Die erste Gaswärmepumpen-(GHP)-Anlage wurde 1987 in Japan in Betrieb genommen. Seitdem wurden allein in Japan 400.000 Systeme installiert, gegenwärtig wird dort von einem jährlichen Absatz von 50.000 Geräten ausgegangen. Die Technik ist vor allem im asiatischen Raum verbreitet. Im November 2002 wurde Deutschlands erste Gaswärmepumpen-Anlage in Hohenweiden bei Halle in Betrieb genommen.

Die GHP stellt eine Weiterentwicklung der konventionellen Elektrowärmepumpen dar, bei der die Verdichter nicht mehr elektromotorisch sondern durch einen Gas-Verbrennungsmotor angetrieben werden. Der Vorteil für den Heizbetrieb wird vor allem darin gesehen, dass neben der Außenluft auch die Abgase des Gasmotors als Wärmequelle für den Verdampfer des Aggregates zur Verfügung stehen.

Dies soll einen monovalenten Betrieb der Anlage auch bei niedrigen Außentemperaturen ermöglichen, die in unseren Breiten während der Heizperiode anzutreffen sind.

Aufgrund der hohen energetischen Effizienz des Systems und der Möglichkeit, die angeschlossenen Räume sowohl zu beheizen als auch zu kühlen, wird die Technik als interessante Alternative zu konventionellen Heizsystemen vor allem im Bereich des Wärmecontractings gesehen, der zunehmend auch durch die Energieversorgungsunternehmen erschlossen wird.

Als schwierig wird hier bislang die Möglichkeit eingeschätzt, sowohl die gesamte erzeugte Wärme als auch die an einzelne Abnehmer gelieferten Wärmemengen hinreichend genau zu erfassen.

Gaswärmepumpe (GHP) - Aufbau und Wirkungsweise

Die Gaswärmepumpe ist nicht mit hier bekannter Wärmepumpentechnik vergleichbar. Vielmehr handelt es sich, analog zu den vor allem im asiatischen Raum weit verbreiteten elektrisch betriebenen Multi-Split-Klimageräten, um ein VRV-Klimasystem ("Variable Refrigerant Volume System"). Dabei handelt es sich um kältemittelführende Heiz- und Kühlgeräte mit Direktexpansion in den Innengeräten. Im Gegensatz zu konventionellen Systemen wird bei der GHP der Kältemittelverdichter nicht elektromotorisch angetrieben sondern durch einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor, im Fall von AISIN einem modifizierten PKW-Motor.

Die komplette GHP-Anlage besteht prinzipiell aus einer Außeneinheit mit Gasmotor und Verdichter sowie einer oder mehreren Inneneinheiten, die neben einem Wärmeübertrager zur Verdampfung/Kondensation über elektronisch gesteuerte Entspannungsventile verfügen.

Die Inneneinheiten entsprechen exakt denen konventioneller elektrisch betriebener Multi-Split-Klimaanlagen.

Herzstück der Anlage ist die Außeneinheit, die neben dem Gasmotor zum Antrieb der Verdichter über einen Abgaswärmeübertrager zur Überhitzung des Kältemitteldampfes verfügt.

Im Heizbetrieb ermöglicht der Abgaswärmeübertrager den frostfreien Betrieb der Anlage bis zu Außentemperaturen um -15°C bis -20°C, im Kühlbetrieb wird die Abgaswärme nicht genutzt.

Inzwischen gibt es Bestrebungen einzelner Hersteller (z.B. Mitsubishi), die Abgaswärme auch im Sommer z.B. zur Warmwasserbereitung zu nutzen und somit eine ganzjährig hohe Energieeffizienz zu erreichen.

Wirkungsweise im Heizbetrieb

Abbildung 2 zeigt ein Schema der Anlage für den Heizbetrieb.

Der überhitzte Kältemitteldampf (1) wird im gasmotorisch angetriebenen Verdichter isentrop komprimiert (2) und dann über die sogenannte Heißgasleitung zu den Innengeräten verteilt. Die Inneneinheiten bestehen im wesentlichen aus einem Wärmeübertrager (im Heizfall Kondensator) und einem Entspannungsventil. Im Kondensator gibt der Kältemitteldampf Wärme an die Raumluft ab und kondensiert vollständig aus. Das unterkühlte Kältemittelkondensat (3) wird anschließend in elektronisch gesteuerten Ventilen entspannt. Das entspannte Kältemittel liegt als unterkühltes Kondensat bzw. als Kältemittelnassdampf vor (4).

Nach der Entspannung wird das Kältemittel von den Innengeräten über die sogenannte Kondensatleítung wieder zur Außeneinheit geführt und gelangt dort in den Verdampfer, einen außenluftumströmten Wärmeübertrager. Das Kältemittel verdampft hier unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft (5). Anschließend strömt der Kältemitteldampf in den Abgaswärmeübertrager, in dem die heißen Abgase des Gasmotors zu einer Überhitzung des Kältemitteldampfes führen.

Nach der Überhitzung im Abgaswärmeübertrager (1) strömt der Kältemitteldampf wiederum zum Eintritt des Verdichters.

