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Wärmepumpen !!
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Wärmepumpen !!
Hallo !!!
Ich mache ein Referat über wärmepumpen.
Kennt sich jemand damit aus ?
Bitte melden !
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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
Wärmepumpen & Co. dezentrale Lüfter mit Wärmerückgewinnung
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 Maßnahme u.U. viel Geld investieren möchte, sollte die damit verbundenen bzw. wesentlichen Vor- und Nachteile genau überprüfen (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.
Für die ordnungsgemäße Funktionalität usw. haften ausschließlich die Hersteller bzw. die Vertreiber.
dezentraler Lüfter 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.
Regelmäßiges Lüften wird zur unabdingbaren Voraussetzung für gesundes Wohnen und persönliches Wohlbefinden.
Lüftungssystem “Thermo-Lüfter 1230” mit Wärmebereitstellungsgrad 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 flüssiges Wasser lange genug, fängt es an zu kochen. Von diesem Zeitpunkt an geht das Wasser in die gasförmige Phase über. Der Teil, der noch flüssig ist, erwärmt sich nicht weiter, obwohl man ständig weitere Wärmeenergie zuführt. Wo bleibt diese Energie? Sie wird benötigt, um das flüssige Wasser in Wasserdampf zu überführen.
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 beträgt für Wasser etwa 2.257 J/g. Sie ist ein Teil der im Wasserdampf enthaltenen latenten Wärme, und wird beim kondensieren des Wassers als Kondensationswärme, wieder frei. Wandelt sich flüssiges Wasser beim abkühlen in Eis um, wird Kristallisationswärme frei, der zweite Teil der latenten Wärme.
Um Eis wieder in den flüssigen Aggregatzustand zu versetzen, benötigt man die Schmelzwärme. Sie beträgt etwa 335 J/g. Wasserdampf kann auch direkt vom gasförmigen in den festen Zustand übergehen und umgekehrt, ohne dabei in die flüssige Phase überzugehen.
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 würden 1 dm Eis von 0 °C erwärmen, um 1 dm Wasser von 0 °C zu erhalten, dann müssten Sie ungefähr die gleiche Energiemenge aufbringen, die benötigt wird, um 1 dm Wasser von 0 °C auf 80 °C zu erwärmen. Anhand dieses Beispiels können Sie sich auch als Nichtphysiker vorstellen, von welchen Größenordnungen, wir hier ausgehen, denn verwendet man anstatt Wasser z.B. Paraffin, dann öffnen sie "energetische Welten", die locker das 4-fache betragen können (Physiker mögen 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 fühlbare Energie verwendet bzw. in Ihrem Heizungssystem eingesetzt werden kann.
Fazit:
Kostenlose Energie ganzjährig latent speichern, um dann nach Bedarf abgerufen werden zu können. Ein Latent-Speicher kann ergänzend zu allen gängigen Heizungsanlagen (Öl-, oder Gasheizung, alle Wärmepumpenarten, Holzpellets, Stückholzheizung, Brennstoffzelle usw.) eingesetzt werden. Wer jedoch richtig und zukunftsorientiert sparen möchte, der nutzt die kostenlose Solarthermie als Hauptenergielieferanten.
Die Auslegung (Berechnung) des Latent-Speichers ist jedoch eine Angelegenheit für Spezialisten, denn alle Energieträger (alte Heizung + Solarthermie + Latentspeicher + Anlagetechnik) müssen optimal aufeinander abgestimmt werden, wenn man für sein sauer verdientes Geld eine Top-Spar-Heizung wünscht.
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 Öl- und Gasheizungen:
Hier erfahren Sie, was Ihnen von Heizkesselherstellern und von Heizungsinstallateuren über das Takten (Ein- und Ausschalten des Brenners) und über die dadurch abzuleitende "wirkliche" Leistungszahl (Wirkungsgrad) beharrlich verschwiegen wird. Schließlich hat man ja größtes Interesse daran, in den nächsten Jahren noch über 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), füllen Sie Ihren Tank wieder auf. Vermutlich werden Sie anstatt 8 ltr. nun 40 ltr. einfüllen müssen. So fährt 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.
Für weitere Informationen und Problemlösungen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.
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 flüssiges Wasser lange genug, fängt es an zu kochen. Von diesem Zeitpunkt an geht das Wasser in die gasförmige Phase über. Der Teil, der noch flüssig ist, erwärmt sich nicht weiter, obwohl man ständig weitere Wärmeenergie zuführt. Wo bleibt diese Energie? Sie wird benötigt, um das flüssige Wasser in Wasserdampf zu überführen.
Mit Wasserdampf ist hier unsichtbares gasförmiges Wasser gemeint und nicht der Dampf, den man sieht, wenn das Essen “dampfend” auf dem Tisch steht. Die benötigte Energiemenge bezeichnet man als Verdampfungswärme.
Diese beträgt für Wasser etwa 2.257 J/g. Sie ist ein Teil der im Wasserdampf enthaltenen latenten Wärme, und wird beim kondensieren des Wassers als Kondensationswärme wieder frei. Wandelt sich flüssiges Wasser beim Abkühlen in Eis um, wird die Kristallisationswärme frei, der zweite Teil der latenten Wärme.
Um Eis wieder in den flüssigen Aggregatzustand zu versetzen, benötigt man die Schmelzwärme. Sie beträgt etwa 335 J/g. Wasserdampf kann auch direkt vom gasförmigen in den festen Zustand übergehen und umgekehrt, ohne dabei in die flüssige Phase überzugehen.
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 würden 1 dm Eis von 0 °C erwärmen, um 1 dm Wasser von 0 °C zu erhalten, dann müßten Sie ungefähr die gleiche Energiemenge aufbringen, die benötigt wird, um 1 dm Wasser von 0 °C auf 80 °C zu erwärmen. Anhand dieses Beispiels können Sie sich auch als Nichtphysiker vorstellen, von welchen Größenordnungen wir hier ausgehen, denn verwendet man anstatt Wasser z.B. Paraffin, dann öffnen sie "energetische Welten", die locker das 4-fache betragen können (Physiker mögen 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 fühlbare Energie verwendet bzw. in Ihrem Heizungssystem eingesetzt werden kann.
Fazit:
Kostenlose Energie ganzjährig latent speichern, um dann nach Bedarf abgerufen werden zu können. Ein Latent-Speicher kann ergänzend zu allen gängigen Heizungsanlagen (Öl-, oder Gasheizung, alle Wärmepumpenarten, Holzpellets, Stückholzheizung, Brennstoffzelle usw.) eingesetzt werden. Wer jedoch richtig und zukunftsorientiert sparen möchte, der nutzt die kostenlose Solarthermie als Hauptenergielieferanten.
Die Auslegung (Berechnung) des Latent-Speichers ist jedoch eine Angelegenheit für Spezialisten, denn alle Energieträger (alte Heizung + Solarthermie + Latentspeicher + Anlagetechnik) müssen optimal aufeinander abgestimmt werden, wenn man für sein sauer verdientes Geld eine Top-Spar-Heizung wünscht.
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 Wärmepumpe kann man anhand der Arbeitsweise eines Kühlschrankes erklären. Dort wird dem Kühlgut über den Verdampfer Wärme entzogen und über den Verflüssiger an der Rückseite des Gerätes in den Raum abgegeben.
Bei der Wärmepumpe entzieht der Verdampfer die Wärme aus der Umwelt (Luft, Wasser, Erdreich) und führt sie über den Verflüssiger dem Heizsystem (Fußbodenheizung oder Radiatoren) zu.
Brechnungsbeispiel der Firma Ochsner:
Klicken Sie auf eines der Fotos und überzeugen Sie sich selbst von den Vorteilen einer Wärmepumpe:
Wenn Sie sich etwas tiefer mit Wärmepumpen befassen möchten und zusätzlich den Vergleich zu Öl- und Gasheizungen suchen, dann öffnen 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 Gesetzmäßigkeiten. Das Arbeitsmittel, eine schon bei niedriger Temperatur siedende Flüssigkeit (Kältemittel), wird in einem Kreislauf geführt und dabei nacheinander verdampft, verdichtet, verflüssigt und entspannt.
Im Verdampfer befindet sich das flüssige Arbeitsmittel bei niedrigem Druck. Die Umgebungstemperatur des Verdampfers ist jedoch höher als die dem vorhandenen Druck entsprechende Siedetemperatur des Arbeitsmittels. Diese Temperaturdifferenz bewirkt eine Wärmeübertragung von der Umgebung auf das Arbeitsmittel, wobei das Arbeitsmittel siedet und verdampft. Die dazu erforderliche Wärme wird der Wärmequelle (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 Verflüssiger, der vom Heizungswasser umspült wird. Die Temperatur des Heizwassers ist niedriger als die Verflüssigertemperatur, so dass der Dampf gekühlt und dabei wieder verflüssigt wird. Die im Verdampfer aufgenommene Energie (Wärme), zuzüglich der durch das verdichten zugeführten Energie (Strom), wird im Verflüssiger freigesetzt und an das kältere Heizwasser abgegeben.
Zum Schluss wird nach dem Verflüssigen das Arbeitsmittel über ein Expansionsventil wieder in den Verdampfer zurückgeführt. Das Arbeitsmittel wird dabei von dem hohen Druck des Verflüssigers 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:
Außenluft steht immer und überall in unbegrenzter Menge zur Verfügung. Durch eine in der Wärmepumpe integrierte Abtaueinrichtung ist eine einwandfreie Funktion bis ca. -20 °C gegeben.
Eine Außenluft-Wärmepumpe eignet sich überall zum nachträglichen Einbau (besonders bei Altbauten). Dort wo es die Örtlichkeit zulässt (ausreichende Gartenfläche) kann die Außenluft über ein im Erdreich verlegtes Rohrsystem (Erdwärmetauscher) auch extrem kalte Luftmassen von unter -20 °C noch auf deutlich über 0 °C erwärmen.
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 Größe und Lage des EWT und eine erforderliche Entwässerung, sowie Filtereigenschaften der erwärmten Luft bedürfen 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 Wärmequelle für Umweltwärme ist Grundwasser. Sofern diese in geeigneter Qualität und Tiefe vorhanden ist. Eine konstante Temperatur von +8 bis 12 °C prädestiniert den Energieträger Grundwasser für die Ganzjahresheizung zu niedrigsten Betriebskosten.
Die hohen Jahresarbeitszahlen (Wirkungsgrade) dieser Wärmequelle sind unerreicht. Dabei wird das Grundwasser vom Förderbrunnen zur Wärmepumpe und von dort in den zirka 15 m entfernten Schluckbrunnen geführt.
TOP
Erdwärme Direkterwärmung (Typ: AVENIR):
Der Flachkollektor des Erdwärmesystems stellt einen besonders wirkungsvollen Sonnenkollektor dar: Er liefert auch nachts und im Winter Wärme! Das Erdreich dient dabei als natürliche Speichermasse, welche bei kompetenter Planung weit über 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 enthält ein Medium, das die Energie aus dem Boden aufnimmt.Das Medium transportiert die Energie zur Wärmepumpe die sie in Heizwärme umwandelt. Im Inneren des Hauses wird die Wärme über einen herkömmlichen Niedertemperatur-Wasserkreislauf verteilt.
Der Kreislauf mit der Kühlflüssigkeit umfasst sowohl die im Erdreich verlegten Kollektoren als auch die Fußbodenheizung im Inneren des Hauses. Bei dieser Methode kann die Temperatur nicht getrennt für die einzelnen Räume eingestellt werden. Die Option Kühlung entfällt ebenfalls.
Ein Kollekt or in Form eines kunststoffummantelten Kupferrohres enthält ein Medium, das die Energie aus dem Boden aufnimmt.Das Medium transportiert die Energie zur Wärmepumpe die sie in Heizwärme umwandelt. Im Inneren des Hauses wird die Wärme über einen herkömmlichen Niedertemperatur-Wasserkreislauf verteilt.
Die Vorteile:
Die Temperatur kann für jeden Raum getrennt geregelt werden
Verwendung bei herkömmlichen Niedertemperatur-Heizsystems
maximale Leistung der Heizqualität und der Einsparungen
Kühlung als Option für den Sommer möglich
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 Grundstücksfläche für eine flache Verlegung nicht ausreicht, kann eine Tiefensonde installiert werden.
Adsorptionswärmepumpen (z.B. Zeolith)
Eine neue Entwicklung sind sogenannte Adsorptionswärmepumpen, auf Basis des Stoffsystems Zeolith und Wasser. Sie sollen künftig höhere Wirkungsgrade erreichen als Niedertemperatur- und Brennwertgeräte. Adsorptionswärmepumpen unterscheiden sich von herkömmlichen Kompressionswärmepumpen 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 dafür benötigte Wärme liefert eine Gasbrennwerttherme. Energiewandelverluste, wie sie bei der Erzeugung von Strom für den Antrieb von Elektro-Wärmepumpen notwendig anfallen, treten nicht auf. Durch das zusätzliche Einspeisen von Umgebungswärme in den Prozess können im Jahresdurchschnitt Wirkungsgrade von bis zu 135% erreicht werden.
Damit übertrifft das Heizgerät auch Brennwertgeräte, die einen maximalen Wirkungsgrad von 111% (bezogen auf Hu) erzielen können. Ähnliche Wirkungsgrade werden dank Einkoppelung von Umweltwärme auch von der Diffusions-Absorptionswärmepumpe der Fa. Buderus erreicht einer zweiten Neuentwicklung im Bereich der Gaswärmepumpen. Hier wird ein Ammoniak-Wassergemisch als Arbeitsmedium eingesetzt mit Helium als Trägergas. Vorgesehen ist, ein System für den Neubau mit einer maximalen Heizleitung von 11 kW auf den Markt zu bringen. Ein zweites System mit einer Leitung von 19 kW wird für den Sanierungsbereich entwickelt.
Ziel des innovativen Projektes "Zeolith: Ein Mineral zum energieeffizienten Heizen und Kühlen" war die Entwicklung einer Nachfolgetechnologie der Brennwerttechnik. Im Rahmen des Projekts wurde ein energieeffizientes Heizsystem für Raumheizungen und Brauchwasser entwickelt. Das System ist eine Kombination aus einem Brennwertkessel des aktuellen Standes der Technik und einer mit einem Gasbrenner angetriebenen Feststoff-Sorptionswärmepumpe mit dem umweltverträglichen Arbeitsstoffpaar Wasser und dem Mineral Zeolith. Dieses Heizkesselsystem der Zukunft heizt und kühlt zugleich! Nähere Informationen erhalten Sie u.a. bei den Firmen Buderus und Vaillant. (pdf-Datei BINE und IZW)
Erdwärme Sole:
Bei genügend Gartenfläche die preisgünstigste Lösung. Im unverrottbaren Rohrsystem zirkuliert ein Wärmeträgermedium (Sole), welches die Sonnenenergie als Erdwärme aufnimmt und zur Wärmepumpe leitet. Die Flachkollektoren werden in einer Tiefe von 120 bis 140 cm verlegt.
Dort wo die Gartenfläche nicht ausreicht, können Künettenkollektoren in einer Tiefe von ca. 180 cm verwendet werden. Aber auch Erdsonden können 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 Fläche ergibt die Erdreichfläche des Erdkollektors. Der Erdkollektor besitzt daher ideale Voraussetzungen für einen monovalenten Heizungsbetrieb. Die Entzugsleistung des Erdreichs liegt je nach Bodenbeschaffenheit zwischen 15 und 35 Watt pro m². Bei Erdsonden zwischen 30 und 100 Watt pro Meter Sondenlänge (nördl. BaWü. 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-, Stütz- oder Schallschutzmauern, Carports oder Garagen, Balkonbrüstungen sowie Betonfassaden die Sonnenwärme. Zusätzlich wird über 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 Abwasserwärme aus der öffentlichen Kanalisation wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll. Die Abwasserwärme eignet sich demnach zur Warmwasserbereitung und Beheizung von Gebäuden. Die Energiekonsens GmbH hatte für die Studie der bisher noch wenig genutzten Energiequelle aus technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Sicht das Beispiel der Seestadt Bremerhaven untersucht.
Während die Wärmerückgewinnung bei Abwasser im industriellen Bereich bereits zum Einsatz kommt, ist das Abwasser der öffentlichen Kanalisation eine bisher ungenutzte Wärmequelle. In der Schweiz gibt es schon seit einigen Jahren Wärmepumpen zur Abwasserwärme-Nutzung, bei der die Wärme zumeist gereinigtem Abwasser entzogen wird. Der Wärmeentzug bei ungereinigtem Abwasser existiert bisher nur in Modellprojekten. Die Überlegung der Energieexperten sieht in dem in der öffentlichen Kanalisation noch ungereinigten Abwasser eine kontinuierliche Wärmequelle. Die beträchtliche im Abwasser enthaltene Wärmemenge reicht aus, um eine signifikante Zahl aller an die Kanalisation angeschlossenen Gebäude mittels effizienter Wärmepumpentechnik 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.
Wärmepumpen sind wirtschaftlich: Die Wärmepumpenheizung ist nicht nur umweltschonend, sondern auch extrem kostengünstig im Betrieb, da bis zu 75% der Energie kostenlos von der Umwelt bereitgestellt wird. Das unten aufgeführte Ergebnis zeigt eine Vergleichsrechnung verschiedener Heizsysteme (Auszug aus EnBW). Der Berechnung zugrunde gelegt wurde ein Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von 150 m² und einem Heizenergiebedarf von 90 kWh/m²/a. Verglichen wurde eine Sole/Wasser/Wärmepumpe mit einer Erdsonde als Wärmequelle, eine Ölzentralheizung mit einem modernen Niedertemperaturkessel und eine Erdgaszentralheizung mit Brennwertkessel. Als Energiepreis wurden eingesetzt: 9,5 Ct/kWh für die Wärmepumpe, 40,9 Ct/ltr Heizöl und 4,06 Ct/kWh für Erdgas.
Beispiel: Einfamilienhaus mit 150 m² Wohnfläche
in Euro ( € )
Wärmepumpen
Zentralheizung
moderne Öl-
Zentralheizung
moderne Erdgas
Zentralheizung
Energiekosten pro Jahr
375 €
767 €
609 €
Nebenkosten pro Jahr
72 €
355 €
364 €
Betriebskosten pro Jahr
447 €
1.122 €
973 €
Betriebskosten pro Monat
37,25 €
93,50 €
81,08 €
Einsparung gegenüber
Öl- bzw. Gasheizung
durchschnittlich:
50 € / Monat
Praxisbeispiele: Kirchardt, Bad Mergentheim, EnBW-Magazin
WICHTIG:
Mit einer Wärmepumpe ersparen Sie sich nicht nur das lästige Öltanken, benötigen keinen Schornsteinfeger mehr und brauchen sich auch keinen Kopf mehr über Brennerservice oder über teure Abgastests zerbrechen. Wärmepumpen arbeiten vollautomatisch und nahezu wartungsfrei und der bisherige Öllagerraum kann nun als Freizeit-, Hobby- oder Abstellraum genutzt werden.
Die Energiequellen einer Wärmepumpe liegen krisensicher und direkt vor Ihrer eigenen Haustüre, denn gespeicherte Sonnenenergie aus Luft, Wasser und Erdwärme stehen kostenlos und unbegrenzt zur Verfügung. Die Abhängigkeit als Risikofaktor entfällt.
Exkursion in die Geothermie:
Auch in der Natur wird unser "Ländle" bevorzugt, denn Baden-Württemberg ist das "erdwärmste" Bundesland in Deutschland, da hier an vielen Stellen Anomalien bestehen.
Geothermische Anomalien sind ungewöhnlich hohe Temperaturgradienten. So beträgt der geothermische Temperaturgradient etwa 100 K/km im Oberrheingraben, die dem wichtigsten bruchtektonischen Element Mitteleuropas folgend weiter nach Norden fortsetzt. Aber auch das süddeutsche Molassebecken zwischen Bodensee, Passau, Donau und Alpen, das Süßwasser in Trinkwasserqualität mit Temperaturen zwischen 70 und 100 °C aufweist zählt zu den erdwärmsten Regionen Baden-Württembergs.
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 vernachlässigbar. Hier spielen jahreszeitliche Temperaturschwankungen die größte Rolle. Hin zu größeren Tiefen steigt die Temperatur an. Für die Nutzung ist außer der Temperatur jedoch vor allem die Existenz von Aquiferen (wasserführende Schichten) entscheidend. (eigener Text, aber Bildquelle:
Auszug ohne Bilder aus:
http://www.enev-check.de/html/body_waermepumpe.html
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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.
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17 Dec 2007
01:23:49 |
Barcardi |
Wärmepumpen
Hallöchen :)
ich bin zur Zeit Schülerin eines Gymnasium's & besuche die 12. Klasse .
Da ich eine Seminarfacharbeit schreiben mus, wäre es total nett wenn ihr mir ein paar Link's zu dem Thema WÄRMEPUMPEN schicken würdet an meine E-Mail addresse ( anne.esc@freenet.de )
- Arten von Wärmepumpen
- Entstehung der Wärmepumpe
- Funktionsweise einer Wärmepumpe
DANKE SCHÖN IM VORRAUS :)
Liebe Grüße die Abi - Schülerin !
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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 Wärmepumpen kann der Brennstoffverbrauch und damit die CO2 Emission im Vergleich zu einer konventionellen Kesselheizung auf rund die Hälfte gesenkt werden. Gegen-über einer elektrischen Widerstandsheizung ergibt die Wärmepumpenheizung sogar eine Re-duktion des Energiebedarfs um bis zu 80%. Die Wärmepumpenheizung wird sich deshalb künf-tig noch vermehrt durchsetzen. Schweizer Pioniere haben als erste funktionierende Brüden-kompressionsanlagen gebaut. Die ersten Wärmepumpen in Europa wurden in der Schweiz realisiert. Die Schweiz ist in der Wärmepumpentechnik bis heute bei den führenden Ländern geblieben. Ihre Pionierarbeiten in der Entwicklung von Erdwärmesonden, der Nutzung von Ab-wasser als Wärmequelle, der Entwicklung ölfreier Kolbenkompressoren sowie von Turbokom-pressoren sind allgemein bekannt. Die grösste je gebaute Wärmepumpe stammt aus der Schweiz. Obwohl ein umfassendes Gasverteilnetz besteht, werden heute rund 75% der neuen Einfamilienhäuser mit Wärmepumpen beheizt. Dieser Bericht präsentiert einige „Highlights“ aus dieser Erfolgsgeschichte. Dabei werden die Schweizer Entwicklungen ins Zentrum gerückt und ihre Beziehungen zu den internationalen Meilensteinen aufgezeigt. Um anzudeuten, in welcher Richtung die künftigen Entwicklungen gehen könnten, werden auch einige neuere Arbeiten aus der Schweizer Wärmepumpenforschung 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.
Einführung
1 WARUM HEIZUNG MIT WÄRMEPUMPEN?
2 GRUNDLAGEN DER WÄRMEPUMPENTECHNIK
3 DIE PIONIERE VOR 1875
3.1.Komponenten und Kältetechnik
3.1.1.Dampfkompressionsprozess
3.1.2.Absorptionsprozess
3.2.Brüdenkompression
4 INDUSTRIALISIERUNG 1876-1918
4.1.Komponenten und Kältetechnik
4.1.1.Dampfkompressionsprozess
4.1.2.Absorptionsprozess
4.2.Brüdenkompression - Schweizerische Pionierleistungen
5 WÄRMEPUMPENHEIZUNG WIRD INTERESSANT 1919-1950
5.1.Komponenten und Kältetechnik
5.1.1.Dampfkompressionsprozess
5.1.2.Absorptionsprozess
5.2.Wärmepumpenheizung – eine Schweizerische Pionierleistung
5.2.1.Historische Wärmepumpen der Stadt Zürich
5.2.2.Ausgewählte weitere Wärmepumpen
5.3.Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
5.4.Brüdenkompression – 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 Brüdenkompression
6.3.Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
7 ENTHUSIASMUS UND ENTTÄUSCHUNG 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.Qualitätssicherung für Kleinwärmepumpen
7.2.7.Unterstützung durch öffentliche Forschung und Entwicklung
7.2.8.Unterstützung durch Verbände, Bundesverwaltung und Medien
7.3.Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
7.4.Rektifikation mit Brüdenkompression - Schweizer Pionierarbeit
8 DIE ERFOLGSGESCHICHTE 1990 – HEUTE
8.1.Komponenten und Kältetechnik
8.2.Schweizer Beiträge zur Wärmepumpenheizung
8.2.1.Ausgewählte Anlagen und Entwicklungen
8.2.2.Wärmepumpe für den Einfamilienhaus-Sanierungsmarkt
8.2.3.Weitere Unterstützung durch öffentliche Forschung und Entwicklung
8.2.4.Unterstützung durch Verbände und den Bund
8.2.5.Qualitätssicherung
8.2.6.Brüdenkompression
8.3.Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
9 SONDERPRINZIPIEN
10 REFERENZEN
EINFÜHRUNG:
Seit der Steinzeit hat die Menschheit Wärme durch künstlich entzündete Feuer erzeugt. Aber das Problem der künstlichen Kälteerzeugung war viel komplexer und wurde erst um 1850 ge-löst. Zu dieser Zeit haben Pioniere die ersten Kältemaschinen erfunden. Die gleiche Maschine kann auch als Wärmepumpe zu Heizzwecken verwendet werden. Aber es war der enorme Wunsch nach Kühlung, welcher die Weiterentwicklung der neuen Erfindungen rasch vorantrieb und zu einer triumphalen weltweiten Verbreitung führte. Um 2005 waren weltweit über 130 Mil-lionen Klimatisierungsgeräte (Einheiten zum Kühlen und Heizen) in Betrieb und der Jahresab-satz lag um 15 Millionen Geräten in Asien, 2 Millionen in Nordamerika und einige Hunderttau-send in Europa [Groff 2005]. Dies illustriert die grosse internationale Bedeutung der Wärme-pumpentechnik. In Europa ist der Hauptbedarf für Raumkühlung auf die südlicheren Regionen beschränkt. In Zentral- und Nordeuropa überwiegt für gut ausgelegte Gebäude der Bedarf für die Raumhei-zung und die Warmwasserbereitung. Die Anzahl der Wärmepumpen für reine Heizzwecke liegt deutlich unter den oben erwähnten Zahlen für Klimatisierungsgeräte. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass Wärme - im Gegensatz zu Kälte - auch durch kostengünstige Erdgas- und Heizölkessel erzeugt werden kann. Wärme kann sogar wie in der Steinzeit durch ein offenes Feuer erzeugt werden. Damit die komplexeren Wärmepumpen mit höheren Investitionskosten mit den einfachen Kesseln konkurrieren können, müssen sie hohen Effizienz- und Gesamtkos-tenanforderungen standhalten. Es ist für Wärmepumpen trotz steigenden Energiepreisen im-mer noch eine Herausforderung, diesen Wettbewerb im Interesse einer bedeutend besseren Primärenergienutzung zu gewinnen. Dieser Bericht konzentriert sich auf die Entwicklung von Wärmepumpen zur ausschliesslichen oder hauptsächlichen Erzeugung von Wärme. Die zusätzliche Nutzung der kalten Seite der Wärmepumpe (Kühlung) wird ebenfalls in die Be-trachtungen einbezogen. Die Schweizer Beiträge zur internationalen Entwicklung werden her-vorgehoben und ihr Zusammenhang mit den internationalen Meilensteinen der Wärmepumpen- und Kältetechnik wird aufgezeigt. Die Letztere hat die Entwicklung der Wärmepumpe wesent-lich begünstigt. Dank der Massenproduktion für die Raumkühlung und die Kältetechnik stehen für Wärmepumpen kostengünstige Komponenten zur Verfügung. Soweit diese für die Wärme-pumpentechnik relevant sind, werden deshalb auch ausgewählte Entwicklungen aus der Kälte-technik vorgestellt. Zur Kältetechnik gibt es bereits zahlreiche detaillierte und zusammenfassende Publikationen. Die Umfassendste ist das Buch von [Thevenot 1979]. Dieser Bericht konzentriert sich auf den für die Wärmepumpentechnik wichtigeren Dampfkompressionsprozess (auch Kaltdampfpro-zess oder umgekehrter Rankine-Prozess). Im Hintergrund werden auch einige ausgesuchte Entwicklungen aus der Absorptionstechnik verfolgt. Auf Sonderlösungen wie den umgekehrten Stirling-Prozess, den magnetokalorischen Effekt und den thermoelektrischen Effekt wird im Kapitel 9 kurz eingegangen. Kälteprozesse ohne Bedeutung für Heizzwecke wie den Gaszyk-lus1 (auch Brayton-Zyklus , Joule-Thomson Effekt), die Verdampfungskühlung und die Mischwärmeeffekte werden dagegen ausgeklammert. Es ist allgemein bekannt, dass der Gaszyklus weniger effizient ist als der Dampfkompressionsprozess. Dies wurde 1979 durch einen Gaszyklus-Wassererwärmer demonstriert. Dieser erreichte eine Leistungszahl von lediglich 1.29.
WARUM HEIZUNG MIT WÄRMEPUMPEN? Bei der Heizung mit elektrischer Energie aus Wasserkraftwerken, Kernenergie oder Photovoltaik ist der Vorteil der Wärmepumpen 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 führte die prähistorische Menschheit das kontrollierte Feuer ein. Dies war für unsere Uhr-ahnen ein grosser Fortschritt, vergleichbar mit der Bedeutung der Erfindung der Dampfmaschinen oder der Elektrizität für uns. Das prähistorische offene Feuer wurde laufend verbessert und führte schliesslich zum modernen, kondensierenden Kessel. Solange es keine Nachschubprobleme für die Brennstoffe gab, war man mit der Verbrennung aller Arten von Brennstoffen zur Wärmeerzeugung zufrieden. Aber auch ein moderner Kessel hat immer noch Verluste, und das einfache Verbrennungsprinzip erreicht deshalb nur einen Primärenergienutzungsgrad von etwas weniger als 100%. Oder anders ausgedrückt: Ein Kessel erzeugt von 100% Brennstoffenergie (Heizöl, Erdgas oder Biomasse) weniger als 100% Nutzwärme. Diese konventionelle Lösung zur Wärmeerzeugung ist eine Verschwendung von Exergie2. In der Flamme eines Kessels mit einer Temperatur von 1800 °C und einer angenommenen Raumtemperatur von 20 °C beträgt der Anteil an Exergie 85.9% der Wärme. Ein Kessel nutzt diese hohe Qualität der Flammenenergie sehr schlecht. Bei einer Heizungsvorlauftemperatur von 40 °C beträgt der Anteil an Exergie nur 6.4% der produzierten Wärme. Der Kessel vernichtet 92.5% der Exergie!
Das Grundkonzept einer effizienten Erzeugung von Niedertemperaturwärme
Das oben beschriebene „Steinzeitprinzip“ muss durch eine Kombination von Blockheizkraftwerken (oder effizienten Kombikraftwerken) mit Wärmepumpen ersetzt werden. Im Allgemeinen sind grössere Blockheizkraftwerke (BHKW) zur Beheizung grösserer Gebäude wie Schulen oder Bürogebäuden effizienter und wirtschaftlicher. Die dabei erzeugte elektrische Energie wird dann durch das Elektrizitätsnetz zu kleineren Gebäuden in der Nach-barschaft transportiert. Dort werden damit elektrische Wärmepumpen zur Gebäudeheizung und zur Warmwasserbereitung unter Nutzung der Umgebungswärme betrieben. Mit einem Einsatz von 100% an Brennstoffenergie (Heizöl, Erdgas oder Biomasse) können mit dieser Anordnung schon mit heutiger Technologie 150% bis 200% an Nutzwärme produziert werden (Nutzungs-grad 150% bis 200%). Exergien sind die maximale Arbeit, die aus Wärme produziert werden kann. Für Einzelheiten dazu sei auf Lehrbücher 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 Wärmepumpe 3.5. Künftig werden Nutzungsgrade dieses Systems über 200% zum Standard werden. Selbstverständlich können Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmoto-ren künftig auch durch Brennstoffzellen ersetzt werden. Hohe Nutzungsgrade in der gleichen Grössenordnung liefert auch die Kombination moderner Kombikraftwerke (Ko-KW oder GuD) - selbst ohne Abwärme Nutzung - mit Wärmepumpen
2 GRUNDLAGEN DER WÄRMEPUMPENTECHNIK
Der Franzose Nicolas Léonard Sadi Carnot hat als erster eine präzise Beziehung zwischen Wärme und Arbeit formuliert. Erst 1871 wurden seine Manuskriptnotizen durch seinen Bruder gefunden. 1832 starb Carnot im frühen Alter von 36 Jahren an einer ansteckenden Krankheit. Sein Büchlein aus dem Jahr 1824 blieb unbekannt, da es nur privat publiziert wurde. Der ent-scheidende Beitrag von Carnots „Reflections“ ist, dass sich mechanische Energie vollständig in Wärme umwandeln lässt – dass Wärme aber nur teilweise in mechanische Energie umgewan-delt werden kann. Der Franzose Benoît Paul Émile Clapeyron holte Carnots „Reflections“ 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 Äquivalenz zwischen Arbeit und Wärme. Der Engländer James Prescott Joule hat 1843 dafür 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-gründer der modernen Thermodynamik [Cardwell 1971]. Durch seine bereits erwähnte Neu-formulierung des Carnot’schen Kreisprozesses stellte er die Theorie der Wärme auf eine wis-senschaftlich klare Basis. Mit seiner wichtigsten Publikation zur mechanischen Theorie der Wärme 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 führte er aber erst 1865 ein [Clausius 1865]. Clausius war übrigens von 1855 bis 1867 Professor an der ETH Zürich [Thevenot 1979], [Carnot et al. 2003]. Unabhängig von Clausius (und ohne dessen Priorität zu bezweifeln) fand William Thomson, der spätere Lord Kelvin, 1851 eine allgemeinere Formulierung des zweiten Hauptsatzes und führte 1852 die thermodynamische Temperaturskala ein. 1866 gab der österreichische 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 reprä-sentiert danach den Grad der Unordnung und das Carnot-Prinzip wurde damit verständlicher. 1873 bis 1878 führte der Amerikaner Josiah Willard Gibbs den Begriff der Enthalpie in die the-oretische Thermodynamik ein. Richard Mollier brachte diese Grösse 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 für Ammoniak und CO2. Ab 1904 führte er mit seinen Diagrammen eine graphische Visualisierung des Dampfkompressionszyk-lus ein und trug damit zur Verständlichkeit und leichten Berechenbarkeit dieses Prozesses bei. Aus den Überlegungen von G. Zeugner (1859) und Hans Lorenz (1896) entstand das Konzept der Exergie, der maximalen Nutzarbeit, welche bei einer Zustandsänderung von einer konstan-ten Wärmequellentemperatur 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 Kältemaschinen an der "Königlichen Polytechnischen Schule" in München. Er legte in seiner Arbeit zum Wärmeentzug bei tiefen Temperaturen mit mechanischen Mitteln den Grundstein zu einer sauberen thermodynami-schen Theorie der Kältetechnik. Aufgrund eines thermodynamischen Vergleichs zeigte Linde bereits die Überlegenheit der Dampfkompression gegenüber dem damals noch üblichen Ab-sorptionsprozess und anderen Prinzipien zur Kälteerzeugung. 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 führte Edmund Altenkirch umfassende thermodynamische Studien zu Zweistoffgemischen für Absorptionskältemaschinen durch. Sein zweistufiges Absorptionsaggregat hatte bereits eine hohe Effizienz. Aus den Erkenntnissen der erwähnten Wissenschafter werden in diesem Bericht die folgenden Grössen benötigt: Die Leistungszahl oder der “coefficient of performance” eines idealen Carnot-Wärmepumpen-Prozesses COPrev (theoretischer Maximalwert des COP) beträgt mit den absoluten Temperatu-ren auf der warmen Seite TH (Wärmesenke) und auf der kalten Seite (Wärmequelle) TC: Die Leistungszahl oder der “coefficient of performance” einer realen elektrisch angetriebenen Wärmepumpe ist wesentlich kleiner. Bei Wärmepumpenprozessen würden die Temperaturen der Wärmequel-le und der Wärmesenke nur bei unendlichen Volumenströmen konstant bleiben. Um Wärme-pumpen trotzdem vergleichen zu können, ist es praktisch, mit der Eintrittstemperatur der Wär-mequelle TCein und der Austrittstemperatur der Wärmesenke (Heizungsvorlauftemperatur) THaus zu rechnen. Dies führt zu einer brauchbaren Näherung für den exergetischen Wirkungsgrad, dem Lorenz-Wirkungsgrad: Der Nutzungsgrad erlaubt den direkten Vergleich elektrisch betriebener Wärmepumpen mit Absorptionswärmepumpen. Bei mit Brennstoffen betriebenen Systemen entspricht die aufge-nommene Primärenergie der zugeführten 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 Wärmepumpe bereits 1852 vorausgesagt, in dem er bemerkte, dass eine “umgekehrte Wärmekraftmaschine” nicht nur zum Kühlen, sondern auch für Heizzwecke ein-gesetzt werden könnte. Er erkannte, dass eine solche Heizeinrichtung dank dem Wärmeentzug aus der Umgebung weniger Primärenergie benötigen würde [Thomson 1852], [Ostertag 1946]. Aber es sollte noch rund 85 Jahre dauern, bis die erste Wärmepumpe für die Raumheizung in Betrieb ging. In der Periode vor 1875 wurden Wärmepumpen zu Heizzwecken erst für die Brü-denkompression in Salzwerken mit ihren offensichtlichen Vorteilen zur Holz- und Kohleeinspa-rung verfolgt. Die spätere Entwicklung der Wärmepumpe basiert jedoch auf Erfindungen zur Deckung des insbesondere in der Nahrungsmittelindustrie enormen Bedarfs zur Kühlung. Als eine vorbereitende Entwicklung für die späteren Wärmepumpen zur Raumheizung ist die Ein-führung 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 Wohngebäude im schweizerischen Oberuzwil. Nebst dünne-ren, kostengünstigeren Rohrleitungen und einem gesteigerten Wohnkomfort brachte dieses neue Heizungssystem den für Wärmepumpen wichtigen Vorteil tieferer Vorlauftemperaturen. Dies vermochte den Anforderungen einer Wärmepumpenheizung allerdings noch nicht zu ge-nügen. Die ersten Warmwasser-Zentralheizungen wurden nämlich mit freier Konvektion ohne Umwälzpumpen betrieben. Dies funktioniert erst oberhalb von Vorlauftemperaturen um 50°C einwandfrei [Brügger et al. 1991]. Gegenüber der seit über mehr als einer Million Jahren bekannten Wärmeproduktion durch Verbrennung gab es noch keine Lösung für die künstliche Kühlung. Einzige Ausnahme war die Verdunstungskühlung, die bereits durch die Zivilisationen Indiens und Ägyptens angewandt wurde. Dies änderte erst durch die Erfindung der Kältemaschinen vor rund 150 Jahren. Zur Kühlung diente natürliches Eis, das sogar über internationale und interkontinentale Distanzen transportiert wurde. Noch 1890 wurde von einer Knappheit an natürlichem Eis berichtet. Des-halb lag die Priorität der ersten Entwicklungen bei der künstlichen Kälteerzeugung. Die ein-zige Ausnahme war wie bereits erwähnt die Brüdenkompression mit ihrem enormen Einsparpo-tenzial. Wärmepumpen 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 künstlichen Eisproduktion gebaut. Es wird an-genommen, dass damit erstmals eine mechanische Kälteerzeugung erfunden wurde. Die Er-findung von Perkins blieb beinahe 50 Jahre lang unbekannt. Die mit Ether betriebene Kältema-schine enthielt aber die vier Hauptkomponenten einer modernen Kältemaschine: 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 für die Banknotenherstellung, der Massenfertigung von Nägeln und der Herstellung eines Barometers.
