Mitglied werden Sponsor werden

Großwärmepumpe

Großwärmepumpe. Quelle: Ochsner
Großwärmepumpen in Reihenschaltung. Quelle: Sabroe

Wärmepumpen mit Leistungen größer als etwa 50 kW werden häufig als Großwärmepumpen (Industriewärmepumpen)  bezeichnet. Sie können auch Leistungen deutlich über 100 kW haben und bei der üblichen Hintereinanderschaltung in den MW-Bereich kommen.

Der Einsatz von Großwärmepumpen weist vor allem in der kommunalen Infrastruktur, der Industrie sowie großen Wohn-, Wirtschafts-, und Geschäftsgebäuden enorme Potenziale auf. Obwohl die Wärmepumpe in privaten Wohnhäusern oder Gewerben bereits vielerorts den Standard für die Wärmeversorgung setzt, entwickelt sich eine breite Markteinführung von Groß- und Industrieanlagen mit Leistungen von 100 kW bis zu mehreren MW - trotz einer Vielzahl an vielversprechenden Einsatzmöglichkeiten - momentan noch eher langsam. Vor dem Hintergrund der beschlossenen Klimaziele für die kommenden Jahre und den damit verbundenen Pflichten zur Emissionssenkung insbesondere im Wärmesektor werden Großwärmepumpen allerdings als Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung des Wärmesektors eine entscheidende Rolle für das Erreichen dieser Ziele spielen.

Großwärmepumpen stehen als zentrale Einrichtungen im Gegensatz zu dezentralen kleineren Wärmepumpen. Sie setzen eine ausreichend ergiebige Wärmeauelle voraus, wobei sich bei Goßwärmepumpen ein Verteilernetz auf dem angehobenen Temperaturniveau anschließt, bei dezentralen kleineren Wärmepumen dagegen ein Netz auf dem Temperaturniveau der Wärmequelle.

Technisches Prinzip

Auch eine Großwärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank - Wärme wird von A nach B zum transportiert, wobei sich A abkühlt und  B erwärmt. Es wird also Wärme aus einer Quelle - beispielsweise dem Erdreich (Geothermie), Grund-, Fluss-, oder Abwassert - entnommen und auf ein sogenanntes Kältemittel übertragen, das dadurch aufgrund der niedrigen Siedetemperatur verdampft. Anschließend wird dieses verdichtet, bevor es im nächsten Schritt die Wärme über einen Wärmetauscher an ein Trägermedium wie Wasser auf höherem Temperaturniveau abgibt, das dann wiederum für die Wärmebereitstellung verwendet wird. Durch die Temperaturabgabe verflüssigt sich das Kältemittel wieder und wird entspannt, bevor der Prozess erneut beginnt.

In diesem Kreislauf wird größtenteils nur für das Verdichten und Entspannen zusätzliche Energie in Form von Elektrizität (idealerweise aus erneuerbaren Quellen) benötigt, die restliche Energie wird aus den jeweiligen Wärmequellen (z. B. Erdreich) gewonnen. Um die Effizienz einer Wärmepumpe darzustellen, wird der benötigte Anteil Strom ins Verhältnis zur gewonnenen Wärmeenergie gestellt. In der sogenannten Jahresarbeitszahl (JAZ) wird eben dieses Verhältnis über das ganze Jahr gesehen in einer Kennzahl abgebildet. Je nach Wärmequelle und -pumpe kann diese über dem Wert 5 liegen. Konkret bedeutet diese Zahl, dass durch den Einsatz von 1 kWh Strom 5 kWh Wärme erzeugt werden können. Ein weiterer geläufiger Effizienzmesser ist die Leistungszahl (COP). Diese wird im Regelfall allerdings unter Laborbedingungen in einem bestimmten Betriebszustand ermittelt und sollte daher genau hinterfragt werden.

Zusätzlich besteht bei manchen (Groß-)Wärmepumpen neben der Wärmeerzeugung auch die Möglichkeit der Kühlung. Hierfür wird der Kreislauf automatisch umgekehrt - die Wärme wird aus dem Objekt entzogen und auf das Kältemittel übertragen, um dann mithilfe eines Wärmetauschers an die ursprüngliche Wärmequelle (z. B. Erdreich) abgegeben zu werden - vom Grundprinzip wie bei einem Kühlschrank. Bei beidseitigem Betrieb können für diese Anlagen insgesamt weitaus höhere JAZ und COP erreicht werden, was sie durchaus sehr interessant macht, da so nicht nur signifikante Energieeinsparungen und damit Kosteneinsparungen erzielt werden, sondern auch Heiz- und Kühlvorgänge in einer Anlage ablaufen können.

