPUMPENTEST
In der welschen Schweiz hat Lucien Borel32 an der ETH-Lausanne (EPFL Ecole Polytechnique F√©d√©rale de Lausanne) um 1980 einen W√§rmepumpenpr√ľfstand aufgebaut. ‚ÄěEPFL gepr√ľft‚ÄĚ wurde rasch zum Qualit√§tsbegriff ‚Äď dies bereits Jahre vor der Er√∂ffnung des Schweizerischen W√§rmepumpentestzentrums in Winterthur-T√∂ss. Borel geh√∂rte im franz√∂sischen Sprachbereich zu den Pionieren der exergetischen Analyse. Zur Identifikation der Schwachstellen des Pro-zesses wandte er diese auf die W√§rmepumpe an [Borel 1980]. Die Pr√ľfung kommerzieller W√§rmepumpen wurde durch das Schweizerische Bundesamt f√ľr Konjunkturfragen finanziert. Die Bestwerte der aus den Messungen ermittelten Lorenz-Wirkungsgrade lagen bereits 1986 bei 40% f√ľr Luft/Wasser- und bei 45% f√ľr Wasser/Wasser-W√§rmepumpen. Im Vergleich zu den sp√§teren Messergebnissen in Winterthur-T√∂ss scheinen die Werte f√ľr jene Zeit eher zu hoch. Wahrscheinlich entsprachen die Testbedingungen (wie beispielsweise die Abtauung) nicht der in Winterthur-T√∂ss verwendeten Europ√§ischen Norm EN 255 (siehe 8.2.5). Borel besch√§ftigte sich √ľbrigens auch mit der Wirtschaftlichkeit von W√§rmepumpen und dem Potenzial f√ľr unterschiedliche W√§rmepumpenanwendungen [Borel et. al 1981].
HUBACHER, D√úRR, EHRBAR / ERSTER W√ĄRMEPUMPEN-SYSTEMTEST
Die Kenntnis der Effizienz einer W√§rmepumpe ist bestimmt wichtig. Aber Endkonsumenten und Heizungsplaner wollen die Effizienz ganzer W√§rmepumpenheizsysteme kennen. Diese beste-hen aus der W√§rmequelle, der W√§rmepumpe, der Regelung, den Rohrleitungen und dem W√§rmeverteilsystem. In der Heizsaison 1981/1982 hat Peter Hubacher (Eigent√ľmer der Firma Enfog in Gossau) mit seinem Kollegen Bruno D√ľrr und dem wissenschaftlichen Berater Max Ehrbar vom Neutechnikum Buchs NTB die ersten systematischen Langzeitfeldtests an vollst√§ndigen W√§rmepumpenheizungssystemen durchgef√ľhrt. Sie wurden dann noch w√§h-rend mehrer Jahre fortgesetzt. Die Tests wurden durch den privatwirtschaftlichen Nationalen Energieforschungs-Fonds NEFF und das Bundesamt f√ľr Energiewirtschaft finanziert. Einige Ergebnisse geben einen interessanten Eindruck √ľber den bescheidenen technischen Stand von Luft/Wasser-W√§rmepumpensystemen in den fr√ľhen 1980er Jahren. Sp√§ter wurden auch Einfamilienhaus-Systeme mit Erdw√§rmesonden einbezogen. Ein Heizsystem mit Erdw√§rmesonden in einem Einfamilienhaus im Rorschacherberg wurde von 1984 bis 1989 ausgemessen und ergab eine mittlere Jahresarbeitszahl von nur 2.3. Eine andere Anlage in Frauenfeld kam in den Jahren 1985 bis 1989 auf eine mittlere Jahresarbeitszahl von 2.9.
7.2.7 Unterst√ľtzung durch √∂ffentliche Forschung und Entwicklung
STUDIEN ZU W√ĄRMEPUMPEN
Gegen Ende der 1970er Jahre befasste sich die Eidgen√∂ssische Abw√§rmekommission ‚Äď die Vorg√§ngerin des sp√§teren Bereichs Umgebungsw√§rme des Bundesamts f√ľr Energiewirtschaft. Der Erwartungswert war 1.5. Gr√ľnde f√ľr den tiefen Wert von 1.2 waren mehrere Betriebsunterbr√ľche, zu kurze Betriebszeiten und Enteisungsprobleme. (BEW)36 - auch mit W√§rmepumpen. Hans Ulrich Sch√§rer vom BEW wirkte als Sekret√§r. Im Auf-trag dieser Kommission wurden 1977 am Eidgen√∂ssischen Institut f√ľr Reaktorforschung EIR37 umfangreiche Studien zur W√§rmepumpenheizung durchgef√ľhrt. Es wurde dabei insbe-sondere die Nutzung von Grundwasser, Oberfl√§chenwasser, Erdreich und Umgebungsluft als W√§rmequelle untersucht. Beim Erdreich wurden erst horizontale Erdkollektoren ber√ľcksichtigt. Die M√§ngel bei deren Auslegung waren am offensichtlichsten und auch ihre Wirtschaftlichkeit wurde bezweifelt. Trotzdem wurden weitere Untersuchungen zu diesem System angeregt [Mustoe 1977]. Die Studien wurden 1982 vertieft und durch die Untersuchung nicht azeotroper Mischungen als K√§ltemittel (gleitende Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen - Lo-renz Prozess), des Absorptionsprozesses und unkonventioneller Prozesse wie Dampfstrahl-verdichtung, thermoelektrische und magnetische Effekte erweitert. Ebenfalls studiert wurde der direkte Antrieb mit Gas-, Diesel- und Stirlingmotoren. Der direkten Kopplung von Verbren-nungsmotor und W√§rmepumpe wurde eine gl√§nzende Zukunft vorausgesagt ‚Äď was durch nicht vorausgesehene Probleme dann aber nicht zutraf. Im Weiteren wurde die optimale Integration der W√§rmepumpen in unterschiedliche Heizungssysteme untersucht, und auch die Sch√§digung der Ozonschicht durch FCK-K√§ltemittel wurde studiert [Leuenberger et. al 1982].
RICHTLINIEN F√úR DIE W√ĄRMEENTNAHME AUS OBERFL√ĄCHENGEW√ĄSSERN
Um jegliche Sch√§den am empfindlichen √Ėkosystem von Fl√ľssen und Seen auszuschliessen, hat Dieter Imboden38 an der EAWAG in D√ľbendorf39 aufgrund von Computersimulationen Grundlagen f√ľr √∂kologisch unbedenkliche Grenzwerte zur W√§rmeentnahme aus Oberfl√§-chengew√§ssern ausgearbeitet. Diese Studie, die im Auftrag der Schweizerischen Abw√§rme-kommission durchgef√ľhrt wurde, zeigte √ľbrigens, dass das Potenzial der Oberfl√§chengew√§sser gen√ľgen w√ľrde, um den ganzen Heizw√§rmebedarf der Schweiz ohne √∂kologische Sch√§den abzudecken. Die Entnahmegrenzen liegen also nicht beim √Ėkosystem der Gew√§sser, sondern bei den wirtschaftlichen Grenzen der W√§rmeentnahme mit langen Rohrleitungen und Pump-systemen [Imboden et al. 1981].
MODELLIERUNG VON ERDW√ĄRMESONDEN
Wie in viele F√§llen zu beobachten ist, kam die wissenschaftliche Erfassung auch im Bereich der Erdw√§rmesonden nach den praktischen Entwicklungen der Pioniere. Nach dem Widerstand gegen diese bel√§chelten Pioniere wurde aus den Erdw√§rmesonden eine seri√∂se Angelegen-heit. Eine wissenschaftlich fundierte Auslegung und Optimierung der Anlagen wurde zur Voraussetzung f√ľr einen optimalen Langzeitbetrieb. Im Anschluss an Horrorgeschichten √ľber die Ausk√ľhlung des Erdbodens bis zum Permafrost in weniger als zehn Jahren wurden durch das Bundesamt f√ľr Energiewirtschaft und den NEFF40 Langzeit-Felduntersuchungen zur Er-langung eines besseren Verst√§ndnisses der physikalischen Vorg√§nge finanziert. In der Schweiz hat Robert J. Hopkirk mit seiner Firma Polydynamics http://www.polydynamics.ch anfangs der 1980er Jahre mit der Modellierung und der Computersimulation begonnen. Sp√§ter folgte ‚Äď dazu √ľbrigens auch durch Ernst Rohner von Grundag angehalten - Ladislaus Rybach von der ETH Z√ľrich mit seinen Mitarbeitern (vorab Walter J. Eugster). Die auch inter-national beachteten theoretischen und experimentellen Arbeiten dieser Personen f√ľhrten zu-sammen mit der praktischen Erfahrungen der Bohr- und W√§rmepumpenpioniere zu einer f√ľh-renden Stellung von Schweizer Firmen in der Auslegung und Realisierung von Erdw√§rmeson-denanlagen als W√§rmequelle f√ľr W√§rmepumpen, als Erdw√§rmespeicher f√ľr den optimalen Ganzjahresbetrieb von Anlagen f√ľr die kombinierte K√§lte- und W√§rmeerzeugung sowie als W√§rmesenke f√ľr die passive Raumk√ľhlung [Schwanner et al. 1983], [Hopkirk et al. 1985], [Ry-bach 1987].
KONFERENZEN F√úR WISSENSTRANSFER UND ERFAHRUNGSAUSTAUSCH
Die ersten schweizerischen Konferenzen zur W√§rmepumpentechnik wurden in den Jahren 1980 und 1981 organisiert. In 12 Beitr√§gen wurden alle schweizerischen Aktivit√§ten von den W√§rmequellen √ľber K√§ltemittel und Kompressoren bis hin zu W√§rmepumpen-Gesamthei-zungssystemen behandelt [SVG 1981]. Seither werden diese Konferenzen j√§hrlich durchge-f√ľhrt. Schwerpunkte sind abwechslungsweise Themen aus der Forschung und ein Erfahrungs-austausch zu Pilotanlagen. Die Konferenzen wurden im Auftrag des Bundesamts f√ľr Energie durch Hans Ulrich Sch√§rer, Martin Zogg, Fabrice Rognon, Thomas Kopp und Max Ehrbar or-ganisiert und durchgef√ľhrt.
7.2.8 Unterst√ľtzung durch Verb√§nde, Bundesverwaltung und Medien
ARBEITSGEMEINSCHAFT W√ĄRMEPUMPEN
Auf die Initiative von Ernst L√ľthi (Gesch√§ftsf√ľhrer der CTC W√§rmetechnik41) haben sich 1980 schweizerische Hersteller und Lieferanten von W√§rmepumpen und W√§mepumpenkomponen-ten sowie Bohrfirmen zur ‚ÄěArbeitsgemeinschaft W√§rmepumpen‚Äú AWP http://www.awpschweiz.ch zusammengeschlossen. Die AWP strebte eine gemeinsame Sprache aller Lieferanten, eine Vereinfachung und Vereinheitlichung der Bewilligungsverfahren, gemeinsame Planungsgrund-lagen, einen Erfahrungsaustausch und die berufliche Weiterbildung der Fachleute an. Mitglie-der der technischen Kommission waren G. Szokody (Vorsitzender), C. Brugnoli, E. Gr√ľniger, K. Hess, H. Reiner und P. Schneiter. Unter der Leitung von G. Szokody erarbeitete diese Kommission in sehr kurzer Zeit wegweisende W√§rmepumpenrichtlinien und ver√∂ffentlichte die-se bereits im Jahr 1981 [SVK 1981]. Die technische Kommission war auch an der Entstehung der durch das damalige Bundesamt f√ľr Umwelt, Wald und Landschaft BUWAL (heute Bundes-amt f√ľr Umwelt) ausgearbeiteten und 1982 in Kraft getretenen Verordnung √ľber den W√§rme-entzug aus Oberfl√§chenwasser, Grundwasser und dem Erdboden beteiligt. Ein wesentliches Hindernis zur Verbreitung der W√§rmepumpen waren die Unsicherheiten im Zusammenhang mit dem Anschluss ans Elektrizit√§tsnetz. Zusammen mit den Elektrizit√§tswer-ken hat die technische Kommission der AWP Richtlinien f√ľr den elektrischen Anschluss von W√§rmepumpen erarbeitet [VSE 1983], [Sch√§r 1983]. Zusammen mit dem Bundesamt f√ľr Energiewirtschaft wurde 1983 ein Treffen mit den Energiewirtschaftsdepartementen der Kan-tone organisiert, um auch die √ľbrigen Bewilligungsverfahren zu vereinfachen und zu verein-heitlichen. Eine ganze Anzahl weiterer Empfehlungen und Richtlinien mit internationaler Ausstrahlung folgten [Szokody 1984]. 1990 wurde die Erschliessung des Sanierungsmarktes mit einer Checkliste der f√ľr die Planung notwendigen Daten angegangen [Szokody 1990]. Der selbstlose Einsatz von Gyula Szokody f√ľr die W√§rmepumpengemeinschaft wird durch seine Vorbereitung der rund 120 Seiten starken AWP-Planungsrichtlinien in den Tagen zwischen Weihnachten und Neujahr illustriert. Wie bereits erw√§hnt, diente Szokody der AWP von 1980 bis 1995 als Vorsitzender ihrer technischen Kommission. Die AWP ist immer noch aktiv. Sie erweitert ihre technischen Bulletins, welche von W√§rmequellen bis zu CO2-W√§rmepumpen das ganze W√§rmepumpenspektrum abdecken, laufend [AWP 2007].
41 Heute CTC Giersch, CH-8112 Otelfingen, http://www.ctc-giersch.ch
BUNDESAMT F√úR ENERGIEWIRTSCHAFT BEW
Nebst der direkten aktiven Unterst√ľtzung von Forschungsaktivit√§ten war das Bundesamt f√ľr Energiewirtschaft auch ein wichtiger Katalysator f√ľr die w√§rmepumpenrelevanten Aktivit√§ten der Verb√§nde und der Kantone. Es veranlasste auch eine Studie √ľber das Potenzial der W√§r-mepumpenheizung im Falle eines neuen Erd√∂lembargos [BEW 1983].
MEDIENPR√ĄSENZ
1985 wurde in M√ľnchenstein erstmals eine alte √Ėlheizung eines Wohnblocks durch eine W√§r-mepumpe mit mehreren Erdw√§rmesonden ersetzt. Dieses Ereignis wurde zu einem Durch-bruch in der Medienpr√§senz der W√§rmepumpe. Es wurde dar√ľber nicht nur in der Tagespres-se42, sondern auch in einer ausf√ľhrlichen Fernsehsendung43 berichtet [Beck 2007].
7.3 Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
Weltweit wurde 1979 die Anzahl an W√§rmepumpen zu Heizzwecken (einschliesslich Warm-wasserboiler) auf rund 800‚Äô000 und die Anzahl der W√§rmepumpen zur Klimatisierung mit K√ľh-len und Heizen auf 4‚Äô000'000 gesch√§tzt. Unter den W√§rmepumpen zu Heizzwecken erreichten die U.S.A. einen Anteil von 90%. Jener von Europa betrug nur rund 6.5% und teilte sich wie folgt auf: Schweiz 6'600, Deutschland 30‚Äô000 (ohne W√§rmepumpenboiler nur rund 500), Frank-reich 13'000, √Ėsterreich 2'000, Italien 100. [Barclay J.A. et al 1978], [IEA 1980].
OESTERREICH
Das Erd√∂lembargo von 1973 vermochte in √Ėsterreich noch wenig zu bewegen. Am 5. Novem-ber 1978 beschloss das √∂sterreichische Volk in einem Referendum, das bereits gebaute Kern-kraftwerk in Zwentendorf nicht in Betrieb zu nehmen. Auch dies war der W√§rmepumpenhei-zung nicht f√∂rderlich.
DEUTSCHLAND
Auch auf die W√§rmepumpenszene in Deutschland hatte das Erd√∂lembargo von 1973 keinen grossen Einfluss. Bis 1979 wurden in Deutschland nur rund 500 Heizungsw√§rmepumpen ver-kauft. Die erste W√§rmepumpengeneration litt an zahlreichen Kinderkrankheiten. Sie war volu-min√∂s und wies einen problematisch hohen K√§ltemittelinhalt (meist R-22, R-12 und R-502) auf. Zur Enteisung von W√§rmepumpen mit Luft als W√§rmequelle wurden bis zu 8 Magnetventile n√∂-tig. Das wachsende Interesse wurde aber durch die 1977 von Horst Kruse und Fritz Steimle organisierte dreit√§gige W√§rmepumpentagung in Essen deutlich [Joachim 1980]. 1978 erschien das erste umfassende Lehrbuch zur W√§rmepumpentechnologie in deutscher Sprache. Schon ein Jahr sp√§ter folgte ein Zweites. Beide B√ľcher erschienen sp√§ter in mehreren √úberarbeitun-gen und Neuauflagen [Cube und Steimle 1978], [Cube et al 1997], [Kirn und Hadenfeldt 1979]. Die technischen Entwicklungen verliefen √§hnlich wie in der Schweiz. Thermoaktive Bauele-mente wie W√§nde und Decken vorgefertigter Garagen oder Fassadenelemente waren in Deutschland popul√§rer [Jochheim, Bracke 1985]. Sechs Jahre nach J√ľrg Rechsteiner in der Schweiz wurde in Deutschland 1980 die erste Erdw√§rmesondenanlage mit 8 je 50 m tiefen Koaxialsonden installiert. Andere Anlagen folgten bald darauf [Sanner 1992]. In den Jahren 1981 bis 1983 entwickelten Volkswagen und Ruhrgas den sogenannten ‚ÄúThermodiesel‚ÄĚ, eine durch einen 1.6-Liter Dieselautomotor angetriebene W√§rmepumpe. Diese Heizmaschine enthielt alle Elemente einer modernen Totalenergieanlage wie W√§rmer√ľckgewinnung aus den Motorabgasen, Drehzahl-Leistungsregelung und sogar ein ke-ramisches Russfilter. Hoval Herzog in Feldmeilen (Schweiz) wurde mit einem Pilotmarketing und Pilotverk√§ufen beauftragt. Einige Einheiten wurden 1985 bis 1986 bei Hoval getestet. Lei-der wurde das Scheitern des kostspieligen Vorhabens ziemlich rasch klar. Die Zeit zwischen zwei n√∂tigen Servicearbeiten war viel zu kurz - sie lag teilweise sogar unterhalb der Dauer ei-ner Heizsaison - und auch der Schmier√∂lbedarf war mit etwa 17 Litern pro Jahr teuer. Die Mo-torlaufzeit f√ľr eine einzige Heizsaison entspricht einer Autofahrleistung von √ľber 200'000 km. Dies ergibt f√ľr eine minimale Lebensdauer des Aggregats von 15 Jahren eine entsprechende Fahrleistung von etwa 3‚Äô000'000 Kilometern. Dies ist ganz einfach zuviel ‚Äď auch f√ľr einen deut-schen Qualit√§tsautomotor. Neben der zu kurzen Lebensdauer des Motors und dem hohen Schmier√∂lbedarf gab es aber noch weitere Probleme wie die direkte Kopplung von Motor und W√§rmepumpe (dies ergab eine zu hohe Drehzahl f√ľr den Kompressor) und der zu hohe L√§rm-pegel [Adolph 2004], [Szokody 2007]. In der Periode von 1980 bis 1985 wurde an der Fachhochschule Karlsruhe ein W√§rmepum-penpr√ľfstand betrieben. Etwa 45 Heizungsw√§rmepumpen und 45 Boilerw√§rmepumpen wurden in dieser Zeit nach DIN-Normen getestet. Die Pr√ľflinge stammten aus Deutschland, √Ėsterreich. D√§nemark und der Schweiz. Als die Nachfrage um 1985 zusammenbrach, wurde der Testbe-trieb eingestellt [Adolph 2004].
