Adsorptions-Wärmepumpe mit Zeolith überzeugt im Feldtest Ergebnisse aus dem Feldtest Gas-Wärmepumpen

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1 Adsorptions-Wärmepumpe mit Zeolith überzeugt im Ergebnisse aus dem Gas-Wärmepumpen Auf der ISH 2009 stellte Vaillant erstmals seine Zeolith-Gas-Wärmepumpe zeotherm als effizientestes Gas-Heizgerät der Welt im kleinen Leistungsbereich vor. Die Technologiekombination und die Nutzung von Zeolith für die Wärmeerzeugung im Haustechnikbereich war neu für die Branche. Das Remscheider Unternehmen versprach vor drei Jahren eine Effizienzsteigerung von rund 25 % gegenüber einem aktuellen Gas-Brennwertgerät. Ein aktueller unter dem Dach der Initiative Gas-Wärmepumpen (IGWP) belegt jetzt, dass die Steigerung der Effizienz sogar noch deutlicher ausfallen kann. Was ist Zeolith und welche Eigenschaften besitzt es? Zeolithe sind poröse Keramikwerkstoffe. Die Adsorptionseigenschaften eines Zeolithen hängen von seiner Zusammensetzung und seiner Porenstruktur ab. Die besonderen Eigenschaften des Zeolith werden bereits seit Jahrzehnten in verschiedensten technischen Bereichen genutzt insbesondere in der Gastrennung und Gasreinigung als Molekularsiebe; seit Beginn der 80er-Jahre beispielsweise in Waschmitteln. Hier haben Zeolithe die Polyphosphate ersetzt und sorgen für eine umweltschonende Wasserenthärtung denn Zeolithe sind ungiftig, nicht brennbar und in jeder Hinsicht umweltverträglich. Die Aluminiumoxid- und Siliciumoxid-Moleküle im Aufbau des Zeolith sind die sogenannten Sodalithkäfige. Sehr viele dieser Sodalithkäfige ergeben zusammen wiederum eine Makroporenstruktur, durch die der Zeolith eine extreme Porösität und damit eine sehr große innere Oberfläche erhält. Ein Gramm Zeolith kann bereits eine innere Oberfläche von rund 1000 m² haben. Für die Anwendung in der Heiztechnik wird ein Zeolith verwendet, dessen Porengröße genau der Größe eines Wassermoleküls entspricht. Freie Wassermoleküle vollziehen im Raum normalerweise eine Eigenbewegung die Brownsche Molekularbewegung. Da der Zeolith stark hygroskopisch, sprich wasseranziehend ist, zieht er die Wassermoleküle in einer Verbindung an sich heran und lagert diese in den Poren seiner Oberfläche an. Das Wassermolekül kann dadurch seine natürliche Eigenbewegung nicht mehr vollziehen und wird abgebremst. Diese Bewegungsenergie des Wassermoleküls wird dabei in Wärmeenergie umgewandelt. Weil es sich hierbei um einen rein physikalischen und keinen chemischen Prozess handelt, ist er in jeder Form reversibel. D. h.: Mit entsprechender Zuführung von Wärmeenergie kann das Wasser als Wasserdampf aus dem Zeolith ausgetrieben werden. Die Zeolith-Gas-Wärmepumpe besteht aus einer klassischen Gas-Brennwertzelle und dem Zeolith-Modul in einem gemeinsamen Gehäuse. Beispielsweise drei Solar-Flachkollektoren, ein solarer Warmwasserspeicher und eine Regelung vervollständigen das System. 25 % mehr Energieeffizienz Die Zielsetzung, die sich Vaillant bei der Entwicklung der weltweit ersten Nutzung von Zeolith in der Heiztechnik stellen musste, war insofern sowohl die Adsorptions- als auch die Kondensationswärme in der Desorption im Heizgerät zu nutzen. Dabei musste die zugeführte Energiemenge in der Desorptionsphase so gering wie möglich gehalten werden, um eine möglichst positive Energiebilanz zu erzielen. Und diese Energiebilanz sollte überzeu- 50 ikz-energy 3/2013