Technologien

Bei Großwärmepumpen zur Geothermienutzung können sowohl „Sole-Wasser” und „Wasser-Wasser”- Wärmepumpen sein. Der vorangestellte Begriff gibt hierbei einen Hinweis auf die Wärmequelle, wobei es sich bei „Sole“ um ein Trägermedium handelt, das bei Erdwärme zum Einsatz kommt, der zweite Begriff macht erkenntlich, auf welches Medium die Wärme übertragen wird.

Beispiel: Supermarkt-Klimatisierung per Erdwärme

Supermärkte werden ganzjährig klimatisiert und weisen in der Regel einen größeren Kälte- als Wärmebedarf auf. Diese Verbrauchsstruktur lässt sich energetisch effizient über eine erdwärmegespeiste Wärmepumpenkonfiguration bedienen, die innen- und außentemperaturgesteuert über Fan-Coils (Gebläse-Konvektoren) die Verkaufsräume klimatisiert. Bei entsprechender Wärmepumpenkonfiguration ist es z. B. in Einkaufscentern auch möglich Gebäudeteile zu heizen, während bereits solar erhitze Gebäudeteile gekühlt werden müssen.

Grundlage der Energiebereitstellung bildet ein entsprechend dimensionierter Erdwärmetauscher aus Erdwärmesonden oder einer Grundwasserbrunnenanlage. Dieser liefert die Erdwärme, die die Wärmepumpe zur Bereitstellung des notwendigen Vorlauftemperaturniveaus benötigt. Bedarf es der Kühlung, so kann passiv oder bei hohen Kühllasten auch aktiv gekühlt werden. Im Sommer funktioniert das System umgekehrt. Es kühlt den Markt, indem es der Raumluft die Wärme entzieht und sie an den Boden zurückgibt. Das Erdreich dient dann als Wärmespeicher für den Heizbetrieb. Heiz- und Kühlkombinationen sind äußerst wirtschaftlich und umweltfreundlich, da beide Betriebsweisen durch den thermischen Erdpendelspeicher ideal miteinander verknüpft werden.

Beispiel: Ganzjährige Klimatisierung über Großwärmepumpen

Um Bürogebäuden ganzjährig zu klimatisieren, werden immer häufiger wassergeführte Raumkühl/ -heizsysteme, wie beispielsweise Kühldecken, Fußboden- und Wandheizflächen nachgerüstet. Im Neubau wird vermehrt auf die Betonkerntemperierung zurückgegriffen. Wassergeführte Flächensysteme haben den Vorteil, dass sie mit geringen Heiz- und Kühltemperaturen auskommen und damit einen sehr effizienten Wärmepumpeneinsatz ermöglichen. Da eine freie Kühlung eines Bürogebäudes mittels Kältegewinnung aus der Umgebungsluft nur bedingt einsetzbar ist, bietet sich Erdwärme oder Grundwasser als Umweltmedium für eine direkte "passive" Klimatisierung im Sommer und zum Heizen im Winter an.

Eine optimale Nutzung dieser Umweltmedien ergibt sich für Bürogebäude, die beheizt und gekühlt werden müssen. Dann dient der Untergrund als saisonaler Erdwärmespeicher, der die im Kühlbetrieb aufgenommene Gebäudeabwärme aufnimmt und je nach hydrogeologischer Beschaffenheit zu einem großen Teil als Wärmequelle für den winterlichen Heizbetrieb bewahrt. Bei einer derartigen bidirektionalen Betriebsweise regeneriert sich der Untergrund schneller als bei ausschließlichem Heiz- oder Kühleinsatz, wodurch ein höherer jährlicher Wärme- und Kälteentzug möglich wird. Je ausgeglichener die Energieentzugsbilanz zwischen Winter- und Sommerbetrieb ist, umso nachhaltiger steht die natürliche Energiequelle zur Verfügung.

Diese Doppelnutzung des Untergrunds führt überdies zu einer hohen Auslastung der Industriewärmepumpe und somit zu geringeren Gesamtgestehungskosten. Auf den jeweiligen Anwendungsfall bezogen ist der Kühlbetrieb im Sommer über Kühldecken wesentlich energiesparender und günstiger als über herkömmliche Raumklimatisierungsverfahren. Dies liegt daran, dass zum Natural Cooling lediglich die Umwälzung des durch die Erdwärme temperierten Wassers vonnöten ist und damit auch nur der dafür notwendige Stromeinsatz erforderlich wird. Dies verbessert in erheblichem Maße die Effizienz des Primärenergieeinsatzes und die CO2-Bilanz.

Weblinks

https://www.roedl.de/themen/kursbuch-stadtwerke/juni-2020/gro%C3%9Fwaermepumpen-schluesseltechnologie-nachhaltigen-waermeversorgung

https://www.energie-experten.org/heizung/waermepumpe/arten/grosswaermepumpe

zuletzt bearbeitet Februar 2022, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de