HOLLAND
In Holland wurde 1978 ein Funktionsmuster einer durch einen Stirlingmotor angetriebenen W√§rmepumpe gebaut. Der Kurbeltrieb-Stirlingmotor erreichte einen mechanischen Wirkungs-grad von 25% und einen elektrischen Wirkungsgrad von 55%. Die W√§rmepumpe nutzte Grundwasser als W√§rmequelle. Die W√§rmeverteilung erfolgte mit einer Fussbodenheizung. Diese unkonventionelle Totalenergieeinheit als Kombination von Stirlingmotor und W√§rmepumpe hatte eine variable Heizleistung von 8 kW bis 25 kW und einen Nutzungsgrad (PER) von 1.4 [Philips ‚Äď OGEM 1978].
SKANDINAVIEN
Ab 1982 gab es in Skandinavien einen ausgesprochenen Boom f√ľr grosse W√§rmepumpen, auf den im Abschnitt 7.2.3 bereits eingegangen wurde. Die thermische Analyse der Vorg√§nge in Erdw√§rmesonden begann in den fr√ľhen 1980er Jahren (vergleiche mit den Schweizer Aktivit√§ten im Abschnitt 7.2.4). In der Abteilung f√ľr Ma-thematik und Physik der Universit√§t Lund leistete Per Eskilson fundamentale Beitr√§ge zu die-sem Thema [Eskilson 1987]. Auch in den skandinavischen L√§ndern wurde die Bedeutung der Qualit√§tssicherung f√ľr die Verbreitung der W√§rmepumpe erkannt. 1989 hat der Nordische Ministerrat ein freiwilliges, neutrales Zertifizierungsprogramm, den Nordischen Schwan, eingef√ľhrt. Dieses Programm wurde als Versuch gestartet, die in den nordischen L√§ndern aufkommenden √Ėkolabel-Programme zu vereinheitlichen. Die teilnehmenden nationalen Organisationen schlagen darin neue Produktkategorien vor, begleiten die Zertifizierungskriterien, erteilen entsprechende Li-zenzen und vermarkten das Programm. Das nordische Umweltkennzeichen ist firmenunab-h√§ngig und garantiert einen guten √∂kologischen Standard. Es darf nur von Produkten getra-gen werden, welche diesen durch objektive Bewertungen zu erf√ľllen verm√∂gen. Das Kennzei-chen soll nicht nur den Konsumenten die Wahl der umweltvertr√§glichsten Produkte erm√∂gli-chen, sondern auch die Hersteller anregen, √∂kologisch noch bessere neue Produkte zu entwi-ckeln. Auf diese Weise helfen die Marktkr√§fte der Zielrichtung der Umweltgesetzgebung. Das Zeichen mit dem gr√ľnen Schwan wird heute f√ľr √ľber 60 Produktgruppen vergeben und er-freut sich bei den Konsumenten eines hohen Gewichts. Das Kennzeichen ist in der Regel nur w√§hrend drei Jahren g√ľltig. Anschliessend m√ľssen die Hersteller in einem neuen Gesuch zei-gen, dass auch die neuesten Erfordernisse erf√ľllt werden. Momentan nehmen an diesem Pro-gramm Norwegen, Schweden, Finnland, Island und D√§nemark teil.
U.S.A.
Wie bereits er√∂rtert, stagnierte der Heiz-W√§rmepumpenmarkt vor der Erd√∂lkrise von 1973. Nachher begann aber eine rasche Expansion. 1976 waren in den U.S.A. 1.6 Millionen Klimage-r√§te f√ľr K√ľhlen und Heizen in Betrieb, und es wurden 300'000 neue Einheiten produziert.
7.4 Rektifikation mit Br√ľdenkompression - Schweizer Pionierarbeit
Die Rektifikation (‚ÄěMehrstufen-Gegenstrom-Destillation‚Äú) ist einer der energieintensivsten Pro-zesse der chemischen Verfahrenstechnik. Der Gesch√§ftsbereich ‚ÄúChemtech‚ÄĚ von Sulzer44 hat um 1985 die weltweit erste Rektifikationsanlage mit Br√ľdenkompression gebaut und in diesem Bereich noch weitere Pionierleistungen erbracht [Meili 1990]. 1986 wurde gezeigte Anlage zur Trennung von Feinchemikalien45 mit einer Verdampfungsleistung von etwa 2 MW in einer Chemiefirma in den U.S.A. in Betrieb genommen. 1987 wurde eine Rektifi-kationsanlage zur Trennung von 1,2-Dichlorethan installiert. Sie wurde mit einem Druckverh√§ltnis von 2.2 und einer Antriebsleistung von 1.3 MW betrieben [Dummer und Schmidhammer 1991]. Eine weitere Br√ľdenkompressions-Rektifikationsanlage wurde 1987 f√ľr die Trennung Styrol/Chlorbenzol gebaut. Seither wurden viele weitere Trennkolonnen mit Br√ľdenkompressi-on gebaut, darunter jene in einer Propylenanlage mit einer Jahresproduktion von 125'000 [Meszaros 2007]. Falls zu grosse Korrosionsprobleme oder eine erh√∂hte Explosionsgefahr be-stehen, werden anstelle der direkten Br√ľdenkompression auch W√§rmepumpen mit geschlossenem Arbeitsmittelkreislauf eingebaut.
In dieser letzten Periode wurden kosteng√ľnstigere, effizientere und verl√§sslichere W√§rmepum-pen verf√ľgbar. Die zunehmenden Umweltprobleme sind der Idee der Einsparung von Prim√§r-energie durch W√§rmepumpen f√∂rderlich. In einer Zeit mit stark steigenden √Ėlpreisen bedeutet dies aber auch immer h√∂here Energiekosteneinsparungen durch W√§rmepumpen. Weiter wird die W√§rmepumpentechnologie durch nationale und internationale Anstrengungen in Forschung und Entwicklung, in der Qualit√§tssicherung und im Marktauftritt gef√∂rdert. In einigen L√§ndern gibt es auch zus√§tzliche finanzielle Anreize.
8.1 Komponenten und Kältetechnik
Der Dampfkompressionsprozess entwickelte sich schon vor Jahren zu einer reifen Technik. Aber der rasche Ausstieg aus den chlorierten synthetischen K√§ltemitteln (FCK, HFCK) war eine grosse Herausforderung. Der Entwicklungsschwerpunkt verschob sich von der Innovation neu-er Komponenten zur Systemoptimierung und zur kosteng√ľnstigeren Massenproduktion. Dies wurde durch die eindr√ľcklichen Fortschritte der Informatik beg√ľnstigt. Weiter ist eine Tendenz zu nat√ľrlichen K√§ltemitteln ‚Äď insbesondere zu Ammoniak ‚Äď und zu h√∂heren Wirkungsgraden mit Niedrigtemperatur-Fussbodenheizungen unverkennbar. Energie-Contracting nimmt dem Nutzer das Risiko teurer Investitionen ab und wurde bei gr√∂sseren Anlagen sehr popul√§r.
KOMPRESSOREN
Ab den fr√ľhen 1990er Jahren hat die Anzahl eingesetzter hermetischer Scrollkompressoren jene hermetischer Kolbenkompressoren deutlich √ľberholt. Sie wurden f√ľr kleinere W√§rmepum-pen zum Standardkompressor. Die Effizienz kleiner Kompressoren wurde deutlich gesteigert. Neue Permanentmotoren werden weitere Verbesserungen bringen. F√ľr das wieder aktuell ge-wordene Kohlendioxid werden weltweit neue Kompressoren entwickelt. F√ľr Kleinkompressoren wurde dazu im Rahmen des IEA Annex 27 ein Schweizer Beitrag geleistet (siehe Abschnitt 8.2.3).
K√ĄLTEMITTEL
Das Geschehen bei den K√§ltemitteln wurde durch die Herausforderungen zur Bew√§ltigung der durch die synthetischen K√§ltemittel verursachten Umweltprobleme diktiert. 1990 stimmen die Unterzeichnerstaaten des Protokolls von Montreal in London zwei √úbereinkommen zur Elimi-nation der FCK-K√§ltemittel aus Produktion und Gebrauch bis zum Jahr 2000 zu [Nagengast et al. 2006]. 1992 wurde das Protokolls von Montreal f√ľr einen bis 1995 vorgezogenen Ausstieg aus den FCK-K√§ltemitteln (R-11, R-12, ...) modifiziert und f√ľr die HFCK-K√§ltemittel (R22, ...) wurde ein stufenweiser Ausstieg bis 2030 beschlossen. In zahlreichen L√§ndern erfolgte der Ausstieg aus den HFCK-K√§ltemitteln bereits viel fr√ľher (z.B. Deutschland 2000, √Ėsterreich und die Schweiz 2002). Als Konsequenz aus diesen Ausstiegsszenarien wurden neue K√§ltemittel eingef√ľhrt. 2001 wurde das Programm ‚ÄěGlobal Refrigerants Environmental Evaluation Network (GREEN)‚ÄĚ gegr√ľndet, um unabh√§ngige Effizienzdaten f√ľr neue und eine Vergleichsbasis f√ľr bereits exis-tierende K√§ltemittel in K√§lteanlagen, W√§rmepumpen und Klimaanlagen zu ermitteln. Die Test-aktivit√§ten wurden durch eine Kommunikationsanstrengung zur Verbreitung der Ergebnisse der Effizienzmessungen und anderer Vergleiche zwischen den alternativen synthetischen K√§ltemit-teln (FKW wie z.B. R-134a), Kohlenwasserstoffen und Kohlendioxid mit den alten FCK-K√§ltemitteln erg√§nzt. Mit den neuen FKW-K√§ltemitteln werden gute Resultate erzielt. Sie k√∂nnen die FCK und HFCK vollumf√§nglich ersetzen. Sie bleiben aber infolge ihres hohen Treibhauspotenzials GWP und vor allem ihrer schwer abbaubaren Zersetzungsprodukte (Trifluoressigs√§ure) auch international nicht unangefochten und m√∂glicherweise wird es auch noch zu einem FKW-Ausstieg kommen. Nat√ľrliche K√§ltemittel werden als die endg√ľltige Antwort auf die Frage nach den optimalen K√§ltemitteln angesehen [IIR 1998]. Die wichtigsten Vertreter sind Ammoniak, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Isobutan. Aber jedes dieser K√§ltemittel kommt mit Herausforderungen: Das in Grossanlagen oft eingesetzte Ammoniak hat zwar ausgezeichnete thermodynamische Stoffwerte ‚Äď ist aber toxisch und entz√ľndbar. Sein stechender Geruch warnt im Leckagefall allerdings lange vor dem Erreichen gef√§hrlicher Konzentrationen. Kohlen-dioxid erfordert einen √ľberkritischen Prozess, welcher f√ľr die meisten Raumheizungsanwen-dungen (im Gegensatz zur Warmwasserbereitung) ung√ľnstig ist. Daf√ľr kann die hohe Abw√§r-metemperatur bei K√§lteanwendungen zu zus√§tzlichen Abw√§rmenutzungsm√∂glichkeiten f√ľhren. Kohlendioxid-W√§rmepumpen f√ľr die Warmwasserbereitung werden schon seit 2000 erfolgreich eingesetzt. Mit Propan lassen sich effiziente W√§rmepumpenprozesse betreiben. Es ist aber leicht entz√ľndbar, und seine Verwendung wird deshalb insbesondere in den U.S.A. und in Ja-pan als nicht tolerierbares Risiko eingestuft. Zum Vergleich der Umwelteinwirkung unterschiedlicher K√§ltemittel auf den globalen Treib-hauseffekt wurden zahlreiche Untersuchungen durchgef√ľhrt. Der GWP-Wert (Global Warming Potential) vergleicht die Wirkung eines K√§ltemittels auf den globalen Treibhauseffekt mit jener von Kohlendioxid. Relevanter f√ľr die Beurteilung des Treibhauseffekts eines K√§ltemittels ist dieGesamteinwirkung als Summe aus dem direkten globalen Erw√§rmungspotenzial des K√§lte-mittels (Leckage w√§hrend der gesamten Lebensdauer einer Anlage und bei deren Entsorgung) und dem indirekten globalen Erw√§rmungspotenzial durch Treibhausgasemissionen (insbe-sondere CO2), die bei der Erzeugung der zum Betrieb von K√§lteanlagen oder W√§rmepumpen ben√∂tigten elektrischen Energie entstehen. Die entsprechende Gr√∂sse wird als TEWI (Total Equivalent Warming Impact) bezeichnet. Der TEWI-Wert h√§ngt deshalb stark von der Effizienz eines W√§rmepumpenprozesses und nat√ľrlich auch von der Art der ben√ľtzten Prim√§renergie ab. Eine hohe Energieeffizienz des Dampfkompressionsprozesses vermag deshalb h√∂here GWP-Werte des K√§ltemittels bis zu einem gewissen Grad zu kompensieren. Die Umweltbeeinflussung durch W√§rmepumpen ist aber nicht auf den Treibhausgaseffekt be-schr√§nkt. Eine umfassende Antwort auf Umweltsch√§den bei der Verwendung unterschiedlicher K√§ltemittel kann deshalb nur eine vollst√§ndige √Ėkobilanz (Life Cycle Assessment LCA) lie-fern. Der Umweltrelevanz und die W√§rmetransporteigenschaften der nat√ľrlichen K√§ltemittel wurden weltweit zahlreiche Studien gewidmet. Die Beitr√§ge der Schweiz werden im Abschnitt 8.2.3 er√∂rtert. Durch den durch solche Studien zus√§tzlich beschleunigten Ausstieg aus den FCK- und HFCK-K√§ltemitteln ist es durch weltweite Anstrengungen bis etwa 2005 gelungen, den die Zivilisation bedrohenden Ozonschichtabbau zu stoppen [Baumann M. et al 2007].
W√ĄRME√úBERTRAGER
Zu Beginn der 1990er Jahre setzte sich der Plattenw√§rme√ľbertrager endg√ľltig durch. Dies f√ľhrte zu geringerem K√§ltemittelinhalt, zu kleineren Temperaturdifferenzen (und somit geringe-rem Exergieverlust bzw. h√∂herer Effizienz) und zu kleineren W√§rmepumpen.
DIGITALE REGELUNG
Um 1990 kam die digitale Regelung auf. Mikrocomputer erm√∂glichten Regler mit komplizierte-ren Konzepten wie dem modellbasierten Ansatz zu programmieren und ganze Prozesse zu au-tomatisieren. Nur wenig sp√§ter folgte das Zeitalter der Datenkommunikation √ľber l√§ngere Dis-tanzen. Die Mensch-Maschinen-Kommunikation wurde damit auf eine v√∂llig neue Ebene geho-ben. Die Fern√ľberwachung und dann die Fernbedienung √ľber Modems wurden m√∂glich. Neue Diagnosemethoden erm√∂glichten einen √úbergang vom periodischem Unterhalt zu einem Un-terhalt nach effektivem Bedarf. All dies f√ľhrte zu einer deutlichen Verbesserung der Verl√§ss-lichkeit und Effizienz des Anlagenbetriebs und zu einer Reduktion der Unterhaltskosten. Schliesslich wurden all diese Entwicklungen durch das Internet enorm beschleunigt. Nebenbei sei bemerkt, dass das Internet seine Wurzeln in der Schweiz hat, n√§mlich am internationalen Kernforschungszentrum CERN in Genf [Segal 1995].
8.2 Schweizer Beiträge zur Wärmepumpenheizung
Nach der √úberwindung des ‚ÄúEinmal-gebrannt-Effekts‚ÄĚ begann ab 1990 ein definitiver Auf-schwung des Heizens durch W√§rmepumpen. Dies hatte technische Gr√ľnde wie eine gr√∂ssere Verl√§sslichkeit, ruhigere, effizientere Kompressoren und die Regelung durch Mikrocomputer. Aber weniger Vorurteile durch ein breiteres Verst√§ndnis der Vorteile der W√§rmepum-penheiztechnik, besser ausgebildete Planer, kompetentere Installateure, Qualit√§tskontrolle und nicht zuletzt innerhalb von 25 Jahren auf 50% gefallene Investitionskosten waren ebenso ent-scheidend. 1991 waren in der Schweiz etwa 30'000 W√§rmepumpen mit einer mittleren Heizleistung von 25 kW in Betrieb. Etwa 2/3 davon nutzten Umgebungsluft als W√§rmequelle, aber der Anteil an Erdw√§rmesondenanlagen nahm rasch zu [BFE 1993]. Um jene Zeit lag die Jahresarbeitszahl bei [Hubacher 2007]. Der Grund f√ľr den kleinen Unterschied zwischen diesen beiden Systemen liegt in den hohen Energieverlusten durch die Umw√§lzpumpen zur F√∂rderung viel zu hoher W√§mretr√§gervolumenstr√∂me durch die Erdw√§rmesonden und einem Mangel an verl√§sslichen Auslegungsgrundlagen. Nach 1998 beschleunigte sich der Anteil mit W√§rmepumpen beheizter neuer Einfamilienh√§user deutlich. W√§rmepumpen erobern nun langsam auch den Sanierungsmarkt. Um 2006 hat der Anteil der W√§rmepumpen im gesamten Raumheizungsmarkt unter 20 kW 33% erreicht. Zu die-ser Zeit waren in der Schweiz etwa 100'000 W√§rmepumpen in neuen Geb√§uden und erst etwa 3000 W√§rmepumpen in ehemaligen Kesselheizungen in Betrieb http://www.fws.ch . Bei Heizleistun-gen √ľber 50 kW wird die W√§rmepumpenheizung auf der Basis des Energie-Contractings46 immer popul√§rer. Die gr√∂ssten Energie-Kontraktoren in der Schweiz sind die Elektrizit√§tswerke des Kantons Z√ľrich (EKZ) und der Stadt Z√ľrich (EWZ). Sie haben 2006 zusammen mehr als 50 GWh W√§rme geliefert.
Die meisten grundlegenden Innovationen kamen bereits vor 1990. Aber es galt und gilt noch ein enormes Optimierungspotenzial anzugehen. Viel wurde bereits erreicht, wie die Resultate des Schweizerischen W√§rmepumpentestzentrums belegen. Innerhalb der vergangenen 15 Jahre wurde bei den getesteten W√§rmepumpen f√ľr zentrale Warmwasserheizungen und Luft als W√§rmequelle eine Verbesserung der mittleren Leistungszahlen um 30% von 2.6 auf 3.4 beobachtet. Dies entspricht nur moderaten Lorenzwirkungsgraden von 28% bis 36%. Die getesteten Luft/Wasser W√§rmepumpen lagen bei einer mittleren Heizleistung von 8 kW in einem Heizleistungsbereich von 2.5 kW bis 30 kW.
