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Unabhängige Fachzeitschrift für die Sanitär-, Heizungs-, Lüftungs- und Energiebranche

Die Wärmepumpe hat sich im Bereich der Ein- und kleineren Mehrfamilienhäuser durchgesetzt und bewährt. Für jede Anforderung gibt es Lösungen mit den Anwendungen Luft/Wasser und Sole/Wasser. Es gibt aber auch Lösungen für mittelgrosse bis sehr grosse Wärmeversorgungsanlagen.

Bei der vierten Ausgabe des Kongresses wurde bewusst das grosse Potenzial der mittelgrossen Heizungsanlagen ins Zentrum gestellt. Da die öffentliche Hand den Auftrag hat, eine Vorreiterrolle einzunehmen, braucht es Lösungen für Gemeinde- und Schulhäuser, Pflegeheime und Werkhöfe. In den mittelgrossen Anlagebereich fallen auch Gaststätten und Hotels. Da sanierte Heizungsanlagen eine Amortisationszeit von 6 bis 12 Jahren haben, lassen sich die Investitionen hervorragend begründen. Der internationale Kongress in Zürich-Oerlikon war gut besucht und professionell durchgeführt.

Initialisierung nachhaltiger Wärmeversorgung

Ernst A. Müller, Geschäftsführer Verein InfraWatt, sprach in seinem Vortrag über nachhaltige Wärmeversorgung und schilderte zuerst die Ausgangslage im Wärmesektor. Der zukünftige  Wärmebedarf in der Schweiz teilt sich auf 35 % Einzelgebäudeheizungen oder kleine Wärmepumpen, 40 % Prozesswärme aus Holz, fossile Brennstoffe und nur begrenzt Wärmepumpen auf. 25 % entfallen auf Wärmeverbünde, welche interessante neue Einsatzgebiete für Grosswärmepumpen darstellen.

Das Potenzial von Wärmeverbünden ist sehr gross. Das Angebot der Energiequellen reicht für den Heizbedarf mehrfach aus und ein grosser Teil ist nur mit Wärmeverbünden erschliessbar. Als Hemmnis sieht Müller zu billiges Erdöl. Grosswärmepumpen könnten zukünftig zwei Drittel der Wärmeverbünde versorgen, was 15 bis 20 % des gesamten Heizbedarfs in der Schweiz oder einem Markt von rund 10 000 Grosswärmepumpen à 1 MW Leistung entspricht. Eines der wichtigsten Ziele des InfraWatt-Programms von Energie Schweiz ist eine Verbesserung der Energieeffizienz mit Grosswärmepumpen. Dazu sind Aktivitäten in allen drei Landesteilen geplant. Müller machte zudem auf das Förderprogramm der Stiftung KliK aufmerksam, welche finanzielle Anreize für Wärmeverbünde geschaffen hat.

Dringlichkeit Klimaschutz

Tobias Stahel, Geschäftsführer Smart Energy Link AG, referierte über die Dringlichkeit «Klimaschutz im Gebäude-Sektor», denn die Schweiz ist Klimasünderin in den Bereichen Gebäude und Verkehr. Wir haben einen hohen Anteil an Ölheizungen sowie einen hohen Flächenbedarf pro Person, woraus ein hoher Heizenergiebedarf resultiert. Die Sanierungsquote bestehender Bauten ist tief, was einen Energieverlust durch schlechte Dämmung ergibt. In der Schweiz herrscht zudem ein SUV-Boom und diese Fahrzeuge haben einen hohen Treibstoffverbrauch wegen Mehrgewicht und Motorenleistung.