DIE PIONIERE VOR 1875 12
1849 begann der Amerikaner Alexander C. Twining mit der Dampfkompressionskühlung und der Eisherstellung. 1855 präsentierte er die erste kommerzielle Eisproduktionsanlage. In Australien begann James Harrison mit Versuchen zur Dampfkompressionskühlung für die Her-stellung von Eis. Er entwickelte 1856 den ersten praktisch einsetzbaren Kompressor und führte die Dampfkompressionskühlung in das Bierbrauen und die Fleischverpackung ein. 1861 waren bereits ein Dutzend seiner Maschinen im Einsatz. Charles Tellier führte 1863 Methylether als Kältemittel ein. Auch die erste 1875 durch den Deutschen von Linde konstruierte Kältemaschine verwendete Methylether als Kältemittel. Sie wurde 1877 in einer Brauerei in Italien installiert [Linde 2004]. Der Amerikaner Thaddeus S.C. Lowe führte 1866 mit der Erfindung eines funktionierenden CO2 Kompressors Kohlendioxid als Kältemittel ein. 1867 patentierte er sein Kohlendioxid-Kältesystem. Es erfuhr allerdings erst nach 1990 zur Kühlung auf Schiffen einen grossen Erfolg und ersetzte dort die Luftexpansionsmaschinen. In Amerika haben John Beath 1858 eine Anlage zur Eisherstellung mit einer Ammoniak – 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 Verflüssigung von Gasen. Er führte 1874 Schwefeldioxid SO2 als Kältemittel ein. Dieses hatte den Vorteil, selbstschmierend zu wirken und es war auch unbrennbar. Allerdings entstand im Kontakt mit Feuchtigkeit schweflige Säure und an-schliessend Schwefelsäure. Damit ergaben sich grosse Korrosionsprobleme. Erwähnenswert ist auch die Erfindung eines thermostatisch geregelten Kälteprozesses 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 Carré das erste kommerziell erfolgreiche Ammoniak-Absorptionskältesystem aus und führte Ammoniak als Kältemittel ein. Zum einen wurde ein kleines, absatzweise arbeitendes Aggregat für die Produktion von 0.5 bis 2 kg Eis pro Ansatz produziert. Allerdings verhinderten Kosten, Grösse und Komplexität des Kälteaggregats ge-koppelt mit der Toxizität von Ammoniak eine allgemeine Verbreitung bei privaten Anwendern. Zum andern wurde eine Version für kontinuierlichen Betrieb gebaut. Diese war erfolgver-sprechender und wurde 1859/1860 in Frankreich, England und in den U.S.A. patentiert. Carré’s Maschinen wiesen alle Elemente moderner Absorptionsaggregate einschliesslich eines Ver-dampfers mit Rektifikator auf. Diese Kältemaschine wurde bereits 1860 durch Mignon&Rouart in Paris gebaut. Zunächst wurden fünf Modelle zur Produktion von 12 kg bis 100 kg Eis pro Stunde hergestellt. Die kontinuierliche Absorptionskältemaschine wurde zur ersten Kältema-schine, die eine allgemeine industrielle Bedeutung erlangte. Die erfolgreiche Maschine wur-de verschiedentlich verbessert, in mehrere Länder exportiert und auch in mehreren Ländern produziert. Im nördlichen Teil der U.S.A. wurde die künstliche Kälteerzeugung zuerst in Braue-reien genutzt. Den Anfang machte 1870 die S. Liebmann’s 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 später – insbe-sondere durch den Deutschen Altenkirch im Jahr 1913 [Thevenot 1979].
3.2 Brüdenkompressionen
Konzentrieren und Verdampfungskristallisation ist ein wichtiger verfahrenstechnischer Prozess mit weltweiter Anwendung in grossen Anlagen. Bei der Brüdenkompression wird der beim Ein-
DIE PIONIERE VOR 1875 13
dampfen einer Lösung entstehende Dampf – der Brüden – auf einen höheren Druck komprimiert. Dadurch kann die Kondensationstemperatur über den Siedepunkt der einzudampfenden Lösung angehoben werden. Damit kann die Kondensationswärme der Brüden der zu verdampfenden Lösung zugeführt werden: Obwohl dabei die Erhöhung des Siedepunktes der Lösung gemäss dem Raoult’schen Gesetz6 berücksichtigt werden muss, genügt oft schon eine geringe Temperaturdifferenz. Dies ist natürlich ideal für einen Wärmepumpenprozess. Stand der Technik sind heute Leistungszahlen über 15. Das ist der Grund, weshalb die Brüden-kompression schon viel früher realisiert wurde als Wärmepumpen zur Raumheizung und andere Niedrigtemperaturanwendungen.
Brüdenkompression ohne zusätzliche Wärmerückgewin-nung durch Vorwärmen des Zulaufs mit dem Kondensat. Eine der Hauptanwendungen der Brüdenkompression ist die Produktion von Kochsalz aus einer Salzlösung. Der enorme Energiebedarf solcher Prozesse lässt sich aus der Tatsache er-kennen, dass für die Gewinnung von 1 kg Kochsalz etwa 3 kg Wasser verdampft werden müs-sen. Dafür wurden früher ganze Wälder abgeholzt.
Der österreichische Ingenieur Peter von Rittinger versuchte als erster, die Idee der Brüden-kompression in einer kleinen Pilotanlage zu realisieren. Seine theoretischen Überlegungen aus dem Jahr 1855 ergaben gegenüber direkter Beheizung mit einer Holzfeuerung durch die Brü-denkompression eine mögliche Energieeinsparung von 80%. Er legte eine entsprechende An-lage aus und baute sie. Er realisierte damit die erste bekannte Wärmepumpe für reine Heiz-zwecke mit einer Leistung von 14 kW für die Saline Ebensee in Oberösterreich. Die Inbetrieb-nahme von Rittingers „Dampfpumpe“ 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 für die Salzent-nahme oder die Belagsbildung auf den Verdampferoberflächen durch Gips und Kalk zu erwäh-nen [Wirth 1955, 1995], [Lieberherr 2007].
6 Raoult'sches Gesetz für ideale Lösungen: Der Partialdruck pi einer Komponente i ist proportional zu ihrem molaren Anteil in der Lösung xi (< 1) und dem Dampfdruck der reinen Komponente pbi: pi = pbi * xi. Bei nur einer flüchtigen Komponente (z.B. Wasser) in der Lösung ist der Gesamtdruck gleich dem Partialdruck dieser Komponente (pi = p). Der Dampfdruck dieser Komponente beträgt dann pbi = p / xi. Er ist also grösser als bei der Verdampfung der reinen Komponente. Entsprechend höher ist die Siedetemperatur. Man nennt diesen Effekt Siedepunktserhöhung. 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 verlässlichere und besser ausgelegte Maschinen ersetzt. Die Kältemaschinen und –anlagen wurden zu industriellen Produkten und im industriellen Massstab gefertigt. Die bedeu-tendste Persönlichkeit, 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 Aktivitäten seines Münchner Instituts standen die praktischen Anwendungen. Bereits 1875 führte die Polytechnische Gesellschaft von Mün-chen unter der Leitung von M.Schröter erste Vergleichstests mit Kältemaschinen durch. Um 1900 lagen die meisten fundamentalen Innovationen der Kältetechnik bereits vor. 1918 gab es schon viele Kompressorhersteller in den U.S.A. und in Europa. In der Schweiz waren dies Escher Wyss in Zürich, Sulzer in Winterthur und die Société Genevoise in Genf [Thevenot 1979]. Zu jener Zeit blieben Wärmepumpen Visionen einiger Ingenieure. Der Schweizer Turbinenin-genieur Heinrich Zoelly7 hat als erster eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe mit Erd-wärme als Wärmequelle vorgeschlagen. Er erhielt dafür 1919 das Schweizer Patent 59350. Aber der Stand der Technik war noch nicht bereit für 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 für 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 überraschend langlebig. Es sind Maschinen bekannt, welche während 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 dafür typisch: 1914 wurden 90% der Kom-pressoren durch Dampfmaschinen angetrieben. Aber nach 1920 ging dieser Anteil rasch zu-rück. Gegen das Ende dieser Periode war Ammoniak das dominierende Kältemittel. Kohlendioxid (CO2) war für die Kühlung auf englischen Schiffen üblich. Schwefeldioxid (SO2) wurde in grösseren industriellen Anlagen immer weniger gebraucht. In kleineren gewerblichen Kompresso-ren wurde es aber weiterhin verwendet. Methylchlorid (CH3Cl) wurde hauptsächlich in Frankreich für kleine und mittlere Anlagen eingesetzt. In begrenztem Umfang wurden aber noch weitere Kältemittel 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 für 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 übliche Ausführung für die wichtigsten Kälteanlagen: Bild 4-2. Sulzer Winterthur gehörte zu den wichtigsten Herstellern für Linde. Sulzer begann mit der Konstruktion von Kältekompressoren und Kälteanlagen im Jahr 1878. Dies als logische Erweiterung ihrer Aktivitäten in den Abteilun-gen Dampfmaschinen8 und Kompressoren. Obwohl Kälteanlagen 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 Kälteanlage in der Schweiz wurde 1879 in der Brauerei Hürlimann in Zürich installiert. 1909 baute Sulzer einen 1.45 MW Kältekompressor und 1914 eine Klimaanlage für 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 KÄLTEMITTEL
Franz Windhausen legte 1880 eine CO2 - Kältemaschine aus und konstruierte 1886 einen funktionierenden CO2 Kältekompressor. 1889 entwickelte J.& E. Hall eine sehr erfolgreiche zweistufige CO2 – Maschine für industrielle Anwendungen.
1876 baute der Schweizer Raoul Pictet einen neuen horizontalen SO2 Kompressor, der ohne Schmiermittel auskam. Die sogenannte „Pictet Maschine” war ein sofortiger Erfolg und fand in Europa eine recht grosse Verbreitung. Sie wurde gleichzeitig in Genf (durch die Genfer Gesell-schaft für physikalische Instrumente “Société Genevoise”) und Paris und anschliessend noch in einigen weiteren Ländern gebaut. Bei grossen Anlagen verdrängte Ammoniak allerdings zuse-hends das Schwefeldioxid als Kältemittel.
Vincent führte 1878 das Kältemittel Methylchlorid (CH3Cl, auch Chlormethan) ein. Methylchlo-rid-Kompressoren wurden ab 1885 durch die Pariser Firma Crespin & Marteau hergestellt. Aus dieser wurde später 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 führte 1883 Ethylchlorid (C2H5Cl, Chlorethan) als Kältemittel ein und ab 1884 verbreitete Raoul Pictet ein Gemisch aus SO2 und CO2, die sogenannte Pictet-Flüssigkeit [Thevenot 1979], [Nagengast et al. 2006].
KOMPRESSOREN
In Deutschland wurde 1878 das Prinzip des Schraubenkompressors durch Heinrich Krigar patentiert. Später verbesserte er seine Konstruktion und meldete ein zweites Patent an. Beide Patente zählen zu den frühesten deutschen Patenten, da das Deutsche Patentamt erst ein Jahr zuvor gegründet wurde. Es war zu jener Zeit allerdings noch nicht möglich, die Erfindung umzusetzen, da die Fertigungstechnik dafür noch nicht bereit war. Bis zur praktischen Realisie-rung eines Schraubenkompressors sollte es noch rund fünfzig Jahre dauern.
Eine der ersten Flügelzellenmaschinen, das Lemielle-Gebläse, wurde in den frühen 1880er Jahren in Frankreich erfunden. Es fand in Belgien eine weite Verbreitung zur Lüftung von Koh-lebergwerken. Der Übergang von schwenkbaren Flügeln zu im Rotor gleitenden Flügeln war dann nur noch ein relativ kleiner Schritt. Das Prinzip der Flügelzellenkompressoren mit glei-tenden Flügeln geht auf die frühen 1900er Jahre zurück, als der Amerikaner Robert Blackmer die erste Flügelzellenpumpe erfand. 1909 wurde aus diesem Pumpenprinzip ein mit Methyl-chlorid betriebener Flügelzellenkompressor für Kühlzwecke auf dem amerikanischen Schiff „Carnegie“ entwickelt. Aber es dauerte noch bis 1920, bis der moderne Flügelzellenkompressor für den praktischen Gebrauch bereit war.
Die ersten Turbokompressoren wurden anfangs der 1900er Jahre gefertigt. Sie wurden ur-sprünglich durch Dampfturbinenhersteller entwickelt und fanden verbreiteten Einsatz zur Belüf-tung von Bergwerken, insbesondere im Kohlenabbau. Zu jener Zeit waren die Herstellungs-möglichkeiten von Rotoren aber durch die damals verfügbare Fertigungstechnik noch sehr be-schränkt. Bis zur Herstellung effizienter Turbokompressoren dauerte es noch Jahrzehnte. Der Amerikaner Willis Carrier (1876-1950) suchte nach einem kompakteren Kompressortyp als den damals üblichen, voluminösen Kolbenkompressoren. Er hat sich deshalb ab 1911 als erster eingehend mit Radialkompressoren für Klimaanlagen befasst. Um 1919 versuchte er es zu-erst mit einem Radialkompressor für Dichlorethylen (C2H2Cl2) aus deutscher Fertigung und dann mit einem solchen von Eastman Kodak aus den U.S.A. für Dichlormethan (CH2Cl2). Bei kleinen Kompressoren wurde ein viel zu hoher Anteil der Antriebsenergie in den Stopf-buchs-Dichtungen vernichtet. Zur Überwindung dieses Problems begannen sich die Erfinder mit dem Prinzip hermetischer Kompressoren mit Antriebsmotor und Kompressor in einem einzigen Gehäuse zu befassen. Der Franzose Marcel Audiffren hat das Prinzip 1905 mit einer noch etwas kuriosen technischen Lösung realisiert. Aber die Elektromotoren jener Zeit waren mit ihren Bürsten, Kommutatoren und einer rudimentären Isolation für 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 „Motor-Kompressor“. Das Prinzip des Scrollkompressors wurde bereits 1905 durch den Franzosen Leon Creux patentiert. Wie beim Schraubenkompressor ermöglichte die damalige Fertigungstechnik aber noch keine wirtschaftliche Herstellung der komplizierten spiralförmigen Flügelräder. Die kom-merzielle Umsetzung erfolgte erst in den späten 1980er Jahren. Weiter ist erwähnenswert, das der französische 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 Einführung von Kork als Isolationsmaterial durch Grünzweig im Jahr 1880. Gegen 1900 erschien in der Kältetechnik nach den Doppelrohr- und Mehrrohrkonstruktionen der Rohrbündelkondensator. Darin strömte das Wasser in den Rohrleitungen und das Kältemittel kondensierte auf der Aussenseite der Rohre. 1902 installier-te Vilter in den U.S.A. einen Flüssigkeitsabscheider in der Ansaugleitung der Kompressoren, um den Kompressor trocken betreiben zu können [Thevenot 1979], [Nagengast et al. 2006].
4.1.2 Absorptionsprozess. Der direkte Antrieb durch Dampf war einer der Hauptgründe für die Dominanz der Absorptions-kältesysteme bis ungefähr 1890. Die Elektrizität 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 eingeführt. Auch der kontinuierliche Diffusions-Absorptionsprozess, welcher ohne Lösungsmittel-pumpe auskommt, wurde von H. Geppert bereits im Jahr 1899 patentiert. Er benutzte dafür aber noch Luft anstelle von Inertgasen, was einem Erfolg der Erfindung im Wege stand [Thevenot 1979], [Burget et al. 1999].
4.2 Brüdenkompression - Schweizerische Pionierleistungen. Vermutlich angeregt durch die Experimente von Rittinger in Ebensee, wurde in der Schweiz 1876 von Antoine-Paul Piccard9 von der Universität Lausanne und dem Ingenieur J.H. Weibel von der Firma Weibel-Briquet in Genf die weltweit erste wirklich funktionierende Brüden-kompressionsanlage gebaut. 1877 wurde diese erste Wärmepumpe der Schweiz in der Sa-line Bex installiert. Diese Anlage war wesentlich grösser als der Prototyp von Rittin-ger und produzierte in kontinuierlichem Betrieb rund 175 kg Kochsalz pro Stunde: Diese Anlage wies nun einen echten offenen Wärmepumpenprozess 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 Fakultät der Universität (Akademie) Lausanne. Seine Innovationen umfassten auch Wasserturbinen (Niagara und andere). Als Unternehmer gründete er die Firma “Piccard et Pictet” in Genf, aus der später die “Atelier des Charmilles” hervorgingen. Piccard starb im Jahr 1929 [Kemm 2008].
INDUSTRIALISIERUNG 1876-1918 18
Zur Vermeidung einer Belagsbildung (Fouling) auf den Wärmeübertragungs-Oberflächen war der neue Kristallisator mit einem mechanischen Schälwerkzeug ausgerüstet. Nach der Inbe-triebnahme traten allerdings auch einige bedeutende Probleme auf. Aber sie wurden durch das Talent und den grossen Einsatz von Piccard überwunden. So konnte der reguläre kontinuierli-che Betrieb im Jahr 1878 aufgenommen werden. Das System von Piccard war ein grosser Er-folg, obwohl die Produktionskapazität auch nach den zahlreichen Verbesserungen nur etwa 70% des vorausgesagten Werts erreichte. 1881 wurde für die Saline Ebensee eine gleiche An-lage gebaut. Vier weitere Anlagen wurden in den französischen Salines du Salat und eine An-lage im deutschen Schönbeck in Betrieb genommen. 1917 wurde in Bex eine zweite, grössere Anlage in Betrieb genommen [Winkler 1995]. Erstaunlicherweise wurde Piccard’s System 1877, also ein Jahr nach seinen Arbeiten, in leicht modifizierter Form von den Deutschen Schäffer und Budenberg als Deutsches Reichspatent 191 patentiert. Die Beiden brachten ihre „Erfindung“ aber nie zum Funktionieren [Winkler1995]. Während dem ersten Weltkrieg litt die Schweiz unter exorbitanten Brennstoffpreisen. Aber es war genügend elektrische Energie aus Wasserkraft vorhanden. Unter diesen Umständen wur-de 1917 durch die Schweizer Firma Kummler & Matter eine kleinere Brüdenkompressionsan-lage für die Färberei Jenny in Aarau gebaut. In dieser weltweit ersten Brüdenkompression-sanlage mit elektrischem Antrieb wurde der Brüden von 100°C auf einen Druck für eine Kondensationstemperatur von 114 °C verdichtet. Dabei wurde eine Leistungszahl von 11.7 gemessen. Nebenbei sei bemerkt, dass die Abnahmeprüfung der Anlage durch den berühmten Aurel Boreslav Stodola von der ETH Zürich durchgeführt wurde. Stodola, dessen Büste am Eingang zum Maschinenlaboratorium der ETH-Zürich steht, war ein weltbekannter Dampf- und Gasturbinenexperte. Aufgrund der erfreulichen Resultate wurden in der Schweiz in den folgen-den Jahren diverse weitere Brüdenkompressionsanlagen gebaut [Wirth 1936, 1955].
5 WÄRMEPUMPENHEIZUNG WIRD INTERESSANT 1919-1950
In dieser Periode haben sich Wärmepumpen zur Raumheizung und für die Warmwasserberei-tung von seltenen, ersten Prototypen zu einer verlässlichen, effizienten und – je nach den herr-schenden Randbedingungen – sogar ökonomischen Heizungsvariante entwickelt.
5.1 Komponenten und Kältetechnik
5.1.1 Dampfkompressionsprozess
Die Drehzahlsteigerung bei den Kolbenkompressoren hat sich verstärkt fortgesetzt. Die alten, oft doppelt wirkenden Kolbenkompressoren drehten mit etwa 40 U/min bis 60 U/min. Um 1920 erreichten „schnelle“ Kompressoren 500 U/min. Dies hatte selbstverständlich auch eine Reduktion des Volumens und des Gewichts der Kompressoren zu Folge. Nach 1918 wurde der Elektromotor zur ersten Wahl für 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 populär [Thevenot 1979].
KÄLTEMITTEL
Trotz den offensichtlichen Vorteilen hatte die künstliche Kühlung auch mit Problemen zu kämp-fen. Kältemittel wie Schwefeldioxid oder Methylchorid waren lebensgefährlich. Auch Ammoniak hatte im Leckagefall verheerende gesundheitliche Konsequenzen. Deshalb suchten die Kälte-ingenieure vehement nach ungefährlichen Ersatzkältemitteln. Sie wurden gegen das Ende der 1920er Jahre mit einer ganzen Anzahl synthetischer Kältemittel gefunden. 1928 wurden durch Thomas Midgley, Albert Henne und Robert McNary in den Forschungslaboratorien von General Motors für Frigidaire erstmals Fluorchlorkohlenstoffe synthetisiert. Die Entwicklung der Käl-temittel R-11 und R-12 als Ersatz für Ammoniak (NH3), Schwefeldioxid (SO2) und Methylchlorid (CH3Cl) wurde 1930 öffentlich angekündigt. Die bekanntesten Fluorchlorkohlenstoffe wurden von DuPont unter dem Markennamen Freon patentiert. Fluorierte, chlorierte und in einigen Fäl-len bromierte Kohlenwasserstoffe sind unbrennbar, geruchlos, nur in grossen Konzentrationen toxisch wirkend, schmiermittelverträglich und relativ kostengünstig zu produzieren. Zudem wei-sen sie auch vorteilhafte thermodynamische Stoffwerte auf. Diese Entwicklung bedeutete einen grossen Schritt vorwärts – wenigstens bis lange nachher die durch die Fluorchlorkohlenstoffe verursachten Umweltschäden 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 Kältemittel, und es stand für praktisch jede Anwendung ein ideales Kältemittel zur Verfügung. 1936 hat Albert Henne, ein Miterfinder der Fluorchlorkohlenstoffe, den Fluorkohlenwasser-stoff R-134a synthetisiert. Dieses Kältemittel erwies sich in den 1980er Jahren als das beste Ersatzkältemittel ohne Abbaupotenzial für die Ozonschicht für die meisten gebräuchlichen Flu-orchlorkohlenstoffe. Trotzdem blieben vor allem in Europa NH3, SO2 und CH3Cl in der Zeit zwi-schen den beiden Weltkriegen noch die wichtigsten Kältemittel.
KOMPRESSOREN
Der Rollkolbenkompressor wurde 1920 von W.S.E. Rolaff eingeführt. Er wurde zuerst durch die Firma Norge in Detroit unter der Bezeichnung „Rollator“ für Schwefeldioxid als Kältemittel hergestellt. Ebenfalls um 1920 begann General Electric mit der Massenproduktion hermeti-scher Kompressoren für Haushaltanwendungen. Sulzer Winterthur startete 1920 eine umfangreichere Produktion von horizontalen Zweizylin-der-Kältekompressoren. 1925 folgte die Seriefabrikation von vertikalen Kältekompressoren für NH3 und CO2. 1927 baute Sulzer den weltweit grössten Kolben-Kältekompressor mit einer Leistung von 9.4 MW. 1937 folgte eine noch grössere Version mit 11.6 MW (Bild 5-1). In den frühen 1930er Jahren führte Sulzer den ölfreien Labyrinth-Kolbenkompressor – zunächst für die Verdichtung von Luft - ein: Bild 5-2 (1: Labyrinthkolben, 2: Zylinderwand, 3: Drosselstelle, 4: Volumenkammer, 5: Wirbel). Ab ungefähr 1955 wurde er für den Gebrauch als Kältekompres-sor modifiziert. Heute wird der weiter entwickelte Labyrinthkolbenkompressor unter der Be-zeichnung „Laby“ durch Burckhardt Compression in Winterthur mit Leistungen bis über 25 MW gefertigt und in die ganze Welt exportiert. Hauptabnehmer ist die petrochemische Industrie. Der früher nur für Luft verwendete Flügelzellenverdichter wurde ab 1920 auch für Kältemittel eingesetzt – zuerst in Deutschland, den U.S.A. und der Schweiz. Ab 1922 fertigte Sulzer die kompakte Kälteeinheit “Frigorotor” und die grössere Version “Frigocentrale”. "Frigorotor" wies eine Kälteleistung von 1.2 – 11.6 kW auf und benützte Methylchlorid als Kältemittel. Sulzer begann bereits 1909 mit der Herstellung von Turbokompressoren und trat 1927 mit ei-nem mehrstufigen Turbokompressor für Ammoniak mit Dampfturbinenantrieb in den Kälte-technikmarkt ein. Brown Boveri10 (BBC) konzentrierte sich auf Turbokompressoren und baute 1926 einen 9.3 MW Ammoniakverdichter. 1927 folgte eine 17.4 MW Ausführung. Später ver-wendete BBC Ethylchlorid sowie Ethylbromid und dann Fluorchlorkohlenstoffe als Kältemittel. 1935 war ihr Wasser- oder Solekältesatz „Frigobloc” mit Kompressoren im Leistungsbereich von 23 kW bis 1.4 MW ausgerüstet. Vor 1940 wurden für die Radial-Turbokompressoren 5 bis 6 Laufräder benötigt. Die Entwicklung in Richtung immer höherer Umfangsgeschwindigkeiten führte in der Zeit von 1940 bis 1960 auf 2 bis 3 Laufräder. 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 “Rotasco”. Dieser Kompressor fand eine rasche Verbreitung und wurde aus Lärmgründen auch für die erste eu-ropäische Wärmepumpe im Zürcher Rathaus verwendet 1923 baute Willis Carrier einem Prototyp eines Radialturbokompressor-Kältesatzes mit Koh-lenstofftetrachlorid und Dichlorethylen als Kältemittel. 1927 waren bereits 50 seiner Radialtur-bokompressoren mit Dichlorethylen in Betrieb. Später wurde das Dichlorethylen durch die für Turbokompressoren geeigneteren FCK11 (R-11, gefolgt von R-12) ersetzt. Trane verwendete in ihren Radialkompressoren für die Raumklimatisierung R-113. Axiale Turbokompressoren erschienen in der Kältetechnik erst nach dem zweiten Weltkrieg – und dann meist in grossen Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas. Der schwedische Turbinenhersteller Ljungstroms Angturbin suchte 1934 nach leichten Kom-pressoren für Gas- und Dampfturbinen. Da das ursprüngliche Patent für Schraubenkompres-soren nicht mehr gültig war, hat Lysholm ein brauchbares Profil von Schraubenkompressoren entwickelt und mehrere Kombinationen von Schraubenrotoren getestet. Lysholm beschäftigte sich aber nicht nur um die Rotorgeometrie – er kümmerte 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 männlich und 4 weiblichen Ro-torblättern. Obwohl die Geometrie im Laufe der Jahre weiter verfeinert wurde, war dies die Grundlage für die heutigen Schraubenkompressoren. Die Anwendung war noch auf die Ver-dichtung von Luft beschränkt. Für die Kältetechnik war das erreichbare Druckverhältnis noch zu gering. Es vergingen noch vier weitere Dekaden, bis aus dem Schraubenkompressor ein konkurrenzfähiger Kältekompressor wurde. Kleinkompressoren für 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 verlässliche automatische Regelung entwickelt waren. In den 1930er Jahren setzte sich der kapazitive Elektromotorstart durch. Damit war der Weg frei für den Bau hermetischer Kompressoren. Nach 1940 wurden die hermetischen Kompressoren namentlich infolge neuer Elektromotortypen kleiner.
VERSCHIEDENES. Der Plattenwärmeübertrager wurde 1923 durch Richard Seligman von der „Aluminium Plant & Vessel Company Limited (APV)“ erfunden. Infolge der grossen Oberfläche, der kurzen Wärme-transportwege, der durch die Plattenprofile perfekt geführten Strömung und der Freiheit in der Volumenstromaufteilung brachte dieser neue Wärmeübertrager eine revolutionäre Reduktion des Bauvolumens und des Kältemittelinhalts. Zudem wurde im Bedarfsfall eine nachträgliche Vergrösserung der Wärmeübertrageroberfläche leicht möglich. Vorerst waren zur Vermeidung von Kältemittelverlusten noch anspruchsvolle Dichtungen zwischen den Platten erforderlich. Das erste thermostatische Expansionsventil wurde vermutlich durch E. Diffinger von den „Etablissement P. Colombier Fils“ in Paris im Jahr 1923 erfunden. Drei Jahre später erfand H. Thompson ein der heutigen Ausführung entsprechendes thermostatisches Expansionsventil und erhielt dafür 1927 ein U.S.A.-Patent. 1925 meldete R. Bernat ein Patent für die erste Aus-führung eines Schwimmerventils zur Kältemitteldurchsatzregulierung an. 1927 wurde durch T. Carpenter die Kapillarrohrregulierung erfunden. In den späten 1940er Jahren erhielt Kork als Isolationsmaterial eine überlegene Konkurrenz durch Isolierschäume.
5.1.2 Absorptionsprozess
Zwei Jahrzehnte nach der Erfindung des Diffusions-Absorptionsprozesses durch H. Geppert führten die Schweden Carl Munters und Baltazar von Platen das Prinzip zum Erfolg, indem sie Wasserstoff anstelle von Luft als Inertgas einsetzten. Sie erhielten dafür 1920 ein Patent und erste Kühlschrankfunktionsmuster wurden bereits Ende 1920 hergestellt [Theveonot 1979], [Burget et al. 1999]. Der geräuschlose Ammoniak-Wasser Kühlschrankprozess arbeitete ohne bewegliche Teile (insbesondere ohne Lösungsmittelpumpe) und konnte mit Gas, Petroleum oder Elektrizität 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 Kühlschränken. Der Absorptionskühlschrank wurde später 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 für die übrigen Länder Europas um 6 Jahre verlängert). Hans Stierlin – ein späterer Ehrendoktor der ETH Zürich – ergriff die Chance, verbesserte den Prozess und be-gann ab 1944 mit der Kühlschrankproduktion in seiner Firma SIBIR in Schlieren. Im Vergleich mit den damaligen Kompressor-Kühlschränken waren seine SIBIR-Kühlschränke sensationell preisgünstig. Entsprechend nahm die Nachfrage stark zu. In den 1960er Jahren wurde SIBIR ein Synonym für Kühlschrank. 1962 waren in Europa rund 50% der Haushaltkühlschränke Ab-sorptionskühlschränke. Stierlin verbesserte die Effizienz des Diffusions-Absorptionsprozesses durch die Rückgewinnung der Wärme des aus dem Rektifikator strömenden Ammoniaks (rund 1/3 der gesamten Wärmezufuhr!). 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 Kompressionskühlschränke kostengünstiger, ruhiger und dank herme-tischen Kompressoren und künstlichen Kältemitteln effizienter und sicherer wurden, schmolzen die Vorteile der Absorptionskühlschränke dahin. Die Verkäufe 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 berühmte Albert Einstein am Rande auch für den Absorp-tionsprozess interessierte. Unfälle mit Kompressionskühlschränken motivierten seinen ungari-schen Assistenten, Leo Szilard, zur Entwicklung eines Absorptionssystemschrankes. Szilard und Einstein haben ein Patent für ein Absorptionssystem zur Kühlung einer Eiskiste einge-reicht. Es wurde ihnen 1930 auch erteilt. Aber was immer auch der Grund gewesen sein mag – die Apparatur funktionierte nicht wie vorgesehen. Um 1930 regte sich das Interesse zur Nutzung von Abwärme für den Absorptionskälteprozess. Bereits vor 1935 waren einige Anlagen in den U.S.A., Deutschland und Frankreich in Betrieb. 1932 führte G. Maiuri in England ein Mehrstufen-Ammoniakabsorptions-Aggregat ein. In den 1930er Jahren begann eine allmähliche Erweiterung vom dominanten Ammoniak-Was-ser-System auf andere Arbeitspaare. Um 1937 verwendete Kathaber Lithiumchlorid-Wasser in einem offenen Absorptionssystem. Die bedeutendste Veränderung bei Absorptionskältean-lagen war die Einführung der Lithiumbromid-Wasser-Systeme um 1940. Eine Studie von Ser-vel, Carrier und anderen zeigte, dass Absorptionsaggregate mit diesem Stoffpaar für die Er-zeugung von Kälte bei Temperaturen um +5°C bei tieferen Heiztemperaturen betrieben werden können als mit Ammoniak-Wasser. Allerdings wurden Kristallisation und Korrosion auch als Haupthindernis für dieses Stoffpaar identifiziert. Carrier führte ab 1938 zu Lithiumbromid-Wasser-Systemen eingehendere Studien durch und baute 1945 die erste dampfbeheizte 430 kW Anlage. Damit hatte das „Goldene Zeitalter der Absorptionstechnik“ 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 Wärmepumpenheizung – eine Schweizerische Pionierleistung
Die Schweiz litt während und nach dem ersten Weltkrieg an einer grossen Brennstoffknappheit. Gleichzeitig bestand das Potenzial für einen Ausbau der Wasserkraft. Not macht erfinderisch. So begannen um 1918 ernsthafte Diskussionen über die Aussichten einer Raumheizung mit Wärmepumpen [Wirth 1955]. Sie wurde angeregt durch die erste Publikation zur Raumhei-zung mit Wärmepumpen in einer der bedeutendsten Schweizer Fachzeitschriften [Hottinger 1920]. Sie kam zu folgendem Schluss: „Allgemeingültige Kostenberechnungen aufstellen zu wollen, hat bei den heutigen labilen Marktpreisen keinen Wert; dagegen lohnt es sich wohl, von Fall zu Fall zu prüfen, ob die Anordnung einer Wärmepumpe Aussicht auf Erfolg hat“. In seinem umfassenden Buch zur Geschichte der Kältetechnik schrieb Thevenot: “Die Wärme-pumpe ist ein kältetechnisches System zur Produktion von Wärme. Es gibt eine gewisse Ver-suchung, dieses System als eines zu bezeichnen, welches einer Weltkrise bedarf, bevor es entwickelt wird...“ und an anderer Stelle: „Es 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.“ Vor und während 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 wäh-rend des zweiten Weltkriegs und zu einer rationellen Verwendung der Hydroelektrizität oder der „weissen Kohle“, wie diese auch genannt wurde [Wirth 1941]. Der hohe technische Stand des schweizerischen Wärmekraftmaschinenbaus war ein weiterer Grund, weshalb die Schweiz zu einem Wärmepumpenpionierland 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 Abwärme von Kälteanlagen 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 Zürich und Brown Boveri in Baden 35 eigentliche Wärmepumpen gebaut und installiert. Diese Wärmepumpen wurden zur Raumheizung und für andere Niedrigtemperaturanwendungen (zum Beispiel Warmwasserbereitung oder Erwärmung von Hallenbad-Schwimmwasser) eingesetzt. Haupt-wärmequellen für die Wärmepumpen waren Seewasser, Flusswasser, Grundwasser und Abwärme [Thevenot 1979], [Bauer 1944].Ein weiteres, wichtiges Motiv zur Realisierung dieser ersten Wärmepumpen war das Sammeln von Erfahrungen mit diesem neuen Heizsystem und eine Abklärung ihres Potenzials zur künftigen Deckung des schweizerischen Wärmebedarfs. Nach fünf Jahren Betriebserfahrung konnte 1944 Erfreuliches berichtet werden [Egli 1944]. Der Bericht hob hervor, dass die Wärmepumpen bisher problemlos funktionierten und dass sie keinen grösseren Bedienungsaufwand erfordern als konventionelle Heizungssysteme. Auch nach dem zweiten Weltkrieg blieben die Wärmepumpen in der Schweiz ein wichtiges Thema. Die Inbetriebnahme zahlreicher Wärmepumpen veranlasste den Schweizerischen Bundesrat zu einem Rundschreiben an alle Kantone. In diesem wurde nach der Notwendigkeit eines landesweiten Gesetzes zur Wärmeentnahme aus Oberflächengewässern gefragt. Weiter forderte das Rundschreiben die Kantone dazu auf, den Bund über Wärmepumpenanlagen mit Flusswasser als Wärmequelle zu informieren und einen Nutzungszonenplan aufzustellen. Im Interesse der Unabhängigkeit von Brennstoffimporten empfahl der Bundesrat den Kantonen, auf die Erhebung von Gebühren für die Wärmeentnahme zu verzichten [Bundesrat 1949]. 1955 gab es in der Schweiz rund 60 Wärmepumpen. Die grösste unter ihnen erreichte eine Wärme-leistung von 5.86 MW.
