Erdgasgeräte zum Klimatisieren, heizen und kühlen

Gasmotorwärmepumpen und Absorptionswärmepumpen werden in Leistungsgrößen zwischen 14 – 130 kW (Kälte) angeboten, wobei die höheren Leistungen nur durch Absorptionswärmepumpen erreicht werden. Absorptionskälteanlagen, die direkt oder indirekt befeuert werden, erreichen Kälteleistungen bis zu 5.000 kW.

Die Einsatzbereiche für Klima- und Prozesskälteerzeugung mit Kompressions- und Absorptionstechnik sind vielfältig. Als Beispiel können folgende Bereitstellungsbereiche von Kälteanlagen genannt werden:

  • Flächen- und Bauteilkühlung
  • Raumlufttechnische Anlagen
  • Prozesskühlung in Industrie und Gewerbe  


Gasmotorische Kompressionswärmepumpe

Eine gasbetriebene Wärmepumpe lässt sich sowohl zur Kälte- als auch zur Wärmeerzeugung einsetzen. Wird Wärme angefordert, besteht der Effizienzvorteil gegenüber einer strombetriebenen Wärmepumpe, indem die Wärme aus dem Motorantrieb zusätzlich zur Umweltwärme genutzt werden kann. Die technisch bedingten Verluste im Kraftwerk und Netzen von über 60 Prozent werden vermieden.

Durch Einsatz eines gasmotorischen Antriebs anstelle eines strombetriebenen Verdichterantriebes werden Umwandlungsverluste vermieden bzw. genutzt, die bei der Energieerzeugung und dem Transport in Höhe von bis zu 70 Prozent entstehen. Wird im Kaltdampfprozess die Heizfunktion genutzt, kann zusätzlich mit der Motorabwärme eine zweite Wärmequelle neben dem Verflüssiger für die Heizfunktion zur Verfügung stehen. Wird wiederum Kälte angefordert, kann die Motorabwärme, z. B. zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Hierbei vereint sich das Prinzip der Wärmepumpe mit dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Die gleichzeitige Nutzung ermöglicht einen besonders schonenden Einsatz von Energie.

Durch die ganzjährige Nutzung  werden hohe Jahresnutzungsgrade erreicht, die der Gesetzgeber ab einem Jahresnutzungsgrad von 70 Prozent durch eine (teilweise) Erstattung der Energiesteuer unter Beachtung der Meldefrist honoriert. Näheres hierzu unter www.asue.de.

Die Abnahme der Abwärme des Antriebsprozesses wird an zwei Stellen, nämlich im Kühlwasser des Motors und im Abgas freigesetzt. Damit sind vier Temperaturniveaus vorhanden, die bei Bedarf auch unterschiedlich genutzt werden können:

  • Verdampferwärme von 10 °C und tiefer, je nach Wärmequelle
  • Kondensatorwärme aus dem Wärmepumpenprozess, 40 bis 50 °C
  • Kühlwasserabwärme des Gasmotors, ca. 90 °C
  • Kleinere Mengen aus der Abgasanlage des Motors von bis zu 600 °C


Absorptionswärmepumpe

In einer Absorptionswärmepumpe ersetzt ein thermischer Prozess den Antriebsmotor. Wird der thermische Verdichter mit Erdgas, Wärme oder Abwärme betrieben, werden stromseitige Umwandlungsverluste vermieden. In der Kombination von thermischem Verdichter und Erdgas können sich wirtschaftliche Vorteile ergeben.

Absorber sind verschleißarm, wartungsarm, wenig geräuschintensiv und weisen ein hervorragendes Teillastverhalten auf. Besonders effizient ist die Kombination mit Blockheizkraftwerken oder Gasturbinen. In der Fernwärmeversorgung können durch die Einbeziehung von Umweltwärme zusätzliche Effizienzvorteile geschaffen werden.  

Absorptionskälteanlagen

Indirekt und direkt befeuerte Absorptionskälteanlagen finden ihre Anwendung aufgrund der großen Leistungsbreite (bis zu mehreren MW) zumeist in der Industrie oder im größeren Gewerbe. Absorptionskälteanlagen werden in Leistungsgrößen bis zu 5.000 kW angeboten. Wird mit der Nutzung vorhandener Prozesswärme Kälte erzeugt, spricht man von indirekter Kälteerzeugung. Diese Art der Kälteerzeugung vereinigt ökonomische und ökologische Gesichtspunkte gleichermaßen.

