Forschung und Entwicklung

Die Wärmetechnik Quedlinburg arbeitet seit einigen Jahren an Forschungs- und Entwicklungsthemen. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Weiterentwicklung von Gasmotorwärmepumpen-Systemen, um die größtmögliche Effizienz dieser Geräte zu realisieren.

Das Thema "Innovative Klima-Kompakt-Zentrale" wurde im Jahr 2007 abgeschlossen. Die Ergebnisse sind im Artikel "Energieeffiziente Kopplung einer Gaswärmepumpe mit einem Klimazentralgerät" dargestellt. Zur Bearbeitung des Themas wurde ein Experimentalstand an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg aufgebaut.

Die innovative Klima-Kompakt-Zentrale setzt sich prinzipiell aus einer gasmotorbetriebenen Wärmepumpe mit nachgeschaltetem Klima-Kompakt-Zentralgerät bzw. Klimasplitgeräten zusammen. Zur Regelung kommen integrierte Steuer- und Regelsysteme zum Einsatz. Als Energieträger ist der Einsatz von Erd- bzw. Flüssiggas möglich. Die Aufstellung der Gasmotorwärmepumpe ist im Außenbereich der Gebäude bzw. Einrichtungen vorgesehen.

Durch Nutzung der Umgebungs- und Fortluft wird erreicht, dass der Einsatz an Primärenergie gegenüber den bekannten Energieversorgungsanlagen wesentlich reduziert werden kann. Am Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik an der Otto von Guericke Universität Magdeburg wurde eine umfassende energetische Analyse durchgeführt.

Mit einer Heizzahl von 1,4 ist die innovative Klima-Kompakt-Zentrale allen herkömmlichen Gebäudeheizungen überlegen. Die Gasmotorwärmepumpe erreicht einen COP-Wert von 4,55.Durch die Verwendung der Motorwärme kann die volle Heizleistung bis zu einer Außentemperatur von -20°C garantiert werden. Die maximale Vorlauftemperatur beträgt 55°C.

Mit der Gasmotorwärmepumpe können folgende Betriebszustände realisiert werden:

Sommerbetrieb	Winterbetrieb
Kühlen Brauchwassererwärmung mit Abwärme der Kühlung bzw. Abwärme des Motors	Heizen Beheizen nicht klimatisierter Räume Brauchwassererwärmung mit der Abwärme des Motors
Übergangsbetrieb
wechselnd Kühlen und Heizen Beheizen nicht klimatisierter Räume Brauchwassererwärmung mit der Abwärme des Motors

Wärmepumpen-Stationen zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden

Im Rahmen der Entwicklungsthemen "Energieeffiziente Kopplung einer Gasmotorwärmepumpe mit heiz- und klimatechnischen Kompnenten" und "Modulares Gasmotorwärmepumpensystem zur simultanen Bereitstellung von Kälte und Wärme" wurden die Voraussetzungen zum Angebot hocheffizient arbeitender Gasmotorwärmepumpenanlagen geschaffen..

Die Stationen umfassen einen Leistungsbereich von 20 bis 500 kW. Ein Spitzen-Wärmeerzeuger kann bei Bedarf integriert werden.

Insbesondere durch die Auskopplung der Motorwärme und der zusätzlichen Enthitzung des Kältemittels erreichen die Anlagen eine sehr hohe Effizienz mit einer Leistungskennziffer >1,5, das bedeutet, dass aus 1 kWh eingesetzter Primärenergie 1,5 kWh Heiz- bzw. Kühlenergie zur Verfügung gestellt werden können.

Bei simultaner Nutzung des Wärme und des Kälteangebotes lassen sich sogar Leistungskennziffern > 2 erreichen.

Beispiele bereits realisierter Anlagen:

Gasmotorwärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau unter Aufwand von Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau transportiert („pumpt“). So wird beispielsweise bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe der Außenluft Wärme entzogen, wobei das Kältemittel – das Arbeitsmittel des Wärmepumpenprozesses – verdampft. Anschließend erfährt der Kältemitteldampf eine Temperaturerhöhung, indem er vom Verdichter komprimiert wird. In einem Kondensator wird das Kältemittel dann wieder verflüssigt und gibt seine Kondensationswärme an Wasser ab, welches als Heizungswasser zur Verfügung steht. Das nun wieder flüssige Kältemittel wird in einem Expansionsorgan entspannt und kann den Kreislauf von Neuem durchlaufen.

Der Unterschied der Gas(motor)wärmepumpe zu elektrischen Systemen ist der Antrieb des Kältemittelverdichters. Er erfolgt anstelle eines Elektromotors mithilfe eines Verbrennungsmotors. Durch die integrierte Abwärmenutzung des Antriebsmotors funktioniert die Gaswärmepumpe monovalent und kann auf weitere Wärmeerzeuger zur Spitzenlastdeckung verzichten. Das senkt den Energiebedarf und erhöht den Nutzungsgrad in erheblichem Maße.

Abbildung 1: Funktionsschema der Gasmotorwärmepumpe

Die Wärmepumpe ist zusätzlich in der Lage, Kühlfunktion zu übernehmen. In dem Fall wird dem Wasser Wärme entzogen, um das Kältemittel zu verdampfen. Nach der Verdichtung wird dieses im Außenluftwärmeübertrager verflüssigt und gibt die Kondensationswärme an die Außenluft ab. Somit funktioniert die Wärmepumpe wie ein Kühlschrank.

Gasmotorwärmepumpen der Firma AISIN decken die in den folgenden Tabellen aufgeführten Leistungsbereiche ab. Darüber hinausgehende Leistungsanforderungen sind durch eine Parallelschaltung mehrerer Geräte erreichbar.