5.2.1 Historische Wärmepumpen der Stadt Zürich
Die Installation der ersten Wärmepumpe im Rathaus Zürich durch die Firma Escher Wyss war ein weltweiter Meilenstein. Das Wärmepumpensystem wurde durch die Ingenieur-firma Heinrich Lier in Zürich geplant. Es diente dem Ersatz von Einzelraumholzöfen. Für die Lagerung fester Brennstoffe wie Holz oder Kohle war zu wenig Platz vorhanden. Deshalb be-schränkte sich die Auswahl möglicher Heizenergien auf Heizöl, Stadtgas (aus Kohle) oder Elektrizität. Im Hinblick auf die zunehmend behinderten Einfuhren von Kohle und Öl und die schmerzlichen Erfahrungen während dem ersten Weltkrieg entschloss man sich für Elektrizität. 1937 arbeitete Escher Wyss eine energieeffiziente Wärmepumpenlösung aus und offerierte sie für 27'850 Schweizer Franken. Es ist erwähnenswert, dass die Anla-ge gemäss der Endabrechung nur 24'090 Schweizer Franken kostete. Der Fluss Limmat mit einer mittleren Temperatur während der Heizsaison um 7°C war eine ideale Wärmequelle. Das Flusswasser wurde bei einer mittleren Wärmepumpenleistung um etwa 1.5 K abgekühlt. Die nominale Wärmeleistung der Wärmepumpe betrug 100 kW. Die Heizungsvorlauftemperatur lag bei rund 60°C. Zur Spitzenlastdeckung wurde ein mit maximal 65 kW elektrisch beheizter Boiler installiert. Als Novum für Europa konnte die Wärmepumpe im Sommer (im Gegensatz zu den weiteren historischen Wärmepumpen der Stadt Zürich) auch für die Raumkühlung eingesetzt werden. Die Umschaltung auf Kühlbetrieb und umgekehrt auf Heizbetrieb erfolgte manuell über vier Dreiwegventile. Abgesehen davon funktionierte die Anlage bereits vollautomatisch. Zur Ver-meidung von Lärm und Vibrationen entschied sich Escher Wyss für ihren bereits beschriebe-nen Rollkolbenkompressor „Rotasco“ .Er vermochte die Erwartungen in Bezug auf den volumetrischen Wirkungsgrad sowie die Geräuscharmut und Vibrationsfreiheit voll zu befriedigen. Als Besonderheit ist zu erwähnen, dass der 42 kW Elektromotor nicht nur den Kompressor sondern über ein Getriebe auch die 8 l/s Flusswasserpumpe und die 3.6 l/s Hei-zungsumwälzpumpe anzutreiben hatte. Als Kältemittel wurde R-12 verwendet. Verdampfer und Kondensator wurden als horizontale Rohrbündelapparate ausgeführt: Bild 5-10. Die Wärmepumpenanlage wurde in den Jahren 1937-1938 gebaut und installiert. Die Inbetriebnahme erfolgte 1938. In der Heizsaison 1938-1939 wurden an der Wärmepumpenanlage umfangreiche Messungen durchgeführt. Unter Be-rücksichtigung aller Hilfsantriebe (Flusswasserpumpe!) wurde eine Jahresarbeitszahl von 2.16 ermittelt. Die Aufstellung der Wärmepumpe in einem ehemaligen Büro erforderte einen Wanddurchbruch. Die Wärmepumpe im Zürcher Rathaus ist die älteste noch funktionierende Wärmepumpe. 1964 musste der Kompressor vollständig überholt werden und in den Jahren 1983-1984 wurden das Wärmepumpensystem revidiert sowie das Lüftungssystem ersetzt [Egli 1938, 1940], [Dürr 1996]. Erst nach 63 Vollbetriebsjahren wurde die historische Escher Wyss Wärmepumpe im Jahr 2001 durch eine neue Wärmepumpe der Firma Scheco in Winterthur er-setzt. Diese erreicht mit dem Kältemittel R-134a bei einer Flusstemperatur von 3.5 °C und einer Heizungsvorlauftemperatur von 55 °C eine Wärmeleistung von 134 kW und eine Leistungszahl von 3.27. Dies entspricht einem Lorenz-Wirkungsgrad von 51% - allerdings ohne Berücksichti-gung der Hilfsantriebe. Die historische Wärmepumpe wird seit 2001 nur noch eine Stunde pro Woche betrieben, um sie „am Leben“ zu erhalten. Sie wird seit 2001 ebenfalls mit R-134a an-stelle des früheren R-12 betrieben [Fluri 2007].
1941 HALLENBAD ZÜRICH-CITY (1’025 KW)
Das neu gebaute Hallenbad im Zentrum der Stadt Zürich (Bild 5-11) wies einen jährlichen Heizenergiebedarf von rund 5500 MWh auf. Dies entsprach einem jährlichen Kohlebedarf von 90 damaligen 10-Tonnen-Güterwagen – eine im Hinblick auf die Kohleknappheit in den Kriegs-jahren enorme Menge! Elektrizität aus Wasserkraftwerken war jedoch immer – wenn auch be-schränkt – verfügbar. Die Elektrizität musste aber gegenüber einer elektrischen Widerstands-heizung rationeller verwendet werden. Ermutigt durch die eindrücklichen Errungenschaften im Rathaus, entschloss sich der Stadtrat, auch für das Hallenbad eine Wärmepumpe einzusetzen. Das Schwimmbecken des Hallenbads mit einer damals noch sehr tiefen Temperatur von 23 °C (heutiger Standard ist 28 °C...) versprach einen noch effizienteren Wärmepumpenbetrieb. Zu-dem war eine ausgezeichnete Wärmequelle vorhanden. Das frische Schwimmbadwasser wur-de durch die Abwärme aus einer benachbarten Transformatorstation auf die erforderlichen 23 °C aufgeheizt. Aber diese reichte nicht aus, um die Temperatur des Schwimmbeckens auf 23 °C zu halten. Deshalb sah Escher Wyss, welche die Anlage plante und die Ammoniak-Wärmepumpe baute, das A
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09 Feb 2012
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Wärmepumpen Geschichte Teil 2
Deshalb sah Escher Wyss, welche die Anlage plante und die Ammoniak-Wärmepumpe baute, das Aufheizen eines Teilvolumens des Schwimmwassers auf 45 °C mit einer Heizleistung von 325 kW vor. Zur Nutzung der niedrigen Nachtenergietarife erfolgte diese während der Nacht. Diesem Zweck diente ein erstes Wärmepumpensystem mit dem Badewas-serabfluss als Wärmequelle und zwei der total fünf Kompressoren. Ein zweites Wärmepumpensystem mit den drei restlichen Kompressoren diente der Raum-heizung durch eine Beheizung des Fussbodens, der Decke, der Wände, der Pfeiler und derSitzbänke. Hier wurden also thermoaktive Bauelemente bereits realisiert – lange bevor dieser Begriff in der Fachwelt eingeführt wurde. Dieses Wärmepumpenheizsystem hatte eine Vorlauf-temperatur von 50°C und eine maximale Heizleistung von 700 kW. Als Wärmequelle für dieses zweite System wurde Seewasser aus dem Schanzengraben genutzt: Bild 5-14. Nach der mo-natlichen vollständigen Schwimmwassererneuerung kam eine zusätzliche elektrische Wider-standsheizung mit 2000 kW zum nächtlichen Einsatz [Hochbauamt 1941]. Im Rahmen einer Revision des Hallenbads in den Jahren 1979-1980 wurde das ursprüngliche zweite Wärmepumpensystem mit den drei Kolbenkompressoren durch eine einzige Sulzer Tur-bo-Wärmepumpe mit R-12 als Kältemittel und einer Heizleistung von 1.2 MW ersetzt [Hoch-bauamt 1980]. Diese erwies sich als stark überdimensioniert. Beim Ersatz des Kältemittels R-12 wurde 1996 ein neues Wärmepumpensystem mit drastisch reduzierter Leistung installiert. Dieses wies für die Heizung des Schwimmbadwassers noch 100 kW und für die Raumheizung noch 325 kW auf. Die Spitzenlast wird nun durch eine 500 kW Kesselheizung gedeckt. Mit der Wärmerückgewinnung aus dem ausfliessenden Schwimmbadwasser, der Luftentfeuchtung, dem Seewasser und zusätzlichem Grundwasser erreicht die neue R-134a-Wärmepumpe eine Jahresarbeitszahl von 3.2. Während die historischen Wärmepumpenkom-pressoren gemäss dem Bild 5-13 noch eine ganze Maschinenhalle füllten, fanden die neuen Maschinen in einem Container genügend Platz: Bild 5-12. Selbst unter Berücksichtigung einer Reduktion der Wärmeleistung von 1025 kW der historischen Maschinen auf 425 kW der mo-dernen Maschine bleibt die Volumenreduktion eindrücklich. In der Folge einer geplanten völli-gen Erneuerung des bestfrequentierten Hallenbades der Schweiz erscheinen am Horizont be-reits Umrisse einer dritten Wärmepumpengeneration [Huwyler 2007].
1942 WÄRMEPUMPENANLAGE WALCHE FÜR FERNWÄRMEHEIZUNG (5’860 KW)
Hauptmotive für den Bau eines dritten Wärmepumpenheizungssystems waren die unsichere Brennstoffversorgung mit stark steigenden Kohlepreisen in der kleinen Schweizer Insel inmitten faschistisch regierter und Krieg führender Länder. Massgebend war aber auch der Wille zur Bewahrung der führenden Position der einheimischen Industrie und zur Stärkung von For-schung und Lehre an der ETH-Zürich sowie nicht zuletzt auch das klare Bekenntnis zur Unab-hängigkeit. Unter diesen Umständen beschloss der Bundesrat 1942 den Bau einer grossen Wärmepumpenanlage an der Walche, nahe beim Hauptbahnhof: Bild 5-17. Ziel des Projekts war eine Einsparung von 45% des Wärmebedarfs in dem in den Jahren 1930-1932 gebauten Fernwärmenetz der Stadt Zürich. Die Anlage sollte aber auch zu einem leuchtenden Beispiel für das neue Heizsystem werden und einen Beitrag an deren Erforschung und Entwicklung leisten. Das grosse Wärmepumpensystem wurde trotz der kriegsbedingten Behinderungen in einer Rekordzeit gebaut. Noch 1942 wurden der Untergrund-Maschinenraum erstellt (Bild 5-18) und die drei Wärmepumpen mit einer für jene Zeit enormen nominalen Gesamtwärmeleistung von 5’860 kW gebaut. Das Wärmepumpensystem bestand aus drei Wärmepumpen. Zwei davon waren identische Wärmepumpen, sogenannte „Thermoblocks“ von Brown Boveri Baden: Bild 5-19. Die beiden Maschinen mit Achtstufen-Radialkompressoren wurden mit 3’200 kg des FCK-Kältemittels R-11 betrieben und hatten eine Wärmeleistung von je 2'000 kW. Die dritte Wärmepumpe (Bild 5-20) von Sulzer Winterthur hatte eine Wärmeleistung von 1'860 kW und arbeitete mit drei dreistufigen Kolbenkompressoren (Bild 5-21) und 6'000 kg Ammoniak als Kältemittel. Diese erstaunliche Kombination von Turbo- und Kolbenkompressor-Wärmepumpen wurde gewählt, um gleichzeitig Erfahrungen für beide Kompressortypen zu sammeln. Die drei Wärme-pumpen wurden parallel betrieben. Die weltweit erste Integration von Wärmepumpen in ein Fernwärmenetz mit einer geforderten Vorlauftemperatur von 70°C war keine leichte Aufgabe. Sie wurde erstaunlich gut gemeistert. Bei 9 °C / 71 °C erreichten die Turbokompressorwärme-pumpen eine Leistungszahl von 2.58 und die Kolbenkompressorwärmepumpen eine Leis-tungszahl von 2.73 [Schindler-Fässler und Schindler 1944]. Dies bedeutete sehr hohe Lo-renzwirkungsgrade von 46.5% beziehungsweise 49.2%. Es bleibt allerdings unklar, wie der Energiebedarf für die Hilfsantriebe bilanziert wurde. Die geringe Abkühlung des Flusswassers in 10 Metern Abstand vom Wiedereintritt des Wassers in den Fluss um nur ungefähr 0.6 °C entsprach den Anforderungen an den Gewässerschutz. Weitere Einzelheiten findet man in [Bauer 1944]. 1972, nach dreissig Betriebsjahren, wurde die Anlage infolge zu hoher Unter-haltskosten und zu tiefer Heizölpreise stillgelegt. Aufgrund der Beschaffung einer Kehrichtverbrennungsanlage und des nach den Ölkrisen rasch wieder zerfallenden Ölpreises erfolgte die Wiederaufnahme des Wärmepumpenbetriebs erst nach 13 Jahren. 1985 bis 1986 wurde von Sulzer eine neue Wärmepumpenanlage 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-Wärmepumpen mit zweistufigen Radialkompressoren und R-12 als Kältemittel einge-baut: Bild 5-16. Die gesamte Heizleistung der beiden Wärmepumpen betrug 13 MW bei 15 °C Flusswasser- und 72 °C Vorlauftemperatur. Bei winterlichen Verhältnissen mit 3.5 °C / 72 °C wurde die Heizleistung auf 10 MW reduziert. Das neue Wärmepumpensystem wurde trotz etwa doppelter Heizleistung in derselben unterirdischen Maschinenhalle installiert wie die historische Wärmepumpenanlage von 1942. Die Wärmepumpen mit Zwischendruckkessel und Konden-satunterkühlung erreichten mittlere Leistungszahlen von 3.4. Erwähnenswert 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 AMTSHÄUSER ZÜRICH (1’750 KW)
Im Hinblick auf den alarmierend stockenden Kohlenachschub nahm der Zürcher Stadtrat im Juni 1943 eine Offerte von Escher Wyss zum Bau eines grossen Wärmepumpensystems zur Beheizung von fünf Administrationsgebäuden im Bereich Werdmühle-Beatenplatz an. Die Ammoniak-Wärmepumpe mit 4 Zweistufen-Kolbenverdichtern (Bild 5-22) nutzte ebenfalls Limmatwasser als Wärmequelle und wurde im Amtshaus 4 installiert. Bei einer Vorlauftempera-tur des Heizungssystems von 50 °C erreichte die Wärmepumpe eine Wärmeleistung von 1'750 KW. Mit der Wärmepumpe konnten 80% des Gesamtwärmebedarfs gedeckt werden. Die Spit-zenlast wurde durch einen Kohlekessel abgedeckt. Das Wärmepumpensystem für alle Amts-häuser kostete damals 560'000 Schweizer Franken. Dazu kamen noch 260'000 Franken für bauliche Veränderungen. Trotz den Wirren der Kriegszeit wurde auch dieses Wärmepumpen-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 nördlich der Uraniabrücke installiert. Bei 7 °C / 50 °C erreichte das Wärmepumpensystem 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 Wärmeleistung von 1.86 MW und eine Leistungszahl von 4.28 bei 4° C / 50 °C er-wähnt. Dies ergäbe einen unwahrscheinlich hohen Lorenz-Wirkungsgrad von 61%.
1943 KANTONSSPITAL ZÜRICH – EIN ABGEBROCHENES PROJEKT
Im Zusammenhang mit den Schweizer Pionierleistungen ist auch das abgebrochene Projekt zur Beheizung des Kantonsspitals Zürich erwähnenswert. Das originelle Konzept sah einen zentralen Verdampfer in der Limmat und eine 750 m lange Ammoniakleitung zur Wärmepumpe im 77 m über der Limmat gelegenen Spital vor [Egli 1943]. Der Verdampfer in der Limmat wur-de bereits gebaut. Aber als nach dem Weltkrieg die Dringlichkeit für 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 Zürich wurden zahlreiche Wärmepumpen gebaut. Von diesen wer-den im Folgenden einige interessante Beispiele herausgegriffen. Escher Wyss installerte 1941 eine Wärmepumpe in der Brauerei Baumberger in Langenthal mit gleichzeitiger Nutzung von Wärme (Spülen der Flaschen, Raumheizung) und Kälte (Produktion von Eis und Kellerkühlung). Auch Sulzer baute Kälteanlagen mit gleichzeitiger Ab-wärmenutzung, beispielsweise für die Kunstseidefabrik in Widnau oder einer Grossmetzge-rei in Basel. Bei diesen Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen mit „doppeltem Nutzen“ ergaben sich Gesamtleistungszahlen bis 5.5 [Ostertag 1946]. Auf Initiative des Kunden wurde 1943 in der Firma Truninger in Solothurn eine ausserge-wöhnliche Ammoniak-Kleinwärmepumpe mit einer Heizleistung von 10 kW installiert. Diese wurde über eine kleine Francis-Turbine und einen Riementrieb durch einen nahegelegenen Bach angetrieben, und sie nutzte diesen Bach auch als Wärmequelle. Der Kondensator war di-rekt in dem zu beheizenden Raum angeordnet. Der Betrieb an kalten Wintertagen erzwang ei-ne mühsame manuelle Enteisung des Verdampfers im Bach. Trotzdem war dieses Kleinsystem bis 1963 in Betrieb. 1982 hat die Firma Truninger in ihrem neuen Gebäude in Langendorf er-neut eine Wärmepumpenheizung installiert [Truninger et al. 2007]. Escher Wyss realisierte die Leistungsanpassung durch Drehzahlregelung bereits 1944 an ei-ner 128 kW Ammoniak-Wärmepumpe, welche in den Etzelwerken der Schweizerischen Bun-desbahnen in Altendorf installiert wurde. Dies nutzte warme Abluft aus den Transformatorstati-onen als Wärmequelle. Dank der Wärmequellentemperatur zwischen 20°C und 30 °C und einer für jene Zeit äusserst tiefen Heizungsvorlauftemperatur von nur 48 °C erreichte diese Wärme-pumpe Leistungszahlen von 6 bis 11. Die Wärmepumpe vermochte 75% des Gesamtwärme-bedarfs zu decken. Ein interessantes Beispiel für die Freude und den Mut zu neuen Lösungen ist auch das 1946 für die Lederwarenfabrik Schaffhausen gebaute Ammoniak-Wärmepumpesystem. Es be-stand aus zwei Kolbenkompressoren und einem direkt im Rhein angeordneten Steilrohrver-dampfer. Als riskante Besonderheit wurden die Fabrikationsräume auf 6 Stockwerken direkt durch Plattenkondensatoren auf jedem Stockwerk beheizt. Ab diesen Plattenkondensatoren wurde die Wärme durch eine Warmluftheizung mit Ventilator in die Räume verteilt. Diese Wär-mepumpe ist nach 62 Jahren immer noch in Betrieb – und dies nicht nur für Demonstrati-onszwecke. Die äusseren Anlageteile wurden allerdings modifiziert (korrodierten Verdampfer ersetzt, Anzahl der beheizten Räume von 9 auf 6 reduziert) [Bosshart 2008]. Zwischen 1945 und 1950 hat auch Sulzer zahlreiche Wärmepumpen gebaut. Anstelle der übli-chen Radiatoren hat Sulzer schon sehr früh Strahlungsheizungssysteme eingeführt. Diese wa-ren für den Wärmepumpenbetrieb besonders geeignet [Ostertag 1947]. Ein gutes Beispiel für Sulzers Wärmepumpenaktivitäten in dieser Periode ist die Wärmepumpe für das Administrati-onsgebäude der Metallwerke Selve in Thun. Sie nutzte Grundwasser als Wärmequelle und deckte bei einer Heizleistung von 440 kW gegen 92% der Gesamtheizleistung. Die Zentralhei-zung hatte eine für die damalige Zeit sehr tiefe Vorlauftemperatur von maximal 40°C. Mit 4.5 war die Jahresarbeitszahl entsprechend erfreulich hoch. Ein Sulzer-Wärmepumpensystem er-reichte im den Ziegelwerk Frick durch Nutzung feuchter Abluft sogar eine Leistungszahl von 5.2 [Brügger et al. 1991]. Therma Schwanden14, ein bekannter Hersteller elektrischer Wiederstandsheizungssysteme, plante und baute 1948 eine eigene Wärmepumpe zur Beheizung seines Personalhauses. Die-ses Gebäude war für damalige Verhältnisse gut isoliert. 70% des Wärmebedarfs wurde bereits über ein Fussbodenheizungssystem gedeckt. Die restlichen Räume waren mit gut dimensio-nierten Radiatoren ausgerüstet. Die Wärmepumpe wurde mit Grundwasser ab rund 7 °C als Wärmequelle und R-12 als Kältemittel betrieben. Sie diente auch zur Warmwasserbereitung auf 45 °C. Die zwei Achtzylinderkompressoren wurden über Keilriemen angetrieben. Die Wär-mepumpe erreichte einen Lorenz-Wirkungsgrad von 35% [Ostertag 1949]. Es bleibt allerdings auch hier unklar, ob dieses Resultat auch die Hilfsantriebe berücksichtigt.
5.3 Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
U.S.A. UND KANADA.In den U.S.A. wurde 1930 eine Wärmepumpe in ein Haus in Tucson/Arizona eingebaut. Es gab aber in den U.S.A. noch weitere Wärmepumpeninstallationen: 1932 wurde ein Bürogebäude der Southern California Edison Company in Los Angeles mit einer 420 kW Klimaanlage ausgerüstet. Therma AG in Schwanden wurde 1978 von Electrolux übernommen und entwickelte sich zu einer der modernsten Fabrikationsstätten Europas für grössere Haushaltanwendungen. Die Leistungszahl für die Raumheizung lag bei 9°C / 23.5°C nur bei bescheidenen 2 [Ostertag 1946], was einem Lorenz-Wirkungsgrad von lediglich 9.8% ent-sprach. Willis Carrier installierte 1932 seine erste Wärmepumpe im Hauptbüro der „Uji utility“ in Japan. Frigidaire demonstrierte 1933 an der Weltausstellung "Century of Progress" von Chi-cago die Ganzjahresklimatisierung in Einfamilienhäusern [Nagengast et al. 2006]. Bis 1940 wurden in den U.S.A. weitere rund 40 „Wärmepumpen“ im Leistungsbereich von 25 kW bis 1'200 kW installiert. Diese offerierten als Zusatz zur obligaten Sommerkühlung auch eine Heizung im Winter – allerdings mit sehr bescheidener Effizienz. Aber diese „Wärmepumpen“ blieben vor 1938 eine Kuriosität. 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 „Indianapolis Power & Light Co“, mit sei-nem Tiefgefrierapparat experimentiert. Er senkte die Temperatur im Gefrierraum ab und ver-brannte sich dabei beim Berühren der Wärmesenkenseite beinahe die Hände. Er nutzte darauf diese sonst verlorene Wärme zum Aufheizen des Zulaufs zu seinem Warmwasserboiler und produzierte so mehr Warmwasser als seine Familie brauchen konnte. Es blieb immer noch Abwärme übrig 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 über diese Ergebnisse, dass er beschloss, eine richtige Wärmepumpe zur Versorgung seines ganzen Hauses zu bauen. Dabei kam er auf die Idee, Wärme aus dem Erdboden mit einer über das ganze Jahr recht konstanten Temperatur zu entziehen. Er verlegte 152 m Kupferrohr zwei Meter unter der Erdoberfläche und liess das FCK-Kältemittel direkt in diesen Rohren verdampfen. Damit war die erdgekoppelte Wärme-pumpe mit direkter Kältemittelverdampfung geboren. Die elektrische Wärmepumpe hatte eine Antriebsleistung von 2.2 kW. Die Wärme wurde im Haus durch ein Warmluftsystem ver-teilt. Im darauf folgenden Jahr hat Webber seinen alten Kohleofen verkauft. In Kanada wurde die erste erdgekoppelte Wärmepumpe 1949 installiert [Sanner 1992], [IGSHPA 2007].Für die Fenster- und Wandklimageräte zur Raumkühlung und flammenlosen Heizung gab es in den U.S.A. rasch eine grosse Nachfrage. Um 1947 waren davon bereits 43’000 Einheiten verkauft [Nagengast et al. 2006]. Aber es gab wie oben erwähnt auch grössere Installationen, wie die Wärmepumpe zur Kühlung und Heizung des Equitable Building (ein Bürogebäude mit 14 Stockwerken) aus dem Jahr 1948 [ASME 80].
ENGLAND
T.G.N. Haldane baute 1927-1928 in England die erste Wärmepumpen-Klimatisierungsanlage zum Beheizen seines Büros in London und seines Hauses in Schottland. Ab 1946 wurden eini-ge Wärmepumpenprototypen installiert (1948 waren es ein Dutzend). Davon sei die Wärme-pumpe erwähnt, mit der die Festhalle für die britischen Feiern zum Kriegsende beheizt wurde. Dieser diente die Themse als Wärmequelle und der Kompressor wurde durch ein mit Stadtgas betriebenes Düsentriebwerk 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 Brüdenkompression – eine Schweizer Erfolgsgeschichte
Der eigentliche Anfang der Salzproduktion durch mechanische Brüdenkompression fand in den 1920er Jahren statt, als es gelang, eine Lösung zur Verhinderung der Verkrustung der Wär-meübertragungsoberflächen 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. Anfänglich traten noch ernsthafte Kompressorkorrosionsprobleme auf, und zudem erwies sich der Prozess komplexer als erwartet. Deshalb wurde er 1923 der Firma Escher Wyss übergeben. Bereits 1926 konnte die erste industrielle Brüdenkompressionsanlage mit einem Turbokompressor (344 kW) in Betrieb genommen werden. Die fruchtbare Zusammenarbeit mit den Bayrischen Salzwerken gab Escher Wyss entscheidende Anstösse für die spätere Entwicklung von Wärmepumpen [Wirth 1955, 1995]. 1941 baute Escher Wyss eine Brüdenkompressionsanlage in der Schweizer Saline Riburg (Rheinsalinen) für eine Kochsalzproduktion von 40’000 Tonnen pro Jahr: Bild 5-24 und Bild 5-25. Eine Erweiterung um einen zusätzlichen Kompressor erfolgte 1959. 1973 wurde durch Escher Wyss eine neue Anlage mit einer Kapazität von 250'000 Tonnen pro Jahr gebaut: Bild 5-26. Sie ersetzte die historische Anlage von 1941 und blieb für manche Jahre Europas gröss-te Anlage. 1943 wurde auch die Schweizer Saline Schweizerhalle zu einer Brüdenkompressi-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 grössten Wärmepumpensys-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 Zuckerrüben mit einem Zuckergehalt von ca. 17% produziert. Sie stellen zusammen rund 230’000 Tonnen Weisszucker pro Jahr her. Gegen Ende 1945 wurde auch die Zuckerfabrik Aarberg auf Brüdenkompressionsbetrieb umgerüstet. Diese Anlage wurde von Escher Wyss gebaut. Die Mehrstufen-Eindampfanlage für das Konzentrieren der Zuckerlösung wurde durch einen doppelflutigen Radialkompressor (Bild 5-29) mit einer Antriebsleistung von 2.9 MW betrieben. Dazu komprimierte der Escher-Wyss-Kompressor für die erste Verdampfungs-stufe 125 Tonnen Dampf pro Stunde von 0.9 auf 1.3 bar. Diese weltweit erste Kombination der Brüdenkompression mit einer Mehrstufeneindampfanlage erreichte eine hervorra-gende Leistungszahl von 26.8! Die Anlage war bis 1984 in Betrieb. Dann wurde sie vergrös-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 Brüdenkompressionssystem 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 während 46 Jahren bis 1991 in Betrieb! Dann wurde der historische Kompressor anlässlich einer Totalrevision der Verdampfungskristallisation durch einen neuen Radialkompressor von Sulzer – 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 Ölpreise stetig. Dadurch wurden in kälteren Klima-zonen alle Wärmepumpenaktivitäten zu reinen Raumheizzwecken stark gebremst. Daraus er-gab sich leider auch eine Stagnation in der Weiterentwicklung der Wärmepumpen. Eine weitere Folge war auch ein Stillstand in deren Marktdurchdringung, da in dieser Periode für Wärme-pumpen im Allgemeinen keine akzeptablen Amortisationszeiten mehr erreichbar waren. Bis zum Erdölembargo im Jahr 1973 waren Wärmepumpeninstallationen deshalb auch Spezialfälle mit besonders günstigen Randbedingungen beschränkt.
Dagegen gab es in wärmeren Klimazonen weiterhin einen Bedarf sowohl für die Raumkühlung und die mit entsprechenden Geräten mögliche Raumheizung. In diesen Klimazonen mit Priori-tät auf Raumkühlung waren die „Wärmepumpen“ weiterhin erfolgreich. Der Erfolg der Klimati-sierungsgeräte sicherte das Wärmepumpen-Know-how und ermöglichte eine Weiterentwick-lung. Vorab in den U.S.A. und in Japan gab es einen deutlichen Aufschwung der Wärmepum-penanwendung in Wohngebäuden und in der Kühlung von Automobilen. Europa und namentlich Schweizer Firmen übernahmen in dieser Zeit die Führung im Raumlüf-tungsbereich [Scholten 2004].
6.1 Komponenten und Kältetechnik
In dieser Zeitperiode war die Entwicklung gekennzeichnet durch die Einführung des Schrau-benkompressors, eine deutliche Verbesserung der übrigen 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 änderte ihren Namen 1951 in Svenska Rotor Maskiner AB. Diese Firma hat für Schraubenkompressoren grundlegende Entwicklungen durchgeführt und in der Folge an fast alle Schraubenkompressorhersteller Lizenzen vergeben [Cashflo 2007]. Durch Öleinspritzung konnte das mit Schraubenkompressoren erreichbare Druckverhältnis deutlich erhöht werden. Damit war der Schraubenkompressor 1958 auch reif für die Kältetechnik. Diese Maschinen fanden in der betrachteten Zeitperiode aber infolge des geringen Wirkungsgrads und bescheidener Druckverhältnisse noch keine weite Verbreitung in der Kältetechnik. In den 1970er Jahren hat Bernhard Zimmern in Paris den „Mono-Schraubenverdichter“ mit nur einer Welle und zwei Verdrängerrädern entwickelt. 1974 hat auch Grasso in Holland einen Einwellen- Schraubenkompressor eingeführt. Schraubenkompressoren erreichten aber erst nach et-wa 1980 signifikante Stückzahlen. Sie wurden hauptsächlich 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 ergänzen, abgelöst: Die Vorteile der Kolbenkompressoren überwiegen bei tieferen und jene der Schraubenkompressoren bei höheren 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 für Leistungen bis 10 kW Europas grösster Produzent von offenen und halbhermetischen Kältemittelkompressoren. Zu jener Zeit produzierte BBC auch Kühl-schränke [Stenzel 2004]. 1956 baute Sulzer den ersten ölfreien Labyrinthkolbenkompressor für Kältemittel und die dänische Sabroe führte den W-Typ Ammoniakkolbenkompressor mit 1'200 U/min ein. In den frühen 1950er Jahren erreichte eine Stufe eines Radialturbokompressors ein Druck-verhältnis von nur etwa 1.5. Durch enorme Anstrengungen in den Bereichen der Werkstoffwis-senschaft, der Strömungslehre und der Genauigkeitssteigerung in der Fertigung wurde es möglich, die Rotordrehzahl so weit zu erhöhen, dass die Rotoren Tangentialgeschwindigkeiten im Bereich der Schallgeschwindigkeit erreichen. Es wurde damit möglich, ein Druckverhältnis 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 Zürich eine hervorragende Rolle. Sulzer installierte 1958 den ersten Hochgeschwindigkeits-Radialkompressor in einer Klimatisierungsanlage in England. Um eine Verdampfungstempe-ratur von –55 °C zu erreichen, wurden 1967 zwei Sulzer-Turbokompressoren in Serie geschal-tet [Friotherm 2008].
KÄLTEMITTEL
Gegen Ende der 1950er Jahre haben die halogenierten Kohlenwasserstoffe praktisch alle alten Kältemittel ersetzt. Dies mit Ausnahme von Ammoniak, welches in grossen, industriellen Anlagen weiterhin verwendet wurde. Ab 1968 wurde das teilhalogenierte R-22 zum Standard-kältemittel für Kleinklimageräte und Wärmepumpen [Nagengast et al. 2006].
COMPUTER
In den späten 1960er und frühen 1970er Jahren kamen in der Kältetechnik die ersten Compu-ter zum Einsatz und provozierten rasch einen enormen technologischen Wandel. Ursprüng-lich revolutionierten die noch voluminösen, in speziell klimatisierten Räumen betriebenen Com-puter die Berechnung der Anlagen und ersetzten dort Rechenschieber, Logarithmentafeln und langsame, geräuschvolle mechanische Rechenmaschinen. Damit konnten optimale Lösungen für Komponenten und ganze Anlagen viel präziser und in einem kleinen Bruchteil des früheren Zeitbedarfs gefunden werden. Bald eroberten die Computer auch den Betriebsbereich. In den frühen 1970er Jahren hat Brown Boveri16 mit dem System „ULMA“ das weltweit erste kom-merzielle Online-Überwachungssystem eingeführt. Die frühen 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 Marktführer in der Automatisierungstechnik und im Bereich drehzahlvariabler Antriebe. Dies auch im Bereich grösserer Wärmepumpenanlagen. 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-sorptionskühlschränke in lärmempfindlichen Bereichen wie Hotelzimmern oder Campingwa-gen ihren hohen Marktanteil. Bei Campinganwendungen war auch der zusätzliche Vorteil, mit unterschiedlichen Energien betrieben werden zu können, entscheidend. Um 1950 wurden die ersten solarbeheizten Absorptionskühlschrank-Protoypen, insbesondere von G. Lof, gebaut [Nagengast et al. 2006]. In Japan und in den U.S.A. hielt das „Goldene Zeitalter der Absorption“ noch weiter an. 1959 führte Trane die erste hermetische Ausführung ein. 1960 baute Carrier bereits 3.5 MW Einhei-ten. Es gab aber noch viele andere US-Firmen, welche Absorptionskältesätze produzierten. Um 1965 wurden Kälteleistungszahlen um 0.6 bis 0.7 erreicht. Da die Kosten für Heizöl und Dampf gering waren, wuchs der Markt für Absorptionskältemaschinen rasch und erreichte in den U.S.A. um 1970 mit einem Wasserkältesatzanteil von 25% sein Maximum. Vor allem in Ja-pan wurden höhere Wirkungsgrade angestrebt. Kawasaki Thermal Engineering baute 1964 ei-ne indirekt beheizte Doppeleffekt-Absorptionskältemaschine. 1965 bauten Mitsubishi und Eba-ra ihre ersten Einheiten. Auch Sanyo und Hitachi führten in den 1960er Jahren neue Aggregate ein. In den späten 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 erwähnt, kam es in dieser Periode bei den „normalen“ Wärmepumpen zur aus-schliesslichen Wärmeerzeugung zu einer Stagnation. Im Gegensatz dazu wurden einige inte-ressante Brüdenkompressionsanlagen gebaut.