Sie besitzen günstige Betriebseigenschaften. Der thermische Verdichter wird durch die Nutzung der (Ab)Wärme betrieben, dadurch besteht ein nur kleiner Bedarf an elektrischer Energie. Somit werden nur kleine elektrische Anschlussleistungen benötigt. Des Weiteren wird ein günstiges Teillastverhalten bei proportionaler Abnahme der Wärmezufuhr zur Kälteleistung erreicht. Da außer Pumpen in Absorptions-Kälteanlagen keine beweglichen verschleißbehafteten Maschinenteile verarbeitet sind, ist der Ersatzteilbedarf gering. Entscheidende Vorteile sind schließlich der praktisch geräuschlose und vibrationsarme Betrieb sowie eine einfache Leistungsregelung von annähernd 10 bis 100 Prozent.


Rückkühlwerk in Absorptionskälteanlagen

Durch die Aufstellung der Rückkühlwerke im Freien wird das Kühlwasser von Absorptionskälteanlagen gekühlt. Man unterscheidet folgende Typen von Rückkühlwerken:

  • trockenes Rückkühlwerk
  • nasses Rückkühlwerk
  • Hybrid-Kühlturm
  • Glykolkühler

Der Hybrid-Kühlturm kann trocken – nur durch Luft gekühlt, oder nass – durch die zusätzliche Wasseraufgabe gekühlt betrieben werden. Dabei strömt die Luft durch einen Ventilator angetrieben an dem Wärmeübertrager vorbei und entzieht teils konvektiv teils durch Verdunstung dem Medium die Wärme.

Bei Glykolkühlern, auch Tischkühler genannt, fließt das zu kühlende Medium durch einen Lamellenrohr-Wärmeübertrager und gibt Wärme durch einen Ventilator an die kältere Umgebungsluft ab.

Adsorptionswärmepumpen

Adsorptions-Gaswärmepumpen machen sich die physikalischen Eigenschaften des Minerals Zeolith zueigen: Zeolith bindet ("adsorbiert") Wasserdampf und saugt sich wie ein Schwamm voll. Dabei entsteht Wärme, die an das Heizsystem abgeführt wird.

Bei der Trocknung des Minerals durch einen Erdgasbrenner tritt das zuvor gespeicherte Wasser als Dampf wieder aus, kondensiert und gibt Wärme an das Heizsystem ab. Durch Umkehrung dieses Prozesses kann Wärme aus der Umgebung eingekoppelt werden.

Die aktuell verfügbaren Zeolith-Adsorptionswärmepumpen sind für den Einsatz im Einfamilienhausneubau konzipiert und kommen deshalb im Gewerbe nur vereinzelt zum Einsatz.

Technischer Vorteil von Gaswärmepumpen

Der technische Vorteil moderner Gaswärmepumpen liegt in der Möglichkeit zur Umschaltung zwischen der Heiz- und Kühlfunktion einer Anlage.

Im Heizbetrieb fördert der Verdichter das gasförmige Kältemittel zu den Innengeräten, welches dabei Wärme durch Kondensation an den Raum abgibt. Im Kühlbetrieb kehrt sich die Fließrichtung um. Das flüssige Kühlmittel wird zum Raum transportiert, verdampft und nimmt dabei Wärme aus dem Raum auf, welches über den Kondensator an die Umgebung abgeführt wird. 

Wird ein gleichzeitiges Heizen und Kühlen an verschiedenen Inneneinheiten gefordert, kommen Drei- oder Vierleitersysteme zum Einsatz. Ein Dreileitersystem besteht prinzipiell aus zwei verschiedenen Vorlauftemperaturen und einer gemischten Rücklauftemperatur. Vierleiter bestehen aus zwei Vor- und Rückläufen unterschiedlicher Temperaturen. Vorteile eines Dreileitersystems, neben der Möglichkeit gleichzeitig heizen und kühlen zu können, sind aufgrund kürzerer Leitungslängen die geringeren Investitionskosten. Durch den Einbau eines zusätzlichen Wärmeübertragers kann von Kältemittel auf Wasser übergegangen werden (vgl. Einsatz von Gaswärmepumpen im Gebäudebestand). Somit eignen sich Gaswärmepumpen auch zur Modernisierung von bestehenden Anlagen und individuellen Anlagenvarianten.