In der gleichen Zeitperiode wurde bei Sole47/Wasser-W√§rmepumpen nur eine Verbesserung der mittleren Leistungszahl um 17% von 3.8 auf 4.5 oder eine Erh√∂hung des Lorenz-Wirkungsgrads von 43% auf 50% gemessen. Bei den besten Maschinen wurden al-lerdings in den letzten 15 Jahren keine merklichen Verbesserungen mehr erzielt. Die geteste-ten Sole/Wasser-W√§rmepumpen lagen bei einer mittleren Heizleistung von 12 kW in einem Heizleistungsbereich von 5 kW bis 80 kW. Die deutlich h√∂heren Werte f√ľr die Sole/Wasser-Maschinen verraten allerdings noch nicht die ganze Wahrheit, da sie die Pumpenergie zur ‚ÄěSole‚Äú ist der leider allgemein verwendete Ausdruck. Heute werden f√ľr Erdw√§rmesonden aber Mischungen aus Wasser und organischen Antifrostmitteln (meist Ethylenglykol) als W√§rmetr√§ger verwendet.
Die bei den Messungen ben√ľtzten Temperaturen der W√§rmequellen (Luft 2¬įC, Sole 0¬įC) und der W√§rmesenke (Wasser 35¬įC) geben einen ersten groben Eindruck √ľber die f√ľr schweizeri-sche Verh√§ltnisse zu erwartenden Jahresarbeitszahlen. Es gibt aber viele Variablen, welche den tats√§chlich erreichten Wert beeinflussen. Darauf wird in der Besprechung der Feldtests an vollst√§ndigen W√§rmepumpenanlagen noch eingegangen. Wie dort noch gezeigt wird, werden heute bei Luft/Wasser-Systemen maximale Jahresarbeitszahlen von 3.4 und bei Erdw√§rme-sonden/Wasser-Systemen sogar solche von 5.6 gemessen.
Die Betrachtung der Messergebnisse lässt den Verdacht aufkommen, dass seit dem verstärkten Wärmepumpenboom ab 2005 keine Effizienzverbesserungen mehr erzielt wurden. Behindert ein boomender Markt die Entwicklungen zu einer weiteren Ver-besserung der Effizienz von Wärmepumpen?
Weiter zeigen sie nach einem anf√§nglichen Enthusiasmus einen gewissen R√ľckzugvon Propan als nat√ľrliches K√§ltemittel bei den Luft/Wasser-W√§rmepumpen. Sieger bei den Luft/Wasser- und den Sole/Wasser-W√§rmepumpen ist R-407C, gefolgt von R-404A f√ľr Luft/Wasser- und R-134a oder Propan f√ľr Sole/Wasser-Maschinen.Die Forschungs- und Entwicklungsaktivit√§ten wurden in der Schweiz durch Pioniergeist und eine gute Zusammen-arbeit zwischen Praxis und Hochschule gef√∂rdert. Sie konzentrierten sich auf den Ersatz ozon-schichtgef√§hrdender synthetischer K√§ltemittel (FCK, HFCK) durch teilhalogenierte Fluorkoh-lenwasserstoffe (HFC), die Entwicklung validierter Auslegungswerkzeuge f√ľr Erdw√§rmeson-denanlagen, die Verbesserung der W√§rme√ľbertragung bei Ein- und Zweiphasenoperationen, die Reduktion des K√§ltemittelvolumens, die Untersuchung neuer Kompressortypen, die Com-putersimulation f√ľr die verbesserte Auslegung von W√§rmepumpenheizungssystemen und die Entwicklung einer Diffusions-Absorptionsw√§rmepumpe. Auch Stirlingprozesse ‚Äď vorab Freikol-bensysteme ‚Äď wurden untersucht. Hauptpriorit√§ten waren aber die Entwicklung einer W√§rme-pumpe f√ľr den Sanierungsmarkt mit hohen Vorlauftemperaturen (Projekt ‚ÄěSwiss Retrofit Heat Pump‚Äú) und die Optimierung ganzer W√§rmepumpenheizungssysteme durch ein optimales Ein-binden der W√§rmepumpen sowie der Entwicklung neuer Regelungs ‚Äď und Diagnosemethoden. Weiter wurden neue Testmethoden zum Erfassen des dynamischen Verhaltens der W√§rme-pumpen und von W√§rmepumpen mit kombinierter Warmwasserbereitung ausgearbeitet.
8.2.1 Ausgewählte Anlagen und Entwicklungen
TOALENERGIEANLAGEN ‚Äď KOMBINATION BLOCKHEIZKRAFTWERK-W√ĄRMEPUMPE
In dieser Periode wurden zahlreiche gr√∂ssere Totalenergieanlagen mit Blockheizkraftwerken und W√§rmepumpen gem√§ss dem Bild 1-1 realisiert. Flusswasser, Seewasser, Grundwasser, Abwasser, Erdboden aber auch K√ľhlh√§user und Kunsteisbahnen wurden als W√§rmequellen genutzt.
Hohe Nutzungsgrade von Totalenergieanlagen sind nur mit effizienten Blockheizkraftwerken realisierbar. Deshalb wurde im Rahmen eines BFE-Forschungsprojekts durch die Firma Lieb-herr Machines Bulle und die ETH-Z√ľrich ein Gasmotor mit extrem tiefen Emissionswerten und sehr hohem mechanischen Wirkungsgrad entwickelt. Dieser sogenannte ‚ÄěSwissmotor‚Äú ist mit einer patentierten, geregelten Abgasr√ľckf√ľhrung ausger√ľstet und wird heute durch Liebherr in Bulle f√ľr Blockheizkraftwerke im elektrischen Leistungsbereich von 140 kW bis 280 kW produ-ziert.
KALTER W√ĄRMEVERBUND
Anstatt W√§rme √ľber ein konventionelles Fernw√§rmesystem mit trotz teurer thermischer Isolati-on hohen W√§rmeverlusten zu transportieren, wird beim kalten W√§rmeverbund Abw√§rme tiefer Temperatur durch einfache Rohrleitungsnetze zu den Verbrauchern transportiert. Dort wird das Niedrigtemperaturwasser von W√§rmepumpen als W√§rmequelle genutzt. Diese liefern dann die Nutzw√§rme mit der gew√ľnschten Temperatur. Solche kalte W√§rmeverb√ľnde k√∂nnen kosten-g√ľnstiger sein als konventionelle Fernw√§rmesysteme.
1995 wurde in Muri ein erster solcher kalter W√§rmeverbund mit gereinigtem Abwasser aus einer Abwasserreinigungsanlage und kosteng√ľnstigen Kunststoffrohren realisiert. Bei einer totalen Heizleistung von 2.4 MW wurde mit den angeschlossenen W√§rmepumpen eine mittlere Jahresarbeitszahl von 3.1 erreicht. Inzwischen wurden etwa 50 weitere Abwasserw√§rmepum-pen nach diesem Prinzip realisiert und der kalte W√§rmeverbund wurde zu einer konkurrenzf√§-higen Technologie. Mit den angeschlossenen W√§rmepumpen wurden Jahresarbeitszahlen bis 5 gemessen. Abwasser hat in der Schweiz das Potenzial, √ľber W√§rmepumpen bis zu 15% der an die Kanalisation angeschlossenen Geb√§ude zu beheizen [M√ľller 2005].
POSTVERTEILZENTRUM IN SCHLIEREN ‚Äď ARA ALS W√ĄRMEQUELLE
Das automatische Verteilzentrum M√ľllingen der Schweizerischen Post in Schlieren ist das gr√∂sste Geb√§ude in der Umgebung Z√ľrichs. Es hat einen hohen W√§rme- (9'500 MWh/a mit ei-ner Maximaltemperatur von 65¬įC) und K√§ltebedarf (8'500 MWh/a, 8¬įC...12¬įC). Beide werden durch eine Ammoniak-W√§rmepumpenanlage mit 5.5 MW Leistung gedeckt. Als W√§rmequelle dient die etwa einen Kilometer entfernte Abwasserreinigungsanlage (ARA) Werdh√∂lzli der Stadt Z√ľrich. Das W√§rmepumpensystem wurde 2006 durch die Elektrizit√§tswerke der Stadt Z√ľ-rich EWZ
http://www.ewz.ch im Energie-Contracting-Verfahren erstellt.
W√ĄRMER√úCKGEWINNUNG AUS UNBEHANDELTEM ABWASSER
Der FEKA-Tank als lokale L√∂sung zur W√§rmer√ľckgewinnung aus unbehandeltem Abwasser wurde bereits im Abschnitt 7.2.5 behandelt.
In den 1990er Jahren hat Urs Studer seine Abwasserkanal-W√§rme√ľbertrager ‚ÄěRabtherm‚ÄĚ ein-gef√ľhrt. Diese W√§rme√ľbertrager werden in der Bodenzone der Kanalisationsrohre einge-baut: Bild 8-6. Das System ‚ÄúRabtherm‚ÄĚ wurde in der Schweiz schon in mehreren Pilotinstallati-onen erprobt. Im Stadium Bachgraben-Basel funktioniert es bereits seit 25 Jahren problemlos [M√ľller 2005]. Auch in der Anlage in Binningen, welche 2001 installiert wurde, sind bisher keine Belagsbildungen bekannt geworden. In Z√ľrich-Wipkingen wurden 1999 durch die Elektrizit√§ts-werke der Stadt Z√ľrich EWZ Rabthermelemente mit einer Gesamtl√§nge von 200 m installiert. Sie dienen als W√§rmequelle zur W√§rmepumpenbeheizung von 900 Wohnungen. Hier traten ei-nige Probleme durch die Bildung eines Biofilms auf den W√§rme√ľbertrageroberfl√§chen auf. Die-se wurden in einem BFE-Forschungsprojekt analysiert und als Gegenmassnahmen wurden Empfehlungen zur Fliessgeschwindigkeit und zur Oberfl√§chenbehandlung ausgearbeitet [Wan-ner 2004]. 2007 hat Studer diverse Patente f√ľr Werkstoffe zur Verhinderung der Biofilmbildung eingereicht.
GROSSE ERDW√ĄRMESONDENFELDER
In dieser Periode wurden zahlreiche W√§rmepumpensysteme mit Erdw√§rmesonden von Anla-gen mit einzelnen Sonden bis zu grossen Feldern mit zahlreichen Erdw√§rmesonden gebaut. Bis 1990 lag die Bohrtiefe f√ľr Erdw√§rmesonden unter 150 m. Heute werden Bohrtiefen bis zu 350 m erreicht. Hier liegt die Festigkeitsgrenze des heutigen Sondenmaterials aus Kunststoff. Die optimale Bohrtiefe h√§ngt von zahlreichen Einflussgr√∂ssen wie den geothermischen Eigen-schaften und dem Temperaturgradienten des Erdbodens, der Durchstr√∂mgeschwindigkeit und dem Druckverlust (, W√§rmetr√§gerpumpleistung!) ab. Heute liegen die h√§ufigsten Bohrtiefen zwischen 150 m bei wichtiger passiver Sommerk√ľhlung und bis 250 m bei reinem Heizen. Das bisher gr√∂sste Erdw√§rmesondenfeld der Schweiz wurde 2005 f√ľr das Hotel ‚ÄúThe Dolder Grand‚ÄĚ in Z√ľrich mit 72 Sonden und einer gesamten Sondenl√§nge von 10'600 m gebaut. In diesem Luxushotel der Spitzenklasse wird die Sommerk√ľhlung als ebenso wichtig beurteilt wie die Heizung im Winter. Deshalb wird das Erdw√§rmesondenfeld als Erdw√§rmespeicher betrie-ben und die Bohrtiefe betr√§gt nur 152 m.
TUNNELABWASSER ALS W√ĄRMEQUELLE
1993 wurde eine W√§rmepumpenanlage zur Beheizung von Oberwald (Goms) mit warmem Ab-wasser aus dem Furkatunnel installiert [Arnold 1993]. Das Abwasser aus dem neuen L√∂tsch-berg-Basistunnel hat eine Temperatur von rund 20¬įC. Es soll als W√§rmequelle f√ľr ein kleines Fernheiznetz in Frutigen genutzt werden. Der ‚ÄúNahw√§rmeverbund Frutigen‚ÄĚ plant die Be-triebsaufnahme auf die Heizsaison 2008/200948.
BERGSEE AUF 1759 M√ľM ALS W√ĄRMEQUELLE
Das Gebirgstal Engadin geh√∂rt in der Schweiz zu den Regionen mit den tiefsten Wintertempe-raturen. Die mittlere Januartemperatur erreicht in St.Moritz nur rund ‚Äď10¬įC. Deshalb ist hier besonders auf eine effiziente Raumheizung zu achten. 2006 wurde f√ľr das Palace Hotel und das Schulgeb√§ude ‚ÄúGrevas‚ÄĚ in St.Moritz ein W√§rmepumpenheizungssystem mit dem St.Moritzer See als W√§rmequelle gebaut. Die neue Ammoniak-W√§rmepumpe mit einer Jah-resw√§rmeproduktion von 4‚Äô000 MWh deckt 80% des Bedarfs des Hotel Palace und 70% des W√§rmebedarfs der Schule. W√§hrend die Oberfl√§che des St.Moritzer Sees mit einer bis zu 75 cm dicken Eisschicht bedeckt ist, betr√§gt die Wassertemperatur an der Entnahmestelle f√ľr die W√§rmepumpe im Winter etwa 4¬įC. Obwohl die erforderliche maximale Heizungsvorlauftempe-ratur 70¬įC betr√§gt, erreicht die W√§rmepumpe noch eine Jahresarbeitszahl von rund 3.
NULLENERGIE-WOHN√úBERBAUUNG ‚Äď EINE VISION WURDE WIRKLICHKEIT
Heute werden in der Schweiz etwa 15% der neuen H√§user nach dem Niedrigheizenergiestandard ‚ÄěMinergie‚Äú gebaut, auf den im Abschnitt 8.2.4 noch eingegangen wird. Einige zukunftsorientierte Architekten und Ingenieure gehen aber noch weiter. Ein solches Beispiel ist die 2006/2007 gebaute Wohn√ľberbauung Eulachhof in Winterthur mit 132 Wohnungen. Sie un-terschreitet sogar noch deutlich den Passivhaus-Standard ‚ÄúMinergie-P-Eco‚ÄĚ. Sie kann hier nicht umfassend beschrieben werden, die Isolationsdicke von 38 cm mag aber einen Eindruck √ľber die hervorragende Isolation der Geb√§udeh√ľlle geben. Auf dem Dach der Geb√§ude sind 1‚Äô240 m2 Photovoltaikzellen mit einer Gesamtspitzenleistung von 176 kWp installiert: Bild 8-9. Diese liefern im Mittel √ľber das ganze Jahr die volle Antriebselektrizit√§t f√ľr die Gebl√§se der kontrollierten L√ľftung und die beiden W√§rmepumpen49. Bei √úberproduktion der Photovoltaikan-lage wird die nicht ben√∂tigte elektrische Energie in das √∂ffentliche Elektrizit√§tsnetz abgegeben ‚Äď bei ungen√ľgender Produktion wird die fehlende Energie aus dem Netz bezogen.
Die kontrollierte L√ľftung ist mit einem zentralen Plattenw√§rme√ľbertrager zur W√§rmer√ľckgewin-nung aus der Abluft ausger√ľstet. Dies ist die W√§rmequelle der ersten W√§rmepumpe zur Raumheizung. Sie arbeitet hocheffizient, da die Vorlauftemperatur unter 30¬įC liegt. Als W√§r-mequelle f√ľr die zweite W√§rmepumpe, die der Warmwasserbereitung dient, wird die W√§rme aus dem h√§uslichen Abwasser mit Hilfe des bereits beschriebenen FEKA-Tanks (Bild 7-15) zu-r√ľck gewonnen. Zur Spitzendeckung werden etwa 8.5% des Gesamtw√§rmebedarfs durch die Fernheizung einer Kehrichtverbrennungsanlage gedeckt. Die aus der Fernheizung bezogene W√§rme entspricht etwa der Verbrennungsenergie des Hausm√ľlls, welche die √úberbauungsbe-wohner der Kehrichtentsorgung abliefern [Eulachhof 2006], [Weber 2007], [Kalberer 2007].
GROSSW√ĄRMEPUMPEN VON FRIOTHERM
In Europa ist mit Friotherm nur noch ein Hersteller von Turbokompressor-W√§rmepumpen √ľbrig geblieben. Skandinavien war immer ein wichtiger W√§rmepumpenmarkt f√ľr Sulzer und ist es heute auch f√ľr Friotherm. Die relevanten Aktivit√§ten von Sulzer wurden 1996 zur Sulzer Frio-therm umgruppiert. Zusammen mit Sulzer Infra wurde diese 2001 an die franz√∂sische Suez-Gruppe verkauft und setzte die T√§tigkeit unter dem Namen Axima K√§ltetechnik fort. Schliess-lich wurde Friotherm 2005 durch ein Management-Buyout wieder eine selbst√§ndige Schweizer Firma. Nachfolgend werden nur einige ausgew√§hlte Anlagen erw√§hnt, welche f√ľr skandinavi-sche L√§nder gebaut wurden. Eine umfassendere √úbersicht zu den grossen UNITOP-Radial-kompressor-W√§rmepumpen findet man in [Friotherm 2008]. Eine Friotherm-W√§rmepumpe mit einer Heizleistung von 18.4 MW und einer Leistungszahl von 2.8 wurde 2002 in Oslo (N) installiert. Sie nutzt Rohabwasser mit 9.6¬įC als W√§rmequelle zur Erzeugung von Nutzw√§rme von 60¬įC und 90¬įC f√ľr das Fernw√§rmesystem von Oslo: Bild 8-11 [Friotherm 2003]. In Umea (S) wird die Abw√§rme der Rauchgase eines Kraftwerks von 38¬įC/28¬įC zur Ver-wendung im Fernheizungssystem mit 60¬įC/70-75¬įC aufgewertet. Die W√§rmepumpenanlage (Bild 8-12) mit einer Heizleistung von 13.7 MW erreicht eine Leistungszahl von 4.1. Die Heiz-leistung l√§sst sich im weiten Bereich von 10% bis 100% regeln. Eine andere ‚ÄěAbfall-zu-Energieanlage‚ÄĚ wurde f√ľr ein Kraftwerk in Malm√∂ (S) gebaut: 19 MW und eine Leistungszahl von 5.43 bei 34.2¬įC/24.3¬įC , 50¬įC/60-70¬įC [Pietrucha 2008]. 49 Der restliche elektrische Energiebedarf der Bewohner wird durch die Energieversorgung der Stadt gedeckt. In Helsinki, Finnland, hat Friotherm k√ľrzlich die weltweit gr√∂sste kombinierte Heiz- und K√ľhlw√§rmepumpe montiert. Mit 60 MW K√§lteleistung und 90.5 MW Heizleistung im Som-merbetrieb bei 45¬įC/88¬įC und 83.8 MW Heizleistung bei 40¬įC/62¬įC im Winterbetrieb erreicht sie im Winterbetrieb eine Heizleistungszahl von 3.5 und im Sommerbetrieb eine K√ľhl-Heizleis-tungszahl von 6.0. Im Winterbetrieb dient ein indirektes Abwassersystem mit 12¬įC/5¬įC als W√§rmequelle [Pietrucha 2008].
INNOVATION ZUR ERH√ĖHUNG DER LEISTUNGSZAHL BEI ZEOTROPEN K√ĄLTEMITTELN
SATAG Thermotechnik50 in Arbon patentierte 1997 eine spezielle Anordnung des inneren W√§rme√ľbertragers zur Reduktion des Verdampferdrucks in W√§rmepumpen und/oder K√§ltema-schinen mit zeotropen K√§ltemitteln. Das Spezielle an der Erfindung ist die Kombination des Temperaturf√ľhlers am Austritt aus dem W√§rme√ľbertrager (nicht wie √ľblich am Eintritt), eine Drallblechtropfenabscheidung und die Verwendung eines zeotropen K√§ltemittels. Dank einer Verschiebung der Endverdampfung in den inneren W√§rme√ľbertrager ergibt die Erfindung f√ľr eine gegebene Verdampfertemperatur einen tieferen Druck und damit einen geringeren Leis-tungsbedarf. Dies vergr√∂ssert die Leistungszahl [Kuratli et al 1997], [Hohl 2008].