6.2.1 Seltene Wärmepumpen zu Heizzwecken
Wärmepumpen zu reinen Heizzwecken konnten der eindrücklichen Marktdurchdringung in den 1940er Jahren nicht folgen. Die Gründe waren nicht technischer Art. Sie lagen in den stetig sinkenden Heizölpreisen, welcher mit einer Zunahme der Preise für elektrische Energie einher-ging.Trotzdem wurden bereits in den 1950er Jahren Forschungsarbeiten zu horizontalen Erdkollek-toren durchgeführt. Sie führten zu ersten Richtwerten für den Wärmedurchgangskoeffizienten, die Länge 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-tentwärmespeicher wurden zu jener Zeit bereits untersucht [Ostertag 1955], [Baumann et al 2007].In grösseren Kaufhäusern entstand im Sommer ein Raumkühlungsbedarf. Dies führte zu einer sporadischen Verwendung entsprechender Kältesätze zur Raumheizung im Winter. Solche Systeme wurden durch Dreyer-Hanson gebaut. Den sogenannten “Air-Topio” gab es für Käl-teleistungen von 10 kW bis 50 kW. Um 1967 baute Kurt Trüssel17, der spätere Gründer der Fi-ma KWT (Kälte-Wärmetechnik) in Belp, eine kleine Kälteanlage für eine Käserei in Mamishaus (bei Schwarzenburg FR) mit einer Kühlleistung von 5 kW und einer gleichzeitigen Nutzung der bei 45 °C anfallenden Kondensatorabwärme. Sie ist nach 40 Jahren immer noch in Be-trieb [Trüssel 2007]! Aufgrund speziell tiefer Elektrizitätstarife im Zusammenhang mit dem Bau eines neuen Kraft-werkes der Zentralschweizerischen Kraftwerke auf der Göscheneralp kam es im Spital Altdorf zur Realisierung einer 350 kW Ammoniak-Wärmepumpe zur Raumheizung und Warmwasser-bereitung. Im Interesse einer höheren Leistungszahl wurden die Heizkörper der alten 90°C / 70 °C - Zentralheizung um 40% vergrössert. Als Resultat sank die maximale Vorlauftemperatur auf immer noch sehr hohe 77°C. Das durch Escher Wyss hergestellte Wärmepumpensystem mit drei Wärmepumpeneinheiten nutzte Grundwasser als Wärmequelle und wurde 1961 in Be-trieb genommen. Bei einer mittleren Temperatur von 4 °C (Grundwasser) und 44 °C (Hei-zungsvorlauf) ergab sich mit der ersten Wärmepumpeneinheit unter Berücksichtigung der für die Grundwasserpumpe benötigten elektrischen Energie eine Leistungszahl von 4.15, welche einem respektablen Lorenz-Wirkungsgrad von 52.3% entspricht. Zwei weitere, parallel betrie-bene Wärmepumpeneinheiten erreichten bei 4 °C / 42.5°C eine Leistungszahl von 4.4 oder ei-nen Lorenz-Wirkungsgrad von 53.7%. Unter diesen Temperaturbedingungen erbrachten die drei Einheiten eine Wärmeleistung von je 116 kW. Eine Einheit wurde im Sommer auch zur Raumkühlung über eine Kühldecke genutzt [Mustoe 1977].
6.2.2 Erfolg bei der Brüdenkompression
Das weltweite Geschäft mit den Brüdenkompressionsanlagen verlief auch in diesem ersten “Tal der Tränen” 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 Überblick über die Entwicklung der Brüdenkompressionstechnik findet man bei [Austmeyer et al. 1987, 1993].
6.3 Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
ZENTRALEUROPA
Nicht nur aufgrund des als unangenehm empfundenen Lärms und der oft lästigen Luftströ-mung, sondern auch infolge der bei den meisten Einheiten fehlenden Enteisungsmöglichkeit 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 °C im Vorlauf und 60 °C im Rücklauf üblich. Das war natürlich für Wärmepumpen viel zu hoch. Strahlungsheizungen mit Maximaltemperaturen von 50 °C / 40 °C wurden noch als exotisch betrachtet. Sie wurden aber als Deckenheizsysteme mit der Mög-lichkeit zur Sommerkühlung bereits fabriziert [Ostertag 1958].
FRANKREICH
Bemerkenswert ist in Frankreich die Wärmepumpenbeheizung einer Fabrik und eines Büros in der Nachbarschaft eines Kühlhauses in Chalon-sur-Saône (1950) und die Beheizung von Sportzentren und Schwimmbädern insbesondere in der näheren Umgebung von Kunsteisbah-nen. 1973 gab es in Frankreich etwa 200 Wärmepumpen.
DEUTSCHLAND
In Deutschland kamen Wärmepumpen nur sporadisch zum Einsatz. Im Hinblick auf die tiefen Kosten von Kesseln und Heizöl waren die Kosten für eine ausschliessliche Wärmepumpenhei-zung zu hoch. Nur wenn sich gleichzeitig auch Kälteanwendungen ergaben, bewegte sich et-was. Beispiele sind die gleichzeitige Nutzung von Kälte und Wärme in Molkereien und die Wär-merückgewinnung bei der Klimatisierung von Kaufhäusern. Entsprechende Pilotanlagen wurden durch die Elektrizitätswirtschaft und das Ministerium für Landwirtschaft gefördert [Os-tertag 1955], [Adolph 2004], [Dienel 2004]. 1969 wurde in Deutschland die erste Sole-Wasser-Wärmepumpe mit horizontalem Erdkollektor als Wärmequelle realisiert [Sanner 1992].
ÖSTERREICH
Die österreichischen Salzwerke rüsteten ab 1951 auf Brüdenkompression um [Matl 1984].
U.S.A.
In den U.S.A. gab es eine langsame, aber stetige Entwicklung von Wärmepumpen, vorab von Einheiten im Leistungsbereich von 12 kW bis 35 kW. In den 1950er Jahren erlebten Wärme-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 kühlten den Aufstellungsraum oft in unerwünschter Weise ab („Wärmeklau“). Dies war vor al-lem im Winter während Zeiten mit Raumheizungsnotwendigkeit von erheblichem Nachteil [Os-tertag 1955].Wie bereits in 5.3 erwähnt, wurden kleine Klimatisierungseinheiten im Leistungsbereich von 250 W bis 1 kW oft in den Fenstern installiert. Sie sorgten nicht nur für die Sommerkühlung, sondern mit der Kondensatorwärme auch für eine Winterheizung. Diese vollständig elektrisch betriebenen Ganzjahresklimageräte brachten im Sommer einen zusätzlichen Komfort und ver-breiteten sich im Süden der U.S.A. ab 1951. Die Wachstumskurve zeigte zunächst einen stei-len Anstieg (2'000 Einheiten im 1951; 10'000 im 1957 und 76'000 Einheiten im 1963). Dann entstanden aber Qualitätsprobleme. Die hohe Unzuverlässigkeit führte zu einer Stagnation der Verbreitung dieser Klimatisierungseinheiten. In diesem Zusammenhang hat ARI18 1958 die ers-te Leistungszertifizierung mit einem Qualitätslabel für diese Klimatisierungseinheiten einge-führt [Nagengast et al. 2006].Noch vor 1955 haben General Electric und die Marveyer Corporation Luft/Luft Wärmepum-pen zum Heizen und Kühlen mit einem elektrischen Antriebsleistungsbereich von 2.2 kW bis 3.7 kW verkauft. Diese waren mit einer Enteisungsvorrichtung ausgerüstet 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 Wärmepumpen für Bürogebäude und Einkaufszentren mit Grundwasser als Wärmequelle [Nagengast et al. 2006]. In den frühen 1950er Jahren wurden in den U.S.A. einige Wärmepumpen durch Verbrennungsmotoren angetrieben. Dabei wurden in einigen Fällen auch die heissen Motorabgase bereits genutzt [Ostertag 1955].
JAPAN
Ab 1950 hat Japan seine Installationen zur Klimatisierung stark ausgebaut und war an Wärme-pumpen zum Kühlen und Heizen entsprechend interessiert. Allein im Jahr 1957 wurden solche Wärmepumpen mit einer Gesamtleistung von 11.6 MW in Betrieb genommen.
7 ENTHUSIASMUS UND ENTTÄUSCHUNG 1973-1989
Das Jahr 1973 wurde zu einem der bedeutendsten Wendepunkte in der Geschichte des zwan-zigsten Jahrhunderts. Zuvor gewöhnte sich die Welt an eine unbegrenzte Verfügbarkeit der fossilen Energien Kohle, Heizöl und Ergas. Die Weltwirtschaft verliess sich vollständig auf die-se kostengünstigen Energieträger. 1973 änderte diese Situation dramatisch. Die Veränderung wurde durch einen Beschluss der Arabischen Mitglieder der OPEC (Organization of Petroleum Exporting Countries) ausgelöst. Sie beschlossen im Oktober 1973 als Antwort auf die Unter-stützung Israels im Yom-Kippur-Krieg mit Syrien und Ägypten, die Erdölversorgung der West-lichen Staaten zu reduzieren. Dieses Erdölembargo 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 können und mussten ihre enorme Abhängigkeit von importierten fossilen Energien überdenken. Das Erdölembargo löste weltweite Sofortmassnahmen aus. So wurden beispiels-weise in der Schweiz der Motorfahrzeugverkehr an Sonntagen verboten, die Raumtemperatur auf maximal 20 °C vorgeschrieben und die Strassenbeleuchtung während der Nacht ausge-schaltet usw. Als das Erdölembargo im März 1974 aufgehoben wurde, waren die Ölpreise auf über 300% gestiegen. Einen wesentlich grösseren Einfluss auf den Ölpreis als die physische Reduktion der Liefermenge und die Preiserhöhung um rund 100% durch einige OPEC-Mitglieder übten die Erdölfirmen aus. Sie ergriffen die Gelegenheit zur Gewinnerhöhung, auf die sie schon während Jahren gewartet hatten. Das Interesse an Alternativenergien und an der rationellen Verwendung der Energie war lange nur Angelegenheit einiger Idealisten geblieben. Nun rückten diese Themen in den Mittelpunkt der öffentlichen 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 Umgebungswärme durch Wärmepumpen. Eine Renaissance der Wärmepumpen begann. In dieser Situation wurde durch die OECD-Staaten die Internationale Energie Agentur IEA gegründet. Diese identifi-zierte die Wärmepumpentechnologie rasch als eine der Schlüsseltechnologien zur Reduktion des Energiebedarfs im Gebäudebereich. Dies war der Anfang der internationalen Zusammen-arbeit im Wärmepumpenbereich im Rahmen des „IEA Heat Pumping Technologies Implemen-ting Agreement“ [Groff 2005].
Die Tendenz zur rationelleren Energienutzung wurde durch die zweite Ölkrise im Jahr 1979 beschleunigt und 1980 mit dem Ausbruch des Krieges zwischen Iran und Irak noch verstärkt. Im Hinblick auf die erneut auf das Doppelte angestiegenen Ölpreise wurden die alternativen Energien immer populärer. Die Haupthoffnung lag aber auf dem Ersatz des Erdöls durch Nuk-learenergie. Man wandte sich erwartungsvoll den nuklearen Hochtemperaturreaktoren und schnellen Brütern zu. Man träumte auch von der Realisierbarkeit der Energiegewinnung durch Fusionsreaktoren bis zur Jahrtausendwende. Gleichzeitig stiegen ernsthafte Bedenken über die Umweltverschmutzung auf, welche sich im sauren Regen und im Waldsterben besonders deutlich manifestierten. All dies begünstigte die Heizung mit Wärmepumpen und führte zu ei-nem zweiten Wärmepumpenboom.Das (zu) rasche Wachstum des Wärmepumpengeschäfts führte aber zu zahlreichen Anbietern mit ungenügenden Fachkenntnissen. Das war einer der Hauptgründe für den Zusammen-bruch des Europäischen Wärmepumpengeschäfts gegen das Ende der 1980er Jahre. Deshalb wurden die 1980er Jahre für die Heizungs-Wärmepumpen zum zweiten „Tal der Trä-nen“.
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-wärmeübertrager 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 für die Kompressoren von Klimaeinheiten. Im Hinblick auf die Bedeutung dieser Arbeiten finanzierte sie zusammen mit Trane die For-schungsarbeiten für Scrollkompressoren. Dank der neuen computergesteuerten und hoch-präzisen Frästechnik 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 Stück. 2001 folge ein Scrollkompressor mit Dampfzwischeneinspritzung - dies war für Sanierungswärme-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 europäischen Konkurrenten für Scroll-kompressoren. In Deutschland begann die Massenfertigung von Schraubenkompressoren ge-gen das Ende der 1980er Jahre [Frommann 2004].Die untere Leistungsgrenze für Radialkompressoren lag in der Grössenordnung von 200 kW. 1975 betrug die höchste Antriebsleistung für einen Radialkompressor 25 MW. Axialkompres-soren wurden in der Kältetechnik erst nach den Radialkompressoren eingesetzt20. Sie kamen dann nur für sehr grosse Leistungen, insbesondere bei der Kompression von Erdgas vor der Verflüssigung zum Einsatz. In Skikda, Algerien, hat die BST (Brown Boveri Sulzer Turbo Ma-chines) Maschinen mit über 80 MW Leistung auf einer Welle eingesetzt [Thevenot 1979]. Die deutsche Borsig baute einen Axialturbokompressor für eine Ammoniak-Kälteanlage mit einer Kälteleistung von 12 MW. 1973 brachte Sulzer eine neue Generation von Hochgeschwindig-keits-Radialkompressoren, den sogenannten „UNITURBO“, auf den Markt [Friotherm 2008].
KÄLTEMITTEL
James Lovelock berichtete 1973 über in der Atmosphäre gefundene Spuren von Kältemittelga-sen. 1974 haben Sherwood Rowland und Mario Molina vorausgesagt, dass Fluorchlorkoh-lenstoff-Kältemittel (FCK) die höhere Stratosphäre erreichen. Sie vermuteten, dass das durch partielle Dissoziation in der Atmosphäre freigesetzte Chlor die Ozonschicht, welche sich auf 25 bis 35 km über der Erde befindet und uns von der hochenergetischen UV-Strahlung schützt, schädige. Diese Furcht wurde 1978 zur Gewissheit. 1985 entdeckte man das „Ozonloch“ über der Antarktis. Gegen 1990 waren Rowland’s 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 einschränkte. Mit dem Toronto Protokoll wurde 1984 ein Entwurf für 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-Kältemitteln vereinbart. Weltweit wurden Notprogramme zur raschen Realisierung dieses Ausstiegs lanciert. In einer Rekordzeit von nur vier Jahren wurde der Fluorkohlenwasserstoff (FKW) R-134a entwickelt. Unglücklicherweise 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 Lösungen mit Kohlenwasserstoffen wie Propan und Isobu-tan als Kältemittel gesucht. Diese Bemühungen fielen in den U.S.A. und in Japan aus Angst vor Haftpflichtfolgen bei Brand- und Explosionsunfällen nicht auf fruchtbaren Boden. In Europa begann 1993 die Massenfertigung von Kühlschränken mit Kohlenwasserstoffen als Kältemittel [Kunis et al. 2004], [Frommann 2004].Nicht azeotrope Mischungen von Kältemitteln wurden um 1984 eingeführt. Mit Ammoniak-Wasser können beispielweise bei Wärmepumpenboilern - oder generell bei Wärmesenken mit stark ändernder Temperatur – durch den Joule- anstelle des Ranking-Prozesses signifikant höhere Leistungszahl erreicht werden [Mucic und Schermann 1984].
WÄRMEÜBERTRAGER
In den 1970er Jahren hielten die Plattenwärmeübertrager endgültig Einzug in die Kälte- und Wärmepumpentechnik. Für synthetische Kältemittel wurden die Elastomerdichtungen bereits in der Mitte der 1980er Jahre durch gelötete Verbindungen ersetzt. Diese Technik fand eine ein-drückliche Verbreitung. Zwischen 1987 und 2001 wurden weltweit rund drei Millionen gelötete Plattenwärmeübertrager mit profilierten Platten produziert. Lasergeschweisste Plattenverbin-dungen wurden zu Beginn der 1990er Jahre eingeführt [Frommann 2004].
ELEKTRONISCHE REGELUNG
Ein entscheidender Meilenstein der 1980er Jahre war die Einführung von Mikroprozessoren21. Diese ermöglichten 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 Wärmesenken- und der Wärmequellensei-te. Dies ist für Wärmepumpen mit Luft als Wärmequelle von besonderem Vorteil. Carrier führte bereits 1989 ein durch einen Mikroprozessor mit Sensoren im Verdampfer, im Kondensator und im Kompressor gesteuertes elektronische Expansionsventil ein. Dieses System wurde als “Flotronic” bezeichnet [Szokody 2007].
KÄLTETECHNIK
Für die industrielle Kältetechnik Europas waren in den 1980er Jahren BBC-York, Stahl Kälte-technik, Sabroe, Linde und Sulzer Hauptlieferanten [Frommann 2004].
7.1.2 Absorptionsprozess
KLEINE ABSORPTIONSWÄRMEPUMPEN
In den 1980er Jahren wurden zahlreiche Versuche zur Entwicklung einer Absorptionswärme-pumpe mit Heizleistungen unter 50 kW unternommen [Loewer 1981], [Murphy und Phillips 1984], [Schäfer und Stephan 1984]. Je nach Komplexität des Absorptionsprozesses wurden zur Heizung Nutzungsgrade von 1.15 bis 1.4 erreicht. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis vermochte aber nicht zu begeistern, und auch die Probleme mit der Lösungspumpe waren wenig markt-freundlich. Absatzweise arbeitende Absorptionskälteprozesse wurden insbesondere für die Verwendung von Sonnenenergie untersucht [Peters et al. 1986]. Kleinammoniakwärmepumpen für Heizzwecke erreichten aber nie einen kommerziellen Erfolg.
U.S.A.
Die Nachwirkung des Ölembargos von 1973 begünstigte den Dampfkompressionsprozess mit seiner höheren Effizienz. Selbst bei den grossen Wasserkühlsätzen 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-Absorptionskältesätze zu perfektionieren. 1975 übertraf der Anteil an Absorptionskältesätzen jene von Dampfkompressionskältesätzen erstmals. 1980 offerierte das Finanzministerium den Endverbrauchern, welche gasbeheizte Absorptionsaggregate einsetzten, Steuererleichterun-gen. Mitte der 1980er Jahre haben die grossen Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskältesätze für die Kühlung Nutzungsgrade von 1.2 überschritten. In Japan wurden Absorptionsanlagen bis über 31.6 MW Kälteleistung gebaut.
7.2 Schweizer Beiträge zur Wärmepumpenheizung
Im Anschluss an mehr als zwei Dekaden der Stagnation erfuhren die Wärmepumpen durch das Ölembargo von 1973 eine Wiedergeburt. Adolf Ostertag, der Leiter der Ingenieurabteilung von Escher Wyss für Kältetechnik und Wärmepumpen vor und während dem zweiten Weltkrieg, er-innerte in einer Publikation an die Grundlagen und Besonderheiten der Wärmepumpentechnik zur Raumheizung und Warmwasserbereitung und deren Integration in Fernheiznetze [Ostertag 1974].Die Entwicklung einer zweiten Generation von Wärmepumpen für Wasserzentralheizungen für Einfamilienhäuser und grössere Wohnbauten begann unmittelbar nach dem Ölembargo von 1973. Gegen 1980 erreichten korrekt funktionierende kleinere Wärmepumpeneinheiten (10 - 25 kW) nur etwa 1.9 bis 2.3 für Luft als Wärmequelle. Die Werte bei Sole/Wasser-Systemen mit horizontalen Erdkollektoren waren nicht viel grösser [Hubacher 2007]. Böse Gerüchte mit Jah-resarbeitszahlen nur wenig über 1 wurden in der Tagespresse abgedruckt [Blattmann 1981]. Der anfängliche Wärmepumpenboom endete mit dem sich verschlechternden Ruf der Wärme-pumpe. Dies war auf eine zu grosse Zahl unseriöser Anbieter mit technisch bedenklich konzi-pierten Anlagen und ungenügender Installationsplanung zurückzuführen.Die dritte Generation von Kleinwärmepumpen nach der zweiten Ölkrise im 1979/1980 war weniger voluminös und hatte einen kleineren Kältemittelinhalt. Mit Ausnahme von Luft blieben horizontale Erdkollektoren – oft kombiniert mit unverglasten Dachkollektoren – die Hauptwär-mequelle. Es wurden aber auch thermoaktive Gebäudeelemente mit integrierten Rohrleitungen (Wände und Dächer vorfabrizierter Garagen, Fassadenelemente und spezielle Dachziegel) verwendet. R-502 wurde zum bevorzugten Kältemittel für Wärmepumpen, ohne R-22 und R-12 ganz zu verdrängen. Nebst der Beheizung von Einfamilienhäusern wurden grössere Wärme-pumpen für öffentliche Gebäude, Einkaufszentren, Schwimmbäder, Hallenschwimmbäder und industrielle Prozesse (vorab in der Nahrungs- und Metallindustrie) etc. gebaut.In den 1980er Jahren kamen auch Wärmepumpen 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 häufigen Pannen und zu hohen Unterhaltskosten zu kämpfen. Zudem waren sie im Betrieb nicht so flexibel wie die Kombinati-on von Blockheizkraftwerken mit Wärmepumpen. Diese ist bedeutend zuverlässiger 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, benötigte der Wärmepumpenmarkt eine gewisse Selbstreinigung und konzertier-te Begleitmassnahmen zur Qualitätssicherung. 1993 gab es auch einen Versuch zur einer fruchtvollen Zusammenarbeit der Wärmepumpenhersteller SHF Ostermundigen (Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen) und Schweizer Hedingen (Luft/Wasser-Wärmepumpen) sowie die für Kleinwärmepumpen vertriebsorientierten Firmen CTC Wärmetechnik Zürich und Scheco Winterthur. Das Konsortium „Integral Wärmepumpen” überlebte aber nur wenige Jah-re.
7.2.1 Wärmepumpenpioniere im Einfamilienhausbereich (10-50 kW)
In diesem Leistungsbereich wurde unmittelbar nach 1973 sehr viel unternommen – aber es gibt nur wenige Dokumente dazu. Die Pioniere in diesem Bereich haben alle Arten von Wärme-pumpensystemen realisiert – nicht selten Tag und Nacht. Aber sie kümmerten sich nicht um Publikationen. Deshalb sind die meisten der folgenden Ausführungen aus persönlichen Inter-views mit den betreffenden Personen entstanden. Für die Heizung von Einfamilienhäusern lag der häufigste Wärmeleistungsbedarf an den käl-testen Tagen im Jahr im Bereich von 15 kW bis 25 kW. Bei Zweifamilienhäusern lag er etwas höher. Es gab noch keine geeigneten Wärmepumpensysteme für Warmwasser-Zentralhei-zungen mit Luft oder Grundwasser als Wärmequelle. Dies motivierte zahlreiche Pioniere zur Entwicklung tauglicherer Lösungen für diesen Bedarf. Es handelte sich dabei meist um ge-schickte Monteure und Techniker aus den Bereichen Kältetechnik, Klimatisierung und Elektrizitätsversorgung. Diese Pioniere produzierten Wärmepumpen in kleinen Stückzahlen auf gewerblicher Basis im Allgemeinen für den Schweizer Markt. Alle benützten kostengünstige hermetische Kolbenkompressoren und andere Komponenten aus dem Weltmarkt für die Kälte-technik. Als Kältemittel verwendeten sie meist R-12 und später R-22. Bis 1978 waren horizon-tale Erdkollektoren (Bild 7-1, Bild 7-2) üblich. Diese wurden oft mit unverglasten Dachkollek-toren (Bild 7-3, Bild 7-4) kombiniert [Promatec 1978] detailliert beschrieben. Sie wurde gelegentlich auch für Wohnblocks verwen-det [Baumann und Züllig 1983]. Es gab aber auch recht exotische Lösungen, wie das im Bild 7-5 gezeigte Gasmotorwärmepumpensystem mit einer Kombination von Dachkollektoren und Wärmerückgewinnung aus dem häuslichen Abwasser. Die oft kritisierte elektrische Wider-standsheizung war ein wichtiger Wegbereiter für die Wärmepumpen. Ihre relativ hohen Ener-giekosten erforderten eine gute thermische Isolation der Gebäude, ein gut ausgebautes Elektrizitätsverteilungsnetz und bei Zentralspeicheranlagen eine auch für Wärmepumpen geeignete Warmwasserheizung im Gebäude. Die Wärmepumpenpioniere, die auch oft aus dem elektrischen Widerstandsheizungsbereich stammten, ergriffen die Chance für eine effizientere Nutzung der Elektrizität.
GRIMM / NEUCALORA
Einer der ersten unter diesen Wärmepumpenpionieren war der 1928 geborene Heinz Grimm. Nach einer Berufslehre als Werkzeugmacher betätigte er sich sehr vielseitig. Seine Aktivitäten reichten von elektrischen Freileitungen bis zur Klimatisierung. 1960 machte er sich selbständig und produzierte elektrische Zentral-Widerstandsheizungen für die Bernischen Kraftwerke (BKW). Sein erstes Wärmepumpenfunktionsmuster hat er 1973 gefertigt. Der erste Betrieb überdauerte nur eine Nacht. Dies hinderte Grimm aber nicht daran, sein neues Funktions-muster in Zusammenarbeit mit den BKW gegen Ende 1973 an der Oberländer Herbstausstel-lung (OHA) in Thun vorzustellen. 1974 installierte Grimm seine erste Wärmepumpe in einem Einfamilienhaus in Wynigen. Ursprünglich benützten Grimm’s Wärmepumpen – man nannte sie „Grimm-Maschinen“ – horizontale Erdkollektoren aus Polyethylenrohren: Bild 7-1. Später 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 Wärmequelle. Zur lärmfreien Nutzung von Umgebungsluft baute er Energiezäune (Bild 7-6). Er experimentierte auch mit Latentwärmespeichern und Kom-pressoren mit variabler Drehzahl zur Leistungsanpassung. In seiner Wärmepumpe fanden Verdampfung und Kondensation an auf der eigenen Drehbank hergestellten Doppelrohrwen-deln aus Kupfer statt: Bild 7-7. Bereits 1975 berichtete Grimm über in seinen erwähnten Wär-mequellen gemessene Temperaturprofile [Kunckler 1975]. Heinz Grimm baute stets ganze Wärmepumpensysteme einschliesslich der Wärmequelle und des Wärmeverteilsystems im Gebäude. In diesem Punkt wich seine Meinung von jener der Konkurrenten ab. Die hohen Kosten für die vielen Experimente führten 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 aufwändigen Doppelrohrkonstruktion auf Plattenwärmeübertrager. 1993 wurde die unten erwähnte Firma SHF übernommen und noch im glei-chen Jahr wurden unter dem Namen „Integral Wärmepumpen“ auch Kleinwärmepumpen für CTC23 in Zürich und Scheco in Winterthur produziert. 1995 wurde Neucalora durch den Wär-mepumpenhersteller Grünewald24 in Affoltern a.A. übernommen [Grimm 2007], [Giger 2007].
SHF / STEINMANN 1973 gründeten in Zollikofen der Mechaniker und Hauptinvestor Albert Steinmann, der Kältetechniker Karl Hess und der Verkaufsfachmann Norbert Felber die Firma SHF. SHF hatte bald einen guten Ruf für verlässliche Wärmepumpen auch für Heizleistungen über 100 kW. Einige SHF Wärmepumpen sind heute noch in Betrieb. 1976 übernahm SHF die Kältefirma 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 Grünewald, später an Frutiger25 und schliesslich 1993 an Neucalora verkauft [Beerhalter 2007], [Grimm 2007].
GRÜNIGER / SOLTHERM
Emil Grüniger, ein ehemaliger Monteur von Escher Wyss, hat sich weltweite praktische Erfah-rung in der Kälte- und Wärmepumpentechnik erworben. Ab 1973 befasste er sich mit dem Bau einer Kleinwärmepumpe. 1975 begann er in seiner eigenen Firma Soltherm in Altendorf mit dem Bau von Wärmepumpen. Sein erstes Wärmepumpensystem 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 später wohlbekannten Ölrezirkulationsprobleme bei Direktverdampfungssystemen an den Tag. Er setzte danach auf indirekte Verdampfung mit durch eine Wärmeträgerflüssigkeit durchströmten „normalen“ hori-zontalen Erdkollektoren. Soltherm baute etwa 500 solcher Wärmepumpensysteme mit herme-tischen Maneurope-Kolbenkompressoren. Grüniger war mit Kurt Trüssel von KWT unter den ersten, welche die Kältemittelenthitzung im Winter zur Beheizung von Räumen im Kellerge-schoss (z.B. Wäschetrocknungsräume) und im Sommer zur Enderhitzung des Brauchwarmwassers nutzten [Grüniger 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 Wärmepumpenpionieren hatte Gyula Szokody einen besonderen Einfluss auf die Berufsgemeinschaft der Schweizer Kleinwärmepumpenbauer. Er kann nicht nur auf einen aus-sergewöhnlichen persönlichen Lebenslauf zurückblicken (3 Jahre Studium der Theologie im kommunistischen Ungarn, Flucht aus dem „Arbeiterparadies“ und anschliessend Ingenieurstu-dium) – er erbrachte der Schweizerischen Wärmepumpenszene einen grossen persönlichen Beitrag. 1974 trat er in die Firma Hoval Herzog (http://www.hoval.ch) in Feldmeilen ein. Für grösseren Wärmebedarf setzte Hoval Herzog auf modifizierte Carrier Wasserkältesätze. Diese luftgekühlten Maschinen waren für warme Klimazonen konzipiert. Für die Verwendung als Wärmepumpe mussten spezielle Kondensatoren konstruiert werden. Bereits 1974 hat Ho-val ein Wärmepumpensystem für die Warmwasserzentralheizung und die Warmwasserberei-tung in einer Überbauung mit 40 Häusern in Balzers (Liechtenstein) gebaut. Die 3 in Frankreich gebauten Carrier Wasserkühlsätze mit je 4 Kompressoren wurden mit speziellen Kondensato-ren zum Erreichen einer Kondensationstemperatur von 60 °C versehen. Der benachbarte Rhein diente als Wärmequelle. Die Gesamtheizleistung des Wärmepumpensystems betrug 1.18 MW. Bei 9°C/60°C wurde eine Leistungszahl von 3.64 erreicht. Dies entspricht einem Lo-renz-Wirkungsgrad von 46.2%. Zur Sicherstellung der Warmwasserbereitung musste eine der 3 Wärmepumpen eine Vorlauftemperatur von 55 °C erreichen. Aussergewöhnlich für jene Zeit war nebst dem vollautomatischen Betrieb eine elektronische Mehrstufenregelung, welche die benötigte Anzahl Einheiten in Abhängigkeit der Aussentemperatur zuschaltete [Szokody 1975, 2007]. Ein wegweisendes Wärmepumpensystem wurde 1975 durch Hoval Herzog in der Abwasser-reinigungsanlage Obermeilen am Zürichsee gebaut. Es war die erste Wärmepumpe der Schweiz, welche den Abfluss einer Abwasserreinigungsanlage als Wärmequelle nutzte. Der Abfluss mit ungefähr 0.1 m3/s hatte eine Temperatur von 8 °C – 22 °C. Zwei Carrier-Wärmepumpen mit je 310 kW bei 7°C / 55°C versorgten den Faulturm der Abwasserreini-gungsanlage mit Wärme und beheizten die in der Nähe gelegene Alterssiedlung Dollikon. Für den Faulturm war eine konstante Vorlauftemperatur von 50 °C erforderlich, um den frischen Schlamm auf 37 °C aufzuheizen. Um auch die Heizung des Altersheims mit einer Vorlauftem-peratur von 50 °C betreiben zu können, mussten die Heizkörper entsprechend vergrössert werden. Auch dieses Wärmepumpensystem funktionierte mit der bereits oben beschriebenen automatischen Mehrstufenregelung [Gubser 1975, 1976], [Szokody 2007]. Um 1975 brachte Hoval Herzog die Wärmepumpe “WW-Automat” auf den Markt. Dies war nicht mehr nur ein angepasster Kältesatz, sondern ein vollautomatisches Wärme-pumpensystem mit integrierter Warmwasserbereitung. Es wies nur je einen Ein-/Ausschalter für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung auf. Der erste WW-Automat wurde in einem Gebäude in Surava bei Tiefencastel installiert. 1985 realisierte Hoval Herzog in einer neu-en Luft/Wasser-Wärmepumpe mit der Einführung des Mikroprozessors ein neues Entei-sungskonzept.
WERMELINGER / AUTOFRIGOR / SCHECO / SULZER. In der Pionierzeit musste zur Überzeugung der Heizungsfirmen, der Architekten, der Bauherren und der Bewilligungsbehörden noch harte Arbeit geleistet werden. Der Neuanfang der Wärme-pumpentechnik nach dem Erdölembargo war entsprechend gekennzeichnet durch langwierige Bewilligungsprozesse und Absagen infolge Unkenntnis und Ignoranz der Behörden und der Elektrizitätswerke. Im Zweifelsfall galt das „Nein“. In dieser Zeit hat sich bei Autofrigor in Win-terthur der junge Ingenieur Bruno Wermelinger sehr für die Akzeptanz und hindernisfreie Ver-wirklichung der Wärmepumpentechnologie eingesetzt. Wermelinger liess sich nicht entmutigen und schreckte auch nicht vor einem Telefonanruf an den damaligen Bundesrat Willi Ritschard (verantwortlicher Minister für die schweizerische Energieversorgung) zurück. In diesem wies er den Energieminister auf die Unzulänglichkeiten in den Bewilligungsverfahren hin. Gemein-sam mit Max Ehrbar von der Fachhochschule Buchs und Gyula Szokody organisierte Werme-linger Arbeitsgruppen zu Themen der Wärmepumpentechnik. Dies führte zu den ersten SVK26-Richtlinien zur Wärmepumpentechnik. Ab 1975 baute die Kältefirma Autofrigor zahlreiche Wasser/Wasser- und Luft/Wasser-Wärme-pumpen im Heizleistungsbereich von 10 kW bis 150 kW. Unter den bis 1977 gebauten rund 50 Wärmepumpen waren auch Ausführungen mit Verbrennungsmotorantrieb (Erdgasmotoren und Dieselmotoren) zur Erreichung hoher Temperaturen bis 120 °C und Systeme zur kombi-nierten Nutzung von Wärme und Kälte. Auch Plattenwärmeübertrager wurden früh einge-führt. Wermelinger war unter den Gründungsmitgliedern der AWP (siehe 7.2.8) und übernahm in einem Forschungsprojekt des Bundesamts für Energie die Führung beim raschen Ersatz der Fluor-Chlor-Kohlenstoff-Kältemittel [Wermelinger 1992]. Von 1981 bis zu seiner Pensionierung 1999 war er der Geschäftsleiter von Scheco in Winterthur http://www.scheco.ch , welche 1989 zu einer Tochterfirma des Sulzer-Konzerns wurde. 1990 erreichte der Wärmepumpenanteil rund 25% des Umsatzes von Scheco. Auch als Stadtrat an seinem Wohnort Bülach engagierte sich Wermelinger für eine nachhaltige Energiepolitik. Nach seiner Pensionierung leitet er die Firma OptiCasa http://www.opticasa.ch , welche Passivhäuser realisiert, die überhaupt kein aktives Heiz-system mehr benötigen. Die Lösung von OptiCasa wurde 2007 an der Eröffnungsfeier der Ausstellung Swissbau als „Gebäudehülle der Zukunft” ausgezeichnet. Wermelinger bemerkte dazu: „Es treten auch hier wieder dieselben Probleme auf wie in der Wärmepumpen-Pionier-zeit. Zunächst ist jedermann skeptisch und man kann die Leute dann nur überzeugen, wenn man ihnen zeigt, dass es funktioniert!“ [Wermelinger 2007].