 

Einsatz von Gaswärmepumpen im Gebäudebestand

Das Einbringen und Verteilen von Kälte und Wärme erfolgt über ein dezentrales kältemittel- oder kälteträgerbasiertes Verteilsystem mit entsprechenden Wärmetauschern an den Luftaustritten, meistens im Rahmen einer zentralen Lüftungsanlage. Die Kombination der verschiedenen Techniken zur Kühlung und Klimatisierung ermöglicht ein behagliches Raumklima und eine optimale wirtschaftliche Nutzung. 


Gasmotor- und Absorptionswärmepumpe im Wärmebetrieb

Durch die Nutzung der Abwärme des Gasmotors wird eine nahezu konstant hohe Heizleis-tung bei niedrigen Außentemperaturen (T = –20 °C) sichergestellt. Die Anlaufzeit für den Heizbetrieb ist im Vergleich zu elektrisch betriebenen Systemen beträchtlich verringert. Abtauphasen, welche bei strombetriebenen Systemen erforderlich sind, werden vermieden.

Durch stufenlose Drehzahlregelung wird die geforderte Leistung der Inneneinheiten angepasst. Eine hohe Zuverlässigkeit und lange Wartungsintervalle (ca. 10.000 Betriebsstunden ) zeichnen Wärmepumpen mit Gasmotoren aus.

Um größere Leistungen zu erreichen, werden Absorptionswärmepumpen kaskadiert (parallel geschaltet). Dies ist bei Gasmotorwärmepumpen nicht nötig. Hier werden größere Kälte- bzw. Heizleistungen durch mehrere Einheiten erreicht, da diese jeweils eine hohe Temperaturdifferenz abdecken.

Als Anwendungsbereich von Gasmotorwärmepumpen und Absorptionswärmepumpen zählen u. a.:

  • Büroräume
  • Gastronomie
  • Groß- und Einzelhandel
  • Hotels
  • Kommunikationseinrichtungen
  • Museen
  • Theater/Kinos
  • Wohnungen 


Dezentrale Innenheinheiten – Multisplittanlagen

In einem System von dezentralen Inneneinheiten (Multisplittanlagen) wird Raumluft über diese angesaugt und gekühlt oder erwärmt. Der Transport der Kälte oder Wärme erfolgt durch kältemittelführende oder kälteträgerführende Rohrleitungen. Im Vergleich zu zentralen Lüftungsanlagen benötigen beide Varianten für das Verteilsystem geringe Querschnitte, welches durch eine hohe Energiedichte des Kältemittels erreicht wird. Dies ermöglicht eine günstige und schnelle Leitungsverlegung, bspw. in Decken und Wänden. Ein weiterer Vorteil ist die individuelle Regelbarkeit, geringere elektrische Leistung für den Antrieb der Ventilatoren in den Inneneinheiten und die große Anzahl anschließbarer Innengeräte.

Innengeräte werden nach Art des Kälte- bzw. Wärmeaustausches unterschieden. Bei kältemittelführenden, sog. Direktverdampfersystemen (VRF oder VRV), wird das Kältemittel direkt zu den Innengeräten geführt. Beim Wärmeaustausch mit der Raumluft verdampft das flüssige Kältemittel und wird zurück an die Außeneinheit geführt.

Dieses System bietet aufgrund der hohen Energiedichte des Kältemittels Vorteile für einen nachträglichen Einbau. In kälteträgerführenden, sog. wassergeführten Systemen wird zur Kühlung und Entfeuchtung meist eine Vorlauftemperatur von 6 °C gefahren, wobei sich eine Rücklauftemperatur von etwa 12 °C ergibt. Der Wärmeaustausch mit der Raumluft erfolgt über einen Wärmetauscher im Luftstrom. Eine Trennung des Kältemittels im Primärkreislauf von der Wasserseite des Sekundärkreislaufs wird über eine integrierten Wärmeüberträgers, die sogenannte Kompaktstation realisiert.

Zentrale Lüftungsanlage

Zentrale Lüftungsanlagen realisieren den notwendigen Luftwechsel sowie die Konditionierung der Zuluft, die über Lüftungskanäle und beispielsweise Drall-Luftauslässe den Räumen zugeführt wird. Man unterscheidet folgende Arten von RLT-Anlagen:

  • Lüftungsanlagen: RLT-Anlagen ohne bzw. mit einer thermodynamischen Luftbehandlungsfunktion (Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten)
  • Teilklimaanlagen: RLT-Anlagen mit zwei oder drei thermodynamischen Luftbehandlungsstufen
  • Klimaanlagen: RLT-Anlagen mit allen vier thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen


Des Weiteren werden Lüftungsanlagen nach Druckverhältnissen und Luftgeschwindigkeit/Volumenstrom unterschieden.

