Werkstattlehrertagung im BBZ Arnsberg 21. Bis 24. März 2016 Absorptionswärmepumpen Effizienz aus Gas- und Umweltwärme Bosch Thermotechnik GmbH Buderus Deutschland 1 Dipl.-Ing. Stefan Demes
Inhaltsübersicht Funktionsweise der Absorptions - Gaswärmepumpe Gaswärmepumpen für den mittleren und größeren Leistungsbereich Erfahrungsbericht Logatherm GWPL 41 als bivalentes System Gaswärmepumpen für den 1 und 2 Familienhausbereich Logatherm WSW 192-18 i Logatherm WLW 192-18 ia 2
Trends Wärmepumpen Wärmepumpenanwendung hauptsächlich im Neubau Getrieben durch: Gesetzliche Vorgaben bei erneuerbaren Energien Marktanreizprogramm Potenzial: Steigender Neubaumarkt EnEV Hürden: Niedrige Gaspreise, hohe Strompreise Höhere Geräuschanforderungen Bohrgenehmigungen Megatrends: - Connectivity - Smart Home - Elektrifizierung Energieträger der Zukunft Technologietrends: - Natürliche Kältemittel - Drehzahlgesteuerte Kompressoren Getrieben durch asiatische Hersteller im Luft/Wasser Bereich 3
Primärenergiefaktor 4
Entwicklung der Heiztechnologien mit Primärenergieträger Erdgas Nächste Effizienzentwicklung in der gasbetriebenen Heizungstechnik 5
Wärmepumpentechnologien Wärmepumpe Sorptionswärmepumpe mit thermischer Verdichtung Kompressionswärmepumpe mit motorischer Verdichtung Adsorptions- Gaswärmepumpe (z.b. Zeolith) Absorptions- Gaswärmepumpe Motor- Gaswärmepumpe Elektro- Wärmepumpe 6
Unterschiede bei den Wärmepumpen: - Absorption (Ammoniak) - Adsorption (Zeolith) 7
Unterschiede von Gas- Wärmepumpen? Gasmotor-Wärmepumpen: Arbeiten wie Elektrowärmepumpen mit einem mechanischen Kompressor Diese verfahrenstechnisch einfache Variante ist Stand der Technik und wird im höheren Leistungsbereich seit Jahren eingesetzt Absorptions- und Adsorptions-Wärmepumpen: Die Entwicklung von Gaswärmepumpen im kleineren Leistungsbereich setzt dagegen auf das Prinzip der Sorption, also auf eine thermische Verdichtung über Sorptions- und Desorptionsprozesse Auch hier gibt es verschiedene Varianten 8
Die Absorptions-Wärmepumpe (Buderus) Eine Absorptions-Wärmepumpe absorbiert das verdampfte Kältemittel in einer flüssigen Lösung, zum Beispiel einem Ammoniak-Wasser-Gemisch Das flüssige Gemisch wird über eine Lösungspumpe in den Austreiber befördert. Dort erfolgt eine Wärmezufuhr durch einen Gasbrenner. Dies erhöht den Druck und die Temperatur Das Kältemittel verdampft und kondensiert anschließend im Verflüssiger unter Wärmeabgabe an das Wärmenetz 9
Die Adsorptions-Wärmepumpe Im Gegensatz zum kontinuierlich verlaufenden Kreis der Absorption verläuft der Prozess bei Adsorptions-Wärmepumpen in zwei taktenden Phasen, der Adsorption und der Desorption In beiden Phasen entsteht Nutzwärme, die an den Heizkreislauf abgegeben wird. Aufgrund der Trägheit des Heizkreislaufs, insbesondere einer Flächenheizung, ist die Taktung nicht wahrnehmbar In der Adsorptionsphase verdampft durch die Zuführung von Umweltwärme das Kältemittel Wasser unter Vakuum bereits auf niedrigem Temperaturniveau. Der Wasserdampf wird an der Oberfläche eines Feststoffes adsorbiert 10
Die Adsorptions-Wärmepumpe (Zeolith) Bei der diesen Gaswärmepumpe dient hierfür das keramische Material Zeolith als Trägermittel. Hierbei wird Adsorptionswärme auf einem höheren Temperaturniveau freigesetzt, die zum Heizen genutzt werden kann Ist das Sorptionsmittel Zeolith gesättigt, beginnt die Desorptionsphase. Das Wasser wird aus dem Zeolith ausgetrieben. Hierfür wird Wärmeenergie eines Gasbrenners genutzt. Am Kondensator verflüssigt sich der Wasserdampf unter Abgabe der ebenfalls nutzbaren Kondensationswärme Der Prozess der Verdampfung und Kondensation findet unter Vakuum statt und kann beliebig oft ohne Abnutzung des Zeoliths wiederholt werden 11
Funktionsweise Gas- Absorptionswärmepumpe: 12