SULZER SOLSET / BRUGNOLI /
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09 Feb 2012
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Wärmepumpen Geschichte Teil 3
SULZER SOLSET / BRUGNOLI / STREBEL / CRYOTHERM
Auf der Grundlage jahrzehntelanger Erfahrung baute Sulzer auch in dieser Periode zahlreiche mittelgrosse und grosse Wärmepumpen. Ab 1978 entwickelte Carlo Brugnoli eine kleine Luft/Wasser-Wärmepumpe mit integrierter Warmwasserbereitung. Man gab ihr den Namen “Solset”. Dank bivalent-parallel-Betrieb mit einem Jahresheizenergieanteil der Wärmepumpe von 75% lieferte Solset eine Vorlauftemperatur von 65 °C. Bei tieferem Wärmebedarf wurde die Spitzenlastdeckung durch einen elektrischen Durchlauferhitzer übernommen. Bei hohem Wärmebedarf übernahm ein Kessel die Spitzenlastdeckung. Um ein häufiges Ein- und Aus-schalten der Wärmepumpe zu verhindern, wurde durch R. Huber ein spezieller Wärmespei-cherbehälter entwickelt und patentiert. Während der Heizsaison 1978/1979 wurde Solset pa-rallel im Labor und im Feld gemessen. Ab 1979 wurden die ersten Solset-Wärmepumpen mit Leistungen bis 30 kW an Installateure verkauft. Aber Serie-Kleinanlagen passten nicht recht ins Konzept von Sulzer.
26 Schweizerischer Verein für Kältetechnik.
Deshalb wurde die Entwicklung an den Kesselhersteller Strebel in Rothrist verkauft. Dieser er-höhte die Heizleistung in Weiterentwicklungen bis 120 kW. Sulzer verfolgte die Entwicklung ei-ner kleinen Wärmepumpe weiterhin. Doch in den frühen 1980er Jahren kam es im Wärme-pumpengeschäft aufgrund des oben Beschriebenen zu einem raschen Einbruch. In der Folge gab Sulzer 1984 die Entwicklung von Kleinwärmepumpen endgültig 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 Wärmepumpenboiler und bis vier halbher-metische Kompressoren bis zu Heizleistungen von 300 kW weiterentwickelt. Aufgrund der fol-genden Übernahmen durch die “Verzinkerei Zug” und eine österreichische Gruppe entschloss sich Brugnoli 1996, das Solset-Geschäft allein weiterzuführen. Bis zu seiner Pensionierung im Jahr 1998 wurden noch einige Solset-Wärmepumpen verkauft. Darunter solche mit bivalent-alternativem Betrieb und Erdwärmesonden. Auch Brugnoli war während 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 Wärmepumpensysteme lange vor 1950 aktiv. Das angereicherte Wissen führte bei grossen Wärmepumpen zu einer führenden Position von Sulzer27. Sulzer baute auch in dieser Periode zahlreiche Anlagen. Im Folgenden werden nur wenige Beispiele erwähnt.
4.7 MW TOTALENERGIEANLAGE IM BAHNHOF LUZERN 1984
Wie bereits im Kapitel 1 erwähnt, sind Kombinationen von Blockheizkraftwerken mit Wärme-pumpen im Vergleich zu Wärmepumpen mit direktem Verbrennungsmotorantrieb verlässlicher und flexibler. Eine der ersten Umsetzungen dieses modernen Konzepts erfolgte mit dem durch Sulzer beim Bahnhof Luzern für die Bundesbahnen und die Post gebauten System. Sechs28 Wärmepumpeneinheiten mit einer Heizleistung von je 440 kW und Wasser aus dem Vierwaldstädtersee als Wärmequelle wurden installiert. Die elektrische Energie zum Antrieb dieser Wärmepumpen wurde durch drei Blockheizkraftwerke mit Gasmotoren pro-duziert. Diese Blockheizkraftwerke wiesen je eine Heizleistung von 678 kW und eine Elektrizi-tätsproduktion von 374 kW auf. Die Temperaturen auf der Wärmesenkenseite betragen für die Wärmepumpen 55°C - 60°C für den Vorlauf und 40°C für den Rücklauf. Für die Blockheiz-kraftwerke betragen sie 75°C bzw. 60°C. Im Sommer können die Wärmepumpen auch zur Kühlung mit einer Kälteleistung von je 320 kW eingesetzt werden. Für die Spitzendeckung wurde ein 3.2 MW Holzschnitzel-Kessel gebaut. Der Nutzungsgrad des Systems lag bei 170% und die Jahresheizöleinsparung betrug rund 1'300 Tonnen. Das System wurde bereits zu Be-ginn durch einen Computer unter Einbezug des momentanen Heizleistungsbedarfs und des ak-tuellen Elektrizitätstarifs optimal betrieben [Etterlin 1985]. 1990 wurde die Wärmepumpe zur Verwendung von Ammoniak anstelle von R-12 umgerüstet [Brügger et al. 1991]. Im Jahr 2007 wurden die ursprünglichen Blockheizkraftwerke durch neue von AVESCO29 in Langenthal ge-baute ersetzt. Die Gesamtwärmeleistung des Systems wurde auf 7.2 MW erhöht.
27 1970 wurde Escher Wyss in die Sulzer-Gruppe eingegliedert. Nach dem Verkauf der Hydraulikabteilung an die österreichische VA Tech im Jahr 1999 und der Turbokompressorabteilung an die deutsche MAN im Jahr 2001 ver-schwand der berühmte Name “Escher Wyss”.
28 1984 wurden vier Einheiten installiert, zwei weitere folgten 1986.
29 AVESCO baut in Langenthal grosse Blockheizkraftwerke für 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 enthält zwei Gasturbinen-Generatoreinheiten, welche die elektrische Energie zum Antrieb von zwei elektrischen Wärmepumpen liefern. Die Gasturbinen-Generatorein-heiten weisen eine elektrische Leistung von je 3 MW (elektrischer Wirkungsgrad 28.1%) und eine Wärmeleistung von je 5.7 MW (thermischer Wirkungsgrad 53.4%) auf. Ihr Betrieb ist von jenem der Wärmepumpen entkoppelt. Sie werden mit leichtem Heizöl betrieben. Die zwei identischen Wärmepumpen sind mit Schraubenkompressoren mit Öleinspritzung und Economizer-Stutzen ausgerüstet. Sie werden mit Ammoniak als Kältemittel und Wasser aus dem 1 km entfernten Genfersee mit einer mittleren Temperatur von 6 °C während der Heizsaison als Wärmequelle betrieben. Die Wärmeleistung der Wärmepumpen beträgt 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 abgekühlte Wasser wird in einen nahen Fluss zurückgegeben. Die beiden Wärmepumpen mit getrennten Ammoniakkreisläufen können je nach Heizungsbedin-gungen entweder in Serie (Zweistufenwärmepumpe) oder parallel (dann ist eine Wärmepumpe meist im Stand-by-Betrieb) betrieben werden. Interessant ist, dass Ammoniak hauptsächlich im Hinblick auf seine ausgezeichneten thermodynamischen Stoffeigenschaften gewählt wurde. Mit einer Gesamtwärmeleistung von 7.8 MW ist diese Wärmepumpenanlage eine der grössten in der Schweiz geblieben. Messungen ergaben die folgenden Lorenz-Wirkungsgrade der Wärmepumpen: 58.1% bei 5 °C / 50 °C, 59.7% bei 6 °C / 45 °C und 45.4% bei 7 °C / 30 °C. Nach zehn Jahren Betrieb nahm die Leistungszahl der Wärmepumpen 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 WÄRMEPUMPE FÜR STOCKHOLMS FERNHEIZUNGSSYSTEM
Da es in der Schweiz keine grossen Fernheizungssysteme gibt, mussten die wirklich grossen Wärmepumpen exportiert werden. Von diesen soll hier stellvertretend eine erwähnt werden. Von 1984 bis 1986 wurde für das Fernheizungssystem von Stockholm das weltgrösste Wär-mepumpensystem mit Meerwasser als Wärmequelle (Värtan Ropsten) gebaut und in Betrieb genommen. Es weist eine Gesamtwärmeleistung von 180 MW auf. Bei einer Meerwassertem-peratur von 2.5 °C / 0.5 °C und einer Heizwassertemperatur von 57 °C / 80 °C erreicht es eine Leistungszahl von 3.75. Das System besteht aus 6 Wärmepumpen mit Radialkompressoren: Bild 7-14. Die Heizleistung lässt sich im weiten Bereich von 10% bis 100% anpassen. 2003 er-folgte ein Umbau für den Ersatz von R-22 durch R-134a [Friotherm 2008].
FERNHEIZUNGSSYSTEM SCHWEIZER MITTELLAND – EIN NIE REALISIERTES ZUKUNFTSWEISENDES KONZEPT
Peter Steiger, Conrad. U. Brunner, Heinz-Horst Becker, Werner Stoos und Bruno Wick haben unabhängig von den Aktivitäten und finanziellen Unterstützungen der „Schweizerischen Ab-wärmekommission“ ein zukunftsweisendes Konzept für grossse Teile des schweizerischen Mit-tellandes umfassendes kaltes Fernwärmenetz (40 °C – 50 °C) ausgearbeitet. Dieses sollte durch die drei Kernkraftwerke Mühleberg, Beznau I und Beznau II und industrielle Abwärme gespeist werden. Als Hauptidee des sogenannten „Plenarsystems“ wäre die Wärme erst bei den Verbrauchern durch Wärmepumpen 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 wä-re es angebacht, nochmals auf das visionäre Konzept zurückzukommen [Steiger et. al 1977], [Schärer 2007].
7.2.4 Pioniere der Erdwärmesonden
Schweizer haben wesentlich zur Entwicklung der Erdwärmesonden beigetragen, über die bis etwa 1980 nur gelächelt wurde.
RECHSTEINER / MULTI-ENERGIE – ERSTE ERDWÄRMESONDE
Die hohen Bodenpreise in der Schweiz verleiteten zu einer Unterdimensionierung der horizon-talen Erdkollektoren, welche zu einem verspäteten Vegetationsbeginn und in extremen Fällen auch zu Frostschäden führte. Dies motivierte Jürg Rechsteiner, einen Ersatz der Erdkollektoren durch Erdwärmesonden zu versuchen. Bereits 1974 liess er Stahlsonden mit einem Aussen-durchmesser von 60 mm und einer Gesamtlänge von 70 m in den sandigen Boden von Luste-nau (Vorarlberg, Österreich) rammen. Die koaxialen Stahlrammsonden bestanden aus 2.5 m langen Elementen mit einer äusseren Wandstärke von 5 mm. Das Rammen der ersten Sonde verlief erfolgreich. Die zweite Rammung endete mit einer Überraschung. Der Kopf der Probe tauchte nämlich nur wenige Meter neben der Ramm-Maschine aus dem Boden..! Mangels ver-lässlicher Berechnungsunterlagen musste die Auslegung der Sonden noch über grobe Plausi-bilitätsannahmen erfolgen. Trotzdem wurde die Wärmepumpenanlage durch die deutsche Schäfer 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 Wärmepumpensysteme mit Stahlrammsonden ausgeführt. Es gab aber zahlreiche Probleme, wie die Leckage aus beschädigten Dichtungen zwischen den Sondenelementen. Dies war ein kostspieliger erster Versuch und ruinierte den Ruf der Erdwärmesonde als neue Wärmequelle für Wärmepumpen. 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, äusserer Durchmesser der PE-Rohre 25 mm, Wandstärke 2.4 mm, Länge 50 m). Er stellte seine Erfindung Ernst Rohner von der Bohrfirma Grundag (siehe unten) vor. Kurz darauf führte Multi-Energie in der Nähe von St. Gal-len die ersten Tests mit U-Sonden aus Kunststoff durch. Bereits 1980 erfolgte der Bau einer ersten Wärmepumpenanlage mit Doppel-U-Sonden aus Polyethylen für ein Einfamilienhaus in Arbon. Die mit einer Wärmepumpe von Multi-Energie ausgerüstete Anlage wurde im De-zember 1980 in Betrieb genommen. Wie spätere Langzeitmessungen zeigten, funktionierte sie gut, obwohl die Sonden noch nicht hinterfüllt 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 Nützlichkeit und Verlässlichkeit der Doppel-U-Sonden aus Polyethylen bereits genügend demonstriert. Für die Erfindung wurde Rechsteiner 1985 das Schweizer Patent 649623 erteilt. Aber bald darauf wurde bekannt, dass ein deutsches Patent für eine ähnliche Lösung mit einer Umlenkvorrich-tung am Sondenende anstelle des einfachen U-Bogens von Rechsteiner existierte. Obwohl die Lösung gemäss dem deutschen Patent nie umgesetzt wurde, verhinderte dieses Patent den Schutz von Rechsteiners Erfindung. Sie wurde in der Folge zur Standardausführung von Erd-wärmesonden im In- und Ausland. Rechsteiner tröstete 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 für U-Sonden vorgenommen. Aber Grundag war schon vorher eine etablierte Bohrfima. Sie bohrte für andere Zwecke, vorab für die Erschliessung von Grundwasser und von heissen Quellen. Die von Grundag eingesetzte Rotations-Spülbohrtechnik war wesentlich kosten-günstiger als die Kernbohrtechnik. Grundag wurde ab 1980 zum verlässlichen Partner für die ganze Schweizer Wärmepumpengemeischaft und führte die Bohrarbeiten mit zuverlässigen, erfahrenen Bohrmeistern überall in der Schweiz sowie auch im benachbarten Deutschland und Österreich aus. Rohner zog sich 2001 altershalber zurück und überliess sein Bohrgeschäft der Firma HASTAG in St.Gallen http://www.hastag.ch . 1980 lag die Tiefe der Bohrungen bei 50 m. Bis 1985 ging sie schon über 100 m und erreicht heute mehr als 300 m. Der Hauptgrund für diese Entwicklung ist nicht die mit grösserer Tiefe zunehmende Erdreichtemperatur (etwa +1 K pro 30 m), sondern die Landknappheit [Rohner 2007], [Ottinger 2007].
TRÜSSEL / KWT
Kurt Trüssel gründete um 1980 in Belp seine Firma KWT31. Auch er wollte eine Erdwärmeson-de realisieren. Offenbar unabhängig von Jürg Rechsteiner führte er ein erstes Experiment durch. Er liess in seinem eigenen Garten 50 m tief bohren, brachte eine Koaxialsonde ein und verband sie mit einer Kälteeinheit. Durch Beobachtung des thermischen Verhaltens der Sonde erhielt er erste Auslegungsanhaltspunkte für Erdwärmesonden. Um 1981 hat Trüssel die erste Wärmepumpenanlage mit Erdwärmesonde für 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 – und sie ist heute noch in Betrieb! Bis 1987 engagierte auch KWT die Firma Grundag für ihre weiteren Erdwärmesonden-Bohrungen. Dann begann KWT selbst zu bohren. Nebenbei sei nochmals auf die von Trüssel 1985 eingeführten Wärmepumpen mit integrierter Warmwasserbereitung hingewiesen, welche die Abkühlung des überhitzten Käl-temitteldampfes für die Schlusserwärmung nutzte. Zu dieser Zeit baute er auch seine bekann-ten separaten kleinen Enthitzer zur Beheizung von Wäschetrocknungsräumen im Kellerge-schoss [Trüssel 2007].
BURREN / WA-TEC / FRUTIGER
1980 versuchten es auch die Brüder Erwin und Jürg Burren mit koaxialen 2-Zoll-Stahlsonden mit einer Länge von 50 m. Sie wurden bereits mit Bentonit hinerfüllt. Vermutlich handelten sie ohne die von Rechsteiner bereits gesammelten Erfahrungen. Sie nannten ihre koaxialen Stahl-sonden “Zonatherm”. 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-führt. Die Firma WA-TEC der Gebrüder Burren brach infolge zu zahlreicher Kinderkrankheiten ihrer ersten Wärmepumpen und des zu teuren kathodischen Korrosionsschutzes für die Stahl-sonden zusammen. Erst 1988 begann auch Frutiger in Uetendorf mit dem Bohren für Erdwär-mesonden [Beck 2007], [Ottinger 2007].
7.2.5 Pioniere der Nutzung von Rohabwasser
Wie oben bereits mitgeteilt, wurde die erste Einrichtung zur Nutzung von häuslichem Rohab-wasser als Wärmequelle durch Heinz Grimm gebaut. Die Lösung 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 Wärmerückgewinnung aus Rohabwasser. In dieser als „FEKA-Tank“ be-zeichneten Einrichtung wurden die Feststoffe durch Sedimentation und Siebung abgetrennt [Kalberer 1981]. Der erste grössere 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 jährliche Reinigung des FEKA-Tanks nötig. Andernfalls genügt eine Reinigung im Vierjahresabstand. Die Reinigung kann durch die örtliche Kläranlagenreinigung durchgeführt werden. In neuen Systemen wird die Leistungszahl der Wärmepumpen fernüberwacht. Bei einem Abfall wird die Reinigung ausgelöst [Kalberer 2007].
7.2.6 Qualitätssicherung für Kleinwärmepumpen
BOREL / ERSTER WÄRMEPUMPENTEST
In der welschen Schweiz hat Lucien Borel32 an der ETH-Lausanne (EPFL Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) um 1980 einen Wärmepumpenprüfstand aufgebaut. „EPFL geprüft” wurde rasch zum Qualitätsbegriff – dies bereits Jahre vor der Eröffnung des Schweizerischen Wärmepumpentestzentrums in Winterthur-Töss. Borel gehörte im französischen Sprachbereich zu den Pionieren der exergetischen Analyse. Zur Identifikation der Schwachstellen des Pro-zesses wandte er diese auf die Wärmepumpe an [Borel 1980]. Die Prüfung kommerzieller Wärmepumpen wurde durch das Schweizerische Bundesamt für Konjunkturfragen finanziert. Die Bestwerte der aus den Messungen ermittelten Lorenz-Wirkungsgrade lagen bereits 1986 bei 40% für Luft/Wasser- und bei 45% für Wasser/Wasser-Wärmepumpen. Im Vergleich zu den späteren Messergebnissen in Winterthur-Töss scheinen die Werte für jene Zeit eher zu hoch. Wahrscheinlich entsprachen die Testbedingungen (wie beispielsweise die Abtauung) nicht der in Winterthur-Töss verwendeten Europäischen Norm EN 255 (siehe 8.2.5). Borel beschäftigte sich übrigens auch mit der Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen und dem Potenzial für unterschiedliche Wärmepumpenanwendungen [Borel et. al 1981].
HUBACHER, DÜRR, EHRBAR / ERSTER WÄRMEPUMPEN-SYSTEMTEST
Die Kenntnis der Effizienz einer Wärmepumpe ist bestimmt wichtig. Aber Endkonsumenten und Heizungsplaner wollen die Effizienz ganzer Wärmepumpenheizsysteme kennen. Diese beste-hen aus der Wärmequelle, der Wärmepumpe, der Regelung, den Rohrleitungen und dem Wärmeverteilsystem. In der Heizsaison 1981/1982 hat Peter Hubacher (Eigentümer der Firma Enfog in Gossau) mit seinem Kollegen Bruno Dürr und dem wissenschaftlichen Berater Max Ehrbar vom Neutechnikum Buchs NTB die ersten systematischen Langzeitfeldtests an vollständigen Wärmepumpenheizungssystemen durchgeführt. Sie wurden dann noch wäh-rend mehrer Jahre fortgesetzt. Die Tests wurden durch den privatwirtschaftlichen Nationalen Energieforschungs-Fonds NEFF und das Bundesamt für Energiewirtschaft finanziert. Einige Ergebnisse geben einen interessanten Eindruck über den bescheidenen technischen Stand von Luft/Wasser-Wärmepumpensystemen in den frühen 1980er Jahren. Später wurden auch Einfamilienhaus-Systeme mit Erdwärmesonden einbezogen. Ein Heizsystem mit Erdwärmesonden 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 Unterstützung durch öffentliche Forschung und Entwicklung
STUDIEN ZU WÄRMEPUMPEN
Gegen Ende der 1970er Jahre befasste sich die Eidgenössische Abwärmekommission – die Vorgängerin des späteren Bereichs Umgebungswärme des Bundesamts für Energiewirtschaft. Der Erwartungswert war 1.5. Gründe für den tiefen Wert von 1.2 waren mehrere Betriebsunterbrüche, zu kurze Betriebszeiten und Enteisungsprobleme. (BEW)36 - auch mit Wärmepumpen. Hans Ulrich Schärer vom BEW wirkte als Sekretär. Im Auf-trag dieser Kommission wurden 1977 am Eidgenössischen Institut für Reaktorforschung EIR37 umfangreiche Studien zur Wärmepumpenheizung durchgeführt. Es wurde dabei insbe-sondere die Nutzung von Grundwasser, Oberflächenwasser, Erdreich und Umgebungsluft als Wärmequelle untersucht. Beim Erdreich wurden erst horizontale Erdkollektoren berücksichtigt. Die Mängel 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 Kältemittel (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 Wärmepumpe wurde eine glänzende Zukunft vorausgesagt – was durch nicht vorausgesehene Probleme dann aber nicht zutraf. Im Weiteren wurde die optimale Integration der Wärmepumpen in unterschiedliche Heizungssysteme untersucht, und auch die Schädigung der Ozonschicht durch FCK-Kältemittel wurde studiert [Leuenberger et. al 1982].
RICHTLINIEN FÜR DIE WÄRMEENTNAHME AUS OBERFLÄCHENGEWÄSSERN
Um jegliche Schäden am empfindlichen Ökosystem von Flüssen und Seen auszuschliessen, hat Dieter Imboden38 an der EAWAG in Dübendorf39 aufgrund von Computersimulationen Grundlagen für ökologisch unbedenkliche Grenzwerte zur Wärmeentnahme aus Oberflä-chengewässern ausgearbeitet. Diese Studie, die im Auftrag der Schweizerischen Abwärme-kommission durchgeführt wurde, zeigte übrigens, dass das Potenzial der Oberflächengewässer genügen würde, um den ganzen Heizwärmebedarf der Schweiz ohne ökologische Schäden abzudecken. Die Entnahmegrenzen liegen also nicht beim Ökosystem der Gewässer, sondern bei den wirtschaftlichen Grenzen der Wärmeentnahme mit langen Rohrleitungen und Pump-systemen [Imboden et al. 1981].
MODELLIERUNG VON ERDWÄRMESONDEN
Wie in viele Fällen zu beobachten ist, kam die wissenschaftliche Erfassung auch im Bereich der Erdwärmesonden nach den praktischen Entwicklungen der Pioniere. Nach dem Widerstand gegen diese belächelten Pioniere wurde aus den Erdwärmesonden eine seriöse Angelegen-heit. Eine wissenschaftlich fundierte Auslegung und Optimierung der Anlagen wurde zur Voraussetzung für einen optimalen Langzeitbetrieb. Im Anschluss an Horrorgeschichten über die Auskühlung des Erdbodens bis zum Permafrost in weniger als zehn Jahren wurden durch das Bundesamt für Energiewirtschaft und den NEFF40 Langzeit-Felduntersuchungen zur Er-langung eines besseren Verständnisses der physikalischen Vorgänge 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. Später folgte – dazu übrigens auch durch Ernst Rohner von Grundag angehalten - Ladislaus Rybach von der ETH Zürich mit seinen Mitarbeitern (vorab Walter J. Eugster). Die auch inter-national beachteten theoretischen und experimentellen Arbeiten dieser Personen führten zu-sammen mit der praktischen Erfahrungen der Bohr- und Wärmepumpenpioniere zu einer füh-renden Stellung von Schweizer Firmen in der Auslegung und Realisierung von Erdwärmeson-denanlagen als Wärmequelle für Wärmepumpen, als Erdwärmespeicher für den optimalen Ganzjahresbetrieb von Anlagen für die kombinierte Kälte- und Wärmeerzeugung sowie als Wärmesenke für die passive Raumkühlung [Schwanner et al. 1983], [Hopkirk et al. 1985], [Ry-bach 1987].
KONFERENZEN FÜR WISSENSTRANSFER UND ERFAHRUNGSAUSTAUSCH
Die ersten schweizerischen Konferenzen zur Wärmepumpentechnik wurden in den Jahren 1980 und 1981 organisiert. In 12 Beiträgen wurden alle schweizerischen Aktivitäten von den Wärmequellen über Kältemittel und Kompressoren bis hin zu Wärmepumpen-Gesamthei-zungssystemen behandelt [SVG 1981]. Seither werden diese Konferenzen jährlich durchge-führt. Schwerpunkte sind abwechslungsweise Themen aus der Forschung und ein Erfahrungs-austausch zu Pilotanlagen. Die Konferenzen wurden im Auftrag des Bundesamts für Energie durch Hans Ulrich Schärer, Martin Zogg, Fabrice Rognon, Thomas Kopp und Max Ehrbar or-ganisiert und durchgeführt.
7.2.8 Unterstützung durch Verbände, Bundesverwaltung und Medien
ARBEITSGEMEINSCHAFT WÄRMEPUMPEN
Auf die Initiative von Ernst Lüthi (Geschäftsführer der CTC Wärmetechnik41) haben sich 1980 schweizerische Hersteller und Lieferanten von Wärmepumpen und Wämepumpenkomponen-ten sowie Bohrfirmen zur „Arbeitsgemeinschaft Wärmepumpen“ 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. Grüniger, K. Hess, H. Reiner und P. Schneiter. Unter der Leitung von G. Szokody erarbeitete diese Kommission in sehr kurzer Zeit wegweisende Wärmepumpenrichtlinien und veröffentlichte die-se bereits im Jahr 1981 [SVK 1981]. Die technische Kommission war auch an der Entstehung der durch das damalige Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft BUWAL (heute Bundes-amt für Umwelt) ausgearbeiteten und 1982 in Kraft getretenen Verordnung über den Wärme-entzug aus Oberflächenwasser, Grundwasser und dem Erdboden beteiligt. Ein wesentliches Hindernis zur Verbreitung der Wärmepumpen waren die Unsicherheiten im Zusammenhang mit dem Anschluss ans Elektrizitätsnetz. Zusammen mit den Elektrizitätswer-ken hat die technische Kommission der AWP Richtlinien für den elektrischen Anschluss von Wärmepumpen erarbeitet [VSE 1983], [Schär 1983]. Zusammen mit dem Bundesamt für Energiewirtschaft wurde 1983 ein Treffen mit den Energiewirtschaftsdepartementen der Kan-tone organisiert, um auch die übrigen 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 für die Planung notwendigen Daten angegangen [Szokody 1990]. Der selbstlose Einsatz von Gyula Szokody für die Wärmepumpengemeinschaft wird durch seine Vorbereitung der rund 120 Seiten starken AWP-Planungsrichtlinien in den Tagen zwischen Weihnachten und Neujahr illustriert. Wie bereits erwähnt, 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 Wärmequellen bis zu CO2-Wärmepumpen das ganze Wärmepumpenspektrum abdecken, laufend [AWP 2007].
41 Heute CTC Giersch, CH-8112 Otelfingen, http://www.ctc-giersch.ch
BUNDESAMT FÜR ENERGIEWIRTSCHAFT BEW
Nebst der direkten aktiven Unterstützung von Forschungsaktivitäten war das Bundesamt für Energiewirtschaft auch ein wichtiger Katalysator für die wärmepumpenrelevanten Aktivitäten der Verbände und der Kantone. Es veranlasste auch eine Studie über das Potenzial der Wär-mepumpenheizung im Falle eines neuen Erdölembargos [BEW 1983].
MEDIENPRÄSENZ
1985 wurde in Münchenstein erstmals eine alte Ölheizung eines Wohnblocks durch eine Wär-mepumpe mit mehreren Erdwärmesonden ersetzt. Dieses Ereignis wurde zu einem Durch-bruch in der Medienpräsenz der Wärmepumpe. Es wurde darüber nicht nur in der Tagespres-se42, sondern auch in einer ausführlichen Fernsehsendung43 berichtet [Beck 2007].
7.3 Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
Weltweit wurde 1979 die Anzahl an Wärmepumpen zu Heizzwecken (einschliesslich Warm-wasserboiler) auf rund 800’000 und die Anzahl der Wärmepumpen zur Klimatisierung mit Küh-len und Heizen auf 4’000'000 geschätzt. Unter den Wärmepumpen 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 30’000 (ohne Wärmepumpenboiler nur rund 500), Frank-reich 13'000, Österreich 2'000, Italien 100. [Barclay J.A. et al 1978], [IEA 1980].
OESTERREICH
Das Erdölembargo von 1973 vermochte in Österreich noch wenig zu bewegen. Am 5. Novem-ber 1978 beschloss das österreichische Volk in einem Referendum, das bereits gebaute Kern-kraftwerk in Zwentendorf nicht in Betrieb zu nehmen. Auch dies war der Wärmepumpenhei-zung nicht förderlich.
DEUTSCHLAND
Auch auf die Wärmepumpenszene in Deutschland hatte das Erdölembargo von 1973 keinen grossen Einfluss. Bis 1979 wurden in Deutschland nur rund 500 Heizungswärmepumpen ver-kauft. Die erste Wärmepumpengeneration litt an zahlreichen Kinderkrankheiten. Sie war volu-minös und wies einen problematisch hohen Kältemittelinhalt (meist R-22, R-12 und R-502) auf. Zur Enteisung von Wärmepumpen mit Luft als Wärmequelle wurden bis zu 8 Magnetventile nö-tig. Das wachsende Interesse wurde aber durch die 1977 von Horst Kruse und Fritz Steimle organisierte dreitägige Wärmepumpentagung in Essen deutlich [Joachim 1980]. 1978 erschien das erste umfassende Lehrbuch zur Wärmepumpentechnologie in deutscher Sprache. Schon ein Jahr später folgte ein Zweites. Beide Bücher erschienen später in mehreren Überarbeitun-gen und Neuauflagen [Cube und Steimle 1978], [Cube et al 1997], [Kirn und Hadenfeldt 1979]. Die technischen Entwicklungen verliefen ähnlich wie in der Schweiz. Thermoaktive Bauele-mente wie Wände und Decken vorgefertigter Garagen oder Fassadenelemente waren in Deutschland populärer [Jochheim, Bracke 1985]. Sechs Jahre nach Jürg Rechsteiner in der Schweiz wurde in Deutschland 1980 die erste Erdwärmesondenanlage 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 “Thermodiesel”, eine durch einen 1.6-Liter Dieselautomotor angetriebene Wärmepumpe. Diese Heizmaschine enthielt alle Elemente einer modernen Totalenergieanlage wie Wärmerückgewinnung aus den Motorabgasen, Drehzahl-Leistungsregelung und sogar ein ke-ramisches Russfilter. Hoval Herzog in Feldmeilen (Schweiz) wurde mit einem Pilotmarketing und Pilotverkäufen 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 nötigen Servicearbeiten war viel zu kurz - sie lag teilweise sogar unterhalb der Dauer ei-ner Heizsaison - und auch der Schmierölbedarf war mit etwa 17 Litern pro Jahr teuer. Die Mo-torlaufzeit für eine einzige Heizsaison entspricht einer Autofahrleistung von über 200'000 km. Dies ergibt für eine minimale Lebensdauer des Aggregats von 15 Jahren eine entsprechende Fahrleistung von etwa 3’000'000 Kilometern. Dies ist ganz einfach zuviel – auch für einen deut-schen Qualitätsautomotor. Neben der zu kurzen Lebensdauer des Motors und dem hohen Schmierölbedarf gab es aber noch weitere Probleme wie die direkte Kopplung von Motor und Wärmepumpe (dies ergab eine zu hohe Drehzahl für den Kompressor) und der zu hohe Lärm-pegel [Adolph 2004], [Szokody 2007]. In der Periode von 1980 bis 1985 wurde an der Fachhochschule Karlsruhe ein Wärmepum-penprüfstand betrieben. Etwa 45 Heizungswärmepumpen und 45 Boilerwärmepumpen wurden in dieser Zeit nach DIN-Normen getestet. Die Prüflinge stammten aus Deutschland, Österreich. Dänemark 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 Wärmepumpe gebaut. Der Kurbeltrieb-Stirlingmotor erreichte einen mechanischen Wirkungs-grad von 25% und einen elektrischen Wirkungsgrad von 55%. Die Wärmepumpe nutzte Grundwasser als Wärmequelle. Die Wärmeverteilung erfolgte mit einer Fussbodenheizung. Diese unkonventionelle Totalenergieeinheit als Kombination von Stirlingmotor und Wärmepumpe hatte eine variable Heizleistung von 8 kW bis 25 kW und einen Nutzungsgrad (PER) von 1.4 [Philips – OGEM 1978].
SKANDINAVIEN
Ab 1982 gab es in Skandinavien einen ausgesprochenen Boom für grosse Wärmepumpen, auf den im Abschnitt 7.2.3 bereits eingegangen wurde. Die thermische Analyse der Vorgänge in Erdwärmesonden begann in den frühen 1980er Jahren (vergleiche mit den Schweizer Aktivitäten im Abschnitt 7.2.4). In der Abteilung für Ma-thematik und Physik der Universität Lund leistete Per Eskilson fundamentale Beiträge zu die-sem Thema [Eskilson 1987]. Auch in den skandinavischen Ländern wurde die Bedeutung der Qualitätssicherung für die Verbreitung der Wärmepumpe erkannt. 1989 hat der Nordische Ministerrat ein freiwilliges, neutrales Zertifizierungsprogramm, den Nordischen Schwan, eingeführt. Dieses Programm wurde als Versuch gestartet, die in den nordischen Ländern aufkommenden Ökolabel-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-hängig und garantiert einen guten ökologischen Standard. Es darf nur von Produkten getra-gen werden, welche diesen durch objektive Bewertungen zu erfüllen vermögen. Das Kennzei-chen soll nicht nur den Konsumenten die Wahl der umweltverträglichsten Produkte ermögli-chen, sondern auch die Hersteller anregen, ökologisch noch bessere neue Produkte zu entwi-ckeln. Auf diese Weise helfen die Marktkräfte der Zielrichtung der Umweltgesetzgebung. Das Zeichen mit dem grünen Schwan wird heute für über 60 Produktgruppen vergeben und er-freut sich bei den Konsumenten eines hohen Gewichts. Das Kennzeichen ist in der Regel nur während drei Jahren gültig. Anschliessend müssen die Hersteller in einem neuen Gesuch zei-gen, dass auch die neuesten Erfordernisse erfüllt werden. Momentan nehmen an diesem Pro-gramm Norwegen, Schweden, Finnland, Island und Dänemark teil.
U.S.A.
Wie bereits erörtert, stagnierte der Heiz-Wärmepumpenmarkt vor der Erdölkrise von 1973. Nachher begann aber eine rasche Expansion. 1976 waren in den U.S.A. 1.6 Millionen Klimage-räte für Kühlen und Heizen in Betrieb, und es wurden 300'000 neue Einheiten produziert.
7.4 Rektifikation mit Brüdenkompression - Schweizer Pionierarbeit
Die Rektifikation („Mehrstufen-Gegenstrom-Destillation“) ist einer der energieintensivsten Pro-zesse der chemischen Verfahrenstechnik. Der Geschäftsbereich “Chemtech” von Sulzer44 hat um 1985 die weltweit erste Rektifikationsanlage mit Brüdenkompression 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 Druckverhältnis von 2.2 und einer Antriebsleistung von 1.3 MW betrieben [Dummer und Schmidhammer 1991]. Eine weitere Brüdenkompressions-Rektifikationsanlage wurde 1987 für die Trennung Styrol/Chlorbenzol gebaut. Seither wurden viele weitere Trennkolonnen mit Brüdenkompressi-on gebaut, darunter jene in einer Propylenanlage mit einer Jahresproduktion von 125'000 [Meszaros 2007]. Falls zu grosse Korrosionsprobleme oder eine erhöhte Explosionsgefahr be-stehen, werden anstelle der direkten Brüdenkompression auch Wärmepumpen mit geschlossenem Arbeitsmittelkreislauf eingebaut.