  • Niederdruckanlagen (ND) eignen sich vor allem für kleinere Lüftungsanlagen einzelner Räume, wie Sitzungssäle und dgl., an die hohe Anforderungen der Akustik gestellt werden. Sie arbeiten mit 2 bis 10 mbar Druck und haben Luftgeschwindigkeiten von etwa 2 bis 8 m/s.
  • Hochdruckanlagen (HD) sind teurer als Niederdruckanlagen, haben jedoch aufgrund ihrer hohen Luftgeschwindigkeiten kleinere Kanalquerschnitte und damit einen geringeren Platzbedarf. Sie werden deshalb bei sehr großen ausgedehnten Gebäuden mit hohen Luftleistungen verwendet. Aufgrund der hohen Luftgeschwindigkeiten ergeben sich größere Anforderungen an den Schallschutz. HD arbeiten mit 10 bis 25 mbar Druck, bei Luftgeschwindigkeiten von 8 bis 25 m/s und mehr.


Neben den Druckverhältnissen und Luftgeschwindigkeiten werden Lüftungsanlagen auch nach dem Luftkanalsystem unterschieden:

  • Einkanal-Klimaanlagen: Die in der Klimazentrale aufbereitete Luft wird in nur einem Zuluftkanal den zu versorgenden Räumen zugeführt. Alle Räume erhalten dabei Zuluft mit gleichem Luftzustand.
  • Zweikanal-Klimaanlagen: Zweikanalanlagen werden für Räume mit differenzierten Raumarten, z. B. unterschiedlich genutzten Lagerräumen mit speziellen Temperaturanforderungen etc., eingesetzt.
  • Hochdruck-Induktions-Klimaanlagen: Diese Anlagen sind Primärluft-Klimaanlagen, bei denen eine individuelle Temperierung der Zuluft durch Wärmetauscher für die Sekundärluft direkt im Raum am Induktionsgerät erfolgt.
  • Zonen-Klimaanlagen: Zonen-Klimaanlagen sind Nieder- oder Hochdruckanlagen mit einer Grundaufbereitung der Luft in der Zentrale und nachgeschalteten Regulierzonen (wie Nacherhitzer oder Kühler) zur individuellen Nachkonditionierung der Zuluft. 

Heizen und Kühlen mit Raumflächen

Mit Hilfe von wassergeführten Raumflächensystemen kann eine gewünschte thermische Behaglichkeit durch Heiz- und Kühlsysteme umgesetzt werden. Geringe Übertemperaturen, hoher Strahlungsanteil beim Heizen oder Kühlen sowie niedrige Geräuschpegel zeichnen Raumflächen aus. Gleichzeitig sorgen geringe Luftgeschwindigkeiten und eine höher bzw. nieder empfundene Raumlufttemperatur im Heiz- und Kühlfall für eine gute Behaglichkeit.

Zum Heizen werden hauptsächlich Fußboden- sowie Wandflächen verwendet. Zum Kühlen kommen überwiegend Kühldecken sowie die Thermische Bauteilaktivierung (TBA) zum Einsatz. Kühldecken besitzen gegenüber TBA Vorteile in Bezug auf eine schnelle Regelbarkeit. Die TBA ist ein eher träges System, dessen Vorteil unter anderem in der guten Speicherfähigkeit der Betondecke liegt.

Mit glatten geschlossenen Kühldecken (Strahlungsdecken) werden Kühlleistungen bis 90 W/m² und Heizleistungen bis 35 W/m² erreicht. Mit Thermischer Bauteilaktivierung (TBA) lassen sich Kühlleistungen bis 40 W/m² und Heizleistungen bis 30 W/m² (auf die Strahlungsfläche bezogen) realisieren. Die Vorlauftemperaturen von Kühldecken liegen im Sommer bei 16 °C, die Vorlauftemperaturen von der TBA etwa bei 18 – 20 °C.

Bei beiden Systemen ergibt sich eine Anwendungseinschränkung aus der notwendigen Taupunktüberwachung.