W√ĄRMEPUMPEN-W√ĄSCHETROCKNER
Schulthess51 und V-Zug52 brachten 2002 einen Wärmepumpen-Wäschetrockner auf den Markt. Verglichen mit konventionellen Wäschetrocknern (Tumbler) benötigen diese nur noch die Hälf-te an elektrischer Energie [Schwarzwald 2002].
HEIZK√ĖRPERW√ĄRMEPUMPEN
1995 gab es in der Schweiz rund 200‚Äô000 mit elektrischer Widerstandsheizung beheizte Einfa-milienh√§user. Etwa 80% davon waren Einzelraumheizungen mit einem Anteil von 8% am Ge-samtelektrizit√§tsverbrauch der Schweiz. Angeregt durch Hans Ulrich Sch√§rer und Fabrice Rognon vom BFE wurde 1995 die Entwicklung einer Heizk√∂rperw√§rmepumpe (kleine Luft/Luft-W√§rmepumpe mit einer heizk√∂perf√∂rmigen Oberfl√§che zur W√§rmeabgabe) zum Ersatz f√ľr die elektrischen Widerstandsheizungen gestartet. Nach einer Marktstudie entwickelte Emil Gr√ľniger mit seiner Firma Soltherm in Altendorf und den Experten Winfrid Seidinger und Max Ehrbar eine solche Einzelraumw√§rmepumpe samt dazu passender Bohrvorrichtung zum An-bringen der Luftein- und ‚Äďaustritts√∂ffnungen in der Geb√§udewand. Diese Entwicklung erreichte den Stand erster Pilotanlagen. Die Heizk√∂rperw√§rmepumpe war mit einem Beton-W√§rmespeicher versehen und wurde durch die Firma Hegner in Galgenen in kleinen St√ľckzah-len mit Heizleistungen von 600 W, 900 W und 1.2 kW hergestellt. Um das Betriebsger√§usch so tief wie m√∂glich zu halten, musste an der W√§rmeverteilung durch freie Konvektion ‚Äď analog einem konventionellen Heizk√∂rper ‚Äď festgehalten werden. Dies hatte ernste Konsequenzen auf die Leistungszahl. Die Jahresarbeitszahl der Heizk√∂rperw√§rmepumpe erreicht nur etwa 2.3. Die technischen Probleme waren zwar gel√∂st ‚Äď aber mit einer Amortisationszeit um 15 Jahre blieben die K√§ufer fern [Humm 1996]. Auch im Ausland wurden √§hnliche Ideen verfolgt. Diese Bem√ľhungen wurden durch den Annex 23 (F+E-Vorhaben 23) des IEA W√§rmepumpenpro-gramms in den Jahren 1996 bis 1998 international koordiniert. Teilnehmende L√§nder waren Kanada (Projektleitung), Frankreich, Schweden, die Schweiz und die U.S.A. [Annex 23 1999].
KLEINE DIFFUSIONS-ABSORPTIONSW√ĄRMEPUMPEN
Hans Stierlin war √ľberzeugt, dass f√ľr Absorptionsw√§rmepumpen, die nach dem im Abschnitt 5.1.2 beschriebenen Prinzip seines SIBIR K√ľhlschranks funktionieren w√ľrden, ein Markt be-stehe. Ihm schwebte ein Aggregat mit etwa 3.5 kW Heizleistung vor, dass dank seinem ge-r√§uschlosen Betrieb sogar in Wohnr√§umen installiert werden k√∂nnte. In diesem Fall k√∂nnten sogar zus√§tzliche 150 W Abw√§rme genutzt werden, die sonst nur einen W√§rmeverlust darstel-len w√ľrden. F√ľr einen h√∂heren Leistungsbedarf sah Stierlin die parallele Verwendung mehrerer Module vor. Er begann 1988, im Alter von 72 (!) Jahren, in seiner kleinen Firma ‚ÄúCreatherm‚ÄĚ mit der Umsetzung seiner Idee. Dabei arbeitete er eng mit Carl Ulrich Wassermann von Entex (siehe unten), einem fr√ľheren Mitarbeiter in Stierlins SIBIR-Fabrik, zusammen. Das neue Aggregat funktionierte nach demselben Prinzip wie Stierlins ber√ľhmter SIBIR K√ľhl-schrank. 1992 hatte Stierlin seine Ammoniak-Diffusions-Absorptionsw√§rmepumpe ‚ÄěDAWP‚ÄĚ bereits soweit entwickelt, dass damit neutrale Tests durchgef√ľhrt werden konnten. Im Vergleich zum Funktionsmodell wies der Prototyp nun eine deutlich reduzierte Bauh√∂he aus. Im Auftrag des BEW (Bundesamt f√ľr Energiewirtschaft) wurden w√§hrend der Heizperiode 1992/1993 in einem √§lteren Einfamilienhaus mit Radiatoren und in einem neueren Einfamilienhaus mit Fussbodenheizung Feldversuche in bivalentem Betrieb mit Gaskesseln durchgef√ľhrt. In beiden F√§llen wurde Luft als W√§rmequelle ben√ľtzt. Beide Absorptionsw√§rme-pumpen funktionierten perfekt. Unter Ber√ľcksichtigung der
09 Feb 2012
10:58:16
unbekannt
Wärmepumpen Geschichte Teil 4
Unter Ber√ľcksichtigung der elektrischen Hilfsenergie f√ľr das Umgebungsluftgebl√§se und die Regelung wurde ein Prim√§renergienutzungsgrad von 137% (PER = 1.37) erreicht. Der Feldtest demonstrierte die im Vergleich zum Dampfkompressionsprozess nur geringe Abh√§ngigkeit des Nutzungsgrads der DAWP von der Verdampfungstemperatur. Es wurde auch best√§tigt, dass die DAWP m√∂glichst station√§r betrieben werden sollte. Ein dritter Prototyp wurde an der ETH-Z√ľrich unter Laborbedingungen und Einhaltung der DIN-Normen 8900 und 33830 detailliert untersucht. Sie ergaben dieselben erfreulichen Ergebnisse. Bei 0¬įC / 35¬įC wurde ein Nutzungsgrad von 143% und bei 0¬įC / 50¬įC ein solcher von 135% gemessen (PER 1.43 bzw. 1.35). Im Falle der Nutzung eines Teils der Abw√§rme durch Aufstellen in einem Wohnraum w√ľrden diese Werte sogar 150% bzw. 142% betragen. Durch ein einfaches Vertauschen der Anschl√ľsse kann mit der DAWP √ľbrigens im Sommer auch gek√ľhlt werden. Als problematisch erwies sich die Warmwasserbereitung [Stierlin et. al 1993], [Stierlin und Wassermann 1996]. In einem weiteren Schritt wurde die Kombination einer Diffusions-Absorptionsw√§rmepumpe mit einem konventionellen Gaskessel f√ľr die Spitzenlastdeckung ausgearbeitet. Diese Kombination wurde als ‚ÄúAWP-Kessel‚ÄĚ 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 f√ľr den optimalen Einsatz von DAWP und Kessel sowie einem Gaskessel entsprechend einfachen Anschl√ľsse an die Heizung vor. Um die schweizerischen Kesselherstel-ler zum Mitmachen zu bewegen, wurde eine Marktstudie durchgef√ľhrt 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, gr√ľndete Carl Ulrich Wassermann (war w√§hrend vier Jahren Leiter der Abteilung ‚ÄěEngineering‚Äú bei SIBIR) 1990 die Firma ENTEX Energy53. ENTEX entwickelt Diffusions-Absorptionssysteme f√ľr unterschiedliche Anwendungen wie K√ľhl-schr√§nke f√ľr Hotelzimmer und mit Erdgas betriebene Klimatisierungseinheiten. In den sp√§ten 1990er Jahren entwickelte Wassermann eine zweite Generation von Diffusions-Absorptionsw√§rmepumpen. Sie zeichnet sich aus durch das Fehlen von Druckbeh√§ltern: Die Ammoniak-Wasser-L√∂sung befindet sich nur noch im Innern von Rohrleitungen. Weiter wurde auch die Fertigung des Aggregats vereinfacht. Die Heizleistung der bis 4 Moduleinheiten be-tr√§gt je 1.9 kW. Der Nutzungsgrad soll 150% erreichen. Bei der Fertigstellung dieses Berichts sind Verhandlungen mit europ√§ischen Herstellern noch im Gang.
ABSORPTIONSW√ĄRMEPUMPEN IN WOHN√úBERBAUUNGEN
Um 1995 wurde in der Wohnsiedlung ‚ÄúIm Bilander‚ÄĚ in Brugg mit 342 Wohnungen eine W√§rme-pumpenanlage installiert. Diese √ľbernimmt rund 40% des W√§rmebedarfs der Siedlung. Bei dieser Pilotanlage wird in einer ersten Stufe Wasser f√ľr ein lokales Mitteltemperaturnetz mit einer kommerziellen 870 kW Lithium-Bromid/Wasser-Absorptionsw√§rmepumpe mit Grundwasser (10¬įC-13¬įC) als W√§rmequelle auf eine Temperatur von 50¬įC (Vorlauf) / 40¬įC (R√ľcklauf) erw√§rmt. Ab diesem Mitteltemperaturniveau wird die Resterw√§rmung f√ľr die Warm-wasserbereitung mit elektrischen W√§rmepumpen √ľbernommen. Unter Ber√ľcksichtigung der Hilfsenergien f√ľr die Umw√§lzpumpen resultierte ein Gesamtnutzungsgrad von 130% (PER = 1.3) [Kr√ľsi 1996]. Dieser Wert liegt klar unter demjenigen einer modernen Kombination Block-heizkraftwerk ‚Äď W√§rmepumpe oder Kombikraftwerk ‚Äď W√§rmepumpe. Dieses System wurde deshalb nicht mehr weiter verfolgt.
8.2.2 W√§rmepumpe f√ľr den Einfamilienhaus-Sanierungsmarkt
Als Resultat koordinierter Anstrengungen von Herstellern, Installateuren, Verb√§nden, √∂ffentli-cher Unterst√ľtzung und Bauherren hat der W√§rmepumpenanteil beim Bau neuer Einfamilien-h√§user einen Anteil von 75% erreicht: Bild 8-1. Im viel gr√∂sseren Sanierungsmarkt erreicht der Anteil an W√§rmepumpen aber erst etwa 3%. In anderen L√§ndern ist dieser Anteil noch viel kleiner. Dies l√§sst auf ein sehr hohes Potenzial im Sanierungsmarkt schliessen. Jeder neu installierte Kessel bedeutet eine verpasste Gelegenheit f√ľr eine effizientere Heizung. Allein in Europa passiert dies pro Jahr etwa eine Million Mal. Es werden also fast diskussions-los h√∂here CO2-Emissionen akzeptiert, als es der Stand der Technik erm√∂glichen w√ľrde. Wo liegen die Hindernisse? Die √§lteren Warmwasser-Zentralheizungssysteme weisen im All-gemeinen eine hohe Vorlauftemperatur auf. Konventionelle W√§rmepumpen stossen an ihre Grenzen, wenn sie die mit den hohen Heizungstemperaturen im Sanierungsmarkt verbunde-nen hohen Temperaturh√ľbe √ľberwinden m√ľssen. Auf Initiative von Hans Ulrich Sch√§rer, Fab-rice Rognon und Martin Zogg wurde deshalb 1998 das Vorhaben ‚ÄúSwiss Retrofit Heat Pump‚ÄĚ gestartet. Ziel der Entwicklung war eine Sanierungsmarkt-W√§rmepumpe, welche die Anforde-rungen f√ľr alte Zentralheizungssysteme bei hohem Wirkungsgrad und tragbaren Kosten erf√ľl-len. Dieses Vorhaben hatte zwischen 1998 und 2003 im W√§rmepumpenforschungsprogramm des Bundesamts f√ľr Energie (BFE) oberste Priorit√§t. W√§hrend gr√∂ssere W√§rmepumpen f√ľr den Sanierungsmarkt (beispielsweise mit Economizer und Schraubenkompressoren) bereits verf√ľgbar waren, gab es f√ľr Heizleistungen unter 25 kW noch keine befriedigende L√∂sung. Um diese Situation m√∂glichst rasch zu √§ndern, lancierte das BFE noch 1998 den Wettbewerb ‚ÄúSwiss Retrofit Heat Pump‚ÄĚ zur Entwicklung eines neuen W√§rmepumpentyps. Dieser musste Heizung und Warmwasserbereitung umfassen, auch Luft als W√§rmequelle nutzen und deshalb einen effizienten Betrieb bis zu einem Temperatur-hub von ‚Äď12¬įC bis 60¬įC ohne Zusatzheizung bew√§ltigen k√∂nnen. Hauptanforderungen waren mit Luft als W√§rmequelle (einschliesslich aller Hilfsantriebe) Lorenz-Wirkungsgrade von √ľber 37.5% im ganzen Betriebsbereich und von 42.5% f√ľr den Testpunkt mit Luft 2¬įC / Wasser 50¬įC. Die √ľbrigen Anforderungen sind in [Zogg 2002a] aufgef√ľhrt. Zur Unterst√ľtzung der Schweizer W√§rmepumpenhersteller 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 W√§rmepumpentestzentrum durchgef√ľhrt. Hauptthema der Forschungsprojekte waren neue Kreisprozesse f√ľr Kleinw√§rmepumpen mit einer Heizleistung unter 25 kW, um die erw√§hnten Anforderungen f√ľr einen hohen Tempera-turhub erf√ľllen zu k√∂nnen. Im Vordergrund standen ein geringerer Heizleistungsabfall, eine tie-fere Kompressoraustrittstemperatur und eine h√∂here Effizienz bei hohen Temperaturh√ľben. Die vielversprechendsten Prozesse wurden dann in realen W√§rmepumpenheizungen getestet. Die thermodynamisch meist versprechende L√∂sung f√ľr hohe Temperaturh√ľbe ist die Zweistufen-W√§rmepumpe mit zwei Kompressoren. Eine W√§rmepumpe mit diesem Kreisprozess wurde gebaut und getestet [Zehnder et al. 1999]. Verglichen mit dem einfachen einstufigen Prozess wurde eine um 50% h√∂here Heizleistung und eine um 14% h√∂here Leistungszahl erreicht. Es zeigte sich aber, dass die Schmier√∂lmigration im Kreislauf schon nach wenigen Betriebsstunden eine einwandfreie Schmierung der beiden Kompressoren behinderte. Zudem ist eine W√§rmepumpe dieses Typs zu kompliziert, um mit den zu ersetzenden kosteng√ľnstigen Kesseln zu konkurrieren. Der Kreisprozess mit Economizer und einer Zwischeneinspritz√∂ffnung f√ľr Dampf ist eine einfachere und kosteng√ľnstigere L√∂sung. Er ist von gr√∂sseren W√§rmepumpen mit Schrauben-kompressoren gut bekannt: Ein Kondensatteilstrom wird auf ein mittleres Druckniveau expandiert. Das dabei entstehende Gas-Fl√ľssig-Zweiphasengemisch wird dann im Economizer dur Unterk√ľhlung des Restkondensats verdampft. Dieser Dampf wird dem Kompressor durch die Zwischeneinspritzungs√∂ffnung zugef√ľhrt. Dieser Kreislauf hat die folgenden Vorteile (Begr√ľndungen in [Zogg 2002a]):
1. Grösserer Massenstrom am Kompressoraustritt , Höhere Heizleistung.
2. Reduktion der Kompressoraustrittstemperatur , Einhalten der Betriebstemperaturgren-zen des Kompressors.
3. Kondensatunterk√ľhlung , Vergr√∂sserung der Leistungszahl (bei geeignetem Kompres-sor).
Als die ersten Versuche durchgef√ľhrt wurden, war auf dem Markt noch kein geeigneter Kom-pressor f√ľr Heizleistungen unter 25 kW verf√ľgbar. Aber die Resultate mit dem damals verf√ľgbaren Scroll Kompressor mit Fl√ľssigkeit-Einspritz√∂ffnung waren bereits vielversprechend [Zehnder et al. 2000]. F√ľr ein Folgeforschungsprojekt wurde dann von der Firma Copeland ein erster Prototyp eines Scroll Kompressors mit f√ľr die Dampfeinspritzung optimierter Zwischen-einspritzung zur Verf√ľgung gestellt. Zus√§tzlich wurde die Versuchsw√§rmepumpe noch mit einem Sauggasw√§rme√ľbertr√§ger ausger√ľstet. Gegen√ľber einem einfachen Einstufen-prozess wurden damit bei hohen Temperaturh√ľben mit dem K√§ltemittel R-407C die folgenden Verbesserungen erzielt: Erh√∂hung der Heizleistung um 30%, Erh√∂hung der Leistungszahl um 15% (gemessen bei ‚Äď7¬įC/60¬įC) [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 K√§ltemittel mit oder ohne Sauggasw√§rme√ľbertr√§ger) zum Standardprozess f√ľr Einfamilienhaus-W√§rmepumpen mit hohem Temperaturhub. In einem weiteren L√∂sungsansatz haben [Reiner et al. 1998] einen Kreisprozess mit einem separaten Hilfskreislauf untersucht. Dieser Hilfskreislauf nutzt die Kondensat Unterk√ľhlung als W√§rmequelle f√ľr die Enderw√§rmung des Zentralheizungswassers. Ein entsprechen-des W√§rmepumpen-Funktionsmuster wurde mit den K√§ltemitteln R-407C und R-417A (Isceon 59) getestet. Bei hohen Temperaturh√ľben wurde gegen√ľber 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 f√ľr diesen Prozess nicht geeignet. F√ľr kleine W√§rmepumpen ist dieser Prozess wohl zu komplex. Man sollte ihn aber f√ľr gr√∂ssere W√§rmepumpen weiterhin in Betracht ziehen. Gewinner des Wettbewerbs ‚ÄěSwiss Retrofit Heat Pump‚Äú war die Firma KWT in Belp. Die L√∂-sung von KWT war eine zukunftsweisende Split-L√∂sung mit integrierter Warmwasserbereitung mit separatem Kreislauf und Nutzen der Enthitzung [Tr√ľssel et al. 2000], [Cizmar et al. 2001]. Die Markteinf√ľhrung dieser Entwicklung war noch nicht erfolgreich. M√∂glicherweise war die Maschine zu komplex. Vielleicht behinderte aber auch der W√§rmepumpen-Verkaufsboom die weitere Entwicklung. Warum entwickeln, wenn Engp√§sse bei der Produktion zu beheben sind? So oder so, das vorl√§ufige ‚ÄěAus‚Äú kam durch den Verkauf des interessierten Herstellers an ei-nen grossen ausl√§ndischen Konzern.