In dieser letzten Periode wurden kostengünstigere, effizientere und verlässlichere Wärmepum-pen verfügbar. Die zunehmenden Umweltprobleme sind der Idee der Einsparung von Primär-energie durch Wärmepumpen förderlich. In einer Zeit mit stark steigenden Ölpreisen bedeutet dies aber auch immer höhere Energiekosteneinsparungen durch Wärmepumpen. Weiter wird die Wärmepumpentechnologie durch nationale und internationale Anstrengungen in Forschung und Entwicklung, in der Qualitätssicherung und im Marktauftritt gefördert. In einigen Ländern gibt es auch zusätzliche 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 Kältemitteln (FCK, HFCK) war eine grosse Herausforderung. Der Entwicklungsschwerpunkt verschob sich von der Innovation neu-er Komponenten zur Systemoptimierung und zur kostengünstigeren Massenproduktion. Dies wurde durch die eindrücklichen Fortschritte der Informatik begünstigt. Weiter ist eine Tendenz zu natürlichen Kältemitteln – insbesondere zu Ammoniak – und zu höheren Wirkungsgraden mit Niedrigtemperatur-Fussbodenheizungen unverkennbar. Energie-Contracting nimmt dem Nutzer das Risiko teurer Investitionen ab und wurde bei grösseren Anlagen sehr populär.
KOMPRESSOREN
Ab den frühen 1990er Jahren hat die Anzahl eingesetzter hermetischer Scrollkompressoren jene hermetischer Kolbenkompressoren deutlich überholt. Sie wurden für kleinere Wärmepum-pen zum Standardkompressor. Die Effizienz kleiner Kompressoren wurde deutlich gesteigert. Neue Permanentmotoren werden weitere Verbesserungen bringen. Für das wieder aktuell ge-wordene Kohlendioxid werden weltweit neue Kompressoren entwickelt. Für Kleinkompressoren wurde dazu im Rahmen des IEA Annex 27 ein Schweizer Beitrag geleistet (siehe Abschnitt 8.2.3).
KÄLTEMITTEL
Das Geschehen bei den Kältemitteln wurde durch die Herausforderungen zur Bewältigung der durch die synthetischen Kältemittel verursachten Umweltprobleme diktiert. 1990 stimmen die Unterzeichnerstaaten des Protokolls von Montreal in London zwei Übereinkommen zur Elimi-nation der FCK-Kältemittel aus Produktion und Gebrauch bis zum Jahr 2000 zu [Nagengast et al. 2006]. 1992 wurde das Protokolls von Montreal für einen bis 1995 vorgezogenen Ausstieg aus den FCK-Kältemitteln (R-11, R-12, ...) modifiziert und für die HFCK-Kältemittel (R22, ...) wurde ein stufenweiser Ausstieg bis 2030 beschlossen. In zahlreichen Ländern erfolgte der Ausstieg aus den HFCK-Kältemitteln bereits viel früher (z.B. Deutschland 2000, Österreich und die Schweiz 2002). Als Konsequenz aus diesen Ausstiegsszenarien wurden neue Kältemittel eingeführt. 2001 wurde das Programm „Global Refrigerants Environmental Evaluation Network (GREEN)” gegründet, um unabhängige Effizienzdaten für neue und eine Vergleichsbasis für bereits exis-tierende Kältemittel in Kälteanlagen, Wärmepumpen und Klimaanlagen zu ermitteln. Die Test-aktivitäten wurden durch eine Kommunikationsanstrengung zur Verbreitung der Ergebnisse der Effizienzmessungen und anderer Vergleiche zwischen den alternativen synthetischen Kältemit-teln (FKW wie z.B. R-134a), Kohlenwasserstoffen und Kohlendioxid mit den alten FCK-Kältemitteln ergänzt. Mit den neuen FKW-Kältemitteln werden gute Resultate erzielt. Sie können die FCK und HFCK vollumfänglich ersetzen. Sie bleiben aber infolge ihres hohen Treibhauspotenzials GWP und vor allem ihrer schwer abbaubaren Zersetzungsprodukte (Trifluoressigsäure) auch international nicht unangefochten und möglicherweise wird es auch noch zu einem FKW-Ausstieg kommen. Natürliche Kältemittel werden als die endgültige Antwort auf die Frage nach den optimalen Kältemitteln angesehen [IIR 1998]. Die wichtigsten Vertreter sind Ammoniak, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Isobutan. Aber jedes dieser Kältemittel kommt mit Herausforderungen: Das in Grossanlagen oft eingesetzte Ammoniak hat zwar ausgezeichnete thermodynamische Stoffwerte – ist aber toxisch und entzündbar. Sein stechender Geruch warnt im Leckagefall allerdings lange vor dem Erreichen gefährlicher Konzentrationen. Kohlen-dioxid erfordert einen überkritischen Prozess, welcher für die meisten Raumheizungsanwen-dungen (im Gegensatz zur Warmwasserbereitung) ungünstig ist. Dafür kann die hohe Abwär-metemperatur bei Kälteanwendungen zu zusätzlichen Abwärmenutzungsmöglichkeiten führen. Kohlendioxid-Wärmepumpen für die Warmwasserbereitung werden schon seit 2000 erfolgreich eingesetzt. Mit Propan lassen sich effiziente Wärmepumpenprozesse betreiben. Es ist aber leicht entzündbar, 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 Kältemittel auf den globalen Treib-hauseffekt wurden zahlreiche Untersuchungen durchgeführt. Der GWP-Wert (Global Warming Potential) vergleicht die Wirkung eines Kältemittels auf den globalen Treibhauseffekt mit jener von Kohlendioxid. Relevanter für die Beurteilung des Treibhauseffekts eines Kältemittels ist dieGesamteinwirkung als Summe aus dem direkten globalen Erwärmungspotenzial des Kälte-mittels (Leckage während der gesamten Lebensdauer einer Anlage und bei deren Entsorgung) und dem indirekten globalen Erwärmungspotenzial durch Treibhausgasemissionen (insbe-sondere CO2), die bei der Erzeugung der zum Betrieb von Kälteanlagen oder Wärmepumpen benötigten elektrischen Energie entstehen. Die entsprechende Grösse wird als TEWI (Total Equivalent Warming Impact) bezeichnet. Der TEWI-Wert hängt deshalb stark von der Effizienz eines Wärmepumpenprozesses und natürlich auch von der Art der benützten Primärenergie ab. Eine hohe Energieeffizienz des Dampfkompressionsprozesses vermag deshalb höhere GWP-Werte des Kältemittels bis zu einem gewissen Grad zu kompensieren. Die Umweltbeeinflussung durch Wärmepumpen ist aber nicht auf den Treibhausgaseffekt be-schränkt. Eine umfassende Antwort auf Umweltschäden bei der Verwendung unterschiedlicher Kältemittel kann deshalb nur eine vollständige Ökobilanz (Life Cycle Assessment LCA) lie-fern. Der Umweltrelevanz und die Wärmetransporteigenschaften der natürlichen Kältemittel wurden weltweit zahlreiche Studien gewidmet. Die Beiträge der Schweiz werden im Abschnitt 8.2.3 erörtert. Durch den durch solche Studien zusätzlich beschleunigten Ausstieg aus den FCK- und HFCK-Kältemitteln ist es durch weltweite Anstrengungen bis etwa 2005 gelungen, den die Zivilisation bedrohenden Ozonschichtabbau zu stoppen [Baumann M. et al 2007].
WÄRMEÜBERTRAGER
Zu Beginn der 1990er Jahre setzte sich der Plattenwärmeübertrager endgültig durch. Dies führte zu geringerem Kältemittelinhalt, zu kleineren Temperaturdifferenzen (und somit geringe-rem Exergieverlust bzw. höherer Effizienz) und zu kleineren Wärmepumpen.
DIGITALE REGELUNG
Um 1990 kam die digitale Regelung auf. Mikrocomputer ermöglichten Regler mit komplizierte-ren Konzepten wie dem modellbasierten Ansatz zu programmieren und ganze Prozesse zu au-tomatisieren. Nur wenig später folgte das Zeitalter der Datenkommunikation über längere Dis-tanzen. Die Mensch-Maschinen-Kommunikation wurde damit auf eine völlig neue Ebene geho-ben. Die Fernüberwachung und dann die Fernbedienung über Modems wurden möglich. Neue Diagnosemethoden ermöglichten einen Übergang vom periodischem Unterhalt zu einem Un-terhalt nach effektivem Bedarf. All dies führte zu einer deutlichen Verbesserung der Verläss-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, nämlich am internationalen Kernforschungszentrum CERN in Genf [Segal 1995].
8.2 Schweizer Beiträge zur Wärmepumpenheizung
Nach der Überwindung des “Einmal-gebrannt-Effekts” begann ab 1990 ein definitiver Auf-schwung des Heizens durch Wärmepumpen. Dies hatte technische Gründe wie eine grössere Verlässlichkeit, ruhigere, effizientere Kompressoren und die Regelung durch Mikrocomputer. Aber weniger Vorurteile durch ein breiteres Verständnis der Vorteile der Wärmepum-penheiztechnik, besser ausgebildete Planer, kompetentere Installateure, Qualitätskontrolle und nicht zuletzt innerhalb von 25 Jahren auf 50% gefallene Investitionskosten waren ebenso ent-scheidend. 1991 waren in der Schweiz etwa 30'000 Wärmepumpen mit einer mittleren Heizleistung von 25 kW in Betrieb. Etwa 2/3 davon nutzten Umgebungsluft als Wärmequelle, aber der Anteil an Erdwärmesondenanlagen nahm rasch zu [BFE 1993]. Um jene Zeit lag die Jahresarbeitszahl bei [Hubacher 2007]. Der Grund für den kleinen Unterschied zwischen diesen beiden Systemen liegt in den hohen Energieverlusten durch die Umwälzpumpen zur Förderung viel zu hoher Wämreträgervolumenströme durch die Erdwärmesonden und einem Mangel an verlässlichen Auslegungsgrundlagen. Nach 1998 beschleunigte sich der Anteil mit Wärmepumpen beheizter neuer Einfamilienhäuser deutlich. Wärmepumpen erobern nun langsam auch den Sanierungsmarkt. Um 2006 hat der Anteil der Wärmepumpen im gesamten Raumheizungsmarkt unter 20 kW 33% erreicht. Zu die-ser Zeit waren in der Schweiz etwa 100'000 Wärmepumpen in neuen Gebäuden und erst etwa 3000 Wärmepumpen in ehemaligen Kesselheizungen in Betrieb http://www.fws.ch . Bei Heizleistun-gen über 50 kW wird die Wärmepumpenheizung auf der Basis des Energie-Contractings46 immer populärer. Die grössten Energie-Kontraktoren in der Schweiz sind die Elektrizitätswerke des Kantons Zürich (EKZ) und der Stadt Zürich (EWZ). Sie haben 2006 zusammen mehr als 50 GWh Wärme 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 Wärmepumpentestzentrums belegen. Innerhalb der vergangenen 15 Jahre wurde bei den getesteten Wärmepumpen für zentrale Warmwasserheizungen und Luft als Wärmequelle 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 Wärmepumpen 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-Wärmepumpen nur eine Verbesserung der mittleren Leistungszahl um 17% von 3.8 auf 4.5 oder eine Erhöhung 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-Wärmepumpen lagen bei einer mittleren Heizleistung von 12 kW in einem Heizleistungsbereich von 5 kW bis 80 kW. Die deutlich höheren Werte für die Sole/Wasser-Maschinen verraten allerdings noch nicht die ganze Wahrheit, da sie die Pumpenergie zur „Sole“ ist der leider allgemein verwendete Ausdruck. Heute werden für Erdwärmesonden aber Mischungen aus Wasser und organischen Antifrostmitteln (meist Ethylenglykol) als Wärmeträger verwendet.
Die bei den Messungen benützten Temperaturen der Wärmequellen (Luft 2°C, Sole 0°C) und der Wärmesenke (Wasser 35°C) geben einen ersten groben Eindruck über die für schweizeri-sche Verhältnisse zu erwartenden Jahresarbeitszahlen. Es gibt aber viele Variablen, welche den tatsächlich erreichten Wert beeinflussen. Darauf wird in der Besprechung der Feldtests an vollständigen Wärmepumpenanlagen noch eingegangen. Wie dort noch gezeigt wird, werden heute bei Luft/Wasser-Systemen maximale Jahresarbeitszahlen von 3.4 und bei Erdwärme-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 anfänglichen Enthusiasmus einen gewissen Rückzugvon Propan als natürliches Kältemittel bei den Luft/Wasser-Wärmepumpen. Sieger bei den Luft/Wasser- und den Sole/Wasser-Wärmepumpen ist R-407C, gefolgt von R-404A für Luft/Wasser- und R-134a oder Propan für Sole/Wasser-Maschinen.Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten wurden in der Schweiz durch Pioniergeist und eine gute Zusammen-arbeit zwischen Praxis und Hochschule gefördert. Sie konzentrierten sich auf den Ersatz ozon-schichtgefährdender synthetischer Kältemittel (FCK, HFCK) durch teilhalogenierte Fluorkoh-lenwasserstoffe (HFC), die Entwicklung validierter Auslegungswerkzeuge für Erdwärmeson-denanlagen, die Verbesserung der Wärmeübertragung bei Ein- und Zweiphasenoperationen, die Reduktion des Kältemittelvolumens, die Untersuchung neuer Kompressortypen, die Com-putersimulation für die verbesserte Auslegung von Wärmepumpenheizungssystemen und die Entwicklung einer Diffusions-Absorptionswärmepumpe. Auch Stirlingprozesse – vorab Freikol-bensysteme – wurden untersucht. Hauptprioritäten waren aber die Entwicklung einer Wärme-pumpe für den Sanierungsmarkt mit hohen Vorlauftemperaturen (Projekt „Swiss Retrofit Heat Pump“) und die Optimierung ganzer Wärmepumpenheizungssysteme durch ein optimales Ein-binden der Wärmepumpen sowie der Entwicklung neuer Regelungs – und Diagnosemethoden. Weiter wurden neue Testmethoden zum Erfassen des dynamischen Verhaltens der Wärme-pumpen und von Wärmepumpen mit kombinierter Warmwasserbereitung ausgearbeitet.
8.2.1 Ausgewählte Anlagen und Entwicklungen
TOALENERGIEANLAGEN – KOMBINATION BLOCKHEIZKRAFTWERK-WÄRMEPUMPE
In dieser Periode wurden zahlreiche grössere Totalenergieanlagen mit Blockheizkraftwerken und Wärmepumpen gemäss dem Bild 1-1 realisiert. Flusswasser, Seewasser, Grundwasser, Abwasser, Erdboden aber auch Kühlhäuser und Kunsteisbahnen wurden als Wärmequellen 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-Zürich ein Gasmotor mit extrem tiefen Emissionswerten und sehr hohem mechanischen Wirkungsgrad entwickelt. Dieser sogenannte „Swissmotor“ ist mit einer patentierten, geregelten Abgasrückführung ausgerüstet und wird heute durch Liebherr in Bulle für Blockheizkraftwerke im elektrischen Leistungsbereich von 140 kW bis 280 kW produ-ziert.
KALTER WÄRMEVERBUND
Anstatt Wärme über ein konventionelles Fernwärmesystem mit trotz teurer thermischer Isolati-on hohen Wärmeverlusten zu transportieren, wird beim kalten Wärmeverbund Abwärme tiefer Temperatur durch einfache Rohrleitungsnetze zu den Verbrauchern transportiert. Dort wird das Niedrigtemperaturwasser von Wärmepumpen als Wärmequelle genutzt. Diese liefern dann die Nutzwärme mit der gewünschten Temperatur. Solche kalte Wärmeverbünde können kosten-günstiger sein als konventionelle Fernwärmesysteme.
1995 wurde in Muri ein erster solcher kalter Wärmeverbund mit gereinigtem Abwasser aus einer Abwasserreinigungsanlage und kostengünstigen Kunststoffrohren realisiert. Bei einer totalen Heizleistung von 2.4 MW wurde mit den angeschlossenen Wärmepumpen eine mittlere Jahresarbeitszahl von 3.1 erreicht. Inzwischen wurden etwa 50 weitere Abwasserwärmepum-pen nach diesem Prinzip realisiert und der kalte Wärmeverbund wurde zu einer konkurrenzfä-higen Technologie. Mit den angeschlossenen Wärmepumpen wurden Jahresarbeitszahlen bis 5 gemessen. Abwasser hat in der Schweiz das Potenzial, über Wärmepumpen bis zu 15% der an die Kanalisation angeschlossenen Gebäude zu beheizen [Müller 2005].
POSTVERTEILZENTRUM IN SCHLIEREN – ARA ALS WÄRMEQUELLE
Das automatische Verteilzentrum Müllingen der Schweizerischen Post in Schlieren ist das grösste Gebäude in der Umgebung Zürichs. Es hat einen hohen Wärme- (9'500 MWh/a mit ei-ner Maximaltemperatur von 65°C) und Kältebedarf (8'500 MWh/a, 8°C...12°C). Beide werden durch eine Ammoniak-Wärmepumpenanlage mit 5.5 MW Leistung gedeckt. Als Wärmequelle dient die etwa einen Kilometer entfernte Abwasserreinigungsanlage (ARA) Werdhölzli der Stadt Zürich. Das Wärmepumpensystem wurde 2006 durch die Elektrizitätswerke der Stadt Zü-rich EWZ
http://www.ewz.ch im Energie-Contracting-Verfahren erstellt.
WÄRMERÜCKGEWINNUNG AUS UNBEHANDELTEM ABWASSER
Der FEKA-Tank als lokale Lösung zur Wärmerückgewinnung aus unbehandeltem Abwasser wurde bereits im Abschnitt 7.2.5 behandelt.
In den 1990er Jahren hat Urs Studer seine Abwasserkanal-Wärmeübertrager „Rabtherm” ein-geführt. Diese Wärmeübertrager werden in der Bodenzone der Kanalisationsrohre einge-baut: Bild 8-6. Das System “Rabtherm” wurde in der Schweiz schon in mehreren Pilotinstallati-onen erprobt. Im Stadium Bachgraben-Basel funktioniert es bereits seit 25 Jahren problemlos [Müller 2005]. Auch in der Anlage in Binningen, welche 2001 installiert wurde, sind bisher keine Belagsbildungen bekannt geworden. In Zürich-Wipkingen wurden 1999 durch die Elektrizitäts-werke der Stadt Zürich EWZ Rabthermelemente mit einer Gesamtlänge von 200 m installiert. Sie dienen als Wärmequelle zur Wärmepumpenbeheizung von 900 Wohnungen. Hier traten ei-nige Probleme durch die Bildung eines Biofilms auf den Wärmeübertrageroberflächen auf. Die-se wurden in einem BFE-Forschungsprojekt analysiert und als Gegenmassnahmen wurden Empfehlungen zur Fliessgeschwindigkeit und zur Oberflächenbehandlung ausgearbeitet [Wan-ner 2004]. 2007 hat Studer diverse Patente für Werkstoffe zur Verhinderung der Biofilmbildung eingereicht.
GROSSE ERDWÄRMESONDENFELDER
In dieser Periode wurden zahlreiche Wärmepumpensysteme mit Erdwärmesonden von Anla-gen mit einzelnen Sonden bis zu grossen Feldern mit zahlreichen Erdwärmesonden gebaut. Bis 1990 lag die Bohrtiefe für Erdwärmesonden unter 150 m. Heute werden Bohrtiefen bis zu 350 m erreicht. Hier liegt die Festigkeitsgrenze des heutigen Sondenmaterials aus Kunststoff. Die optimale Bohrtiefe hängt von zahlreichen Einflussgrössen wie den geothermischen Eigen-schaften und dem Temperaturgradienten des Erdbodens, der Durchströmgeschwindigkeit und dem Druckverlust (, Wärmeträgerpumpleistung!) ab. Heute liegen die häufigsten Bohrtiefen zwischen 150 m bei wichtiger passiver Sommerkühlung und bis 250 m bei reinem Heizen. Das bisher grösste Erdwärmesondenfeld der Schweiz wurde 2005 für das Hotel “The Dolder Grand” in Zürich mit 72 Sonden und einer gesamten Sondenlänge von 10'600 m gebaut. In diesem Luxushotel der Spitzenklasse wird die Sommerkühlung als ebenso wichtig beurteilt wie die Heizung im Winter. Deshalb wird das Erdwärmesondenfeld als Erdwärmespeicher betrie-ben und die Bohrtiefe beträgt nur 152 m.
TUNNELABWASSER ALS WÄRMEQUELLE
1993 wurde eine Wärmepumpenanlage zur Beheizung von Oberwald (Goms) mit warmem Ab-wasser aus dem Furkatunnel installiert [Arnold 1993]. Das Abwasser aus dem neuen Lötsch-berg-Basistunnel hat eine Temperatur von rund 20°C. Es soll als Wärmequelle für ein kleines Fernheiznetz in Frutigen genutzt werden. Der “Nahwärmeverbund Frutigen” plant die Be-triebsaufnahme auf die Heizsaison 2008/200948.
BERGSEE AUF 1759 MüM ALS WÄRMEQUELLE
Das Gebirgstal Engadin gehört in der Schweiz zu den Regionen mit den tiefsten Wintertempe-raturen. Die mittlere Januartemperatur erreicht in St.Moritz nur rund –10°C. Deshalb ist hier besonders auf eine effiziente Raumheizung zu achten. 2006 wurde für das Palace Hotel und das Schulgebäude “Grevas” in St.Moritz ein Wärmepumpenheizungssystem mit dem St.Moritzer See als Wärmequelle gebaut. Die neue Ammoniak-Wärmepumpe mit einer Jah-reswärmeproduktion von 4’000 MWh deckt 80% des Bedarfs des Hotel Palace und 70% des Wärmebedarfs der Schule. Während die Oberfläche des St.Moritzer Sees mit einer bis zu 75 cm dicken Eisschicht bedeckt ist, beträgt die Wassertemperatur an der Entnahmestelle für die Wärmepumpe im Winter etwa 4°C. Obwohl die erforderliche maximale Heizungsvorlauftempe-ratur 70°C beträgt, erreicht die Wärmepumpe noch eine Jahresarbeitszahl von rund 3.
NULLENERGIE-WOHNÜBERBAUUNG – EINE VISION WURDE WIRKLICHKEIT
Heute werden in der Schweiz etwa 15% der neuen Häuser nach dem Niedrigheizenergiestandard „Minergie“ 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 Wohnüberbauung Eulachhof in Winterthur mit 132 Wohnungen. Sie un-terschreitet sogar noch deutlich den Passivhaus-Standard “Minergie-P-Eco”. Sie kann hier nicht umfassend beschrieben werden, die Isolationsdicke von 38 cm mag aber einen Eindruck über die hervorragende Isolation der Gebäudehülle geben. Auf dem Dach der Gebäude sind 1’240 m2 Photovoltaikzellen mit einer Gesamtspitzenleistung von 176 kWp installiert: Bild 8-9. Diese liefern im Mittel über das ganze Jahr die volle Antriebselektrizität für die Gebläse der kontrollierten Lüftung und die beiden Wärmepumpen49. Bei Überproduktion der Photovoltaikan-lage wird die nicht benötigte elektrische Energie in das öffentliche Elektrizitätsnetz abgegeben – bei ungenügender Produktion wird die fehlende Energie aus dem Netz bezogen.
Die kontrollierte Lüftung ist mit einem zentralen Plattenwärmeübertrager zur Wärmerückgewin-nung aus der Abluft ausgerüstet. Dies ist die Wärmequelle der ersten Wärmepumpe zur Raumheizung. Sie arbeitet hocheffizient, da die Vorlauftemperatur unter 30°C liegt. Als Wär-mequelle für die zweite Wärmepumpe, die der Warmwasserbereitung dient, wird die Wärme aus dem häuslichen Abwasser mit Hilfe des bereits beschriebenen FEKA-Tanks (Bild 7-15) zu-rück gewonnen. Zur Spitzendeckung werden etwa 8.5% des Gesamtwärmebedarfs durch die Fernheizung einer Kehrichtverbrennungsanlage gedeckt. Die aus der Fernheizung bezogene Wärme entspricht etwa der Verbrennungsenergie des Hausmülls, welche die Überbauungsbe-wohner der Kehrichtentsorgung abliefern [Eulachhof 2006], [Weber 2007], [Kalberer 2007].
GROSSWÄRMEPUMPEN VON FRIOTHERM
In Europa ist mit Friotherm nur noch ein Hersteller von Turbokompressor-Wärmepumpen übrig geblieben. Skandinavien war immer ein wichtiger Wärmepumpenmarkt für Sulzer und ist es heute auch für Friotherm. Die relevanten Aktivitäten von Sulzer wurden 1996 zur Sulzer Frio-therm umgruppiert. Zusammen mit Sulzer Infra wurde diese 2001 an die französische Suez-Gruppe verkauft und setzte die Tätigkeit unter dem Namen Axima Kältetechnik fort. Schliess-lich wurde Friotherm 2005 durch ein Management-Buyout wieder eine selbständige Schweizer Firma. Nachfolgend werden nur einige ausgewählte Anlagen erwähnt, welche für skandinavi-sche Länder gebaut wurden. Eine umfassendere Übersicht zu den grossen UNITOP-Radial-kompressor-Wärmepumpen findet man in [Friotherm 2008]. Eine Friotherm-Wärmepumpe 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°C als Wärmequelle zur Erzeugung von Nutzwärme von 60°C und 90°C für das Fernwärmesystem von Oslo: Bild 8-11 [Friotherm 2003]. In Umea (S) wird die Abwärme der Rauchgase eines Kraftwerks von 38°C/28°C zur Ver-wendung im Fernheizungssystem mit 60°C/70-75°C aufgewertet. Die Wärmepumpenanlage (Bild 8-12) mit einer Heizleistung von 13.7 MW erreicht eine Leistungszahl von 4.1. Die Heiz-leistung lässt sich im weiten Bereich von 10% bis 100% regeln. Eine andere „Abfall-zu-Energieanlage” wurde für ein Kraftwerk in Malmö (S) gebaut: 19 MW und eine Leistungszahl von 5.43 bei 34.2°C/24.3°C , 50°C/60-70°C [Pietrucha 2008]. 49 Der restliche elektrische Energiebedarf der Bewohner wird durch die Energieversorgung der Stadt gedeckt. In Helsinki, Finnland, hat Friotherm kürzlich die weltweit grösste kombinierte Heiz- und Kühlwärmepumpe montiert. Mit 60 MW Kälteleistung und 90.5 MW Heizleistung im Som-merbetrieb bei 45°C/88°C und 83.8 MW Heizleistung bei 40°C/62°C im Winterbetrieb erreicht sie im Winterbetrieb eine Heizleistungszahl von 3.5 und im Sommerbetrieb eine Kühl-Heizleis-tungszahl von 6.0. Im Winterbetrieb dient ein indirektes Abwassersystem mit 12°C/5°C als Wärmequelle [Pietrucha 2008].
INNOVATION ZUR ERHÖHUNG DER LEISTUNGSZAHL BEI ZEOTROPEN KÄLTEMITTELN
SATAG Thermotechnik50 in Arbon patentierte 1997 eine spezielle Anordnung des inneren Wärmeübertragers zur Reduktion des Verdampferdrucks in Wärmepumpen und/oder Kältema-schinen mit zeotropen Kältemitteln. Das Spezielle an der Erfindung ist die Kombination des Temperaturfühlers am Austritt aus dem Wärmeübertrager (nicht wie üblich am Eintritt), eine Drallblechtropfenabscheidung und die Verwendung eines zeotropen Kältemittels. Dank einer Verschiebung der Endverdampfung in den inneren Wärmeübertrager ergibt die Erfindung für eine gegebene Verdampfertemperatur einen tieferen Druck und damit einen geringeren Leis-tungsbedarf. Dies vergrössert die Leistungszahl [Kuratli et al 1997], [Hohl 2008].
WÄRMEPUMPEN-WÄSCHETROCKNER
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].
HEIZKÖRPERWÄRMEPUMPEN
1995 gab es in der Schweiz rund 200’000 mit elektrischer Widerstandsheizung beheizte Einfa-milienhäuser. Etwa 80% davon waren Einzelraumheizungen mit einem Anteil von 8% am Ge-samtelektrizitätsverbrauch der Schweiz. Angeregt durch Hans Ulrich Schärer und Fabrice Rognon vom BFE wurde 1995 die Entwicklung einer Heizkörperwärmepumpe (kleine Luft/Luft-Wärmepumpe mit einer heizköperförmigen Oberfläche zur Wärmeabgabe) zum Ersatz für die elektrischen Widerstandsheizungen gestartet. Nach einer Marktstudie entwickelte Emil Grüniger mit seiner Firma Soltherm in Altendorf und den Experten Winfrid Seidinger und Max Ehrbar eine solche Einzelraumwärmepumpe samt dazu passender Bohrvorrichtung zum An-bringen der Luftein- und –austrittsöffnungen in der Gebäudewand. Diese Entwicklung erreichte den Stand erster Pilotanlagen. Die Heizkörperwärmepumpe war mit einem Beton-Wärmespeicher versehen und wurde durch die Firma Hegner in Galgenen in kleinen Stückzah-len mit Heizleistungen von 600 W, 900 W und 1.2 kW hergestellt. Um das Betriebsgeräusch so tief wie möglich zu halten, musste an der Wärmeverteilung durch freie Konvektion – analog einem konventionellen Heizkörper – festgehalten werden. Dies hatte ernste Konsequenzen auf die Leistungszahl. Die Jahresarbeitszahl der Heizkörperwärmepumpe erreicht nur etwa 2.3. Die technischen Probleme waren zwar gelöst – aber mit einer Amortisationszeit um 15 Jahre blieben die Käufer fern [Humm 1996]. Auch im Ausland wurden ähnliche Ideen verfolgt. Diese Bemühungen wurden durch den Annex 23 (F+E-Vorhaben 23) des IEA Wärmepumpenpro-gramms in den Jahren 1996 bis 1998 international koordiniert. Teilnehmende Länder waren Kanada (Projektleitung), Frankreich, Schweden, die Schweiz und die U.S.A. [Annex 23 1999].
KLEINE DIFFUSIONS-ABSORPTIONSWÄRMEPUMPEN
Hans Stierlin war überzeugt, dass für Absorptionswärmepumpen, die nach dem im Abschnitt 5.1.2 beschriebenen Prinzip seines SIBIR Kühlschranks funktionieren würden, ein Markt be-stehe. Ihm schwebte ein Aggregat mit etwa 3.5 kW Heizleistung vor, dass dank seinem ge-räuschlosen Betrieb sogar in Wohnräumen installiert werden könnte. In diesem Fall könnten sogar zusätzliche 150 W Abwärme genutzt werden, die sonst nur einen Wärmeverlust darstel-len würden. Für einen höheren Leistungsbedarf sah Stierlin die parallele Verwendung mehrerer Module vor. Er begann 1988, im Alter von 72 (!) Jahren, in seiner kleinen Firma “Creatherm” mit der Umsetzung seiner Idee. Dabei arbeitete er eng mit Carl Ulrich Wassermann von Entex (siehe unten), einem früheren Mitarbeiter in Stierlins SIBIR-Fabrik, zusammen. Das neue Aggregat funktionierte nach demselben Prinzip wie Stierlins berühmter SIBIR Kühl-schrank. 1992 hatte Stierlin seine Ammoniak-Diffusions-Absorptionswärmepumpe „DAWP” bereits soweit entwickelt, dass damit neutrale Tests durchgeführt werden konnten. Im Vergleich zum Funktionsmodell wies der Prototyp nun eine deutlich reduzierte Bauhöhe aus. Im Auftrag des BEW (Bundesamt für Energiewirtschaft) wurden während der Heizperiode 1992/1993 in einem älteren Einfamilienhaus mit Radiatoren und in einem neueren Einfamilienhaus mit Fussbodenheizung Feldversuche in bivalentem Betrieb mit Gaskesseln durchgeführt. In beiden Fällen wurde Luft als Wärmequelle benützt. Beide Absorptionswärme-pumpen funktionierten perfekt. Unter Berücksichtigung der
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09 Feb 2012
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unbekannt |
Wärmepumpen Geschichte Teil 4
Unter Berücksichtigung der elektrischen Hilfsenergie für das Umgebungsluftgebläse und die Regelung wurde ein Primärenergienutzungsgrad von 137% (PER = 1.37) erreicht. Der Feldtest demonstrierte die im Vergleich zum Dampfkompressionsprozess nur geringe Abhängigkeit des Nutzungsgrads der DAWP von der Verdampfungstemperatur. Es wurde auch bestätigt, dass die DAWP möglichst stationär betrieben werden sollte. Ein dritter Prototyp wurde an der ETH-Zürich unter Laborbedingungen und Einhaltung der DIN-Normen 8900 und 33830 detailliert untersucht. Sie ergaben dieselben erfreulichen Ergebnisse. Bei 0°C / 35°C wurde ein Nutzungsgrad von 143% und bei 0°C / 50°C ein solcher von 135% gemessen (PER 1.43 bzw. 1.35). Im Falle der Nutzung eines Teils der Abwärme durch Aufstellen in einem Wohnraum würden diese Werte sogar 150% bzw. 142% betragen. Durch ein einfaches Vertauschen der Anschlüsse kann mit der DAWP übrigens im Sommer auch gekühlt werden. Als problematisch erwies sich die Warmwasserbereitung [Stierlin et. al 1993], [Stierlin und Wassermann 1996]. In einem weiteren Schritt wurde die Kombination einer Diffusions-Absorptionswärmepumpe mit einem konventionellen Gaskessel für die Spitzenlastdeckung ausgearbeitet. Diese Kombination wurde als “AWP-Kessel” 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 für den optimalen Einsatz von DAWP und Kessel sowie einem Gaskessel entsprechend einfachen Anschlüsse an die Heizung vor. Um die schweizerischen Kesselherstel-ler zum Mitmachen zu bewegen, wurde eine Marktstudie durchgeführt 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, gründete Carl Ulrich Wassermann (war während vier Jahren Leiter der Abteilung „Engineering“ bei SIBIR) 1990 die Firma ENTEX Energy53. ENTEX entwickelt Diffusions-Absorptionssysteme für unterschiedliche Anwendungen wie Kühl-schränke für Hotelzimmer und mit Erdgas betriebene Klimatisierungseinheiten. In den späten 1990er Jahren entwickelte Wassermann eine zweite Generation von Diffusions-Absorptionswärmepumpen. Sie zeichnet sich aus durch das Fehlen von Druckbehältern: Die Ammoniak-Wasser-Lösung befindet sich nur noch im Innern von Rohrleitungen. Weiter wurde auch die Fertigung des Aggregats vereinfacht. Die Heizleistung der bis 4 Moduleinheiten be-trägt je 1.9 kW. Der Nutzungsgrad soll 150% erreichen. Bei der Fertigstellung dieses Berichts sind Verhandlungen mit europäischen Herstellern noch im Gang.
ABSORPTIONSWÄRMEPUMPEN IN WOHNÜBERBAUUNGEN
Um 1995 wurde in der Wohnsiedlung “Im Bilander” in Brugg mit 342 Wohnungen eine Wärme-pumpenanlage installiert. Diese übernimmt rund 40% des Wärmebedarfs der Siedlung. Bei dieser Pilotanlage wird in einer ersten Stufe Wasser für ein lokales Mitteltemperaturnetz mit einer kommerziellen 870 kW Lithium-Bromid/Wasser-Absorptionswärmepumpe mit Grundwasser (10°C-13°C) als Wärmequelle auf eine Temperatur von 50°C (Vorlauf) / 40°C (Rücklauf) erwärmt. Ab diesem Mitteltemperaturniveau wird die Resterwärmung für die Warm-wasserbereitung mit elektrischen Wärmepumpen übernommen. Unter Berücksichtigung der Hilfsenergien für die Umwälzpumpen resultierte ein Gesamtnutzungsgrad von 130% (PER = 1.3) [Krüsi 1996]. Dieser Wert liegt klar unter demjenigen einer modernen Kombination Block-heizkraftwerk – Wärmepumpe oder Kombikraftwerk – Wärmepumpe. Dieses System wurde deshalb nicht mehr weiter verfolgt.