«Wärmepumpen und Fotovoltaik sind die Basis für dezentrale Energiesysteme.» Tobias Stahel

Im Jahr 2017 produzierten Alpiq, Axpo, BKW und Repower im Schnitt mehr als zwei Drittel ihres Stroms mit fossilen und nuklearen Energiequellen. Dadurch stiegen der CO2-Ausstoss und die Umweltbelastung pro Kilowattstunde Strom in den vergangenen vier Jahren erheblich, hielt Stahel fest. Die Gebäude sollen aus diesen Gründen als Kraftwerke genutzt werden. Auf Dachflächen werden Fotovoltaik-Panels installiert, denn Solarstrom bedeutet erneuerbare Energie. Es bestehen jetzt auch neue Möglichkeiten, den Solarstrom unter mehreren Parteien je nach Bedarf zu nutzen. Danach stellte Stahel verschiedene interessante Modelle für Stromerzeugung, Verteilung und Verbrauch vor. Solarstrom ist der 1. Teil der Lösung und Wärmepumpen sind der 2. Teil, denn diese Maschinen sind wirtschaftlicher als alle anderen Wärmeerzeuger. Betrieben mit Solarstrom, sind sie doppelt wirksam: ökonomisch und ökologisch. Wärmepumpen und Fotovoltaik sind die Basis für dezentrale Energiesysteme. Sie bewirken eine tiefere Netzbelastung und sorgen für höhere Systemstabilität.

Luft/Wasser-Wärmepumpen in Städten

Christoph Brechbühler und Claudio Müller von der CTA AG beschäftigten sich mit der Frage, ob Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Leistungen bis 500 kW in urbanen Gebieten einsetzbar sind. Die Wahl solcher Maschinen in dicht besiedelten Gebieten muss im Vorfeld gut abklärt werden, denn sie verursachen Schallemissionen. Die Ursache sind meistens Strömungsgeräusche an den Flügeln der Ventilatoren. Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe gilt dann als stadtverträglich, wenn sie hohe Anforderungen an die Geräteeffizienz und an den Schallschutz einhält. So muss beispielsweise der Schalldruckpegel in einer Wohnzone unter 50 Dezibel liegen. Auch bezüglich der Energieeffizienz wurden klare Kriterien definiert. Gemäss Energieverordnung ist für Luft/Wasser-Wärmepumpen als Wärmeerzeuger zur Raumheizung eine Jahresarbeitszahl (JAZ) < 2,6 gefordert. Luft/Wasser-Wärmepumpen können im Gebäude oder ausserhalb von Gebäuden aufgestellt werden. Für das Stadtbild ist bei der Installation von Luft/Wasser-Wärmepumpen von Bedeutung, ob der Installationsort, die Wärmepumpe oder technische Elemente (z. B. Luftgitter) vom öffentlichen Raum aus sichtbar sind. Falls dies nicht der Fall ist, hat die Aufstellung keine Auswirkungen auf das öffentliche Stadtbild.

Luft/Wasser-Wärmepumpen in diesen Leistungsgrössen sind technisch machbar. Man muss sich höchstens die Frage stellen, ob man die Leistung auf eine oder mehrere Maschinen verteilen kann. Dabei werden die Wärmepumpen so zusammengeschaltet, dass sich die Heizleistung flexibel dem benötigten Wärmebedarf anpassen kann. Bei der Wahl der Kältemittel gibt es Möglichkeiten mit synthetischen (R-455A, R-454C) oder natürlichen Kältemitteln wie R-290, R-717.

Hochtemperatur-Wärmepumpen

Dr. Cordin Arpagaus, Senior Research Engineer NTB Buchs, sprach über Hochtemperatur-Wärmepumpen für die industrielle Anwendung. Der Begriff «Hochtemperatur-Wärmepumpe» (HTWP) bezieht sich auf Wärmepumpen, die Wärme bei hohen Temperaturen erzeugen. Die Grenze zur Unterscheidung von HTWP reicht von 60 °C
bis 100 °C. Vor 2009 gab es noch keine Standard-Wärmepumpe, welche Vorlauftemperaturen über 80 °C erreichte. Der grosse Wärmebedarf im Temperaturbereich von 80 bis 140 °C führte zur Entwicklung von Wärmepumpensystemen oberhalb dieser Grenztemperatur.