EIN NEUER UND UNKONVENTIONELLER ANSATZ ‚Äď ABER NOCH NICHT BEREIT
Wie oben erw√§hnt, w√ľrde ein echt zweistufiger Prozess f√ľr eine W√§rmepumpe mit hohem Temperaturhub den h√∂chsten Wirkungsgrad bringen; aber die Schmierung der beiden Kom-pressoren ist problematisch. J√ľrg Schiffmann hat deshalb f√ľr den zweistufigen Prozess an-stelle konventioneller Scroll- oder Kolbenkompressoren einen √∂lfreien Miniatur-Radialkompressor vorgeschlagen. Diese L√∂sung besteht aus zwei Radialkompressoren mit Mini-Laufr√§dern auf einer Welle, die mit variablen Drehzahlen mit bis zu 240'000 U/min rotiert. Die Wellenlagerung erfolgt durch Pr√§zisionsgaslager mit Toleranzen im Bereich von 5 bis 10 Mikrometern. Sie sind zur Verwendung durch das entsprechende K√§ltemittel konstruiert. Untersuchungen bei ABB zeigten f√ľr die Machbarkeit solcher Mini-Turbo-kompressoren ermutigende Ergebnisse. Sie w√§ren 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 ‚Äď dann kam es zur metallischen Ber√ľhrung und das Gaslager wurde zerst√∂rt [Schiffmann et al. 2005]. Das Projekt wird fortgesetzt.
8.2.3 Weitere Unterst√ľtzung durch √∂ffentliche Forschung und Entwicklung
Die folgenden Projekte wurden durch das W√§rmepumpenforschungsprogramm des BFE (Bun-desamt f√ľr Energie) koordiniert und teilweise oder ganz finanziert. Leiter dieses Programms waren Hans Ulrich Sch√§rer (bis 1992), Martin Zogg (bis 2002) und Thomas Kopp (bis heute). Fabrice Rognon und Max Ehrbar sind verantwortlich f√ľr die W√§rmepumpen-Pilot- und -Demonstrationsprojekte.Im Rahmen des Impulsprogramms ‚ÄěRAVEL‚Äú (rationelle Verwendung von Elektrizit√§t) des dama-ligen Bundesamts f√ľr Konjunkturfragen stellten erfahrene Fachleute konsolidiertes technisches Wissen zur direkten Anwendung in der W√§rmepumpenpraxis zusammen. In den Jahren 1993 bis 1996 wurden drei Handb√ľcher publiziert. Das erste √ľber die Planung, die Ausf√ľhrung und den Betrieb von W√§rmepumpen [Baumgartner et al. 1993], das zweite √ľber sinnvolle hydrauli-sche Schaltungen [Gabathuler et al. 1994] und das dritte zur Qualit√§tssicherung [Gabathuler et al. 1996].
KOSTENG√úNSTIGE W√ĄRMEPUMPENHEIZUNG F√úR NIEDRIGENERGIEH√ĄUSER
Niedrigenergieh√§user mit einem Jahresw√§rmebedarf unter 160 MJ/m2a weisen eine dichte und gut isolierte Geb√§udeh√ľlle, hohe solare W√§rmegewinne, Niedrigtemperatur-W√§rmeverteilsys-teme und einen hohen W√§rmebedarfsanteil f√ľr die Warmwasserbereitung auf. Zum Auffinden optimaler Regelstrategien f√ľr kosteng√ľnstige W√§rmepumpenheizungen ohne W√§rmespeicher und Mischventile wurden Untersuchungen des Gesamtsystems aus Geb√§ude und Heizung durchgef√ľhrt. Die Ergebnisse wurden in einem Handbuch f√ľr solche Systeme zusammenge-fasst [Afjei et al. 2000], [Afjei 2002].
HYDRAULISCHE STANDARDSCHALTUNGEN
Auf der Grundlage einer ausf√ľhrlichen Evaluation der h√§ufigsten hydraulischen Standardschal-tungen f√ľr Einfamilienh√§user mit einem Heizleistungsbedarf bis 25 kW wurden in Zusammen-arbeit mit den wichtigsten W√§rmepumpenanbietern sieben Standardschaltungen identifiziert. Sie wurden aufgrund der Kriterien hoher Energieeffizienz, hoher Verl√§sslichkeit und einfacher praktischer Realisierbarkeit ausgew√§hlt. Die sieben Standardschaltungen (wovon eine zur In-tegration thermischer Solaranlagen) decken Luft und Erdboden als W√§rmequelle, unterschied-liche Temperaturniveaus der W√§rmeverteilsysteme, kombinierte Raumheizung und Warmwasserbereitung ab. Sie wurden durch Computersimulationen untersucht und optimiert. Die Resultate wurden in eine Schritt-f√ľr-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 kosteng√ľnstiger W√§rmepumpensysteme mit einem minimalen Planungsaufwand. Dies beg√ľnstigt auch eine gu-te Qualit√§tssicherung und erleichtert den Vergleich von Offerten verschiedener Hersteller [Afjei et al. 2002], [Gabathuler et al. 2002b].
EFFIZIENZSTEIGERUNG DURCH OPTIMIERTES ABTAUEN
Der Energiebedarf f√ľr das Abtauen von W√§rmepumpen mit Luft als W√§rmequelle ist beachtlich, erreicht er doch etwa 10% des gesamten Bedarfs an elektrischer Energie. Eine Reduktion auf 5% liegt im Bereich des M√∂glichen. 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 √∂konomischer Vergleich der Methoden vorgenommen [Bertsch et al. 2002]. Als Datengrundlagen dienten die Messungen des W√§rmepumpentest-zentrums in Winterthur-T√∂ss (WPZ). Sie wurden erg√§nzt durch weitere Messungen im Labor und durch Feldmessungen. Aus den Messungen im WPZ wurden 6 W√§rmepumpen mit Pro-zessumkehrabtauung und 7 W√§rmepumpen mit Heissgasabtauung analysiert. Es wurden auch unkonventionelle Abtaul√∂sungen wie Nutzen der W√§rme aus dem W√§rmeverteilsystem oder Abtauen mit Raumluft (Luftabtauung) untersucht. √úberraschenderweise ergibt die Heiss-gasabtauung √ľber eine Betriebsdauer von 15 Jahren etwa dieselben Gesamtkosten wie die Prozessumkehr. Die Luftabtauung schneidet recht gut ab ‚Äď sie ist aber mit einem betr√§chtli-chen Raumkomfortverlust verbunden.
EFFIZIENZSTEIGERUNG DURCH ERDREGISTER
Es wurden zahlreiche monovalente Luft/Wasser-W√§rmepumpensysteme 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 ‚Äď 10 m/s) zur W√§rme-pumpe gef√ľhrt. Die Rohre werden beispielsweise ums Haus oder im Garten verlegt. Grundidee ist das Vorheizen der Luft in kalten N√§chten oder auch √ľber l√§ngere Perioden mit tiefer Tempe-ratur. Eine Untersuchung zeigte, dass die Jahresarbeitszahl mit solchen Systemen um 5% bis 10% erh√∂ht werden kann. Verglichen mit Erdw√§rmesondenanlagen ist dies nicht √ľberw√§lti-gend. Aber im Sommer kann das Rohrleitungssystem zur passiven K√ľhlung einen oft entschei-denden Komfortsteigerungsbeitrag leisten [Huber et al. 1995].
GER√ĄUSCHARME LUFT/WASSER-W√ĄRMEPUMPEN
√úber die H√§lfte der Kleinw√§rmepumpen mit Heizleistungen bis 25 kW nutzen Umgebungsluft als W√§rmequelle. Speziell in dicht √ľberbauten Gebieten haben die Luft/Wasser-W√§rmepumpen gelegentlich zu Beanstandungen infolge der Ger√§uschentwicklung gef√ľhrt. Im Rahmen eines Forschungsprogramms wurden die L√§rmquellen von Luft/Wasser-Systemen analysiert, und es wurden Richtlinien f√ľr 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-W√§rmepumpen hat bereits zu Erfolgen gef√ľhrt [Beerhalter 2007].
MODELLIERUNG VON ERDW√ĄRMESONDEN
Unter der Leitung von Ladislaus Rybach wurden die Studien zur rechnerischen Erfassung von Erdw√§rmesonden und Erdw√§rmesondenfeldern an der ETH-Z√ľrich fortgesetzt [Rybach et al. 1990, 1992, 1998], [Rybach 2001, 2004]. Computersimulationen sind allerdings nur n√ľtzlich, wenn die ben√∂tigten geothermischen Stoffwerte hinreichend genau bekannt sind. Deshalb wurde 1998/1999 durch Werner Leu und Mitarbeiter ein Computerprogramm entwickelt, wel-ches die Absch√§tzung dieser Stoffwerte f√ľr das Schweizerische Mittelland erm√∂glicht. Es wur-de 2006 √ľberarbeitet und erg√§nzt [Leu 1998], [Leu et al. 1999, 2006].
Als Werkzeug f√ľr Computersimulationen ganzer W√§rmepumpensysteme mit Erdw√§rmesonden wurde durch Arthur Huber55 das neue, dynamische Berechnungsmodul EWS zur Berechnung der Temperatur des aus der Sonde tretenden W√§rmetr√§gers entwickelt. 1997 wurde es zu-n√§chst f√ľr Einzelsonden ausgearbeitet [Huber 1997] und dann 1999 auf Erdw√§rmesondenfel-der erweitert [Huber und Pahud 1999]. Dank der kurzen Rechenzeit des Moduls EWS56 erlaubt es die dynamische Computersimulation ganzer W√§rmepumpenanlagen mit Erdw√§rmesonden auf Personal Computern. EWS wurde sp√§ter in das schweizerische W√§rmepumpenausle-gungsprogramm WpCalc eingebaut [Stalder et al. 2001] und durch Sarah Signorelli und Tho-mas Kohl, dem Nachfolger von Ladislaus Rybach, am Institut f√ľr Geophysik der ETH-Z√ľrich, validiert [Signorelli und Kohl 2002].
√ĖKOLOGISCHE EINWIRKUNG VON ERDW√ĄRMESONDEN
Das damalige Bundesamt f√ľr Umwelt- Wald und Landschaft BUWAL (heute Bundesamt f√ľr Umwelt) liess die √∂kologischen Einwirkungen von Erdw√§rmesonden auf den Erdboden und das Grundwasser gr√ľndlich abkl√§ren. Darauf ver√∂ffentlichte das BUWAL 1994 Richtlinien f√ľr die Installation von Erdw√§rmesonden. Dies war eine weitere Schweizer Pionierarbeit und hatte auch einen wichtigen Einfluss auf die sp√§tere deutsche Richtlinie VDI 4640 (siehe Abschnitt 8.3). Es war √ľbrigens f√ľr die Schweiz nicht sehr einfach, ihrer restriktiven Haltung in diesen Fragen in der beratenden Kommission f√ľr die VDI-Richtlinie Geh√∂r zu verschaffen. Eine ent-sprechende Schweizerische Norm SN 565 384/6 (Erdw√§rmesonden / Sondes g√©othermiques / Sonde geotermiche) ist in Vorbereitung. Aus √∂kologischen Gr√ľnden wurden in der Schweiz Direktexpansionssysteme f√ľr W√§rmepum-pen mit √∂lgeschmierten Kompressoren nie zugelassen, falls dazu alternative L√∂sungen m√∂glich sind. Und die gibt es immer. Als einzige Ausnahme w√§ren im Moment √∂lfreie CO2-Kreisl√§ufe m√∂glich [Beck 2007], [Rognon 2007].
REGENERATION VON ERDW√ĄRMESONDEN - NACHHALTIGKEIT
Eine detaillierte Untersuchung der N√ľtzlichkeit einer Sommerregeneration einzelner Erdw√§r-mesonden und ganzer Erdw√§rmesondenfelder durch thermische Solaranlagen zeigte ein er-n√ľchterndes Ergebnis. Meistens vermag der durch die Regeneration bewirkte Mehrertrag nicht einmal die daf√ľr ben√∂tigte Umw√§lzpumpenergie zu kompensieren. Die Sommerregeneration ist h√∂chstens f√ľr stark belastete Erdw√§rmesondenfelder von Interesse [H√§ssig et al. 1998]. Eine umfassende Antwort zur Nachhaltigkeit von Erdw√§rmesondenanlagen findet man in [Signorelli et al. 2005].
55 Arthur Huber, Huber Energietechnik, Z√ľrich,. http://www.hetag.ch56 Dies wurde durch eine Kombination numerischer Berechnung in Sondenn√§he mit einer analytischen Rechnung im entfernteren Erdbodenbereich erreicht.
KOMBINIERTES K√úHLEN UND HEIZEN MIT ERDW√ĄRMESPEICHER
In der Nutzung der Abw√§rme von K√§lteanlagen und Klimaanlagen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung liegt im Vergleich zu getrenntem K√ľhlen und Heizen ein grosses Ener-giesparpotenzial. Bei K√§lteanlagen ist der K√§lteleistungsbedarf w√§hrend dem Jahr oft ann√§-hernd konstant. Dies gilt auch f√ľr den W√§rmeleistungsbedarf zur Warmwasserbereitung. Im Gegensatz dazu gibt es in der Schweiz nur im Sommer einen allf√§lligen Bedarf zur Raumk√ľh-lung und nur im Winter einen Raumheizungsbedarf. Der entsprechende Heiz- oder K√ľhlbedarf variiert zudem mit der sich laufend √§ndernden Umgebungstemperatur. Deshalb stimmen im Allgemeinen die Bed√ľrfnisse zum K√ľhlen und Heizen weder im Tagesverlauf noch saisonal √ľberein.
W√§hrend t√§gliche Schwankungen noch durch Warmwasserspeicher aufgefangen werden k√∂n-nen, erfordert der Ausgleich jahreszeitlicher Schwankungen Erdw√§rmespeicher mit Erd-w√§rmesondenfeldern. Bei niedrigem W√§rmebedarf kann die √úberschussw√§rme aus den Kon-densatoren der K√§lteanlagen im Erdboden gespeichert werden. Dies ist typisch f√ľr den Som-merbetrieb. Bei typischem Winterbetrieb dominiert der Raumheizungsbedarf, und die W√§rme aus dem Erdboden kann dann als zus√§tzliche W√§rmequelle genutzt werden. Sie ist typisch f√ľr den Gewerbek√§ltebereich mit K√§lte- und Tiefk√ľhleinhei-ten, die mit der Warmwasserbereitung und der Raumheizung kombiniert werden. F√ľr solche Systeme zur kombinierten Heizung und K√ľhlung wurde im Auftrag des Bundesamts f√ľr Energie ein Planungshandbuch ausgearbeitet. Darin wird das in f√ľnf Schritte unterteilte Auslegungs-vorgehen an einem praktischen Beispiel illustriert [Good 2000], [Good et al. 2001]. Die Dimensionierung grosser Erdw√§rmesondenfelder aufgrund detaillierter Computersimulationen wird in [Rohner et al. 2005] behandelt.
UMWELTRELEVANZ NAT√úRLICHER K√ĄLTEMITTEL
Als Schweizer Beitrag zum Annex 22 (F+E-Vorhaben 22 ‚ÄěCompression Systems with Natural Working Fluids‚Äú) des IEA W√§rmepumpenprogramms wurde 1966 eine erste √Ėkobilanz (Life Cycle Assessment (LCA) zur Umweltrelevanz alternativer K√§ltemittel durchgef√ľhrt [Weibel 1996]. In einer zweiten Studie wurde der √Ėkobilanzvergleich auf alle relevanten Umwelteinwirkungen nat√ľrlicher und synthetischer K√§ltemittel f√ľr schweizerische Stromproduktionsverh√§ltnisse erweitert und vertieft. Diese neue √Ėkobilanzstudie wurde f√ľr die W√§rmepumpenhei-zung, die Klimatisierung und die K√§lteerzeugung durchgef√ľhrt. Es wurden f√ľr 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 Prim√§renergiebedarf, Treibhauseffekt, Ozonschichtabbau, Versauerung, photochemische Ozonbildung, aquatische und terrestrische √Ėkotoxizit√§t und Emissionen radioaktiver Isotope (karzinogene und erbgutsch√§digende Effekte). Die Resultate best√§tigten, dass der Energieeffizienz der Anlagen eine Schl√ľsselrolle zu-kommt. Anlagen mit nat√ľrlichen K√§ltemitteln und vergleichbarer oder besserer Effizienz als An-lagen mit FKWs ergeben geringere Umweltbelastungswerte. Einzige Ausnahme ist die h√∂here photochemische Ozonbildung bei Anlagen mit Propan. Wenn die Anlagen mit nat√ľrlichen K√§l-temitteln aber eine tiefere Effizienz aufweisen als jene mit synthetischen K√§ltemitteln, ist die Si-tuation nicht mehr so eindeutig. Dann ist ein individuelles Abw√§gen zwischen der Schonung nicht erneuerbarer Prim√§renergien, der Versauerung, dem Sommersmog, der Giftwirkung in Gew√§ssern und der Emission radioaktiver Emissionen einerseits und dem Treibhauseffekt, dem Ozonschichtabbau und der Giftwirkung auf den Boden andererseits erforderlich, um die √∂kologischen Vorteile nat√ľrlicher K√§ltemittel zu beantworten. Hauptschlussfolgerung der Studie war, dass FKW-K√§ltemittel noch toleriert werden k√∂nnen, wenn es keine zumutbaren Al-ternativen mit nat√ľrlichen K√§ltemitteln gibt. Dies aber nur unter den Bedingungen einer regel-m√§ssigen, strikten Dichtheitskontrolle w√§hrend der ganzen Anlagelebensdauer und einem fachgerechten K√§ltemittelrecycling vor der Entsorgung der Anlage. Gleichzeitig sollten die Herstellungsverfahren f√ľr die FKW-K√§ltemittel verbessert werden [Frischknecht 1999, 2000], [Zogg 2000b].
2003 wurde mit der Schweizerischen Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) f√ľr die weitere praktische Verwendung von FKW-K√§ltemitteln ein vern√ľnftiger Kompromiss beschlossen: Neue Anlagen mit einer FKW-F√ľllung von mehr als 3 kg ben√∂tigen eine offizielle Bewilligung und die Anlagedichtheit muss j√§hrlich √ľberpr√ľft werden.
W√ĄRME√úBERGANG BEI FKW- UND NAT√úRLICHEN K√ĄLTEMITTELN
Unterst√ľtzt durch das W√§rmepumpenforschungsprogramm des Bundesamts f√ľr Energie wur-den an der ETH-Lausanne umfassende Untersuchungen zum W√§rme√ľbergang bei der Ver-dampfung von alternativen K√§ltemitteln in glatten und strukturierten Rohren ohne und mit Schmier√∂len durchgef√ľhrt. F√ľr 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 nat√ľrliche K√§ltemittel Ammoniak ausgedehnt [Z√ľr-cher et al. 1997]. An der ETH-Z√ľrich wurde der W√§rme√ľbergang bei √ľberkritischem CO2 unter-sucht [Trepp Ch. 1997].
AMMONIAKW√ĄRMEPUMPE F√úR EINFAMILIENH√ĄUSER
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 Kleinw√§rmepumpen mit Ammoniak. Im Rahmen des W√§rmepumpenfor-schungsprogramms des Bundesamts f√ľr Energie wurde deshalb die Entwicklung einer Ammo-niak-Kleinw√§rmepumpe gestartet. Zuerst wurden die Vorteile von Ammoniak gegen√ľber Pro-pan oder R-407C f√ľr Kleinw√§rmepumpen theoretisch untersucht. Die Resultate f√ľr Ammoniak waren ermutigend ‚Äď insbesondere f√ľr kleine Temperaturh√ľbe, wie sie bei Fussbodenheizungen gen√ľgen. Mit Ammoniak sind f√ľr solche W√§rmepumpen Druckverh√§ltnisse um 15 n√∂tig. Ohne Gegenmassnahmen w√ľrde diese mit einem einzigen Kompressor zu hohe Austrittstemperaturen ergeben. Ein Kleinkompressor mit Zwischeneinspritzung ist nicht verf√ľgbar, und eine Zweistufenanlage w√§re zu aufw√§ndig. Deshalb wurde ein Schraubenverdichter oder ein Fl√ľgelzellen-verdichter mit einem hohen √Ėlumlauf zur K√ľhlung vorgeschlagen [Boyman et al.1997].