8.2.2 Wärmepumpe für den Einfamilienhaus-Sanierungsmarkt
Als Resultat koordinierter Anstrengungen von Herstellern, Installateuren, Verbänden, öffentli-cher Unterstützung und Bauherren hat der Wärmepumpenanteil beim Bau neuer Einfamilien-häuser einen Anteil von 75% erreicht: Bild 8-1. Im viel grösseren Sanierungsmarkt erreicht der Anteil an Wärmepumpen aber erst etwa 3%. In anderen Ländern ist dieser Anteil noch viel kleiner. Dies lässt auf ein sehr hohes Potenzial im Sanierungsmarkt schliessen. Jeder neu installierte Kessel bedeutet eine verpasste Gelegenheit für eine effizientere Heizung. Allein in Europa passiert dies pro Jahr etwa eine Million Mal. Es werden also fast diskussions-los höhere CO2-Emissionen akzeptiert, als es der Stand der Technik ermöglichen würde. Wo liegen die Hindernisse? Die älteren Warmwasser-Zentralheizungssysteme weisen im All-gemeinen eine hohe Vorlauftemperatur auf. Konventionelle Wärmepumpen stossen an ihre Grenzen, wenn sie die mit den hohen Heizungstemperaturen im Sanierungsmarkt verbunde-nen hohen Temperaturhübe überwinden müssen. Auf Initiative von Hans Ulrich Schärer, Fab-rice Rognon und Martin Zogg wurde deshalb 1998 das Vorhaben “Swiss Retrofit Heat Pump” gestartet. Ziel der Entwicklung war eine Sanierungsmarkt-Wärmepumpe, welche die Anforde-rungen für alte Zentralheizungssysteme bei hohem Wirkungsgrad und tragbaren Kosten erfül-len. Dieses Vorhaben hatte zwischen 1998 und 2003 im Wärmepumpenforschungsprogramm des Bundesamts für Energie (BFE) oberste Priorität. Während grössere Wärmepumpen für den Sanierungsmarkt (beispielsweise mit Economizer und Schraubenkompressoren) bereits verfügbar waren, gab es für Heizleistungen unter 25 kW noch keine befriedigende Lösung. Um diese Situation möglichst rasch zu ändern, lancierte das BFE noch 1998 den Wettbewerb “Swiss Retrofit Heat Pump” zur Entwicklung eines neuen Wärmepumpentyps. Dieser musste Heizung und Warmwasserbereitung umfassen, auch Luft als Wärmequelle nutzen und deshalb einen effizienten Betrieb bis zu einem Temperatur-hub von –12°C bis 60°C ohne Zusatzheizung bewältigen können. Hauptanforderungen waren mit Luft als Wärmequelle (einschliesslich aller Hilfsantriebe) Lorenz-Wirkungsgrade von über 37.5% im ganzen Betriebsbereich und von 42.5% für den Testpunkt mit Luft 2°C / Wasser 50°C. Die übrigen Anforderungen sind in [Zogg 2002a] aufgeführt. Zur Unterstützung der Schweizer Wärmepumpenhersteller 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 Wärmepumpentestzentrum durchgeführt. Hauptthema der Forschungsprojekte waren neue Kreisprozesse für Kleinwärmepumpen mit einer Heizleistung unter 25 kW, um die erwähnten Anforderungen für einen hohen Tempera-turhub erfüllen zu können. Im Vordergrund standen ein geringerer Heizleistungsabfall, eine tie-fere Kompressoraustrittstemperatur und eine höhere Effizienz bei hohen Temperaturhüben. Die vielversprechendsten Prozesse wurden dann in realen Wärmepumpenheizungen getestet. Die thermodynamisch meist versprechende Lösung für hohe Temperaturhübe ist die Zweistufen-Wärmepumpe mit zwei Kompressoren. Eine Wärmepumpe mit diesem Kreisprozess wurde gebaut und getestet [Zehnder et al. 1999]. Verglichen mit dem einfachen einstufigen Prozess wurde eine um 50% höhere Heizleistung und eine um 14% höhere Leistungszahl erreicht. Es zeigte sich aber, dass die Schmierölmigration im Kreislauf schon nach wenigen Betriebsstunden eine einwandfreie Schmierung der beiden Kompressoren behinderte. Zudem ist eine Wärmepumpe dieses Typs zu kompliziert, um mit den zu ersetzenden kostengünstigen Kesseln zu konkurrieren. Der Kreisprozess mit Economizer und einer Zwischeneinspritzöffnung für Dampf ist eine einfachere und kostengünstigere Lösung. Er ist von grösseren Wärmepumpen mit Schrauben-kompressoren gut bekannt: Ein Kondensatteilstrom wird auf ein mittleres Druckniveau expandiert. Das dabei entstehende Gas-Flüssig-Zweiphasengemisch wird dann im Economizer dur Unterkühlung des Restkondensats verdampft. Dieser Dampf wird dem Kompressor durch die Zwischeneinspritzungsöffnung zugeführt. Dieser Kreislauf hat die folgenden Vorteile (Begründungen in [Zogg 2002a]):
1. Grösserer Massenstrom am Kompressoraustritt , Höhere Heizleistung.
2. Reduktion der Kompressoraustrittstemperatur , Einhalten der Betriebstemperaturgren-zen des Kompressors.
3. Kondensatunterkühlung , Vergrösserung der Leistungszahl (bei geeignetem Kompres-sor).
Als die ersten Versuche durchgeführt wurden, war auf dem Markt noch kein geeigneter Kom-pressor für Heizleistungen unter 25 kW verfügbar. Aber die Resultate mit dem damals verfügbaren Scroll Kompressor mit Flüssigkeit-Einspritzöffnung waren bereits vielversprechend [Zehnder et al. 2000]. Für ein Folgeforschungsprojekt wurde dann von der Firma Copeland ein erster Prototyp eines Scroll Kompressors mit für die Dampfeinspritzung optimierter Zwischen-einspritzung zur Verfügung gestellt. Zusätzlich wurde die Versuchswärmepumpe noch mit einem Sauggaswärmeüberträger ausgerüstet. Gegenüber einem einfachen Einstufen-prozess wurden damit bei hohen Temperaturhüben mit dem Kältemittel R-407C die folgenden Verbesserungen erzielt: Erhöhung der Heizleistung um 30%, Erhöhung der Leistungszahl um 15% (gemessen bei –7°C/60°C) [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 Kältemittel mit oder ohne Sauggaswärmeüberträger) zum Standardprozess für Einfamilienhaus-Wärmepumpen mit hohem Temperaturhub. In einem weiteren Lösungsansatz haben [Reiner et al. 1998] einen Kreisprozess mit einem separaten Hilfskreislauf untersucht. Dieser Hilfskreislauf nutzt die Kondensat Unterkühlung als Wärmequelle für die Enderwärmung des Zentralheizungswassers. Ein entsprechen-des Wärmepumpen-Funktionsmuster wurde mit den Kältemitteln R-407C und R-417A (Isceon 59) getestet. Bei hohen Temperaturhüben wurde gegenüber 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 für diesen Prozess nicht geeignet. Für kleine Wärmepumpen ist dieser Prozess wohl zu komplex. Man sollte ihn aber für grössere Wärmepumpen weiterhin in Betracht ziehen. Gewinner des Wettbewerbs „Swiss Retrofit Heat Pump“ war die Firma KWT in Belp. Die Lö-sung von KWT war eine zukunftsweisende Split-Lösung mit integrierter Warmwasserbereitung mit separatem Kreislauf und Nutzen der Enthitzung [Trüssel et al. 2000], [Cizmar et al. 2001]. Die Markteinführung dieser Entwicklung war noch nicht erfolgreich. Möglicherweise war die Maschine zu komplex. Vielleicht behinderte aber auch der Wärmepumpen-Verkaufsboom die weitere Entwicklung. Warum entwickeln, wenn Engpässe bei der Produktion zu beheben sind? So oder so, das vorläufige „Aus“ kam durch den Verkauf des interessierten Herstellers an ei-nen grossen ausländischen Konzern.
EIN NEUER UND UNKONVENTIONELLER ANSATZ – ABER NOCH NICHT BEREIT
Wie oben erwähnt, würde ein echt zweistufiger Prozess für eine Wärmepumpe mit hohem Temperaturhub den höchsten Wirkungsgrad bringen; aber die Schmierung der beiden Kom-pressoren ist problematisch. Jürg Schiffmann hat deshalb für den zweistufigen Prozess an-stelle konventioneller Scroll- oder Kolbenkompressoren einen ölfreien Miniatur-Radialkompressor vorgeschlagen. Diese Lösung besteht aus zwei Radialkompressoren mit Mini-Laufrädern auf einer Welle, die mit variablen Drehzahlen mit bis zu 240'000 U/min rotiert. Die Wellenlagerung erfolgt durch Präzisionsgaslager mit Toleranzen im Bereich von 5 bis 10 Mikrometern. Sie sind zur Verwendung durch das entsprechende Kältemittel konstruiert. Untersuchungen bei ABB zeigten für die Machbarkeit solcher Mini-Turbo-kompressoren ermutigende Ergebnisse. Sie wären 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 – dann kam es zur metallischen Berührung und das Gaslager wurde zerstört [Schiffmann et al. 2005]. Das Projekt wird fortgesetzt.
8.2.3 Weitere Unterstützung durch öffentliche Forschung und Entwicklung
Die folgenden Projekte wurden durch das Wärmepumpenforschungsprogramm des BFE (Bun-desamt für Energie) koordiniert und teilweise oder ganz finanziert. Leiter dieses Programms waren Hans Ulrich Schärer (bis 1992), Martin Zogg (bis 2002) und Thomas Kopp (bis heute). Fabrice Rognon und Max Ehrbar sind verantwortlich für die Wärmepumpen-Pilot- und -Demonstrationsprojekte.Im Rahmen des Impulsprogramms „RAVEL“ (rationelle Verwendung von Elektrizität) des dama-ligen Bundesamts für Konjunkturfragen stellten erfahrene Fachleute konsolidiertes technisches Wissen zur direkten Anwendung in der Wärmepumpenpraxis zusammen. In den Jahren 1993 bis 1996 wurden drei Handbücher publiziert. Das erste über die Planung, die Ausführung und den Betrieb von Wärmepumpen [Baumgartner et al. 1993], das zweite über sinnvolle hydrauli-sche Schaltungen [Gabathuler et al. 1994] und das dritte zur Qualitätssicherung [Gabathuler et al. 1996].
KOSTENGÜNSTIGE WÄRMEPUMPENHEIZUNG FÜR NIEDRIGENERGIEHÄUSER
Niedrigenergiehäuser mit einem Jahreswärmebedarf unter 160 MJ/m2a weisen eine dichte und gut isolierte Gebäudehülle, hohe solare Wärmegewinne, Niedrigtemperatur-Wärmeverteilsys-teme und einen hohen Wärmebedarfsanteil für die Warmwasserbereitung auf. Zum Auffinden optimaler Regelstrategien für kostengünstige Wärmepumpenheizungen ohne Wärmespeicher und Mischventile wurden Untersuchungen des Gesamtsystems aus Gebäude und Heizung durchgeführt. Die Ergebnisse wurden in einem Handbuch für solche Systeme zusammenge-fasst [Afjei et al. 2000], [Afjei 2002].
HYDRAULISCHE STANDARDSCHALTUNGEN
Auf der Grundlage einer ausführlichen Evaluation der häufigsten hydraulischen Standardschal-tungen für Einfamilienhäuser mit einem Heizleistungsbedarf bis 25 kW wurden in Zusammen-arbeit mit den wichtigsten Wärmepumpenanbietern sieben Standardschaltungen identifiziert. Sie wurden aufgrund der Kriterien hoher Energieeffizienz, hoher Verlässlichkeit und einfacher praktischer Realisierbarkeit ausgewählt. Die sieben Standardschaltungen (wovon eine zur In-tegration thermischer Solaranlagen) decken Luft und Erdboden als Wärmequelle, unterschied-liche Temperaturniveaus der Wärmeverteilsysteme, kombinierte Raumheizung und Warmwasserbereitung ab. Sie wurden durch Computersimulationen untersucht und optimiert. Die Resultate wurden in eine Schritt-für-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 kostengünstiger Wärmepumpensysteme mit einem minimalen Planungsaufwand. Dies begünstigt auch eine gu-te Qualitätssicherung und erleichtert den Vergleich von Offerten verschiedener Hersteller [Afjei et al. 2002], [Gabathuler et al. 2002b].
EFFIZIENZSTEIGERUNG DURCH OPTIMIERTES ABTAUEN
Der Energiebedarf für das Abtauen von Wärmepumpen mit Luft als Wärmequelle ist beachtlich, erreicht er doch etwa 10% des gesamten Bedarfs an elektrischer Energie. Eine Reduktion auf 5% liegt im Bereich des Möglichen. 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 ökonomischer Vergleich der Methoden vorgenommen [Bertsch et al. 2002]. Als Datengrundlagen dienten die Messungen des Wärmepumpentest-zentrums in Winterthur-Töss (WPZ). Sie wurden ergänzt durch weitere Messungen im Labor und durch Feldmessungen. Aus den Messungen im WPZ wurden 6 Wärmepumpen mit Pro-zessumkehrabtauung und 7 Wärmepumpen mit Heissgasabtauung analysiert. Es wurden auch unkonventionelle Abtaulösungen wie Nutzen der Wärme aus dem Wärmeverteilsystem oder Abtauen mit Raumluft (Luftabtauung) untersucht. Überraschenderweise ergibt die Heiss-gasabtauung über eine Betriebsdauer von 15 Jahren etwa dieselben Gesamtkosten wie die Prozessumkehr. Die Luftabtauung schneidet recht gut ab – sie ist aber mit einem beträchtli-chen Raumkomfortverlust verbunden.
EFFIZIENZSTEIGERUNG DURCH ERDREGISTER
Es wurden zahlreiche monovalente Luft/Wasser-Wärmepumpensysteme 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 – 10 m/s) zur Wärme-pumpe geführt. Die Rohre werden beispielsweise ums Haus oder im Garten verlegt. Grundidee ist das Vorheizen der Luft in kalten Nächten oder auch über längere Perioden mit tiefer Tempe-ratur. Eine Untersuchung zeigte, dass die Jahresarbeitszahl mit solchen Systemen um 5% bis 10% erhöht werden kann. Verglichen mit Erdwärmesondenanlagen ist dies nicht überwälti-gend. Aber im Sommer kann das Rohrleitungssystem zur passiven Kühlung einen oft entschei-denden Komfortsteigerungsbeitrag leisten [Huber et al. 1995].
GERÄUSCHARME LUFT/WASSER-WÄRMEPUMPEN
Über die Hälfte der Kleinwärmepumpen mit Heizleistungen bis 25 kW nutzen Umgebungsluft als Wärmequelle. Speziell in dicht überbauten Gebieten haben die Luft/Wasser-Wärmepumpen gelegentlich zu Beanstandungen infolge der Geräuschentwicklung geführt. Im Rahmen eines Forschungsprogramms wurden die Lärmquellen von Luft/Wasser-Systemen analysiert, und es wurden Richtlinien für 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-Wärmepumpen hat bereits zu Erfolgen geführt [Beerhalter 2007].
MODELLIERUNG VON ERDWÄRMESONDEN
Unter der Leitung von Ladislaus Rybach wurden die Studien zur rechnerischen Erfassung von Erdwärmesonden und Erdwärmesondenfeldern an der ETH-Zürich fortgesetzt [Rybach et al. 1990, 1992, 1998], [Rybach 2001, 2004]. Computersimulationen sind allerdings nur nützlich, wenn die benötigten geothermischen Stoffwerte hinreichend genau bekannt sind. Deshalb wurde 1998/1999 durch Werner Leu und Mitarbeiter ein Computerprogramm entwickelt, wel-ches die Abschätzung dieser Stoffwerte für das Schweizerische Mittelland ermöglicht. Es wur-de 2006 überarbeitet und ergänzt [Leu 1998], [Leu et al. 1999, 2006].
Als Werkzeug für Computersimulationen ganzer Wärmepumpensysteme mit Erdwärmesonden wurde durch Arthur Huber55 das neue, dynamische Berechnungsmodul EWS zur Berechnung der Temperatur des aus der Sonde tretenden Wärmeträgers entwickelt. 1997 wurde es zu-nächst für Einzelsonden ausgearbeitet [Huber 1997] und dann 1999 auf Erdwärmesondenfel-der erweitert [Huber und Pahud 1999]. Dank der kurzen Rechenzeit des Moduls EWS56 erlaubt es die dynamische Computersimulation ganzer Wärmepumpenanlagen mit Erdwärmesonden auf Personal Computern. EWS wurde später in das schweizerische Wärmepumpenausle-gungsprogramm WpCalc eingebaut [Stalder et al. 2001] und durch Sarah Signorelli und Tho-mas Kohl, dem Nachfolger von Ladislaus Rybach, am Institut für Geophysik der ETH-Zürich, validiert [Signorelli und Kohl 2002].
ÖKOLOGISCHE EINWIRKUNG VON ERDWÄRMESONDEN
Das damalige Bundesamt für Umwelt- Wald und Landschaft BUWAL (heute Bundesamt für Umwelt) liess die ökologischen Einwirkungen von Erdwärmesonden auf den Erdboden und das Grundwasser gründlich abklären. Darauf veröffentlichte das BUWAL 1994 Richtlinien für die Installation von Erdwärmesonden. Dies war eine weitere Schweizer Pionierarbeit und hatte auch einen wichtigen Einfluss auf die spätere deutsche Richtlinie VDI 4640 (siehe Abschnitt 8.3). Es war übrigens für die Schweiz nicht sehr einfach, ihrer restriktiven Haltung in diesen Fragen in der beratenden Kommission für die VDI-Richtlinie Gehör zu verschaffen. Eine ent-sprechende Schweizerische Norm SN 565 384/6 (Erdwärmesonden / Sondes géothermiques / Sonde geotermiche) ist in Vorbereitung. Aus ökologischen Gründen wurden in der Schweiz Direktexpansionssysteme für Wärmepum-pen mit ölgeschmierten Kompressoren nie zugelassen, falls dazu alternative Lösungen möglich sind. Und die gibt es immer. Als einzige Ausnahme wären im Moment ölfreie CO2-Kreisläufe möglich [Beck 2007], [Rognon 2007].
REGENERATION VON ERDWÄRMESONDEN - NACHHALTIGKEIT
Eine detaillierte Untersuchung der Nützlichkeit einer Sommerregeneration einzelner Erdwär-mesonden und ganzer Erdwärmesondenfelder durch thermische Solaranlagen zeigte ein er-nüchterndes Ergebnis. Meistens vermag der durch die Regeneration bewirkte Mehrertrag nicht einmal die dafür benötigte Umwälzpumpenergie zu kompensieren. Die Sommerregeneration ist höchstens für stark belastete Erdwärmesondenfelder von Interesse [Hässig et al. 1998]. Eine umfassende Antwort zur Nachhaltigkeit von Erdwärmesondenanlagen findet man in [Signorelli et al. 2005].
55 Arthur Huber, Huber Energietechnik, Zürich,. http://www.hetag.ch56 Dies wurde durch eine Kombination numerischer Berechnung in Sondennähe mit einer analytischen Rechnung im entfernteren Erdbodenbereich erreicht.
KOMBINIERTES KÜHLEN UND HEIZEN MIT ERDWÄRMESPEICHER
In der Nutzung der Abwärme von Kälteanlagen und Klimaanlagen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung liegt im Vergleich zu getrenntem Kühlen und Heizen ein grosses Ener-giesparpotenzial. Bei Kälteanlagen ist der Kälteleistungsbedarf während dem Jahr oft annä-hernd konstant. Dies gilt auch für den Wärmeleistungsbedarf zur Warmwasserbereitung. Im Gegensatz dazu gibt es in der Schweiz nur im Sommer einen allfälligen Bedarf zur Raumküh-lung und nur im Winter einen Raumheizungsbedarf. Der entsprechende Heiz- oder Kühlbedarf variiert zudem mit der sich laufend ändernden Umgebungstemperatur. Deshalb stimmen im Allgemeinen die Bedürfnisse zum Kühlen und Heizen weder im Tagesverlauf noch saisonal überein.
Während tägliche Schwankungen noch durch Warmwasserspeicher aufgefangen werden kön-nen, erfordert der Ausgleich jahreszeitlicher Schwankungen Erdwärmespeicher mit Erd-wärmesondenfeldern. Bei niedrigem Wärmebedarf kann die Überschusswärme aus den Kon-densatoren der Kälteanlagen im Erdboden gespeichert werden. Dies ist typisch für den Som-merbetrieb. Bei typischem Winterbetrieb dominiert der Raumheizungsbedarf, und die Wärme aus dem Erdboden kann dann als zusätzliche Wärmequelle genutzt werden. Sie ist typisch für den Gewerbekältebereich mit Kälte- und Tiefkühleinhei-ten, die mit der Warmwasserbereitung und der Raumheizung kombiniert werden. Für solche Systeme zur kombinierten Heizung und Kühlung wurde im Auftrag des Bundesamts für Energie ein Planungshandbuch ausgearbeitet. Darin wird das in fünf Schritte unterteilte Auslegungs-vorgehen an einem praktischen Beispiel illustriert [Good 2000], [Good et al. 2001]. Die Dimensionierung grosser Erdwärmesondenfelder aufgrund detaillierter Computersimulationen wird in [Rohner et al. 2005] behandelt.
UMWELTRELEVANZ NATÜRLICHER KÄLTEMITTEL
Als Schweizer Beitrag zum Annex 22 (F+E-Vorhaben 22 „Compression Systems with Natural Working Fluids“) des IEA Wärmepumpenprogramms wurde 1966 eine erste Ökobilanz (Life Cycle Assessment (LCA) zur Umweltrelevanz alternativer Kältemittel durchgeführt [Weibel 1996]. In einer zweiten Studie wurde der Ökobilanzvergleich auf alle relevanten Umwelteinwirkungen natürlicher und synthetischer Kältemittel für schweizerische Stromproduktionsverhältnisse erweitert und vertieft. Diese neue Ökobilanzstudie wurde für die Wärmepumpenhei-zung, die Klimatisierung und die Kälteerzeugung durchgeführt. Es wurden für 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 Primärenergiebedarf, Treibhauseffekt, Ozonschichtabbau, Versauerung, photochemische Ozonbildung, aquatische und terrestrische Ökotoxizität und Emissionen radioaktiver Isotope (karzinogene und erbgutschädigende Effekte). Die Resultate bestätigten, dass der Energieeffizienz der Anlagen eine Schlüsselrolle zu-kommt. Anlagen mit natürlichen Kältemitteln und vergleichbarer oder besserer Effizienz als An-lagen mit FKWs ergeben geringere Umweltbelastungswerte. Einzige Ausnahme ist die höhere photochemische Ozonbildung bei Anlagen mit Propan. Wenn die Anlagen mit natürlichen Käl-temitteln aber eine tiefere Effizienz aufweisen als jene mit synthetischen Kältemitteln, ist die Si-tuation nicht mehr so eindeutig. Dann ist ein individuelles Abwägen zwischen der Schonung nicht erneuerbarer Primärenergien, der Versauerung, dem Sommersmog, der Giftwirkung in Gewässern und der Emission radioaktiver Emissionen einerseits und dem Treibhauseffekt, dem Ozonschichtabbau und der Giftwirkung auf den Boden andererseits erforderlich, um die ökologischen Vorteile natürlicher Kältemittel zu beantworten. Hauptschlussfolgerung der Studie war, dass FKW-Kältemittel noch toleriert werden können, wenn es keine zumutbaren Al-ternativen mit natürlichen Kältemitteln gibt. Dies aber nur unter den Bedingungen einer regel-mässigen, strikten Dichtheitskontrolle während der ganzen Anlagelebensdauer und einem fachgerechten Kältemittelrecycling vor der Entsorgung der Anlage. Gleichzeitig sollten die Herstellungsverfahren für die FKW-Kältemittel verbessert werden [Frischknecht 1999, 2000], [Zogg 2000b].
2003 wurde mit der Schweizerischen Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) für die weitere praktische Verwendung von FKW-Kältemitteln ein vernünftiger Kompromiss beschlossen: Neue Anlagen mit einer FKW-Füllung von mehr als 3 kg benötigen eine offizielle Bewilligung und die Anlagedichtheit muss jährlich überprüft werden.
WÄRMEÜBERGANG BEI FKW- UND NATÜRLICHEN KÄLTEMITTELN
Unterstützt durch das Wärmepumpenforschungsprogramm des Bundesamts für Energie wur-den an der ETH-Lausanne umfassende Untersuchungen zum Wärmeübergang bei der Ver-dampfung von alternativen Kältemitteln in glatten und strukturierten Rohren ohne und mit Schmierölen durchgeführt. Für 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 natürliche Kältemittel Ammoniak ausgedehnt [Zür-cher et al. 1997]. An der ETH-Zürich wurde der Wärmeübergang bei überkritischem CO2 unter-sucht [Trepp Ch. 1997].
AMMONIAKWÄRMEPUMPE FÜR EINFAMILIENHÄUSER
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 Kleinwärmepumpen mit Ammoniak. Im Rahmen des Wärmepumpenfor-schungsprogramms des Bundesamts für Energie wurde deshalb die Entwicklung einer Ammo-niak-Kleinwärmepumpe gestartet. Zuerst wurden die Vorteile von Ammoniak gegenüber Pro-pan oder R-407C für Kleinwärmepumpen theoretisch untersucht. Die Resultate für Ammoniak waren ermutigend – insbesondere für kleine Temperaturhübe, wie sie bei Fussbodenheizungen genügen. Mit Ammoniak sind für solche Wärmepumpen Druckverhältnisse um 15 nötig. Ohne Gegenmassnahmen würde diese mit einem einzigen Kompressor zu hohe Austrittstemperaturen ergeben. Ein Kleinkompressor mit Zwischeneinspritzung ist nicht verfügbar, und eine Zweistufenanlage wäre zu aufwändig. Deshalb wurde ein Schraubenverdichter oder ein Flügelzellen-verdichter mit einem hohen Ölumlauf zur Kühlung vorgeschlagen [Boyman et al.1997].
In der zweiten Projektphase wurde ein Funktionsmuster einer Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einem offenen Flügelzellenverdichter ausgelegt, gebaut und nach zahlreichen Rückschlägen schliesslich doch noch erfolgreich gestartet. In der dritten Projektphase wurden mit dem Flügelzellenverdichter und einem kleinen Schraubenkompressor umfangreiche Versuche durchgeführt. Dabei wurden die folgenden Leistungszahlen erreicht:
2.4 bei –7°C/50°C und 2.7 bei 2°C/50°C. Der Grund für diese bescheidenen Resultate liegt im hohen Öldurchsatz. Die Wärmepumpe schaffte einen maximalen Temperaturhub von einer Soletemperatur von –20°C auf eine Senkenwassertemperatur von 60°C. Der Economizer bewirkte eine Erhöhung der Leistungszahl um 6% und der Heizleistung um 12%. Einige Tests wurden auch mit dem kleinen Schraubenkompressor ohne Zwischeneinspritzmöglichkeit gefahren. Beide für die Versuche benützten Kompressoren vermochten nicht zu befriedigen. Eine Kommerzialisierung der Ammoniak-Kleinwärmepumpe wäre nur mit geeigneteren Kompressoren möglich [Geisser und Kopp 2003].
KLEINER OELFREIER CO2 KOMPRESSOR
Überkritische CO2-Prozesse kämpfen immer noch mit Schmierölproblemen. Ziel eines im Rahmen der IEA58 durch geführten BFE-Forschungsvorhabens war deshalb ein Machbarkeits-nachweis für einen kleinen, ölfreien, halbhermetischen CO2-Kolbenkompressor für überkriti-sche Wärmepumpen-Prozesse mit hohem Temperaturhub. Diese arbeiten unter hohen Drücken, 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 über 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 “Selected Issues on CO2 as a Working Fluid in Compression Systems”) des Wärmepumpenprogramms der Internationalen Energieagentur.
PULSBREITENMODULATION – EIN FORTSCHRITTLICHES KONZEPT
Der übliche Ein/Aus-Betrieb zur Heizleistungsregulierung von Wärmepumpen ergibt oft zu häu-fige Ein- und Ausschaltvorgänge mit zu kurzen Betriebsperioden. Dies hat nicht nur eine gerin-gere Effizienz, sondern auch eine Beeinträchtigung der Lebensdauer der Wärmepumpen zur Folge. Deshalb wurde die Pulsbreitenmodulation eingeführt. Grundidee dieses neuen Kon-zepts ist die volle Nutzung der thermischen Trägheit von Gebäude und zentralem Wärmeverteilsystem zum Erreichen möglichst langer Wärmepumpenbetriebszeiten ohne merklichen Komfortverlust. Ein weiteres Ziel ist die Elektrizitätskostenreduktion durch einen möglichst langen Betrieb in Niedertarifzeiten. Das Konzept der Pulsbreitenmodulation wurde mit drei unter-schiedlichen Lösungsansätzen realisiert. Sie unterscheiden sich in den Methoden zur Bestimmung der benötigten Wärmemenge und der optimalen Verteilung der Betriebsperioden über den ganzen Tag. Bei den beiden einfacheren Methoden wird der Wärmebedarf entweder aus der Energiekenn-linie (Tageswärmebedarf in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur) oder aus der Laufzeit-kennlinie (Wärmeleistungsbedarf gemäss Energiekennlinie dividiert durch die Wärmeleistungsproduktion gemäss der Wärmepumpenkennlinie) bestimmt. Die dritte Methode, die modellbasierte prädiktive Regelung, ist wesentlich komplexer. Sie erfasst die thermische Träg-heit von Gebäude und Wärmeverteilungssystem durch ein physikalisches Modell. Diese Variante schätzt die Umgebungstemperatur in den folgenden Stunden aus den in den letzten 24 Stunden gemessenen Temperaturen. Bei der Optimierung der paketweisen Wärmezufuhr wer-den die Leistungszahl der Wärmepumpe wie auch die Tarifstrukturen und die von den Elektrizitätswerken vorgegebenen Betriebsunterbruchszeiten für Wärmepumpen berücksichtigt. Der modellbasierte prädiktive Regler kann je nach Präferenz des Betreibers entweder einen mini-malen Elektrizitätsverbrauch oder minimale Elektrizitätskosten anstreben. Die neuen Regler wurden in einem für Heizungssanierungen typischen Einfamilienhaus mit ei-ner Luft/Wasser-Wärmepumpe erprobt. Das Warmwasser-Zentralheizungssystem war mit einem in Serie geschalteten Wärmespeicher ausgestattet. Die Wärmeverteilung erfolgte über eine Fussbodenheizung (FBH) und Radiatoren (RAD). Die Heizleistungsanteile konnten von 33% FBH / 67% RAD bis 33% RAD / 67% FBH verändert werden.Gegenüber der herkömmlichen aussentemperaturgeführten Rücklauftemperaturregelung (ARL) ergaben sich mit der Pulsbreitenmodulation bei vergleichbarem Komfort in den beheizten Räumen folgende Vorteile [Gabathuler et al. 1998, 2002a], [Shafai et al. 1999, 2002]:
􀂾 Die Wärmepumpen konnten mit einem Niedertarifanteil von 60% bis 70% gefahren werden (gegenüber 43% bei ARL).
􀂾 Es ergaben sich längere Wärmepumpenlaufzeiten im Teillastbereich von 0.5...1.5 Stunden.
􀂾 Die Umwälzpumpe musste während den Zeiten mit ausgeschalteter Wärmepumpe nicht betrieben werden, tieferer Hilfsenergiebedarf.
􀂾 Einfache Einstellung (keine Heizkurveneingabe, keine Koppelung von Heizkurve und Zeit-programm sowie von Heizkurve und Warmwasserbereitung).
􀂾 Optimale Nutzung von Niedertarifzeiten ohne Überdimensionierung der Wärmepumpe.
In den Projektphasen 3 und 4 wurden zum Vergleich der drei erwähnten Regelungskonzepte in Zusammenarbeit mit Industriepartnern Versuche unter identischen Randbedingungen mit ei-nem an der ETH-Zürich eigens dafür gebauten dynamischen Prüfstand durchgeführt [Zogg und Shafai 2001], [Gabathuler et al. 2003]. In der vierten Projektphase wurde die Regelung durch prädiktive 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 benötigt nach der Inbetriebnahme der Wärmepumpe und insbesondere auch nach der Austrocknungsphase neuer Häuser kein manuelles Nachjustieren mehr. Er reduziert die Heizkosten ohne Komforteinbusse um rund 10% gegenüber konventionellen Reg-lern. Dies wird hauptsächlich durch eine bessere Nutzung von Niedertarifzeiten erreicht [Bianchi et al. 2005].
FORTGESCHRITTENE FEHLERERKENNUNG UND DIAGNOSEMETHODEN
Während dem Betrieb einer Wärmepumpe können Fehler, wie die Belagsbildung auf Wärme-übertrageroberflächen (Fouling), Komponentenversagen oder Kältemittelverlust durch Leckage auftreten. Diese Fehler reduzieren die Effizienz der Wärmepumpe bereits in einem frühen Sta-dium. Um sie auch früh zu erkennen, wurde ein Diagnosesystem entwickelt und auf dem Wär-mepumpenprüfstand getestet. Mit diesem werden die Parameter einer Wärmepumpe laufend identifiziert und während 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 „Black-Box-Methode“ Fuzzy-Watch kommt mit einer minimalen Anzahl von Sensoren (in der Regel einige Temperatur-sensoren) aus, während HeatWatch bessere Klassifizierungsergebnisse liefert. Die entwickelte Software ermöglicht dem Überwachungssystem in einer Trainierphase die automatische Fuz-zy-Regelbildung und lässt sich auf einem modernen Wärmepumpenregler programmieren. Damit ist eine laufende Überwachung der optimalen Funktion einzelner Komponenten einer Wärmepumpenanlage möglich geworden. Dies erlaubt es, anstelle eines periodischen Wärme-pumpenservices auf einen gezielten Unterhalt nach Bedarf überzugehen. Das entwickelte Diagnosesystem kann auch für Kältemaschinen angewendet werden [Zogg und Shafai 2001], [Zogg et al. 2001, 2005].
DYNAMISCHER WÄRMEPUMPENTEST
Der übliche Wärmepumpentest auf der Basis der Europäischen Norm EN 14511 ist ein Test bei stationärem Betrieb. Aber insbesondere im Ein-/Aus-Betrieb verursachen die An- und Auslauf-phasen eine deutliche Verschlechterung der Heizleistung der Wärmepumpen. Ein dynamischer Wärmepumpentest 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-Wärmepumpen bereits mit Erfolg getestet [Ehrbar und Hubacher 2001].
WÄRMEPUMPENTEST FÜR KOMBINIERTE HEIZUNG UND WARMWASSERBEREITUNG
Im Zuge eines energieeffizienteren Bauens nimmt der Anteil des Wärmebedarfs für die Warm-wasserbereitung gegenüber jenem für die Raumheizung stetig zu. Die Warmwasserbereitung erreicht heute einen Anteil von 10% bis 50% des gesamten Jahreswärmebedarfs. Es wird des-halb immer dringender, einen Wärmepumpentest durchzuführen, welcher die Gesamteffizienz für kombinierte Raumheizung und Warmwasserbereitung liefert. Trotzdem sind die bestehen-den Testverfahren auf die separate Raumheizung (oder –Kühlung) und die separate Warm-wasserbereitung beschränkt. Auf die Initiative von Martin Zogg wurde deshalb 2002 ein interna-tionales Vorhaben als Annex 28 (F+E-Vorhaben “Test Procedure und Seasonal Performance Calculations for Residential Heat Pumps with Combined Space und Domestic Hot Water Hea-ting”) des IEA Wärmepumpenprogramms gestartet. An diesem nehmen die Schweiz (Projektleitung), Österreich, Kanada, Frankreich, Deutschland, England, Japan, Norwegen, Schweden und die U.S.A. teil. Projektziel ist ein neues Testverfahren, welches die nötigen Daten zur korrekten Berechnung der Jahresarbeitszahl kombinierter Heizungs-Warmwasser-Systeme er-möglicht. Das Bilanzgebiet umfasst dabei die Wärmepumpe, den Boiler (oder Durchlauferhit-zer) und optionale Zusatzerwärmer für die Spitzendeckung.
Die Resultate des Vorhabens wurden 2005 an der Eröffnungsveranstaltung der 8. Internationalen Wärmepumpenkonferenz in Las Vegas vorgestellt. Teile davon fanden bereits Eingang in Normen. So wurde der Berechnungsansatz in die Europäische Norm EN 14335 übernommen, und das deutsche Normengremium hat sie in ihre nationale DIN-Norm implementiert. Die Resultate des Annex 28 werden auch Eingang in die Arbeitsgruppen des Europäischen Komitees für Normung CEN finden [Wemhöner und Afjei 2005]. Die Schweizer Beiträge an den Annex 28 waren nebst der Projektleitung eine Berechnungsmethode für die Jahresarbeitszahl [Afjei und Wemhöner 2003] und ein experimenteller Ansatz basierend auf den Erfahrungen des Schweizerischen Wärmepumpentestzentrums in Winterthur-Töss [Montani 2003].