Hochtemperatur-Wärmepumpen werden häufig im Zusammenhang mit Industriewärmepumpen verwendet, wie bei der Nutzung von Abwärme für die innerbetriebliche Prozesswärmeversorgung, da das Nutztemperaturniveau und auch das Temperaturniveau der Wärmequelle deutlich über dem von standardisierten Wärmepumpen für Warmwasser und Heizung im Wohnbereich liegen. Der industrielle Energieverbrauch der Schweiz betrug im Jahr 2015 rund 156 PJ (1 Petajoule =
278 GWh) und der Anteil für Prozesswärme betrug 54,4 %. HTWP mit Vorlauftemperaturen von 100 bis 160 °C sind geeignet zur Wärmerückgewinnung in verschiedenen industriellen Prozessen wie Trocknung, Dampferzeugung, Papierherstellung oder Abwärmenutzung.

«In der Praxis muss man bei Kältemitteln immer wieder Kompromisse zwischen COP (Effizienz) und VHC (volumetrischer Wärmeleistung) eingehen.» Dr. Cordin Arpagaus

Die Wahl des richtigen Kältemittels

Forschungsbedarf gibt es noch bei der Entwicklung und Erprobung neuer synthetischer Kältemittel mit niedrigem GWP. Beim Einsatz natürlicher Kältemittel wie Kohlenwasserstoffen (R600, R601), CO2 oder Wasser. Eine Steigerung der Effizienz (COP) von Wärmepumpen beispielsweise mittels mehrstufiger Kreisläufe und mit ölfreien Kompressoren. Bei der Erweiterung der Grenzen der Quellen- und Vorlauftemperaturen (TSenke) auf höhere Werte. Weiter gibt es noch Forschungsbedarf bei der Entwicklung temperaturbeständiger Komponenten wie Ventilen oder Kompressoren. Die Wahl der richtigen Kältemittel ist sehr wichtig. Verschiedene Hersteller arbeiten an der Entwicklung neuer Kältemittel mit verringertem Treibhauspotenzial (GWP) für HTWP. Heute sind HFO-Kältemittel (R1336mzz(Z), R1336mzz(E), R1233zd(E), R514A, R1234ze(Z), R1234ze(E), R1224yd(Z)) sowie natürliche Kältemittel (R600, R601, R718, R717, R744) speziell geeignet. Bei der Planung sind die speziellen Sicherheitsvorkehrungen bei R600 und R601 wegen Brennbarkeit (A3) zwingend zu beachten. In der Praxis muss man bei Kältemitteln immer wieder Kompromisse zwischen COP (Effizienz) und VHC (volumetrischer Wärmeleistung) eingehen.

Wärmepumpe als Ersatz für Ölkessel

Simon Galliard, Produktmanager WP bei Hoval AG, beschrieb, wie mit einer Wärmepumpe ein bestehender Ölkessel ersetzt werden konnte. Folgende Konzepte wurden erstellt: der Ersatz des Ölkessels durch ein hochmodernes Vollbrennwertgerät, ein Energie-Contracting für die Überbauung (Wärmepumpen-Lösung) und der vollständige Ersatz durch Wärmepumpen. Die Heizleistung für dieses Objekt beträgt ca. 250 kW.

Durch die geologischen Gegebenheiten konnte keine Sole/Wasser-Wärmepumpe eingesetzt werden, so entschied sich die Bauherrschaft für eine Variante Wasser/Wasser-Wärmepumpe. Die bestehenden fossilen Wärmeerzeuger sollen durch zwei Maschinen ersetzt werden.

Die voraussichtlichen Kosten für eine Variante mit neuen Brennwertkesseln betrugen ca. CHF 305 000.–. Die Variante Wasser/Wasser-Wärmepumpe schlug mit CHF 600 000.– zu Buche. Die jährlichen Energiekosten (gerechnet mit den aktuellen Preisen für Heizöl und elektrische Energie) belaufen sich bei der Variante Heizöl auf CHF 52 640.–, bei der Variante Wärmepumpe hingegen lediglich auf CHF 21 500.–. Die Mehrkosten für die Variante Wärmepumpe können somit in etwa 10 Jahren amortisiert werden. Ein wichtiges Argument für die Wahl einer Wärmepumpe.