2 gen: 25 % höher als bei einem aktuellen Gas-Brennwertgerät sollte die Energieeffizienz ausfallen. Für den jetzt abgeschlossenen IGWP- wurden zeotherm Geräte der Generation 3 deutschlandweit installiert und umfangreich vermessen. Dabei zeigte sich die erwartete System-Wirkungsgradverbesserung (Wärme in Heizung + Wärme in Speicher / Wärmemenge Gas) von etwa 25 % im Vergleich zu einem reinen Brennwertgerät mit einer Fußbodenheizungsanlage. Als vorteilhaft erwiesen sich in diesem Zusammenhang sonnenreiche Gebiete und ein geringer Gebäudeheizwärmebedarf (Grafik 1). An den hohen Wirkungsgraden bei kleinen Gebäudeheizlasten wird ersichtlich, dass der Wärmebedarf im reinen Wärmepumpenbetrieb gedeckt werden kann. Bei höheren Heizlasten wird der Anteil des Direktheizbetriebes durch Gas stets größer und die Gesamteffizienz fällt ab. Die Darstellung gilt für ein schon verbessertes Gerät der neuen Generation 4 mit solarer Direktheizung. Der tendenzielle Verlauf bei der Generation 3 ist aber identisch. nutzung der Solarkollektoren Im Jahr 2011 wurde dann die Mehrzahl dieser Wärmepumpen von Stand Generation 3 auf den Stand Generation 4 mit integrierter solarer Direktheizung umgerüstet, um noch weitere Ergebnisse des optimierten Systems zu erhalten. Bei ausreichender solarer Strahlung ist entsprechend auch ein Parallelbetrieb von direkter solarer Brauchwasserbereitung und solarer Direktheizung möglich. Durch diese Kombinationen können die Solarkollektoren über ein Temperaturband von 3 C bis 130 C genutzt werden (Grafik 2). Die solare Direktheizung ohne Pufferspeicher vermeidet Speicherverluste und ermöglicht somit in Kombination mit der Wärmepumpe eine solare Heizungsunterstützung mit nur 7 m² Flachkollektor bzw. 6 m² Vakuum-Röhrenkollektoren (Grafik 3). Bei Betrachtung der anlagen erkennt man die Funktion der solaren Direktheizung sehr gut. In Grafik 4 werden die zeitlichen Anteile von Brennwertbetrieb DHB (inklusive Brauchwasserbereitung), von Wärmepumpenbetrieb WP und von solarer Direktheizung SDH vom 20. bis zum an 10 geräten aus ganz Deutschland dargestellt. Im Mittel wurde der Wärmebedarf im oben genannten Zeitraum in 24 % der Heizzeit über SDH gedeckt. Die Umgebungstemperatur lag in diesem Zeitraum bei 3 10 C bei leichter Bewölkung. Sogar in den Wintermonaten Januar bis März 2012 konnte ein zeitlicher Anteil von 10 % im Mittel festgehalten werden. Durch die SDH ist der Systemwirkungsgrad von Stand Generation 3 zu Stand Generation 4 um etwa 10 % angestiegen. Auch Ergebnisse aus einer Simulation zeigen einen Deckungsanteil zwischen 5 % (bei 4 m² Aperturfläche, 3 Personen Warmwassernutzung) und 16 % (bei 9 m² Aperturfläche, 6 Personen Warmwassernutzung) solarer Direktheizung im Jahresmittel bei verschiedensten Anlagenkombinationen. Die energetisch empfohlene Anlage mit einem 300-l-Solarspeicher, bei einem 3- bis 4-Personenhaushalt und 7,05 m² Aperturfläche hat auch laut Simulation einen solaren Deckungsanteil für die Heizung von 11 % mit einem Deckungsanteil für die Brauchwasserbereitung von 60 %. Diese Ergebnisse zeigen sich trotz einer Kannibalisierung der solaren Warmwasserbereitung durch die solare Direktheizung. Bei höherem Warmwasserbedarf wäre diese Kannibalisierung aber leicht durch einen zusätzlichen Kollektor aufzufangen. Grafik 1: zeotherm Gesamt-Jahresnutzungsgrad nach VDI 4650, Blatt 2. Grafik 2: Darstellung der nutzbaren Solar-Kollektortemperaturen von 3 bis 130 C. Grafik 3: Simulation der direkten solaren Heizungsunterstützung am Beispiel eines VPS 1000-l-Pufferspeichers und eines 300-l-Solarspeichers. Grafik 4: Verteilung der Heizungsanteile bei verschiedenen zeotherm Zeolith-Gas-Wärmepumpen. 3/2013 ikz-energy 51

3 Grafik 5A: Darstellung der Außen- und Kollektortemperaturen im Messzeitraum Vorteile für Vakuum-röhrenkollektoren Ein weiterer Untersuchungspunkt des s war der Unterschied der Wärmequellen Vakuum-Röhrenkollektor / Flachkollektor. Für diese Untersuchung wurden vier Anlagen mit Vakuum-Röhrenkollektoren ausgestattet (3 x 6 m², 1 x 5 m²). Ein Vergleich der Anlagen lässt leicht erkennen, dass der Vakuum-Röhrenkollektor speziell bei diffusem Licht deutlich höhere Temperaturen zur Verfügung stellt (Grafik 5-A / 5-B). So erzeugt die Anlage mit den Röhren bei diffusem Licht eine mittlere Temperaturerhöhung zur Umgebungstemperatur von 12,5 C, während