8.2.4 Unterstützung durch Verbände und den Bund
POLITISCHE RANDBEDINGUNGEN
Die Schweizer Stimmbürger und Stimmbürgerinnen haben in einer Referendumsabstimmung vom 23. Oktober 1990 mit einer Mehrheit von 53.6% einem zehnjährigen Moratorium für die Nuklearenergie zugestimmt. Das war eine Folge der Atomkraftwerkskatastrophe von Tscher-nobyl von 1986 und dem jahrelangen Widerstand der Bevölkerung gegen den Bau eines gros-sen, neuen Kernkraftwerks in Kaiseraugst. Die politische Antwort auf diese neue Situation war das Aktionsprogramm „Energie 2000“. Es setzte die folgenden bis zum Jahr 2000 zu errei-chende Ziele: Verbrauch an fossiler Energie und CO2-Produktion nicht grösser als 1990, Stei-gerung der Nutzung erneuerbarer Energien um 0.5% bezüglich dem Gesamtenergiebedarf und um 3% bezüglich dem Raumheizungsbedarf, Erhöhung der Elektrizitätsproduktion aus Was-serkraftwerken um 5% und jener aus den bestehenden Kernkraftwerken um 10%.
„Energie 2000“ wird durch das Aktionsprogramm „EnergieSchweiz“ 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 lösen zu können, wurden 5 Energieagenturen gegründet. Die Wärmepumpentechnologie wird durch die Agentur Erneu-erbare Energien und Energieeffizienz AEE abgedeckt. In dieser ist auch die Fördergemein-schaft Wärmepumpen Schweiz FWS vertreten [Schmid 2001].
FÖRDERGEMEINSCHAFT WÄRMEPUMPEN SCHWEIZ FWS
1992 arbeitete Hans Ulrich Schärer vom Bundesamt für Energiewirtschaft ein Strategiepapier zum Erreichen der Ziele des Aktionsprogramms „Energie 2000“ aus. Er wies dabei auf das ho-he Energiesparpotenzial der Wärmepumpentechnologie hin. Wärmepumpen hatten damals in neuen Gebäuden nur einen Marktanteil von etwa 7.5%. 1991 gab es in der Schweiz etwa 37’000 Wärmepumpen. Schärer postulierte bis zum Jahr 2000 einen Ausbau der Wärmepum-penheizungen um weitere 100'000 Einheiten mit einer Gesamtwärmeleistung von 2'500 MW. Er schloss in seine Strategie auch die Beschaffung der zusätzlichen elektrischen Energie durch Ersatz der elektrischen Widerstandsheizungen sowie der zusätzlichen Stromproduktion durch Dampfturbinen in Kehrichtverbrennungsanlagen und durch Blockheizkraftwerke ein. Schärer hat die Wärmepumpentechnik übrigens stets zu den erneuerbaren Energien gezählt, was sich später als vorteilhaft für die politische Akzeptanz und für die Finanzierung der flankierenden Massnahmen zeigte [Schärer 1992, 2007].
Auf der Basis dieses Strategiepapiers arbeitete Franz Beyeler einen detaillierten Aktionsplan für Marketing und Kommunikation aus [Beyeler, Lehni 1992]. Aufgrund seines Aktionsplans schlug er die Schaffung der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz vor [Beyeler 2007].
Gabriella Brugger, damalige Leiterin der Stabsstelle für Energiewirtschaft des Kantons Zürich, erhielt von ihrem Vorgesetzten Rudolf Kriesi, dem Begründer des sehr erfolgreichen Minergiekonzepts
59, den Auftrag, die Wärmepumpentechnik durch die Gründung eines Informations- und Qualitätssicherungszentrums zu unterstützen. Sie wusste, worum es ging, brachte sie doch von ihrem Elternhaus sehr schlechte Erfahrungen mit einer erbärmlichen Wärmepum-penanlage mit. Dank ihrer ausgezeichneten Kommunikationsfähigkeit gelang es ihr, die (zu-mindest zu Beginn) misstrauische Wärmepumpengemeinschaft zu motivieren und den Auftrag in einem gesamtschweizerischen Rahmen zu einem erfolgreichen Ende zu führen.
1993 wurde auf der Grundlage einer engen Zusammenarbeit zwischen Gabriella Brugger, Hans Ulrich Schärer (BFE), Franz Beyeler (MKR Consulting), Ruedi Kriesi (Kanton Zürich) und Hanspeter Eicher (Energie Schweiz) die Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz (FWS) gegründet. Verantwortliche Mitglieder dieses Verbandes waren ab Beginn der Bund (vertreten durch Fabrice Rognon vom BFE), die Kantone, der Verband der Schweizerischen Elektrizitätswerke VSE 60, die Verbände der relevanten Installateure VSHL und SSIV61 und die Mitglieder der Arbeitsgemeinschaft Wärmepumpen AWP. Dieter Wittwer von INFEL62 war der erste Geschäftsleiter der FWS [Brugger und Eicher 1994], [Mariani-Brugger 2007], [Schärer 2007], [Szokody 2007].
Hauptziel der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz ist die Verbreitung effizienter Wärmepumpensysteme von hoher Qualität zu einem erschwinglichen Preis gemäss dem Motto „zufriedene Wärmepumpenbesitzer vor hohen Verkaufszahlen“. Bereits im Dezember 1993 organisierte die FWS ihre ersten Tage der offenen Tür in Worblaufen. Die Besucher konnten dort eine Wärmepumpe im Betrieb sehen und erhielten neutrale Informationen. Die erste öffentliche Wärmepumpenausstellung, die sogenannte “Wärmepumpen-Expo”, wurde durch Franz Beyeler organisiert und öffnete ihre Tore im November 1996 [Beyeler 2007].
Heute ist die Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz für alle an der Wärmepumpentech-nik interessierten Personen ein ausgezeichnetes, neutrales Informationszentrum. Sie stellt eine wertvolle Dokumentation zur Verfügung. Die Dokumente können in Deutsch, Französisch und Italienisch bequem von der Internetsite der FWS http://www.fws.ch heruntergeladen werden. Eine Übersicht über den aktuellen Stand der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz fin-det man in [Peterhans und Rognon 2005].
59 In der Schweiz wurde Minergie zu einem Synonym für die Nachhaltigkeit neuer und sanierter Gebäude. Das Konzept wurde durch Rudolf Kriesi begründet. Der Standard Minergie ist ein in der Schweiz und im Ausland regist-riertes Markenzeichen. Das Ziel von Minergie ist die Förderung der Anwendung von Konstruktionsstrategien und Techniken, welche es auf kostengünstige Art und Weise erlauben, die Abhängigkeit 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 Lärmschutz. Die Erfahrung von neuen Bauten zeigt, dass die Mehrkosten gegenüber einem herkömmlichen Gebäude 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 gewähren viele Banken für Gebäude mit dem Minergie-Markenzeichen günstigere 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 „Verband der Schweizer Heizungs- und Lüftungsfirmen VSHL“ und „Verband der Schweizerischen Spenglermeis-ter- und Installateure SSIV; später zur „suissetec“ (Schweizerisch-Liechtensteinischer Gebäudetechnikverband) vereint,
http://www.suissetec.ch
62 INFEL Informationsstelle für Elektrizitätsanwendung, Zürich.
8.2.5 Qualitätssicherung
WÄRMEPUMPEN TEST- UND AUSBILDUNGSZENTRUM - EINE PIONIERINSTITUTION
Auf dem Weg von den Prototypen der Pioniere zu verlässlichen Produkten ist eine strikte Qua-litätskontrolle unumgänglich. Es gab dazu einen offensichtlichen Bedarf, der durch die Elektri-zitätswerke, politische Akteure und zukunftsorientierte Hersteller unterstützt wurde. Zahlreiche Hersteller und Lieferanten leisteten allerdings auch erheblichen Widerstand gegen die Einfüh-rung einer Qualitätskontrolle. Gabriella Brugger hat das Eis gebrochen. Sie stand an der Grün-dungsversammlung des unabhängigen Wärmepumpentest- und Ausbildungszentrum (WPZ) in Winterthur-Töss als Juristin etwa 100 Technikern und Ingenieuren gegenüber. Viele Hersteller und Lieferanten waren immer noch sehr skeptisch: „Und was geschieht, wenn nie-mand zum Testen kommt?“ Aber dank dem grossen Engagement und der Führungskraft von Karl-Heinz Handl63, Brugger und der ausgezeichneten Zusammenarbeit zwischen den Elektrizi-tätswerken NOK (Handl), EKZ64 (Georgio Lehner) sowie EWZ65, dem Kanton Zürich und nicht zuletzt dem Bundesamt für Energiewirtschaft wurde das Testzentrum schliesslich realisiert. Die NOK und das EKZ waren für den Betrieb des Zentrums verantwortlich, und das Bundesamt für Energiewirtschaft übernahm den Hauptanteil der Betriebskosten. Max Ehrbar vom Neutechni-kum Buchs (NTB), der das Testzentrum konzipiert hatte, wurde als technischer Experte enga-giert. Später wurde das Wärmepumpentestzentrum auch durch den Energieforschungsfonds der Elektrizitätsindustrie PSEL66 und dann durch die AXPO67 mitfinanziert. Mit diesem Wärme-pumpentestzentrum hat die Schweiz erneut europäische 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-Wärmepumpe erfolgte nach der Europäischen Norm EN 255. Für Umgebungsluft als Wärmequelle wurde ein voll-ständiger Abtauzyklus in den Test integriert. Die Hersteller mussten nur rund 30% der anfal-lenden Kosten übernehmen [Handl 1993], [Ochsner 1993], [Mariani 2007], [Schärer 2007].
1996 wurden die Prüfungen auf Luft/Luft-Wärmepumpen ausgedehnt. Um Schlaumeiereien vorzubeugen, wurde die wärmesenkenseitige Differenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftempe-ratur als Zusatz zur EN 255 auf einen Maximalwert von 10 K reduziert. Dieses Problem wurde auch im Ausland erkannt. Die neue Europäische Prüfnorm EN 14511, welche die EN 255 er-setzte, ist mit einer Beschränkung auf maximal 5 K noch strenger.
Seit 1998 wird die elektrische Sicherheitsprüfung nach der Europäischen Prüfnorm EN 60 335-2-240 ebenfalls am Wärmepumpentestzentrum durchgeführt. 2003 wurde das Wärmepumpen-testzentrum von Winterthur-Töss an die Fachhochschule Buchs (vormals Neutechnikum Buchs NTB) gezügelt. Dort wird die Wärmepumpenprüfung nach EN 14511 seit 2004 für Heiz-leistungen bis 60 kW fortgesetzt. Zusätzlich wurde die Prüfung von Wärmepumpenboilern nach der EN 255-3 eingeführt. Neben der konventionellen Leistungszahl werden die Tester-gebnisse an Sole/Wasser- und an Wasser/Wasser-Wärmepumpen neu auch mit einer modifi-zierten Leistungszahl, der sogenannten „Standard-Energiekennzahl SEKZ”, angegeben. Die-se trägt im Gegensatz zur konventionellen Leistungszahl (COP) dem Energiebedarf für die Energiequellen-Umwälzpumpe durch einen für die beiden Fälle 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 Elektrizitätswerke des Kantons Zürich, http://www.ekz.ch
65 EWZ Elektrizitätswerk der Stadt Zürich (Zürich City electric utility),
http://www.stadt-zuerich.ch/
66 Projekt und Studienfonds der Elektrizitätswirtschaft PSEL.
67 Die AXPO Holding ist ein führendes Schweizer Energieunternehmen mit Sitz in Baden,
http://www.axpo.ch
Der Erfolg des Wärmepumpentestzentrums lässt sich aus der Anzahl der bis Novemer 2007 geprüften Wärmepumpen erkennen: Luft/Wasser 118, Sole/Wasser 200, Wasser/Wasser 122, Wärmepumpenboiler 7. Seit Beginn der Prüfungen werden die Resultate in regelmässig er-scheinenden Bulletins veröffentlicht. Heute können sie von http://www.wpz.ch heruntergeladen werden.
4DACH-GÜTESIEGEL FÜR WÄRMEPUMPEN
Um den Konsumenten die Wahl einer effizienten Wärmepumpe hoher Qualität mit gesichertem Unterhalt nach der Inbetriebnahme zu erleichtern, wurde 1998 von Deutschland (D), Österreich (A) und der Schweiz (CH) das DACH-Gütesiegel eingeführt. Es wurde 1999 erstmals verge-ben und ist heute wohl das renommierteste Gütesiegel in Europa. Momentan laufen die Ver-handlungen mit dem Europäischen Wärmepumpenverband EHPA (European Heat Pump As-sociation, http://ehpa.fiz-karlsruhe.de) um das DACH-Gütesiegel in ein europäisches Gütesie-gel überzuführen.
Für die Erteilung des DACH-Gütesiegels müssen die folgenden Anforderungen erfüllt sein:
􀂾 Bei Wärmepumpen bis zu einer Heizleistung von 60 kW müssen wenigstens 20 Einheiten pro Jahr hergestellt werden (keine Prototypen).
􀂾 Minimale Effizienzanforderungen auf der Basis von Messungen nach der Europäischen Prüfnorm EN 14511
􀂾 Bestehen der Sicherheitsprüfungen für das Europäische Sicherheitskennzeichen CE und gemäss den Schweizer SEV-Normen.
􀂾 Elektrische Anschlüsse gemäss den Anforderungen der Elektrizitätswerke.
􀂾 Erfüllen der Anforderungen an die Dokumentation für Planung und Installation.
􀂾 Serviceorganisation muss verfügbar sein.
􀂾 Zwei Jahre Vollgarantie und zehn Jahre garantierte Ersatzteilverfügbarkeit.
Das DACH-Gütesiegel ist nur für drei Jahre gültig. Nach Ablauf dieser Frist ist ein neues Ge-such einzureichen. Das Gütesiegelkomitee68 der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz ist für die Gütesiegelerteilung in der Schweiz zuständig. Weitere Einzelheiten in http://www.fws.ch
DACH-GÜTESIEGEL FÜR ERDWÄRMESONDEN
Im Gegensatz zum DACH-Gütesiegel für Wärmepumpen wird beim DACH-Gütesiegel für Erd-wärmesonden die ausführende Bohrfirma beurteilt. Entsprechend wird es nur an geprüfte Bohr-firmen vergeben. Nach Ausbildungskursen wird die Ausführung im Feld periodisch geprüft und das Bohrpersonal muss alljährliche Kurse besuchen. Ein wichtiges Ziel ist die Verhinderung jeder Art von Grundwasserverschmutzung. 2001 wurden in der Schweiz die ersten DACH-Gütesiegel für Erdwärmesonden an die Firmen Frutiger, Hastag, KWT und Geotherm vergeben. Die exakten Anforderungen zur Erteilung des Gütesiegels findet man in
http://www.fws.ch
FELDANALYSE GANZER WÄRMEPUMPENSYSTEME FAWA
Eine hocheffiziente Wärmepumpe ist eine Sache – ein hocheffizientes vollständiges Wärme-pumpensystem eine andere. Selbst wenn die bestverfügbaren Wärmepumpen eingesetzt wer-den, kann von der Wärmequelle bis zur Wärmeverteilung in die einzelnen Räume vieles schief gehen. Aus dieser Erkenntnis beschloss das Bundesamt für Energiewirtschaft 1995 auf die Ini-tiative von Fabrice Rognon eine umfassende systematische Feldanalyse ausgeführter Wärmepumpensysteme durchführen zu lassen. Ziele des Vorhabens FAWA (Feldanalyse Wärmepumpen) war die Aufdeckung von Systemschwächen und die Ermittlung der besten Wärmepumpensysteme. Von 1996 bis 2003 wurden unter der Leitung von Peter Hubacher total 236 Wärmepumpensysteme 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 für Luft/ Was-ser-Systeme eine mittlere Jahresarbeitszahl von 2.6 und für Sole/Wasser-Systeme mit Erd-wärmesonden eine solche von 3.4 [Hubacher et al. 2004].
Die 20 besten Anlagen (8.5% der total geprüften Anlagen) wurden näher 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 Erdwärmesonden eine mittlere Jah-resarbeitszahl von 5.0 (mit einem Maximalwert von 5.6!). Diese Werte liegen deutlich über den Mittelwerten aller gemessenen Anlagen. Dabei waren diese „Meisteranlagen“ keineswegs exo-tische, sondern einfach streng nach den heute bekannten Richtlinien ausgelegte Anlagen. Bei den Sole/Wasser-Systemen mit Erdwärmesonden gab es durch eine sorgfältige Optimierung des Wärmeträgervolumenstroms durch die Sonden sehr deutliche Verbesserungen. Sehr hohe Effizienzwerte erzielten die Erdwärmesondenanlagen mit reinem Wasser anstelle von „Sole“ (Wasser-Ethylenglykol-Mischung). In einem Fall wurde dadurch eine Verbesserung der Leis-tungszahl um 24% beobachtet. Die Verwendung von reinem Wasser als Wärmeträger ist al-lerdings infolge des Einfrierrisikos nur bei sehr sorgfältiger Erdwärmesondenauslegung mög-lich. Weiter ist bemerkenswert, dass ein hoher Anteil der Bestanlagen Wärmepumpen mit Pro-pan als Kältemittel besitzt [Nani et. al 2005].
AUSBILDUNG DER INSTALLATEURE
Ab Beginn war die Ausbildung der Installateure für die Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz ein wichtiger Pfeiler der Qualitätssicherung. Hansueli Bruderer war der erste Leiter des Ausbildungsbereichs der FWS. Seit 2006 wird ein regelmässig stattfindender Dreita-gesausbildungskurs angeboten. Die erfolgreichen Absolventen erhalten ein Zertifikat http://www.fws.ch
WÄRMEPUMPENDOKTOR
Die Mitglieder der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz haben mit dem „Wärmepum-pendoktor“ noch einen vierten Pfeiler der Qualitätssicherung für Wärmepumpenanlagen. Die-ser kann angerufen werden, wenn sich zwischen den Installateuren und den Endkunden Unei-nigkeiten ergeben sollten. Ein erster Augenschein des Wärmepumpendoktors ist für den Kun-den gratis. Er führt normalerweise zu einer gütlichen Einigung. Glücklicherweise sind solche Probleme aber selten – zum Einsatz des Wärmepumpendoktors kommt es nur in 0.25% der installierten Anlagen. Die ersten Wärmepumpendoktoren waren Georgio Lehner von den Elektrizitätswerken des Kantons Zürich EKZ und Gyula Szokody von Hoval Herzog [Mariani 2007], [Szokody 2007].
8.2.6 Brüdenkompression
In der Schweiz erfolgt die gesamte Kochsalz- und Zuckerproduktion in Brüdenkompressions-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-wässer usw. eingesetzt. Die Anlagen wurden unter den folgenden Firmennamen ausgelegt und gebaut: 1924 – 1981 Escher Wyss; 1981 – 1991 Sulzer - Escher Wyss; 1992 – 1996 Sulzer Chemtech; 1996 – 1999 CT Environment ; 1999 – 2000 VA TECH WABAG; 2001 – 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 weitergeführt.
8.3 Internationale Meilensteine der Wärmepumpenheizung
Seit 1990 begann in Europa das definitive “Abheben” der Wärmepumpenheizungstechnik. Die Gründe waren im Wesentlichen dieselben wie die bei der Schweiz bereits beschrieben. Ei-nige Länder wie Deutschland, in denen die Elektrizität 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 Qualitätsproblem der Vorperiode wurde erkannt und als Konsequenz wurde grösseres Gewicht auf die Qualitätssicherung gelegt. Erdgekoppelte Wärmepumpen wurden populärer. Diverse Personal-Computer-Programme für eine genauere Auslegung von einfachen Erdwärmesonden und Erdwärmesondenfeldern wurden verfügbar, darunter das weit verbreitete EED (Earth Energy Designer) [Hellström und Sanner 2000]. Eine ausgezeichnete Übersicht von führenden Wissenschaftern [Lund et al. 2003] erwähnt eine weltweit installierte Heizleistung von 9’500 MW, welche durch rund 800’000 Wärmepumpenanlagen produziert werden. Als in der Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle für Wärmepumpen führend werden Österreich, Kanada, Deutschland, Schweden, die Schweiz und die U.S.A. aufgeführt. In Europa wurden natürliche Kältemittel schon früh gefördert. Die ersten Wärmepumpen mit Propan erschienen 1993. Innerhalb des IEA-Wärmepumpenprogramms wurden Richtlinien für die Verwendung natürlicher Kältemittel 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 für die Verwendung natürlicher Kälte-mittel unternommen. Dieses Projekt der Europäischen Union richtet sich an kleine und mittlere Unternehmen. Es umfasst die Entwicklung, die Herstellung und das Testen effizienter und kos-tengünstiger Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln. Es steht im Einklang mit der künftigen Umweltgesetzgebung Europas. Das Vorhaben wird durch die beiden unabhängigen Verbände Greth (Heat Equipment Association) und EHPA (European Heat Pump Association) koordi-niert. Die Kerngruppe setzt sich aus 18 KMUs aus 11 Ländern zusammen. Die Forschungs- und Entwicklungsaufgaben werden von 9 europäischen Kompetenzzentren übernommen. Na-türliche Kältemittel haben gegenüber den synthetischen Kältemitteln unterschiedliche thermo-dynamische und chemische Eigenschaften. Dies erfordert Neukonstruktionen oder zumindest Anpassungen der Hauptkomponenten wie Wärmeübertrager und Kompressoren. Gleichzeitig sind angepasste Regelungsstrategien zu entwickeln. Weitere Herausforderungen sind Materialkompatibilität und die Minimierung des Kältemittelinhalts. Nach ersten Untersuchungen wer-den in der nächsten Projektphase 10 Prototyp-Systeme mit Heizleistungen von 2 bis 100 kW ausgelegt, gebaut und getestet [Thonon 2006].
DEUTSCHLAND
In Deutschland übernimmt der TÜV (Technischer Überwachungs-Verein) die offizielle Wärme-pumpenprüfung und ist auch verantwortlich für die Gewährung des DACH-Gütesiegels. Seit 1997 wird das Auslegungs-Know-how im Bereich erdgekoppelter Wärmepumpenanlagen in konzentrierter Form als VDI-Richtlinie 464071 herausgegeben. An der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie haben auch Österreich und die Schweiz mitgearbeitet.
1993 hat Stiebel Eltron ihre erste Propan-Wärmepumpe vorgestellt und berichtete einige Jah-re später über die damit erworbenen Markterfahrungen [Schiefelbein 1999]. Für Niedrigenergiehäuser mit kontrollierter Lüftung hat die Firma eine bemerkenswerte Wärmepumpe mit integrierter Wärmerückgewinnung und Warmwasserbereitung auf den Markt gebracht. Sie ist auch mit zusätzlicher Solarwärmenutzung erhältlich. 2006 baute Stiebel Eltron in Holzminden Europas grösste Wärmepumpenfabrik. Die ersten Wärmepumpenwäschetrockner (Wärmepumpentumbler) 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-Absorptionswärmepumpen-Pionier, Hans Stierlin, seine Erfindung ins Ausland. Weitere Ver-suche wurden bei Buderus in Deutschland bereits 1994 durchgeführt. 1997 wurde der Zu-sammenarbeitsvertrag zwischen Stierlins Kleinstfirma Creatherm und Buderus unterzeichnet. Das Diffusions-Absorptionswärmepumpen-Projekt hat Buderus in seiner holländischen Tterfirma Nefit Fasto fortgesetzt. 1999 wurden umfangreiche Feldtests mit einem Zusatfür die Spitzendeckung – dem „AWP-Kessel“, wovon die Schweizer Forscher 1995 träumtendurchgeführt. Die Versuche fielen sehr befriedigend aus. Die im Abschnitt 8.2.1 bereits erörtten alten Ergebnisse wurden bestätigt: 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 “Buderus Loganova” bezeichneten PrototyAuszeichnung der deutschen Gasindustrie zugesprochen. Es gab viel Publizität um den bevostehenden Marktauftritt der Buderus Loganova. Sie ist im Markt aber noch immer nicht erhält-lich. Das Hauptproblem liegt wohl in der Massenproduktion der komplizierten Rohr-in-Rohr-Anordnung.Die Idee eines Betriebes von Erdwärmesonden mit CO2 als Arbeitsmittel entstand im euro-päischen Projekt COHEPS. Die CO2-Wärmerohrlösung (heat pipe) wurde 1988 durch dasForschungszentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen FKW in Hannover patentiert. Um Kor-rosionsprobleme zu meistern, wird gegenwärtig ein flexibles Stahlrohrsystem aus nichtrosten-dem Stahl untersucht [Kruse et al. 2008].
ÖSTERREICH
Wie bereits beschrieben, gehen in den U.S.A. erste Versuche mit Direktexpansions-Erdkollektoren auf das Jahr 1945 zurück. Direktexpansionssysteme weisen Vorteile (keine Wärmeträgerumwälzpumpe, guter Wärmeübergang bei der Verdampfung) aber auch Nachteile (Ölrückführung bei vertikalen Systemen, Gefahr des Mitreissens von Flüssigkeit, Kältemittelfüllung sollte bereits beim Wärmepumpenhersteller erfolgen) auf. Sie wurden in der Schweiz aus ökologischen Gründen nie erlaubt (siehe Abschnitt 8.2.3). In Österreich sind sie aber sehr er-folgreich, und es gibt ein offizielles Testinstitut für Systeme mit Direktexpansion in Wien72. Di-rektexpansionssysteme erreichten 1996 in Österreich einen Anteil von 66% [Halozan 1997].2001 hat Karl Mittermayr Erdwärmesonden mit verdampfendem CO2 für praktische Anwendungen zum Funktionieren gebracht. Zu den offensichtlichen Vorteilen (keine Umweltprobleme und wenn ölfrei, keine Zirkulationspumpe (Thermosyphon), hoher Wärmeübergangskoeffizient, stärkste Verdampfung an Stellen mit höchster 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 Sommerkühlung 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-wärmesondenvariante wird durch die VDI-Richtlinien 4640 nicht abgedeckt.
SKANDINAVIEN (NORWEGEN, SCHWEDEN, DÄNEMARK, FINNLAND)
Besonders in Schweden führte eine starke Abneigung gegen Kernkraftwerke zu Initiativen zur Reduktion des Energiebedarfs. Wärmepumpen wurden als eine sehr interessante Alternative zu elektrischen Widerstandsheizungen erkannt, da sie den Bedarf an elektrischer Energie um Faktoren reduzieren. Am Institut für Technologie der Universität Lund wurde die von Per Eskilson begonnene Modellierung von Erdwärmesonden durch Göran Hellström zu einer wegwei
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09 Feb 2012
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Wärmepumpen Geschichte Teil 5
Modellierung von Erdwärmesonden durch Göran Hellström zu einer wegweisenden, thermischen Analyse von Erdwärmespeichersystemen erweitert [Hellström 1991].Das Qualitätsgütesiegel P-mark in Schweden und der nordische Schwan als Ökogütesiegel wurden bis heute beibehalten [Forsén 2005]. Wie mit der beschriebenen Heizkörperwärme-pumpe in der Schweiz gab es auch in Schweden eine Einzelraumwärmepumpenentwicklung durch Eufor von Härnösand. Es handelte sich um ein erdgekoppeltes Direktexpansionssystem mit einer hohen Jahresarbeitszahl [Falén 1995].Die dänische Firma Sabroe führte 1990 Hochtemperaturkompressoren für Ammoniak ein. Dies ermöglichte eine Steigerung der Wärmesenkentemperatur auf über 70 °C. Auch in der Schweiz wurden zahlreiche Sportzentren mit künstlichen Eisbahnen und Hallenschwimmbäder wie auch Wohngebäude mit diesem Kompressor ausgerüstet [Reiner 2007]. 1997 kaufte Sabroe die Kälteabteilung von ABB (früher BBC) [Kunis et al. 2004].Auch in Norwegen gab es einen Versuch zum Bau einer kleinen Wärmepumpe mit Ammo-niak als Kältemittel [Jonassen und Stene 1997]. In Norwegen und Schweden wurden zahlrei-che grosse Wärmepumpensysteme gebaut. Die dabei aus der Schweiz stammenden Anla-gen wurden im Abschnitt 8.2.1 bereits beschrieben. Der Grund für den Bau der grossen Anla-gen liegt in den bereits existierenden grossen Fernheiznetzwerken, dem tiefen Elektrizitätspreis und in manchen Fällen auch in der leichten Verfügbarkeit des Meeres als Wärmequelle.
U.S.A. UND KANADA
In den U.S.A. hielt die Zunahme der auf dem Dampfkompressionsprinzip beruhenden Wär-mepumpen und Klimatisierungseinheiten an. 1999 gab es in den U.S.A. einen einzigen Hersteller kleinerer Wärmepumpen und Klimatisierungsanlagen nach dem Absorptionsprinzip. Es gab aber weltweite Anstrengungen zur Entwicklung der Absorptionswärmepumpen [Ra-dermacher et al. 1994], [Ab-Sorption 1996]. Absorptionswärmepumpen konnten sich aber für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung gegenüber den kostengünstigeren und effi-
72 Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal, A-1210 Wien; http://www.arsenal.ac.at/org
SONDERPRINZIPIEN
zienteren Dampfkompressionswärmepumpen bis heute nicht richtig durchsetzen. Die verfügba-ren Absorptionswärmepumpen sind Einfach-Effekt Ammoniak-Wasser-Aggregate mit einem Nutzungsgrad um 150%. Versuchsanlagen mit dem komplizierteren GAX-Kreislauf (Generator-Absorber heat exchanger) erreichten deutlich höhere Werte [Burget 1999]. 1990 unterstützte Ontario Hydro ein Programm zur Installation erdgekoppelter Wärmepumpen in Wohngebieten ohne Erdgasanschluss http://www.centreforenergy.com
CHINA
2005 wurden in China Prototypanlagen zur Nutzung von Rohabwasser als Wärmequelle für die Heizung im Winter und als Wärmesenke für die Sommerkühlung 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].
BRÜDENKOMPRESSION
Heute beträgt die Weltkochsalzproduktion 2’300’000 Tonnen pro Jahr. Der Anteil an Brüden-kompressionsanlagen nimmt stetig zu. Die europäischen Hersteller von Brüdenkompressions-anlagen wurden im Abschnitt 8.2.6 erwähnt. Beizufügen 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-Adsorptionskühlschrank mit Aktivkohle / Methylalkohol gebaut . Ab 1950 wurden für die Adsorptionskühlung neue chemische Verbindungen wie Silicagel (ergab nur mässige Resultate) und Zeolithe („Molekularsiebe“, ergab bessere Resultate). Heute ist eine gewisse Wiederbelebung der Adsorptionskühlung mit solarthermischem Betrieb zu beobachten. Adsorptionswärmepumpen zu Heizzwecken konnten sich nicht durchsetzen [Nagengast et al. 2006], [Thevenot 1979].
THERMOELEKTRISCHER EFFEKT
Eine thermoelektrische Kühlung 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 kühlt sich ab, während die andere aufgeheizt wird. Der elektrische Strom bewirkt deshalb einen Wärmetransport 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 Kühlung. Das Phänomen blieb aber bis nach 1945 eine Laboratoriumskuriosität. 1949 konstruierte A.F. Loffe den ersten thermoelektrischen Kühlschrank. In den Jahren 1949/1950 gab die Verwendung von Halblei-tern Anlass zu neuer Hoffnung, einen wesentlich stärkeren Effekt als mit reinen Metallen zu er-reichen. In der Sowjetunion wurden mehrere thermoelektrische Haushaltkühlschränke gebaut. Aber die immer noch geringe Effizienz des thermoelektrischen Effekts liess auch nach 1960 nur einige sehr spezielle Anwendungen wie das thermoelektrische Kühlen 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 Kühlen einzu-setzen. Aus Beschreibungen in einer Publikation von Alexander Kirk im Jahr 1876 scheint es, dass das Prinzip der Kühlung mit dem Stirlingprozess in technischen Kreisen durchaus be-kannt war. Aber erst sehr viel später, ab 1946, wurde der Stirlingprozess bei Philips unter der Leitung von J. W. L. Köhler für die Tieftemperaturanwendung zur Gasverflüssigung 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 Stirlingwärmepumpe wird als Vuil-leumier-Wärmepumpe bezeichnet. In der Schweiz begann Jean-Pierre Budliger mit der Ent-wicklung einer neuen Technologie für Vuilleumier-Wärmepumpen. Sie wurde aus der Doppel-Freikolben-Stirlingwärmepumpe von W. Beale abgeleitet. In seinem neuen Konzept ersetzte Budliger den schweren Arbeitskolben mit seiner problematischen Kolbendichtung durch eine in Resonanz schwingende Gassäule. Er führte intensive theoretische und experimentelle Studien zu seinem Konzept mit zwei Kolben und einem Resonanzrohr dazwischen aus: Den Nutzungsgrad dieser neuen Wärmepumpe hat er zu 150% berechnet. Auf der Grundlage seiner Studien baute Budliger mit Unterstützung des Bundesamts für 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 Erwärmung des Materials. Wenn das sich immer noch im Magnetfeld befindli-che Material anschliessend abgekühlt und dann aus dem Magnetfeld entfernt wird, kühlt es sich weiter ab und bewirkt dadurch einen Kühleffekt. Dieser magnetokalorische Effekt (MCE) wurde 1881 vom deutschen Physiker Emil Warburg entdeckt. Er brachte ein Stück reines Eisen in ein starkes Magnetfeld und entdeckte, dass sich seine Temperatur dabei leicht erhöhte. Der magnetokalorische Effekt variierte zwischen 0.5 und 2 K/T (T: Tesla). Wesentliche Fortschritte wurden erst in den späten 1920er Jahren erzielt, als die Kühlung durch adiabatische Entmag-netisierung unabhängig vom holländischen 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 für Chemie ausgezeichnet wurde) und sein Kollege, D.P. MacDougall, den magnetokalorischen Effekt 1933 eindrücklich demonstriert. In den U.S.A. wurde 1929 zwar ein magnetokalorischer Kühlschrank zum Funktionieren ge-bracht; die Entwickler fanden aber, dass noch weitere Untersuchungen nötig seien [Barclay 1978]. Zwischen 1933 und 1997 wurden in der Anwendung der magnetokalorischen Kühlung eine Reihe von Fortschritten erzielt. 1997 wurde der erste “Giganteneffekt” mit pseudobinären Gadolinium-Legierungen in Raumtemperaturnähe 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 Kühl-schrankkonstruktionen an. MCE-Laborkühlschränke wurden mit magnetischen Feldstärken von 0.6 T bis 10 T (1 Tesla entspricht etwa dem 20’000-fachen der Feldstärke des Erdmagnetfel-des) betrieben. Magnetfeldstärken über 2 T sind mit Permanentmagneten schwer zu erzeugen. Sie erfordern supraleitende Elektromagnete. Das wachsende Interesse an der magnetokalori-schen Technik wird illustriert durch die Gründung der „Working Party on Magnetic Refrigerati-on“ des internationalen Instituts für Kältetechnik http://www.mcwp.ch und der Durchführung einer ersten internationalen Konferenz in der Schweiz im Jahr 2005 [Egolf et al. 2005], [Gschneidner et al. 2005]. Kürzlich 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 Kühlaggregaten und Wärmepumpen entwickelt [Kitanovski et al. 2004], [Egolf et al. 2006]. In ihrem System werden die vier thermomagnetischen Prozess-schritte (adiabatische Magnetisierung, isomagnetische Wärmeabfuhr, adiabatische Entmagne-tisierung, isomagnetische Wärmezufuhr) in einfacher Weise kontinuierlich durchgeführt [Sari 2007], [Vuarnoz 2007]. Eine theoretische Machbarkeitsstudie für eine magnetokalorische 8 kW Wärmepumpe ergab für eine Wärmequelle von 0 °C und eine Wärmesenke von 30°C 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 überschritten. Das BFE-Forschungsprojekt wird mit dem Bau eines Funktionsmusters weitergeführt.
WIRBELROHR
Der Franzose Georges Ranque entdeckte 1933 den Wirbelrohreffekt. Sein Wirbelrohr wurde 1947 vom Deutschen Rudolf Hilsch verbessert. Beim tangentialen Eindüsen von Luft in ein zy-lindrisches Rohr entsteht eine rotierende Expansionsströmung, welche den Luftstrom in einen kalten und einen warmen Strom aufteilt. Dieses System ist von grosser Einfachheit – seine Ef-fizienz ist aber äusserst gering. Für Wärmepumpenanwendungen kommt es deshalb nicht in Frage. Die Anwendung des Wirbelrohrs ist auf den Spezialfall beschränkt, bei dem auf einfa-che Weise ein kurzzeitiger Temperatursturz mit ohnehin zur Verfügung stehender Druckluft er-zeugt wird [Thevenot 1979].
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Wärmepumpen Geschichte Teil 6
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