Abbildung 3 zeigt den gesamten Kreisprozeß im log(p)/h-Diagramm. Die Strecke 2 -3 repräsentiert dabei die Kondensation des Kältemitteldampfes in der Inneneinheit, d.h. die an die Raumluft abgegebene Wärme. Diese errechnet sich aus der Differenz der Enthalpien in beiden Zustandspunkten multipliziert mit dem Kältemittelmassenstrom.

Die aufgewendete mechanische Antriebsleistung ergibt sich aus der Differenz der Enthalpien in den Zustandspunkten 1 und 2, multipliziert mit dem Kältemittelmassenstrom.

Der dem eigentlichen Verdampfer nachgeschaltete Abgaswärmeübertrager sorgt dafür, dass selbst bei Umgebungslufttemperaturen deutlich unter 0°C eine vollständige Verdampfung bzw. eine Überhitzung des Kältemittels erreicht wird. Konventionelle, elektrisch betriebene Außenluft-Wärmepumpen können dagegen nur bis zu Temperaturen knapp unter dem Gefrierpunkt effizient arbeiten.

Nach Angaben der GHP-Hersteller ist die Gaswärmepumpe in der Lage, selbst bei Außentemperaturen von -15°C bis -20°C die volle Nennwärmeleistung bereitzustellen.

Der Verlauf der Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur in Abb. 4 läßt zudem vermuten, dass die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Bereich von 5-10°C liegt und unterhalb dieser Außentemperatur praktisch nur noch die Motorenabgase als Wärmequelle fungieren. Erst oberhalb dieses Temperaturniveaus wird auch die Außenluft als Wärmequelle wirksam.

EHP-Anlagen können in diesem Bereich nur mit Hilfe energieintensiver Frostschutzeinrichtungen arbeiten, was einen monovalenten Heizbetrieb in unseren Breiten praktisch ausschließt.

Wirkungsweise im Kühlbetrieb

Funktion und Wirkungsweise der GHP im Kühlbetrieb sind in Abbildung 5 schematisch dargestellt.

Durch Stellen eines 4-Wege-Umschaltventils wird die Außeneinheit von Heiz- ind den Kühlbetrieb geschaltet. Dabei kehrt sich die Strömungsrichtung in den Kondensat- und Heißgasleitungen zu den Innengeräten sowie den Wärmeübertragern um. Der Wärmeübertrager in der Inneneinheit fungiert nun als Verdampfer, der Wärmeübertrager der Außeneinheit als Kondensator. Der Abgaswärmeübertrager wird während des Kühlbetriebes nicht vom Kältemittel durchströmt.

Das verdampfte bzw. überhitzte gasförmige Kältemittel (1) wird verdichtet (2) und gelangt anschließend in den außenluftumströmten Kondensator. Das Kältemittel tritt als unterkühltes Kondensat aus dem Wärmeübertrager aus (3) und gelangt über die Kondesatleitung zu den jeweiligen Innengeräten. Dort wird das Kältemittel entspannt (4) und verdampft unter Aufnahme von Wärme aus der Raumluft im Wärmeübertrager der Inneneinheit (1). Von dort aus gelangt es über die Heißgasleitungen erneut zum Verdichtereintritt der Außeneinheit.

Abbildung 6 zeigt den Verlauf des Prozesses im log(p)/h-Diagramm, wobei sich die nutzbare Kühlleistungen aus der Differenz der Enthalpien in 1 und 4, multipliziert mit dem Kältemittelmassenstrom, ergibt.

Ein von der Firma AISIN in Deutschland angebotenes Gerät ist z.B. die Außeneinheit vom Typ TGMP280 (N-P) mit folgenden technischen Parametern:

		AISIN TGMP280 (N-P)
	Leistung Gasmotor	PS	10
	Kälteleistung	kW	28,0
	Heizleistung	kW	33,5
	Elektroleistung Kühlen	kW	0,88
	Elektroleistung Heizen	kW	0,95
	Erdgasverbrauch Kühlen	m³N/h	2,81
	Erdgasverbrauch Heizen	m³N/h	2,75
	Kältemittel		R 407C
	Anzahl Innengeräte		1...12

Das Aggregat verfügt über 2 Verdichter mit einer Förderleistung von je 60,5 cm³ pro Umdrehung. Beide Verdichter werden über Keilriemen durch den Gasmotor angetrieben, dessen Drehzahl zwischen 2100 und 4820 U/min variiert werden kann, wobei es möglich ist, Verdichter einzeln zuzuschalten. Dies ergibt theoretisch eine Modulationsmöglichkeit der Verdichterleistung von ca. 20%...100%.

Abbildung 8 zeigt die Außeneinheit mit geöffnetem Gehäuse. Deutlich zu erkennen sind die Riemenscheiben des Gasmotors und der beiden seitlich angeordneten Verdichter.

Die Verdichterriemenscheiben arbeiten bei Bedarf als Rutschkupplung, womit es möglich ist, während des Betriebes des Gasmotors einzelne Verdichter abzuschalten.

Die Ansteuerung der Innengeräte (Entspannungsventile, Ventilatoren) sowie die Abfrage der Raum-Bediengeräte erfolgt in der Außeneinheit über Datenbusverbindungen.

Weblink zu Gaswärmepumpe: Gaswärmepumpe bei Wikipedia