der Flachkollektor in der Nachbarschaft nur 5 C zur Verfügung stellt. Bei starker Sonneneinstrahlung liegen die Temperaturen in ähnlicher Größenordnung. Auch die Simulation bestätigt diese Ergebnisse, nach der ein Vakuum-Röhrenkollektor im Jahresmittel um 5,3 K höhere Temperaturen aufweist als der Flachkollektor. Diese erhöhten Quellentemperaturen begünstigen den Betrieb von Anlagen bei höheren Heiztemperaturen (55 C / 45 C, Radiatoren). Somit gilt die Empfehlung Heizsysteme mit höheren Heiztemperaturen sollten auch mit Vakuum-Röhrenkollektoren ausgestattet werden. Wie in der VDI4650 Blatt 2 beschrieben bestimmt sich die mittlere Temperaturdifferenz zwischen Kollektortemperatur und Umgebungstemperatur nach mit A die Aperturfläche des Kollektors in m 2 T R die Referenztemperaturdifferenz Referenzkollektorfläche A R nach den Parametern für Flachkollektoren aus der Tabelle. Für die Vakuum-Röhrenkollektoren ergeben sich dann, abgeleitet aus Simulationen und den Feldergebnissen die Ergebnisse wie in der Tabelle 1. funktionsprinzip der zeolith-gas-wp zeotherm Grafik 5B: Darstellung der Außen- und Kollektortemperaturen im Messzeitraum Grafik 6: Differenz zwischen Kollektor- und Umgebungstemperatur bei Flach- und Vakuum-Röhrenkollektoren. Der Sorptionsprozess läuft in zwei wesentlichen Schritten ab: Zunächst wird der Wasserdampf aus dem Zeolith ausgetrieben. Durch den Adsorber / Desorber strömt der Wärmeträger Wasser, der von einer Gasbrennwertwärmezelle auf ca. 110 C erhitzt wird. Der erwärmte Zeolith gibt das gespeicherte Wasser ab - er desorbiert. Der so entstandene heiße Dampf verteilt sich im Modul, kühlt am unteren Teil des Moduls ab und kondensiert. Die dabei freigesetzte Kondensationsenergie wird als Nutzwärme abgeführt. Am Ende der Desorptionsphase wird der Umweltkreis hydraulisch umgeschaltet. Die Wärmezufuhr zum Adsorber / Desorber wird unterbrochen, Druck und Temperatur im Modul sinken hierdurch ab. Sobald die Temperatur des Verdampfers / Kondensators unter das Temperaturniveau der Umgebungswärmequelle gesunken ist, wird die Solepumpe eingeschaltet. Damit wird dem Verdampfer kalte Energie zugeführt. Das Kältemittel im unteren Teil des Moduls verdampft, der Kaltdampf strömt nach oben und wird vom Zeolith adsorbiert. Die Adsorptionswärme wird dann ebenfalls als Nutzwärme abgeführt. Die Verdampfung des Kältemittels bei niedriger Temperatur erfolgt mit kostenloser Energie aus einem herkömmlichen Solarkollektor. Da für eine Anlage von 10 bis 15 kw nur eine Umweltleistung von bis zu 2 kw benötigt wird, reichen bereits 4 m² Flachkollektoren aus, um den Adsorptionsprozess zu decken. 52 ikz-energy 3/2013

4 Tabelle 1: Tabelle 2: Kollektorart T R A R Kollektorart R 2 A R [K] [m 2 ] [kw] [m 4 ] Flachkollektor Flachkollektor Vakuumröhre Vakuumröhre Grafik 7: Deckungsgrad der solaren Direktheizung bei Vakuum-Röhrenund Flachkollektoren in Verbindung mit einer zeotherm Zeolith-Gas- Wärmepumpe mit 10 kw Heizleistung. Auch der solare Deckungsanteil zeigt einen ähnlichen Kurvenverlauf, wobei der Einfluss der Aperturfläche quadratisch eingeht (Grafik 6). Somit ergibt sich aus den Simulationen für den Deckungsanteil folgender Zusammenhang: sol,hz mit A die Aperturfläche des Kollektors in m 2 R Referenzanteil A ² R Quadrat der Referenzkollektorfläche Qn Geräteleistung und den Parametern der Tabelle 2: Ein Verbrauchsvergleich bei einem Wechsel von einer Brennwert FB Anlage hin zu zeo- THERM / Generation 3 zeigte eine Reduzierung von ca. 30 % im Gasverbrauch und entspricht damit den vorab genannten Ergebnissen (Grafik 7). Aber auch eine Radiatorenanlage Heizwert mit solarer Brauchwasserbereitung hin zu zeotherm / Generation 4 (5 m² Aperturfläche Vakuumröhre) reduzierte den Gasverbrauch um gute 30 % im Vergleich zum Vorjahr. Eine dritte Anlage der GAS- AG zeigte eine Einsparung von 19 % bei einem Wechsel von einer