Technologie Gaswärmepumpe Wärmepumpen-Technologie Gasbrennwert-Technologie Mech. Verdichter Ex. Ventil Verflüssiger Verdampfer Gasabsorptionswärmepumpe (GAHP) Der elektrische Kompressor wird durch den thermischen Verdichter ersetzt 13
Funktionsweise Gas Absorptionswärmepumpe 14
Produktbeschreibung Gas- Absorptionswärmepumpe: 15
Produktbeschreibung Gas-Absorptions Wärmepumpe: - Logatherm GWPL (Luft/Wasser) - Logatherm GWPS (Sole / Wasser - Logatherm GWPW (Wasser / Wasser) Einsetzbar für Heizung und Warmwasser Gerät zur Außeninstallation in einem Bereich mit natürlicher Luftzirkulation (nur Logatherm GWPL) 16 Auch als Kaskaden-Version verfügbar: 2er und 3er Kaskaden vorgefertigt (nur Logatherm GWPL) (GWPS/GWPW bauseitig kaskadierbar)
Gaswärmepumpe Logatherm GWPL 41 (Wärmequelle Luft) Wirkungsgrad (Gas Utilization Efficiency): bis zu 165 % Nennwärmeleistung: 35 kw Leistung bei A7/W35 41 kw Max. Heizwasser-Temperatur: 65 C Max. WW-Temperatur: 70 C Regelung (GHMC10): 0 10 V Gewicht: 400 kg 17
Logatherm GWPL als vorkonfektionierte Kaskaden GWPL-41L2 2er Kaskade GWPL-41L3 3er Kaskade 82 kw 123 kw Vormontierte Kaskaden Versionen Werden komplett auf dem Rahmen geliefert Maximal 3 Geräte auf einem Rahmen Hydraulisch gekoppelt 18
Gaswärmepumpe Logatherm GWPS/W 41 Wirkungsgrad (Gas Utilization Efficiency): bis zu 168/174% Nennwärmeleistung: 41 kw* Max. Heizwasser-Temperatur: 65 C Max. WW-Temperatur: 70 C Regelung über (GHMC10): 0 10 V Gewicht: 300 kg *Abhängig von den Quellentemperaturen sowie der Vorlauftemperatur 19
Wirkungsgrade Logatherm GWPL T - Außentemperatur η - Wirkungsgrad 1 - Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 40/30 C 2 - Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 45/35 C 3 - Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 50/40 C 4 - Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 55/45 C 5 - Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 60/50 C 6 - Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 65/55 C 20
Wirkungsgrade Logatherm GWPS [T] Quellentemperatur [η] Wirkungsgrad [1] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 35/25 C [2] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 40/30 C [3] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 45/35 C [4] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 50/40 C [5] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 55/45 C [6] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 60/50 C [7] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 65/55 C 21
Wirkungsgrade Logatherm GWPW [T] Quellentemperatur [η] Wirkungsgrad [1] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 35/25 C [2] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 40/30 C [3] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 45/35 C [4] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 50/40 C [5] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 55/45 C [6] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 60/50 C [7] Kennlinie bei Vorlauf-/Rücklauftemperatur 65/55 C 22
Gaswärmepumpen für den mittleren und größeren Leistungsbereich Erfahrungsbericht Astrid-Lindgren Schule / Bottrop 23
Technische Daten und Konzept der hydraulische Einbindung Wirkungsgrad (Gas Utilization Efficiency): 165 % Nennwärmeleistung Einzelgerät: Leistung bei A7/W35 41 kw Max. Heizwasser-Temperatur: 65 C Max. WW-VL Temperatur: 70 C Gewicht: 400 kg 24
Hydraulik Astrid Lindgren Schule / Bottrop Logamax plus GB 312 Auslegung 65/50 25 Logatherm GWPL 41 Quelle: EON Ruhrgas