In der zweiten Projektphase wurde ein Funktionsmuster einer Sole/Wasser-W√§rmepumpe mit einem offenen Fl√ľgelzellenverdichter ausgelegt, gebaut und nach zahlreichen R√ľckschl√§gen schliesslich doch noch erfolgreich gestartet. In der dritten Projektphase wurden mit dem Fl√ľgelzellenverdichter und einem kleinen Schraubenkompressor umfangreiche Versuche durchgef√ľhrt. Dabei wurden die folgenden Leistungszahlen erreicht:
2.4 bei ‚Äď7¬įC/50¬įC und 2.7 bei 2¬įC/50¬įC. Der Grund f√ľr diese bescheidenen Resultate liegt im hohen √Ėldurchsatz. Die W√§rmepumpe schaffte einen maximalen Temperaturhub von einer Soletemperatur von ‚Äď20¬įC auf eine Senkenwassertemperatur von 60¬įC. Der Economizer bewirkte eine Erh√∂hung der Leistungszahl um 6% und der Heizleistung um 12%. Einige Tests wurden auch mit dem kleinen Schraubenkompressor ohne Zwischeneinspritzm√∂glichkeit gefahren. Beide f√ľr die Versuche ben√ľtzten Kompressoren vermochten nicht zu befriedigen. Eine Kommerzialisierung der Ammoniak-Kleinw√§rmepumpe w√§re nur mit geeigneteren Kompressoren m√∂glich [Geisser und Kopp 2003].
KLEINER OELFREIER CO2 KOMPRESSOR
√úberkritische CO2-Prozesse k√§mpfen immer noch mit Schmier√∂lproblemen. Ziel eines im Rahmen der IEA58 durch gef√ľhrten BFE-Forschungsvorhabens war deshalb ein Machbarkeits-nachweis f√ľr einen kleinen, √∂lfreien, halbhermetischen CO2-Kolbenkompressor f√ľr √ľberkriti-sche W√§rmepumpen-Prozesse mit hohem Temperaturhub. Diese arbeiten unter hohen Dr√ľcken, 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 √ľber 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 ‚ÄúSelected Issues on CO2 as a Working Fluid in Compression Systems‚ÄĚ) des W√§rmepumpenprogramms der Internationalen Energieagentur.
PULSBREITENMODULATION ‚Äď EIN FORTSCHRITTLICHES KONZEPT
Der √ľbliche Ein/Aus-Betrieb zur Heizleistungsregulierung von W√§rmepumpen ergibt oft zu h√§u-fige Ein- und Ausschaltvorg√§nge mit zu kurzen Betriebsperioden. Dies hat nicht nur eine gerin-gere Effizienz, sondern auch eine Beeintr√§chtigung der Lebensdauer der W√§rmepumpen zur Folge. Deshalb wurde die Pulsbreitenmodulation eingef√ľhrt. Grundidee dieses neuen Kon-zepts ist die volle Nutzung der thermischen Tr√§gheit von Geb√§ude und zentralem W√§rmeverteilsystem zum Erreichen m√∂glichst langer W√§rmepumpenbetriebszeiten ohne merklichen Komfortverlust. Ein weiteres Ziel ist die Elektrizit√§tskostenreduktion durch einen m√∂glichst langen Betrieb in Niedertarifzeiten. Das Konzept der Pulsbreitenmodulation wurde mit drei unter-schiedlichen L√∂sungsans√§tzen realisiert. Sie unterscheiden sich in den Methoden zur Bestimmung der ben√∂tigten W√§rmemenge und der optimalen Verteilung der Betriebsperioden √ľber den ganzen Tag. Bei den beiden einfacheren Methoden wird der W√§rmebedarf entweder aus der Energiekenn-linie (Tagesw√§rmebedarf in Abh√§ngigkeit der Umgebungstemperatur) oder aus der Laufzeit-kennlinie (W√§rmeleistungsbedarf gem√§ss Energiekennlinie dividiert durch die W√§rmeleistungsproduktion gem√§ss der W√§rmepumpenkennlinie) bestimmt. Die dritte Methode, die modellbasierte pr√§diktive Regelung, ist wesentlich komplexer. Sie erfasst die thermische Tr√§g-heit von Geb√§ude und W√§rmeverteilungssystem durch ein physikalisches Modell. Diese Variante sch√§tzt die Umgebungstemperatur in den folgenden Stunden aus den in den letzten 24 Stunden gemessenen Temperaturen. Bei der Optimierung der paketweisen W√§rmezufuhr wer-den die Leistungszahl der W√§rmepumpe wie auch die Tarifstrukturen und die von den Elektrizit√§tswerken vorgegebenen Betriebsunterbruchszeiten f√ľr W√§rmepumpen ber√ľcksichtigt. Der modellbasierte pr√§diktive Regler kann je nach Pr√§ferenz des Betreibers entweder einen mini-malen Elektrizit√§tsverbrauch oder minimale Elektrizit√§tskosten anstreben. Die neuen Regler wurden in einem f√ľr Heizungssanierungen typischen Einfamilienhaus mit ei-ner Luft/Wasser-W√§rmepumpe erprobt. Das Warmwasser-Zentralheizungssystem war mit einem in Serie geschalteten W√§rmespeicher ausgestattet. Die W√§rmeverteilung erfolgte √ľber eine Fussbodenheizung (FBH) und Radiatoren (RAD). Die Heizleistungsanteile konnten von 33% FBH / 67% RAD bis 33% RAD / 67% FBH ver√§ndert werden.Gegen√ľber der herk√∂mmlichen aussentemperaturgef√ľhrten R√ľcklauftemperaturregelung (ARL) ergaben sich mit der Pulsbreitenmodulation bei vergleichbarem Komfort in den beheizten R√§umen folgende Vorteile [Gabathuler et al. 1998, 2002a], [Shafai et al. 1999, 2002]:
&#1048766; Die W√§rmepumpen konnten mit einem Niedertarifanteil von 60% bis 70% gefahren werden (gegen√ľber 43% bei ARL).
&#1048766; Es ergaben sich längere Wärmepumpenlaufzeiten im Teillastbereich von 0.5...1.5 Stunden.
&#1048766; Die Umwälzpumpe musste während den Zeiten mit ausgeschalteter Wärmepumpe nicht betrieben werden, tieferer Hilfsenergiebedarf.
&#1048766; Einfache Einstellung (keine Heizkurveneingabe, keine Koppelung von Heizkurve und Zeit-programm sowie von Heizkurve und Warmwasserbereitung).
&#1048766; Optimale Nutzung von Niedertarifzeiten ohne Überdimensionierung der Wärmepumpe.
In den Projektphasen 3 und 4 wurden zum Vergleich der drei erw√§hnten Regelungskonzepte in Zusammenarbeit mit Industriepartnern Versuche unter identischen Randbedingungen mit ei-nem an der ETH-Z√ľrich eigens daf√ľr gebauten dynamischen Pr√ľfstand durchgef√ľhrt [Zogg und Shafai 2001], [Gabathuler et al. 2003]. In der vierten Projektphase wurde die Regelung durch pr√§diktive 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 ben√∂tigt nach der Inbetriebnahme der W√§rmepumpe und insbesondere auch nach der Austrocknungsphase neuer H√§user kein manuelles Nachjustieren mehr. Er reduziert die Heizkosten ohne Komforteinbusse um rund 10% gegen√ľber konventionellen Reg-lern. Dies wird haupts√§chlich durch eine bessere Nutzung von Niedertarifzeiten erreicht [Bianchi et al. 2005].
FORTGESCHRITTENE FEHLERERKENNUNG UND DIAGNOSEMETHODEN
W√§hrend dem Betrieb einer W√§rmepumpe k√∂nnen Fehler, wie die Belagsbildung auf W√§rme-√ľbertrageroberfl√§chen (Fouling), Komponentenversagen oder K√§ltemittelverlust durch Leckage auftreten. Diese Fehler reduzieren die Effizienz der W√§rmepumpe bereits in einem fr√ľhen Sta-dium. Um sie auch fr√ľh zu erkennen, wurde ein Diagnosesystem entwickelt und auf dem W√§r-mepumpenpr√ľfstand getestet. Mit diesem werden die Parameter einer W√§rmepumpe laufend identifiziert und w√§hrend 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 ‚ÄěBlack-Box-Methode‚Äú Fuzzy-Watch kommt mit einer minimalen Anzahl von Sensoren (in der Regel einige Temperatur-sensoren) aus, w√§hrend HeatWatch bessere Klassifizierungsergebnisse liefert. Die entwickelte Software erm√∂glicht dem √úberwachungssystem in einer Trainierphase die automatische Fuz-zy-Regelbildung und l√§sst sich auf einem modernen W√§rmepumpenregler programmieren. Damit ist eine laufende √úberwachung der optimalen Funktion einzelner Komponenten einer W√§rmepumpenanlage m√∂glich geworden. Dies erlaubt es, anstelle eines periodischen W√§rme-pumpenservices auf einen gezielten Unterhalt nach Bedarf √ľberzugehen. Das entwickelte Diagnosesystem kann auch f√ľr K√§ltemaschinen angewendet werden [Zogg und Shafai 2001], [Zogg et al. 2001, 2005].
DYNAMISCHER W√ĄRMEPUMPENTEST
Der √ľbliche W√§rmepumpentest auf der Basis der Europ√§ischen Norm EN 14511 ist ein Test bei station√§rem Betrieb. Aber insbesondere im Ein-/Aus-Betrieb verursachen die An- und Auslauf-phasen eine deutliche Verschlechterung der Heizleistung der W√§rmepumpen. Ein dynamischer W√§rmepumpentest 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-W√§rmepumpen bereits mit Erfolg getestet [Ehrbar und Hubacher 2001].
W√ĄRMEPUMPENTEST F√úR KOMBINIERTE HEIZUNG UND WARMWASSERBEREITUNG
Im Zuge eines energieeffizienteren Bauens nimmt der Anteil des W√§rmebedarfs f√ľr die Warm-wasserbereitung gegen√ľber jenem f√ľr die Raumheizung stetig zu. Die Warmwasserbereitung erreicht heute einen Anteil von 10% bis 50% des gesamten Jahresw√§rmebedarfs. Es wird des-halb immer dringender, einen W√§rmepumpentest durchzuf√ľhren, welcher die Gesamteffizienz f√ľr kombinierte Raumheizung und Warmwasserbereitung liefert. Trotzdem sind die bestehen-den Testverfahren auf die separate Raumheizung (oder ‚ÄďK√ľhlung) und die separate Warm-wasserbereitung beschr√§nkt. Auf die Initiative von Martin Zogg wurde deshalb 2002 ein interna-tionales Vorhaben als Annex 28 (F+E-Vorhaben ‚ÄúTest Procedure und Seasonal Performance Calculations for Residential Heat Pumps with Combined Space und Domestic Hot Water Hea-ting‚ÄĚ) des IEA W√§rmepumpenprogramms gestartet. An diesem nehmen die Schweiz (Projektleitung), √Ėsterreich, Kanada, Frankreich, Deutschland, England, Japan, Norwegen, Schweden und die U.S.A. teil. Projektziel ist ein neues Testverfahren, welches die n√∂tigen Daten zur korrekten Berechnung der Jahresarbeitszahl kombinierter Heizungs-Warmwasser-Systeme er-m√∂glicht. Das Bilanzgebiet umfasst dabei die W√§rmepumpe, den Boiler (oder Durchlauferhit-zer) und optionale Zusatzerw√§rmer f√ľr die Spitzendeckung.
Die Resultate des Vorhabens wurden 2005 an der Er√∂ffnungsveranstaltung der 8. Internationalen W√§rmepumpenkonferenz in Las Vegas vorgestellt. Teile davon fanden bereits Eingang in Normen. So wurde der Berechnungsansatz in die Europ√§ische Norm EN 14335 √ľbernommen, und das deutsche Normengremium hat sie in ihre nationale DIN-Norm implementiert. Die Resultate des Annex 28 werden auch Eingang in die Arbeitsgruppen des Europ√§ischen Komitees f√ľr Normung CEN finden [Wemh√∂ner und Afjei 2005]. Die Schweizer Beitr√§ge an den Annex 28 waren nebst der Projektleitung eine Berechnungsmethode f√ľr die Jahresarbeitszahl [Afjei und Wemh√∂ner 2003] und ein experimenteller Ansatz basierend auf den Erfahrungen des Schweizerischen W√§rmepumpentestzentrums in Winterthur-T√∂ss [Montani 2003].
8.2.4 Unterst√ľtzung durch Verb√§nde und den Bund
POLITISCHE RANDBEDINGUNGEN
Die Schweizer Stimmb√ľrger und Stimmb√ľrgerinnen haben in einer Referendumsabstimmung vom 23. Oktober 1990 mit einer Mehrheit von 53.6% einem zehnj√§hrigen Moratorium f√ľr die Nuklearenergie zugestimmt. Das war eine Folge der Atomkraftwerkskatastrophe von Tscher-nobyl von 1986 und dem jahrelangen Widerstand der Bev√∂lkerung gegen den Bau eines gros-sen, neuen Kernkraftwerks in Kaiseraugst. Die politische Antwort auf diese neue Situation war das Aktionsprogramm ‚ÄěEnergie 2000‚Äú. Es setzte die folgenden bis zum Jahr 2000 zu errei-chende Ziele: Verbrauch an fossiler Energie und CO2-Produktion nicht gr√∂sser als 1990, Stei-gerung der Nutzung erneuerbarer Energien um 0.5% bez√ľglich dem Gesamtenergiebedarf und um 3% bez√ľglich dem Raumheizungsbedarf, Erh√∂hung der Elektrizit√§tsproduktion aus Was-serkraftwerken um 5% und jener aus den bestehenden Kernkraftwerken um 10%.
‚ÄěEnergie 2000‚Äú wird durch das Aktionsprogramm ‚ÄěEnergieSchweiz‚Äú 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 l√∂sen zu k√∂nnen, wurden 5 Energieagenturen gegr√ľndet. Die W√§rmepumpentechnologie wird durch die Agentur Erneu-erbare Energien und Energieeffizienz AEE abgedeckt. In dieser ist auch die F√∂rdergemein-schaft W√§rmepumpen Schweiz FWS vertreten [Schmid 2001].
F√ĖRDERGEMEINSCHAFT W√ĄRMEPUMPEN SCHWEIZ FWS
1992 arbeitete Hans Ulrich Sch√§rer vom Bundesamt f√ľr Energiewirtschaft ein Strategiepapier zum Erreichen der Ziele des Aktionsprogramms ‚ÄěEnergie 2000‚Äú aus. Er wies dabei auf das ho-he Energiesparpotenzial der W√§rmepumpentechnologie hin. W√§rmepumpen hatten damals in neuen Geb√§uden nur einen Marktanteil von etwa 7.5%. 1991 gab es in der Schweiz etwa 37‚Äô000 W√§rmepumpen. Sch√§rer postulierte bis zum Jahr 2000 einen Ausbau der W√§rmepum-penheizungen um weitere 100'000 Einheiten mit einer Gesamtw√§rmeleistung von 2'500 MW. Er schloss in seine Strategie auch die Beschaffung der zus√§tzlichen elektrischen Energie durch Ersatz der elektrischen Widerstandsheizungen sowie der zus√§tzlichen Stromproduktion durch Dampfturbinen in Kehrichtverbrennungsanlagen und durch Blockheizkraftwerke ein. Sch√§rer hat die W√§rmepumpentechnik √ľbrigens stets zu den erneuerbaren Energien gez√§hlt, was sich sp√§ter als vorteilhaft f√ľr die politische Akzeptanz und f√ľr die Finanzierung der flankierenden Massnahmen zeigte [Sch√§rer 1992, 2007].
Auf der Basis dieses Strategiepapiers arbeitete Franz Beyeler einen detaillierten Aktionsplan f√ľr Marketing und Kommunikation aus [Beyeler, Lehni 1992]. Aufgrund seines Aktionsplans schlug er die Schaffung der F√∂rdergemeinschaft W√§rmepumpen Schweiz vor [Beyeler 2007].
Gabriella Brugger, damalige Leiterin der Stabsstelle f√ľr Energiewirtschaft des Kantons Z√ľrich, erhielt von ihrem Vorgesetzten Rudolf Kriesi, dem Begr√ľnder des sehr erfolgreichen Minergiekonzepts
59, den Auftrag, die W√§rmepumpentechnik durch die Gr√ľndung eines Informations- und Qualit√§tssicherungszentrums zu unterst√ľtzen. Sie wusste, worum es ging, brachte sie doch von ihrem Elternhaus sehr schlechte Erfahrungen mit einer erb√§rmlichen W√§rmepum-penanlage mit. Dank ihrer ausgezeichneten Kommunikationsf√§higkeit gelang es ihr, die (zu-mindest zu Beginn) misstrauische W√§rmepumpengemeinschaft zu motivieren und den Auftrag in einem gesamtschweizerischen Rahmen zu einem erfolgreichen Ende zu f√ľhren.
1993 wurde auf der Grundlage einer engen Zusammenarbeit zwischen Gabriella Brugger, Hans Ulrich Sch√§rer (BFE), Franz Beyeler (MKR Consulting), Ruedi Kriesi (Kanton Z√ľrich) und Hanspeter Eicher (Energie Schweiz) die F√∂rdergemeinschaft W√§rmepumpen Schweiz (FWS) gegr√ľndet. Verantwortliche Mitglieder dieses Verbandes waren ab Beginn der Bund (vertreten durch Fabrice Rognon vom BFE), die Kantone, der Verband der Schweizerischen Elektrizit√§tswerke VSE 60, die Verb√§nde der relevanten Installateure VSHL und SSIV61 und die Mitglieder der Arbeitsgemeinschaft W√§rmepumpen AWP. Dieter Wittwer von INFEL62 war der erste Gesch√§ftsleiter der FWS [Brugger und Eicher 1994], [Mariani-Brugger 2007], [Sch√§rer 2007], [Szokody 2007].
Hauptziel der F√∂rdergemeinschaft W√§rmepumpen Schweiz ist die Verbreitung effizienter W√§rmepumpensysteme von hoher Qualit√§t zu einem erschwinglichen Preis gem√§ss dem Motto ‚Äězufriedene W√§rmepumpenbesitzer vor hohen Verkaufszahlen‚Äú. Bereits im Dezember 1993 organisierte die FWS ihre ersten Tage der offenen T√ľr in Worblaufen. Die Besucher konnten dort eine W√§rmepumpe im Betrieb sehen und erhielten neutrale Informationen. Die erste √∂ffentliche W√§rmepumpenausstellung, die sogenannte ‚ÄúW√§rmepumpen-Expo‚ÄĚ, wurde durch Franz Beyeler organisiert und √∂ffnete ihre Tore im November 1996 [Beyeler 2007].