Brennwert FB Anlage hin zu zeotherm / Generation 3. aufbau der zeolith-gas-wärmepumpe zeotherm Grafik 8: Gegenüberstellung der daten ohne solare Heizungsunterstützung und der Erwartungswerte (VDI 4650, Blatt 2 ohne solare Heizungsunterstützung). Quelle: GWI Essen Thermodynamische Prozesse bei der Desorption und Adsorption. Das Gerät misst bei einem Leergewicht von 160 kg ca. 80 cm Breite, 70 cm Tiefe und 170 cm Höhe. Zur leichteren Installation ist das Gerät in zwei Teile trennbar. In der Brennwert Unit (oberes Modul) ist neben der Gasarmatur und der Brennerregelung auch die Wärmezelle untergebracht. Sie enthält den Brenner und den Primärwärmetauscher. Die Gasarmatur und die Wärmezelle sowie Komponenten der Hydraulik werden auch in anderen Produkten des Herstellers verwendet. Damit sind dem Fachhandwerker alle servicerelevanten Komponenten bereits bekannt. Das wartungsfreie Zeolith-Modul und die Hydraulik des Gerätes befinden sich im unteren Modul der Zeolith Unit. Der Umfang der Gesamt-Wartungsarbeiten ist dadurch identisch mit dem bei herkömmlichen Vaillant Gas-Brennwertgeräten mit solarer Warmwasserbereitung. Die Beladung eines bivalenten Solarspeichers zur Brauchwasserbereitung mithilfe einer zeotherm ist problemlos möglich, die maximale Vorlauftemperatur beträgt dabei 75 C. Die zeotherm Gas-Wärmepumpe kann im System, bestehend aus Wärmepumpe, bivalentem Solar-Warmwasserspeicher, Solarkollektoren, Solarstation und Hydraulikkomponenten oder auch mit Fremdkomponenten installiert werden. Durch die Wahl der Umweltwärmequelle Flachkollektor oder Vakuum-Röhrenkollektor ist neben der Sorption auch eine direkte solare Warmwasserbereitung vorgesehen, welche auch parallel zur Adsorption möglich ist. Die kompakte Bauweise der Wärmequellenanlage und die Installation auf dem Dach machen eine einfache Nachrüstung möglich. Daher kann die zeotherm auch im Baubestand eingesetzt werden. 3/2013 ikz-energy 53

5 Darstellung der Prozesse der Desorptions- und Adsorptionsphase in der Zeolith-Gas-Wärmepumpe. Aufbau des Gesamtsystems der Zeolith-Gas-Wärmepumpe. Molekularstruktur des Zeolith und Sodalithkäfig. Beispiel der direkten Warmwasserbereitung durch die Solarkollektoren während der Desorptionsphase im Zeolith-Modul. Ein Vergleich der Jahresnutzungsgrade der anlagen mit den erwarteten Nutzungsgraden nach VDI 4650 Blatt 2, bei einem Heizsystem 35 C / 28 C zeigte trotz nicht idealer Bedingungen vieler anlagen eine Differenz unter 10 %. Dieses Ergebnis, welches vom Gas und Wärmeinstitut ausgearbeitet wurde, zeigt, dass die VDI-Richtlinie das Zeolith-System sehr gut beschreibt (Grafik 8). Eine weitere Simulation vergleicht das Zeolith-System mit einer Anlage bestehend aus einem Brennwertgerät mit solarer Heizungsunterstützung. Um gleiche Systemwirkungsgrade wie ein Zeolithsystem zu erreichen, benötigt man ein Brennwertsystem mit einem 1400-l-Pufferspeicher und etwa 25 m² Kollektoraperturfläche. So ist es möglich, mit einem Zeolith-System mit 7 m² Kollektorfläche ein Brennwertsystem mit 25 m² Kollektorfläche zu ersetzen. Dies würde einem Kollektorflächenverhältnis von 1 : 3,5 entsprechen. Erhebliche Effizienzsteigerung Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Zeolith Wärmepumpen von Vaillant eine Effi- zienzverbesserung von bis zu 45 % im Vergleich zu einer Brennwertanlage erzielen können. Dabei erweisen sich folgende Parameter als positiv: kleiner Wärmebedarf, niedrige Heiztemperaturen, hohe Sonneneinstrahlung auf die Kollektoren, Röhrenkollektoren bei höheren Heiztemperaturen, Brauchwasserspeicher nicht größer als für den Bedarf notwendig. Die Anlagen liefen im Feld sehr zuverlässig und zur Zufriedenheit der Kunden. Die VDI 4650 Blatt 2 beschreibt das Vaillant Zeolith-System damit sehr genau. Bilder: Vaillant KontaKt Vaillant Deutschland GmbH & Co.KG Remscheid Tel Fax info@vaillant.de 54 ikz-energy 3/2013