Astrid Lindgren Schule Auswertung Energieströme Wärmemenge [kwh] 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 monatliche Wärmemengen Summe Wärmemengen in der Betriebszeit von 06.04.2012 bis 05.04.2013 58.836 77.535 79.278 zugefügte Wärmemenge Erdgas GWP 78.945 kwh ZHG: Zentralheizgerät / konventioneller Wärmeerzeuger GWP: Gaswärmepumpe 0 Apr 12 Mai 12 Jun 12 Jul 12 Aug 12 Sep 12 Okt 12 Nov 12 Dez 12 Jan 13 Feb 13 Mrz 13 zugeführte Wärmemenge Erdgas GWP kwh zugeführte Wärmemenge Erdgas ZHG kwh Stromverbrauch GWP kwh Wärmemenge GWP kwh Wärmemenge Heizung kwh Wärmemenge ZHG kwh Quelle: EON Ruhrgas 26
Astrid Lindgren Schule Auswertung Wirkungsgrade 240 ZHG: Zentralheizgerät / konventioneller Wärmeerzeuger GWP: Gaswärmepumpe Quelle: EON Ruhrgas Nutzungsgrad bzgl. H i [%] 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 139 134 144 139 144 142 mittlerer Nutzungsgrad über ein Jahr: Nutzungsgrad GWP 134,7 % Nutzungsgrad ZHG 101,8 % Nutzungsgrad System % 120 * 142 139 102 121 * 146 154 140 142 122 137 135 124 129 131 101 101 111 Projektziel mit 37% Eneregieeinsparung erreicht 112,3 101 110 101 105 102 107 101 108 0 Apr 12 Mai 12 Jun 12 Jul 12 Aug 12 Sep 12 Okt 12 Nov 12 Dez 12 Jan 13 Feb 13 Mrz 13 27
Gaswärmepumpe Logatherm WSW 192-18 i Logatherm WLW 192-18 ia Die Weiterentwicklung der Gas- Brennwerttechnik für Jedermann 28
Zielgruppe / Einsatzbereich Bestandsgebäude Größere Neubauten (Mehrfamilienhäuser) Gebäudeheizlast: > 10 kw Heizsystem Fußbodenheizung und / oder Heizkörper Auslegungstemperatur bis 70 C Vorlauf 29
Logatherm WSW / WLW192 i Technische Daten Leistung: 18 kw (B0/W65) Modulation: 25-100% Vorlauftemperatur 70 C (Heizung und Warmwasser) Max. GuE (Gas utility efficiency) 170 % Max. WQ-Entzugsleistung 8,5kW Raumheizeffizienz ŋ s > 125% Energieeffizienzklasse: (Raumheizung) Regelsystem: EMS plus mit RC310 und IP-Inside Abmessungen: 1600 x 600 x 950 (H x B x T; [mm]) Gewicht IDU 290 kg - Aufstellbedingungen analog TRGI - Keine speziellen Aufstellbedingungen bez. Kältemittel NH 3, da das Gehäuse dicht schließend ist und im Betrieb einen Unterdruck aufbaut 30
Modularer Aufbau Logatherm WSW 192 i Kompakte Inneneinheit mit hermetisch geschlossenem Kältekreislauf Inneneinheit Sole/Wasser und Luft/Wasser nahezu identisch (Unterschied nur Füllmenge NH 3 ) Außenteil Luft/Wasser besteht nur aus Lüfter und Wärmetauscher Verbindung Außenteil Luft/Wasser zu Innenteil mit Soleleitung Logatherm WLW 192 ia Logatherm WSW 192 i 31
Gaswärmepumpe 180% Wirkungsgrad 82 % erneuerbare Energie 100 % Erdgas Gas Boiler th =98% 100kWh 100kWh 2% Verlust Brennwertgerät 98% Wirkungsgrad Gas Boiler100 % Erdgas th =98% 2% Verlust Wärmepumpenbetrieb Leistung 18kW 100% Leistung unabhängig der Quellentemperatur Kesselbetrieb Leistung 18kW Umweltenergieeintrag aus der Quelle 8kW Verbrennung Gas 10,5 kw Kein Umweltenergieeintrag aus der Quelle Verbrennung Gas 20 kw 32 +20 C 0 C -20 C
Systemeinbindung Logatherm WSW/WLW 192 i CH Heizung Trinkwasserbereitung Wärmequelle Kältekreis 33
Was spricht für die Gaswärmepumpe? Förderungen Hohe nat. und lokale Förderungen möglich, z.b. bis zu 4.500 BAFA Zukunftssicher ErP Rating A++ Erfüllung gesetzl. Anforderungen Großer Anwendungsbereich Perfekt geeignet zum Einsatz im Bestand & Neubau. Hohe mögliche Vorlauftemperaturen (70 C) auch bei tiefen Außentemperaturen und gleichzeitigen hohem Wirkungsgrad Einfache Installation / Wartung Bekannte Komponenten aus Brennwerttechnik. Wartungsfreier, geschlossener Kältekreislauf. 3 2 4 1 7 5 Hohe Effizienz Von bis zu ~ 180% (GuE) durch die Nutzung von Umweltenergie Amortisation Energiekosteneinspaarung von bis zu 30% ggü. Gasbrennwerttechnik. Kurze Amortisation im Vgl. zu anderen erneuerbaren Technologien. 6 Sichere Technologie & Technik Technologie hat sich seit Jahrzehnten im Einsatz bewährt z.b. in Kühlgeräten; wenige mechanisch bewegliche Teile Langlebig! Garantiert hohe Sicherheit der Technik durch unsere Bosch Qualität 34
Titel des Kapitels 5 35