Heute ist die F√∂rdergemeinschaft W√§rmepumpen Schweiz f√ľr alle an der W√§rmepumpentech-nik interessierten Personen ein ausgezeichnetes, neutrales Informationszentrum. Sie stellt eine wertvolle Dokumentation zur Verf√ľgung. Die Dokumente k√∂nnen in Deutsch, Franz√∂sisch und Italienisch bequem von der Internetsite der FWS http://www.fws.ch heruntergeladen werden. Eine √úbersicht √ľber den aktuellen Stand der F√∂rdergemeinschaft W√§rmepumpen Schweiz fin-det man in [Peterhans und Rognon 2005].
59 In der Schweiz wurde Minergie zu einem Synonym f√ľr die Nachhaltigkeit neuer und sanierter Geb√§ude. Das Konzept wurde durch Rudolf Kriesi begr√ľndet. Der Standard Minergie ist ein in der Schweiz und im Ausland regist-riertes Markenzeichen. Das Ziel von Minergie ist die F√∂rderung der Anwendung von Konstruktionsstrategien und Techniken, welche es auf kosteng√ľnstige Art und Weise erlauben, die Abh√§ngigkeit 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 L√§rmschutz. Die Erfahrung von neuen Bauten zeigt, dass die Mehrkosten gegen√ľber einem herk√∂mmlichen Geb√§ude 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 gew√§hren viele Banken f√ľr Geb√§ude mit dem Minergie-Markenzeichen g√ľnstigere 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 ‚ÄěVerband der Schweizer Heizungs- und L√ľftungsfirmen VSHL‚Äú und ‚ÄěVerband der Schweizerischen Spenglermeis-ter- und Installateure SSIV; sp√§ter zur ‚Äěsuissetec‚Äú (Schweizerisch-Liechtensteinischer Geb√§udetechnikverband) vereint,
http://www.suissetec.ch
62 INFEL Informationsstelle f√ľr Elektrizit√§tsanwendung, Z√ľrich.
8.2.5 Qualitätssicherung
W√ĄRMEPUMPEN TEST- UND AUSBILDUNGSZENTRUM - EINE PIONIERINSTITUTION
Auf dem Weg von den Prototypen der Pioniere zu verl√§sslichen Produkten ist eine strikte Qua-lit√§tskontrolle unumg√§nglich. Es gab dazu einen offensichtlichen Bedarf, der durch die Elektri-zit√§tswerke, politische Akteure und zukunftsorientierte Hersteller unterst√ľtzt wurde. Zahlreiche Hersteller und Lieferanten leisteten allerdings auch erheblichen Widerstand gegen die Einf√ľh-rung einer Qualit√§tskontrolle. Gabriella Brugger hat das Eis gebrochen. Sie stand an der Gr√ľn-dungsversammlung des unabh√§ngigen W√§rmepumpentest- und Ausbildungszentrum (WPZ) in Winterthur-T√∂ss als Juristin etwa 100 Technikern und Ingenieuren gegen√ľber. Viele Hersteller und Lieferanten waren immer noch sehr skeptisch: ‚ÄěUnd was geschieht, wenn nie-mand zum Testen kommt?‚Äú Aber dank dem grossen Engagement und der F√ľhrungskraft von Karl-Heinz Handl63, Brugger und der ausgezeichneten Zusammenarbeit zwischen den Elektrizi-t√§tswerken NOK (Handl), EKZ64 (Georgio Lehner) sowie EWZ65, dem Kanton Z√ľrich und nicht zuletzt dem Bundesamt f√ľr Energiewirtschaft wurde das Testzentrum schliesslich realisiert. Die NOK und das EKZ waren f√ľr den Betrieb des Zentrums verantwortlich, und das Bundesamt f√ľr Energiewirtschaft √ľbernahm den Hauptanteil der Betriebskosten. Max Ehrbar vom Neutechni-kum Buchs (NTB), der das Testzentrum konzipiert hatte, wurde als technischer Experte enga-giert. Sp√§ter wurde das W√§rmepumpentestzentrum auch durch den Energieforschungsfonds der Elektrizit√§tsindustrie PSEL66 und dann durch die AXPO67 mitfinanziert. Mit diesem W√§rme-pumpentestzentrum hat die Schweiz erneut europ√§ische 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-W√§rmepumpe erfolgte nach der Europ√§ischen Norm EN 255. F√ľr Umgebungsluft als W√§rmequelle wurde ein voll-st√§ndiger Abtauzyklus in den Test integriert. Die Hersteller mussten nur rund 30% der anfal-lenden Kosten √ľbernehmen [Handl 1993], [Ochsner 1993], [Mariani 2007], [Sch√§rer 2007].
1996 wurden die Pr√ľfungen auf Luft/Luft-W√§rmepumpen ausgedehnt. Um Schlaumeiereien vorzubeugen, wurde die w√§rmesenkenseitige Differenz zwischen Vorlauf- und R√ľcklauftempe-ratur als Zusatz zur EN 255 auf einen Maximalwert von 10 K reduziert. Dieses Problem wurde auch im Ausland erkannt. Die neue Europ√§ische Pr√ľfnorm EN 14511, welche die EN 255 er-setzte, ist mit einer Beschr√§nkung auf maximal 5 K noch strenger.
Seit 1998 wird die elektrische Sicherheitspr√ľfung nach der Europ√§ischen Pr√ľfnorm EN 60 335-2-240 ebenfalls am W√§rmepumpentestzentrum durchgef√ľhrt. 2003 wurde das W√§rmepumpen-testzentrum von Winterthur-T√∂ss an die Fachhochschule Buchs (vormals Neutechnikum Buchs NTB) gez√ľgelt. Dort wird die W√§rmepumpenpr√ľfung nach EN 14511 seit 2004 f√ľr Heiz-leistungen bis 60 kW fortgesetzt. Zus√§tzlich wurde die Pr√ľfung von W√§rmepumpenboilern nach der EN 255-3 eingef√ľhrt. Neben der konventionellen Leistungszahl werden die Tester-gebnisse an Sole/Wasser- und an Wasser/Wasser-W√§rmepumpen neu auch mit einer modifi-zierten Leistungszahl, der sogenannten ‚ÄěStandard-Energiekennzahl SEKZ‚ÄĚ, angegeben. Die-se tr√§gt im Gegensatz zur konventionellen Leistungszahl (COP) dem Energiebedarf f√ľr die Energiequellen-Umw√§lzpumpe durch einen f√ľr die beiden F√§lle 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 Elektrizit√§tswerke des Kantons Z√ľrich, http://www.ekz.ch
65 EWZ Elektrizit√§tswerk der Stadt Z√ľrich (Z√ľrich City electric utility),
http://www.stadt-zuerich.ch/
66 Projekt und Studienfonds der Elektrizitätswirtschaft PSEL.
67 Die AXPO Holding ist ein f√ľhrendes Schweizer Energieunternehmen mit Sitz in Baden,
http://www.axpo.ch
Der Erfolg des W√§rmepumpentestzentrums l√§sst sich aus der Anzahl der bis Novemer 2007 gepr√ľften W√§rmepumpen erkennen: Luft/Wasser 118, Sole/Wasser 200, Wasser/Wasser 122, W√§rmepumpenboiler 7. Seit Beginn der Pr√ľfungen werden die Resultate in regelm√§ssig er-scheinenden Bulletins ver√∂ffentlicht. Heute k√∂nnen sie von http://www.wpz.ch heruntergeladen werden.



4DACH-G√úTESIEGEL F√úR W√ĄRMEPUMPEN
Um den Konsumenten die Wahl einer effizienten W√§rmepumpe hoher Qualit√§t mit gesichertem Unterhalt nach der Inbetriebnahme zu erleichtern, wurde 1998 von Deutschland (D), √Ėsterreich (A) und der Schweiz (CH) das DACH-G√ľtesiegel eingef√ľhrt. Es wurde 1999 erstmals verge-ben und ist heute wohl das renommierteste G√ľtesiegel in Europa. Momentan laufen die Ver-handlungen mit dem Europ√§ischen W√§rmepumpenverband EHPA (European Heat Pump As-sociation, http://ehpa.fiz-karlsruhe.de) um das DACH-G√ľtesiegel in ein europ√§isches G√ľtesie-gel √ľberzuf√ľhren.
F√ľr die Erteilung des DACH-G√ľtesiegels m√ľssen die folgenden Anforderungen erf√ľllt sein:
&#1048766; Bei W√§rmepumpen bis zu einer Heizleistung von 60 kW m√ľssen wenigstens 20 Einheiten pro Jahr hergestellt werden (keine Prototypen).
&#1048766; Minimale Effizienzanforderungen auf der Basis von Messungen nach der Europ√§ischen Pr√ľfnorm EN 14511
&#1048766; Bestehen der Sicherheitspr√ľfungen f√ľr das Europ√§ische Sicherheitskennzeichen CE und gem√§ss den Schweizer SEV-Normen.
&#1048766; Elektrische Anschl√ľsse gem√§ss den Anforderungen der Elektrizit√§tswerke.
&#1048766; Erf√ľllen der Anforderungen an die Dokumentation f√ľr Planung und Installation.
&#1048766; Serviceorganisation muss verf√ľgbar sein.
&#1048766; Zwei Jahre Vollgarantie und zehn Jahre garantierte Ersatzteilverf√ľgbarkeit.
Das DACH-G√ľtesiegel ist nur f√ľr drei Jahre g√ľltig. Nach Ablauf dieser Frist ist ein neues Ge-such einzureichen. Das G√ľtesiegelkomitee68 der F√∂rdergemeinschaft W√§rmepumpen Schweiz ist f√ľr die G√ľtesiegelerteilung in der Schweiz zust√§ndig. Weitere Einzelheiten in http://www.fws.ch
DACH-G√úTESIEGEL F√úR ERDW√ĄRMESONDEN
Im Gegensatz zum DACH-G√ľtesiegel f√ľr W√§rmepumpen wird beim DACH-G√ľtesiegel f√ľr Erd-w√§rmesonden die ausf√ľhrende Bohrfirma beurteilt. Entsprechend wird es nur an gepr√ľfte Bohr-firmen vergeben. Nach Ausbildungskursen wird die Ausf√ľhrung im Feld periodisch gepr√ľft und das Bohrpersonal muss allj√§hrliche Kurse besuchen. Ein wichtiges Ziel ist die Verhinderung jeder Art von Grundwasserverschmutzung. 2001 wurden in der Schweiz die ersten DACH-G√ľtesiegel f√ľr Erdw√§rmesonden an die Firmen Frutiger, Hastag, KWT und Geotherm vergeben. Die exakten Anforderungen zur Erteilung des G√ľtesiegels findet man in
http://www.fws.ch
FELDANALYSE GANZER W√ĄRMEPUMPENSYSTEME FAWA
Eine hocheffiziente W√§rmepumpe ist eine Sache ‚Äď ein hocheffizientes vollst√§ndiges W√§rme-pumpensystem eine andere. Selbst wenn die bestverf√ľgbaren W√§rmepumpen eingesetzt wer-den, kann von der W√§rmequelle bis zur W√§rmeverteilung in die einzelnen R√§ume vieles schief gehen. Aus dieser Erkenntnis beschloss das Bundesamt f√ľr Energiewirtschaft 1995 auf die Ini-tiative von Fabrice Rognon eine umfassende systematische Feldanalyse ausgef√ľhrter W√§rmepumpensysteme durchf√ľhren zu lassen. Ziele des Vorhabens FAWA (Feldanalyse W√§rmepumpen) war die Aufdeckung von Systemschw√§chen und die Ermittlung der besten W√§rmepumpensysteme. Von 1996 bis 2003 wurden unter der Leitung von Peter Hubacher total 236 W√§rmepumpensysteme 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 f√ľr Luft/ Was-ser-Systeme eine mittlere Jahresarbeitszahl von 2.6 und f√ľr Sole/Wasser-Systeme mit Erd-w√§rmesonden eine solche von 3.4 [Hubacher et al. 2004].
Die 20 besten Anlagen (8.5% der total gepr√ľften Anlagen) wurden n√§her 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 Erdw√§rmesonden eine mittlere Jah-resarbeitszahl von 5.0 (mit einem Maximalwert von 5.6!). Diese Werte liegen deutlich √ľber den Mittelwerten aller gemessenen Anlagen. Dabei waren diese ‚ÄěMeisteranlagen‚Äú keineswegs exo-tische, sondern einfach streng nach den heute bekannten Richtlinien ausgelegte Anlagen. Bei den Sole/Wasser-Systemen mit Erdw√§rmesonden gab es durch eine sorgf√§ltige Optimierung des W√§rmetr√§gervolumenstroms durch die Sonden sehr deutliche Verbesserungen. Sehr hohe Effizienzwerte erzielten die Erdw√§rmesondenanlagen mit reinem Wasser anstelle von ‚ÄěSole‚Äú (Wasser-Ethylenglykol-Mischung). In einem Fall wurde dadurch eine Verbesserung der Leis-tungszahl um 24% beobachtet. Die Verwendung von reinem Wasser als W√§rmetr√§ger ist al-lerdings infolge des Einfrierrisikos nur bei sehr sorgf√§ltiger Erdw√§rmesondenauslegung m√∂g-lich. Weiter ist bemerkenswert, dass ein hoher Anteil der Bestanlagen W√§rmepumpen mit Pro-pan als K√§ltemittel besitzt [Nani et. al 2005].
AUSBILDUNG DER INSTALLATEURE
Ab Beginn war die Ausbildung der Installateure f√ľr die F√∂rdergemeinschaft W√§rmepumpen Schweiz ein wichtiger Pfeiler der Qualit√§tssicherung. Hansueli Bruderer war der erste Leiter des Ausbildungsbereichs der FWS. Seit 2006 wird ein regelm√§ssig stattfindender Dreita-gesausbildungskurs angeboten. Die erfolgreichen Absolventen erhalten ein Zertifikat http://www.fws.ch
W√ĄRMEPUMPENDOKTOR
Die Mitglieder der F√∂rdergemeinschaft W√§rmepumpen Schweiz haben mit dem ‚ÄěW√§rmepum-pendoktor‚Äú noch einen vierten Pfeiler der Qualit√§tssicherung f√ľr W√§rmepumpenanlagen. Die-ser kann angerufen werden, wenn sich zwischen den Installateuren und den Endkunden Unei-nigkeiten ergeben sollten. Ein erster Augenschein des W√§rmepumpendoktors ist f√ľr den Kun-den gratis. Er f√ľhrt normalerweise zu einer g√ľtlichen Einigung. Gl√ľcklicherweise sind solche Probleme aber selten ‚Äď zum Einsatz des W√§rmepumpendoktors kommt es nur in 0.25% der installierten Anlagen. Die ersten W√§rmepumpendoktoren waren Georgio Lehner von den Elektrizit√§tswerken des Kantons Z√ľrich EKZ und Gyula Szokody von Hoval Herzog [Mariani 2007], [Szokody 2007].
8.2.6 Br√ľdenkompression
In der Schweiz erfolgt die gesamte Kochsalz- und Zuckerproduktion in Br√ľdenkompressions-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-w√§sser usw. eingesetzt. Die Anlagen wurden unter den folgenden Firmennamen ausgelegt und gebaut: 1924 ‚Äď 1981 Escher Wyss; 1981 ‚Äď 1991 Sulzer - Escher Wyss; 1992 ‚Äď 1996 Sulzer Chemtech; 1996 ‚Äď 1999 CT Environment ; 1999 ‚Äď 2000 VA TECH WABAG; 2001 ‚Äď 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 weitergef√ľhrt.
8.3 Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
Seit 1990 begann in Europa das definitive ‚ÄúAbheben‚ÄĚ der W√§rmepumpenheizungstechnik. Die Gr√ľnde waren im Wesentlichen dieselben wie die bei der Schweiz bereits beschrieben. Ei-nige L√§nder wie Deutschland, in denen die Elektrizit√§t 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 Qualit√§tsproblem der Vorperiode wurde erkannt und als Konsequenz wurde gr√∂sseres Gewicht auf die Qualit√§tssicherung gelegt. Erdgekoppelte W√§rmepumpen wurden popul√§rer. Diverse Personal-Computer-Programme f√ľr eine genauere Auslegung von einfachen Erdw√§rmesonden und Erdw√§rmesondenfeldern wurden verf√ľgbar, darunter das weit verbreitete EED (Earth Energy Designer) [Hellstr√∂m und Sanner 2000]. Eine ausgezeichnete √úbersicht von f√ľhrenden Wissenschaftern [Lund et al. 2003] erw√§hnt eine weltweit installierte Heizleistung von 9‚Äô500 MW, welche durch rund 800‚Äô000 W√§rmepumpenanlagen produziert werden. Als in der Nutzung des Erdreichs als W√§rmequelle f√ľr W√§rmepumpen f√ľhrend werden √Ėsterreich, Kanada, Deutschland, Schweden, die Schweiz und die U.S.A. aufgef√ľhrt. In Europa wurden nat√ľrliche K√§ltemittel schon fr√ľh gef√∂rdert. Die ersten W√§rmepumpen mit Propan erschienen 1993. Innerhalb des IEA-W√§rmepumpenprogramms wurden Richtlinien f√ľr die Verwendung nat√ľrlicher K√§ltemittel 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 f√ľr die Verwendung nat√ľrlicher K√§lte-mittel unternommen. Dieses Projekt der Europ√§ischen Union richtet sich an kleine und mittlere Unternehmen. Es umfasst die Entwicklung, die Herstellung und das Testen effizienter und kos-teng√ľnstiger W√§rmepumpen mit nat√ľrlichen K√§ltemitteln. Es steht im Einklang mit der k√ľnftigen Umweltgesetzgebung Europas. Das Vorhaben wird durch die beiden unabh√§ngigen Verb√§nde Greth (Heat Equipment Association) und EHPA (European Heat Pump Association) koordi-niert. Die Kerngruppe setzt sich aus 18 KMUs aus 11 L√§ndern zusammen. Die Forschungs- und Entwicklungsaufgaben werden von 9 europ√§ischen Kompetenzzentren √ľbernommen. Na-t√ľrliche K√§ltemittel haben gegen√ľber den synthetischen K√§ltemitteln unterschiedliche thermo-dynamische und chemische Eigenschaften. Dies erfordert Neukonstruktionen oder zumindest Anpassungen der Hauptkomponenten wie W√§rme√ľbertrager und Kompressoren. Gleichzeitig sind angepasste Regelungsstrategien zu entwickeln. Weitere Herausforderungen sind Materialkompatibilit√§t und die Minimierung des K√§ltemittelinhalts. Nach ersten Untersuchungen wer-den in der n√§chsten Projektphase 10 Prototyp-Systeme mit Heizleistungen von 2 bis 100 kW ausgelegt, gebaut und getestet [Thonon 2006].
DEUTSCHLAND
In Deutschland √ľbernimmt der T√úV (Technischer √úberwachungs-Verein) die offizielle W√§rme-pumpenpr√ľfung und ist auch verantwortlich f√ľr die Gew√§hrung des DACH-G√ľtesiegels. Seit 1997 wird das Auslegungs-Know-how im Bereich erdgekoppelter W√§rmepumpenanlagen in konzentrierter Form als VDI-Richtlinie 464071 herausgegeben. An der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie haben auch √Ėsterreich und die Schweiz mitgearbeitet.
1993 hat Stiebel Eltron ihre erste Propan-W√§rmepumpe vorgestellt und berichtete einige Jah-re sp√§ter √ľber die damit erworbenen Markterfahrungen [Schiefelbein 1999]. F√ľr Niedrigenergieh√§user mit kontrollierter L√ľftung hat die Firma eine bemerkenswerte W√§rmepumpe mit integrierter W√§rmer√ľckgewinnung und Warmwasserbereitung auf den Markt gebracht. Sie ist auch mit zus√§tzlicher Solarw√§rmenutzung erh√§ltlich. 2006 baute Stiebel Eltron in Holzminden Europas gr√∂sste W√§rmepumpenfabrik. Die ersten W√§rmepumpenw√§schetrockner (W√§rmepumpentumbler) 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-Absorptionsw√§rmepumpen-Pionier, Hans Stierlin, seine Erfindung ins Ausland. Weitere Ver-suche wurden bei Buderus in Deutschland bereits 1994 durchgef√ľhrt. 1997 wurde der Zu-sammenarbeitsvertrag zwischen Stierlins Kleinstfirma Creatherm und Buderus unterzeichnet. Das Diffusions-Absorptionsw√§rmepumpen-Projekt hat Buderus in seiner holl√§ndischen Tterfirma Nefit Fasto fortgesetzt. 1999 wurden umfangreiche Feldtests mit einem Zusatf√ľr die Spitzendeckung ‚Äď dem ‚ÄěAWP-Kessel‚Äú, wovon die Schweizer Forscher 1995 tr√§umtendurchgef√ľhrt. Die Versuche fielen sehr befriedigend aus. Die im Abschnitt 8.2.1 bereits er√∂rtten alten Ergebnisse wurden best√§tigt: 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 ‚ÄúBuderus Loganova‚ÄĚ bezeichneten PrototyAuszeichnung der deutschen Gasindustrie zugesprochen. Es gab viel Publizit√§t um den bevostehenden Marktauftritt der Buderus Loganova. Sie ist im Markt aber noch immer nicht erh√§lt-lich. Das Hauptproblem liegt wohl in der Massenproduktion der komplizierten Rohr-in-Rohr-Anordnung.Die Idee eines Betriebes von Erdw√§rmesonden mit CO2 als Arbeitsmittel entstand im euro-p√§ischen Projekt COHEPS. Die CO2-W√§rmerohrl√∂sung (heat pipe) wurde 1988 durch dasForschungszentrum f√ľr K√§ltetechnik und W√§rmepumpen FKW in Hannover patentiert. Um Kor-rosionsprobleme zu meistern, wird gegenw√§rtig ein flexibles Stahlrohrsystem aus nichtrosten-dem Stahl untersucht [Kruse et al. 2008].
√ĖSTERREICH
Wie bereits beschrieben, gehen in den U.S.A. erste Versuche mit Direktexpansions-Erdkollektoren auf das Jahr 1945 zur√ľck. Direktexpansionssysteme weisen Vorteile (keine W√§rmetr√§gerumw√§lzpumpe, guter W√§rme√ľbergang bei der Verdampfung) aber auch Nachteile (√Ėlr√ľckf√ľhrung bei vertikalen Systemen, Gefahr des Mitreissens von Fl√ľssigkeit, K√§ltemittelf√ľllung sollte bereits beim W√§rmepumpenhersteller erfolgen) auf. Sie wurden in der Schweiz aus √∂kologischen Gr√ľnden nie erlaubt (siehe Abschnitt 8.2.3). In √Ėsterreich sind sie aber sehr er-folgreich, und es gibt ein offizielles Testinstitut f√ľr Systeme mit Direktexpansion in Wien72. Di-rektexpansionssysteme erreichten 1996 in √Ėsterreich einen Anteil von 66% [Halozan 1997].2001 hat Karl Mittermayr Erdw√§rmesonden mit verdampfendem CO2 f√ľr praktische Anwendungen zum Funktionieren gebracht. Zu den offensichtlichen Vorteilen (keine Umweltprobleme und wenn √∂lfrei, keine Zirkulationspumpe (Thermosyphon), hoher W√§rme√ľbergangskoeffizient, st√§rkste Verdampfung an Stellen mit h√∂chster 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 Sommerk√ľhlung 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-w√§rmesondenvariante wird durch die VDI-Richtlinien 4640 nicht abgedeckt.
SKANDINAVIEN (NORWEGEN, SCHWEDEN, D√ĄNEMARK, FINNLAND)
Besonders in Schweden f√ľhrte eine starke Abneigung gegen Kernkraftwerke zu Initiativen zur Reduktion des Energiebedarfs. W√§rmepumpen wurden als eine sehr interessante Alternative zu elektrischen Widerstandsheizungen erkannt, da sie den Bedarf an elektrischer Energie um Faktoren reduzieren. Am Institut f√ľr Technologie der Universit√§t Lund wurde die von Per Eskilson begonnene Modellierung von Erdw√§rmesonden durch G√∂ran Hellstr√∂m zu einer wegwei
09 Feb 2012
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Wärmepumpen Geschichte Teil 5
Modellierung von Erdw√§rmesonden durch G√∂ran Hellstr√∂m zu einer wegweisenden, thermischen Analyse von Erdw√§rmespeichersystemen erweitert [Hellstr√∂m 1991].Das Qualit√§tsg√ľtesiegel P-mark in Schweden und der nordische Schwan als √Ėkog√ľtesiegel wurden bis heute beibehalten [Fors√©n 2005]. Wie mit der beschriebenen Heizk√∂rperw√§rme-pumpe in der Schweiz gab es auch in Schweden eine Einzelraumw√§rmepumpenentwicklung durch Eufor von H√§rn√∂sand. Es handelte sich um ein erdgekoppeltes Direktexpansionssystem mit einer hohen Jahresarbeitszahl [Fal√©n 1995].Die d√§nische Firma Sabroe f√ľhrte 1990 Hochtemperaturkompressoren f√ľr Ammoniak ein. Dies erm√∂glichte eine Steigerung der W√§rmesenkentemperatur auf √ľber 70 ¬įC. Auch in der Schweiz wurden zahlreiche Sportzentren mit k√ľnstlichen Eisbahnen und Hallenschwimmb√§der wie auch Wohngeb√§ude mit diesem Kompressor ausger√ľstet [Reiner 2007]. 1997 kaufte Sabroe die K√§lteabteilung von ABB (fr√ľher BBC) [Kunis et al. 2004].Auch in Norwegen gab es einen Versuch zum Bau einer kleinen W√§rmepumpe mit Ammo-niak als K√§ltemittel [Jonassen und Stene 1997]. In Norwegen und Schweden wurden zahlrei-che grosse W√§rmepumpensysteme gebaut. Die dabei aus der Schweiz stammenden Anla-gen wurden im Abschnitt 8.2.1 bereits beschrieben. Der Grund f√ľr den Bau der grossen Anla-gen liegt in den bereits existierenden grossen Fernheiznetzwerken, dem tiefen Elektrizit√§tspreis und in manchen F√§llen auch in der leichten Verf√ľgbarkeit des Meeres als W√§rmequelle.
U.S.A. UND KANADA
In den U.S.A. hielt die Zunahme der auf dem Dampfkompressionsprinzip beruhenden W√§r-mepumpen und Klimatisierungseinheiten an. 1999 gab es in den U.S.A. einen einzigen Hersteller kleinerer W√§rmepumpen und Klimatisierungsanlagen nach dem Absorptionsprinzip. Es gab aber weltweite Anstrengungen zur Entwicklung der Absorptionsw√§rmepumpen [Ra-dermacher et al. 1994], [Ab-Sorption 1996]. Absorptionsw√§rmepumpen konnten sich aber f√ľr die Raumheizung und die Warmwasserbereitung gegen√ľber den kosteng√ľnstigeren und effi-
72 √Ėsterreichisches Forschungs- und Pr√ľfzentrum Arsenal, A-1210 Wien; http://www.arsenal.ac.at/org
SONDERPRINZIPIEN
zienteren Dampfkompressionsw√§rmepumpen bis heute nicht richtig durchsetzen. Die verf√ľgba-ren Absorptionsw√§rmepumpen sind Einfach-Effekt Ammoniak-Wasser-Aggregate mit einem Nutzungsgrad um 150%. Versuchsanlagen mit dem komplizierteren GAX-Kreislauf (Generator-Absorber heat exchanger) erreichten deutlich h√∂here Werte [Burget 1999]. 1990 unterst√ľtzte Ontario Hydro ein Programm zur Installation erdgekoppelter W√§rmepumpen in Wohngebieten ohne Erdgasanschluss http://www.centreforenergy.com
CHINA
2005 wurden in China Prototypanlagen zur Nutzung von Rohabwasser als W√§rmequelle f√ľr die Heizung im Winter und als W√§rmesenke f√ľr die Sommerk√ľhlung installiert. Sie wurden in einem Hotel und einem Einkaufszentrum in Harbin mit Erfolg getestet. Harbin ist eine im Winter sehr kalte Stadt in der Provinz Heilongjiang in Nordostchina [Fangchao 2005].
BR√úDENKOMPRESSION
Heute betr√§gt die Weltkochsalzproduktion 2‚Äô300‚Äô000 Tonnen pro Jahr. Der Anteil an Br√ľden-kompressionsanlagen nimmt stetig zu. Die europ√§ischen Hersteller von Br√ľdenkompressions-anlagen wurden im Abschnitt 8.2.6 erw√§hnt. Beizuf√ľgen ist noch die Firma HPD in den U.S.A.
9 SONDERPRINZIPIEN
ADSORPTION
Den Adsorptionsaggregaten wurden viele Forschungsarbeiten gewidmet. Es wurden aber nur wenige Anwendungen im solarthermischen Bereich praktisch realisiert. Amundsen hat 1930 ei-nen Haushalt-Adsorptionsk√ľhlschrank mit Aktivkohle / Methylalkohol gebaut . Ab 1950 wurden f√ľr die Adsorptionsk√ľhlung neue chemische Verbindungen wie Silicagel (ergab nur m√§ssige Resultate) und Zeolithe (‚ÄěMolekularsiebe‚Äú, ergab bessere Resultate). Heute ist eine gewisse Wiederbelebung der Adsorptionsk√ľhlung mit solarthermischem Betrieb zu beobachten. Adsorptionsw√§rmepumpen zu Heizzwecken konnten sich nicht durchsetzen [Nagengast et al. 2006], [Thevenot 1979].
THERMOELEKTRISCHER EFFEKT
Eine thermoelektrische K√ľhlung tritt auf, wenn ein elektrischer Strom durch zwei ungleiche Metalle oder Halbleiter (n-Typ oder p-Typ) fliesst, welche miteinander an zwei Stellen verbun-den sind (Peltier Verbindungen). Eine Verbindung k√ľhlt sich ab, w√§hrend die andere aufgeheizt wird. Der elektrische Strom bewirkt deshalb einen W√§rmetransport von einer Verbindung zur anderen. Dieser Effekt wurde 1834 durch den Physiker Jean Peltier entdeckt. 1909 und 1912 publizierte Edmund Altenkirch zwei Artikel zur thermoelektrischen K√ľhlung. Das Ph√§nomen blieb aber bis nach 1945 eine Laboratoriumskuriosit√§t. 1949 konstruierte A.F. Loffe den ersten thermoelektrischen K√ľhlschrank. In den Jahren 1949/1950 gab die Verwendung von Halblei-tern Anlass zu neuer Hoffnung, einen wesentlich st√§rkeren Effekt als mit reinen Metallen zu er-reichen. In der Sowjetunion wurden mehrere thermoelektrische Haushaltk√ľhlschr√§nke gebaut. Aber die immer noch geringe Effizienz des thermoelektrischen Effekts liess auch nach 1960 nur einige sehr spezielle Anwendungen wie das thermoelektrische K√ľhlen in der Medizin oder in der Radioelektronik zu [Thevenot 1979], [Nagengast et al. 2006].
SONDERPRINZIPIEN 103
STIRLINGPROZESS
John Herschel soll 1834 als erster versucht haben, den Stirlingprozess zum K√ľhlen einzu-setzen. Aus Beschreibungen in einer Publikation von Alexander Kirk im Jahr 1876 scheint es, dass das Prinzip der K√ľhlung mit dem Stirlingprozess in technischen Kreisen durchaus be-kannt war. Aber erst sehr viel sp√§ter, ab 1946, wurde der Stirlingprozess bei Philips unter der Leitung von J. W. L. K√∂hler f√ľr die Tieftemperaturanwendung zur Gasverfl√ľssigung zur prakti-schen Reife entwickelt. 1957 waren nach dem Stirling-Prinzip arbeitende Maschinen in der La-ge, Temperaturen bis hinunter zu 12 K zu erzeugen [Global Cooling 2004].
Die Kombination einer Stirlingantriebsmaschine mit einer Stirlingw√§rmepumpe wird als Vuil-leumier-W√§rmepumpe bezeichnet. In der Schweiz begann Jean-Pierre Budliger mit der Ent-wicklung einer neuen Technologie f√ľr Vuilleumier-W√§rmepumpen. Sie wurde aus der Doppel-Freikolben-Stirlingw√§rmepumpe von W. Beale abgeleitet. In seinem neuen Konzept ersetzte Budliger den schweren Arbeitskolben mit seiner problematischen Kolbendichtung durch eine in Resonanz schwingende Gass√§ule. Er f√ľhrte intensive theoretische und experimentelle Studien zu seinem Konzept mit zwei Kolben und einem Resonanzrohr dazwischen aus: Den Nutzungsgrad dieser neuen W√§rmepumpe hat er zu 150% berechnet. Auf der Grundlage seiner Studien baute Budliger mit Unterst√ľtzung des Bundesamts f√ľr Energiewirtschaft ein Funktionsmodell. Leider wurde die interessante Entwicklung nach ersten Tests aufgrund fi-nanzieller Probleme abgebrochen. Das Funktionsmuster kam zwar noch in Betrieb; aber der prognostizierte Nutzungsgrad von 150% konnte nie experimentell verifiziert werden [Budliger 1987, 1993, 1995].
In den U.S.A. hat die Firma Sunpower von 1989 bis 1995 eine Freikolben-Stirling-Kältemaschine mit horizontal entgegengesetzt angeordneten Kolben (Boxer-Prinzip) entwickelt. Es wurde im Space Shuttle eingesetzt [Global Cooling 2004].
MAGNETOKALORISCHER EFFEKT
Wenn ein geeignetes Material in ein starkes Magnetfeld gebracht wird, werden die magneti-schen Dipolmomente im Material nach dem Magnetfeld ausgerichtet. Dies produziert eine Re-
SONDERPRINZIPIEN 104
duktion der magnetischen Entropie. Damit die Gesamtentropie konstant bleibt, entsteht eine kompensierende Erw√§rmung des Materials. Wenn das sich immer noch im Magnetfeld befindli-che Material anschliessend abgek√ľhlt und dann aus dem Magnetfeld entfernt wird, k√ľhlt es sich weiter ab und bewirkt dadurch einen K√ľhleffekt. Dieser magnetokalorische Effekt (MCE) wurde 1881 vom deutschen Physiker Emil Warburg entdeckt. Er brachte ein St√ľck reines Eisen in ein starkes Magnetfeld und entdeckte, dass sich seine Temperatur dabei leicht erh√∂hte. Der magnetokalorische Effekt variierte zwischen 0.5 und 2 K/T (T: Tesla). Wesentliche Fortschritte wurden erst in den sp√§ten 1920er Jahren erzielt, als die K√ľhlung durch adiabatische Entmag-netisierung unabh√§ngig vom holl√§ndischen physikalischen Chemiker Peter Debye (1926) und vom amerikanischen Chemiker William F. Giauque (1927) vorgeschlagen wurde. Mit dem Er-reichen einer Temperatur von 0.25 K haben Giauque (der 1949 mit dem Nobelpreis f√ľr Chemie ausgezeichnet wurde) und sein Kollege, D.P. MacDougall, den magnetokalorischen Effekt 1933 eindr√ľcklich demonstriert. In den U.S.A. wurde 1929 zwar ein magnetokalorischer K√ľhlschrank zum Funktionieren ge-bracht; die Entwickler fanden aber, dass noch weitere Untersuchungen n√∂tig seien [Barclay 1978]. Zwischen 1933 und 1997 wurden in der Anwendung der magnetokalorischen K√ľhlung eine Reihe von Fortschritten erzielt. 1997 wurde der erste ‚ÄúGiganteneffekt‚ÄĚ mit pseudobin√§ren Gadolinium-Legierungen in Raumtemperaturn√§he durch Karl A. Gschneidner Jr. und Vitalij. K. Pecharsky an der Iowa State University demonstriert. Dieses Ereignis spornte interessierte Wissenschaftler und Firmen aus aller Welt zur Entwicklung neuer Materialien und K√ľhl-schrankkonstruktionen an. MCE-Labork√ľhlschr√§nke wurden mit magnetischen Feldst√§rken von 0.6 T bis 10 T (1 Tesla entspricht etwa dem 20‚Äô000-fachen der Feldst√§rke des Erdmagnetfel-des) betrieben. Magnetfeldst√§rken √ľber 2 T sind mit Permanentmagneten schwer zu erzeugen. Sie erfordern supraleitende Elektromagnete. Das wachsende Interesse an der magnetokalori-schen Technik wird illustriert durch die Gr√ľndung der ‚ÄěWorking Party on Magnetic Refrigerati-on‚Äú des internationalen Instituts f√ľr K√§ltetechnik http://www.mcwp.ch und der Durchf√ľhrung einer ersten internationalen Konferenz in der Schweiz im Jahr 2005 [Egolf et al. 2005], [Gschneidner et al. 2005]. K√ľrzlich haben Peter Egolf, Osman Sari, Andrej Kitanovski und ihre Assistenten an der Fach-hochschule der Westschweiz in Yverdon-les-Bains eine neues, rotierendes, magnetokalori-sches Prinzip zum Bau von K√ľhlaggregaten und W√§rmepumpen entwickelt [Kitanovski et al. 2004], [Egolf et al. 2006]. In ihrem System werden die vier thermomagnetischen Prozess-schritte (adiabatische Magnetisierung, isomagnetische W√§rmeabfuhr, adiabatische Entmagne-tisierung, isomagnetische W√§rmezufuhr) in einfacher Weise kontinuierlich durchgef√ľhrt [Sari 2007], [Vuarnoz 2007]. Eine theoretische Machbarkeitsstudie f√ľr eine magnetokalorische 8 kW W√§rmepumpe ergab f√ľr eine W√§rmequelle von 0 ¬įC und eine W√§rmesenke von 30¬įC in-teressante Ergebnisse [Egolf 2007]. Da mit einem Kaskadenelement ein maximaler Tempera-turhub von nur 8 K erreicht werden kann, wird ein Temperaturhub von 35 K realistischerweise kaum √ľberschritten. Das BFE-Forschungsprojekt wird mit dem Bau eines Funktionsmusters weitergef√ľhrt.
WIRBELROHR
Der Franzose Georges Ranque entdeckte 1933 den Wirbelrohreffekt. Sein Wirbelrohr wurde 1947 vom Deutschen Rudolf Hilsch verbessert. Beim tangentialen Eind√ľsen von Luft in ein zy-lindrisches Rohr entsteht eine rotierende Expansionsstr√∂mung, welche den Luftstrom in einen kalten und einen warmen Strom aufteilt. Dieses System ist von grosser Einfachheit ‚Äď seine Ef-fizienz ist aber √§usserst gering. F√ľr W√§rmepumpenanwendungen kommt es deshalb nicht in Frage. Die Anwendung des Wirbelrohrs ist auf den Spezialfall beschr√§nkt, bei dem auf einfa-che Weise ein kurzzeitiger Temperatursturz mit ohnehin zur Verf√ľgung stehender Druckluft er-zeugt wird [Thevenot 1979].
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09 Feb 2012
11:05:32
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