Adsorptions-Wärmepumpe mit Zeolith überzeugt im Feldtest
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
EnErgiEEffiziEnz
Feldtest
Adsorptions-Wärmepumpe mit Zeolith
überzeugt im Feldtest
Ergebnisse aus dem Feldtest 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 Haustechnikbe-
reich war neu für die Branche. Das Remscheider Unternehmen versprach vor drei Jahren eine Effizienzsteigerung von rund 25 % ge-
genüber einem aktuellen Gas-Brennwertgerät. Ein aktueller Feldtest 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 als Molekularsiebe; seit Beginn dieser Sodalithkäfige ergeben Freie Wassermoleküle voll-
Eigenschaften besitzt es? Zeo- der 80er-Jahre beispielsweise zusammen wiederum eine Ma- ziehen im Raum normalerwei-
lithe sind poröse Keramikwerk- in Waschmitteln. Hier haben kroporenstruktur, durch die se eine Eigenbewegung – die
stoffe. Die Adsorptionseigen- Zeolithe die Polyphosphate er- der Zeolith eine extreme Porö- Brownsche Molekularbewe-
schaften eines Zeolithen hän- setzt und sorgen für eine um- sität und damit eine sehr große gung. Da der Zeolith stark hy-
gen von seiner Zusammenset- weltschonende Wasserenthär- innere Oberfläche erhält. Ein groskopisch, sprich wasseran-
zung und seiner Porenstruktur tung – denn Zeolithe sind un- Gramm Zeolith kann bereits ziehend ist, zieht er die Wasser-
ab. giftig, nicht brennbar und in eine innere Oberfläche von moleküle in einer Verbindung
Die besonderen Eigenschaf- jeder Hinsicht umweltverträg- rund 1000 m² haben. Für die an sich heran und lagert diese
ten des Zeolith werden bereits lich. Anwendung in der Heiztechnik in den Poren seiner Oberfläche
seit Jahrzehnten in verschie- Die Aluminiumoxid- und Si- wird ein Zeolith verwendet, des- an. Das Wassermolekül kann
densten technischen Bereichen liciumoxid-Moleküle im Aufbau sen Porengröße genau der Grö- dadurch seine natürliche Ei-
genutzt – insbesondere in der des Zeolith sind die sogenann- ße eines Wassermoleküls ent- genbewegung nicht mehr voll-
Gastrennung und Gasreinigung ten Sodalithkäfige. Sehr viele spricht. ziehen und wird abgebremst.
Diese Bewegungsenergie des
Wassermoleküls wird dabei in
Wärmeenergie umgewandelt.
Weil es sich hierbei um einen
rein physikalischen und kei-
nen chemischen Prozess han-
delt, ist er in jeder Form rever-
sibel. D. h.: Mit entsprechender
Zuführung von Wärmeenergie
kann das Wasser als Wasser-
dampf aus dem Zeolith ausge-
trieben werden.
25 % mehr Energieeffizienz
Die Zielsetzung, die sich
Vaillant bei der Entwicklung
der weltweit ersten Nutzung
von Zeolith in der Heiztechnik
stellen musste, war insofern so-
wohl die Adsorptions- als auch
die Kondensationswärme in
der Desorption im Heizgerät zu
nutzen. Dabei musste die zu-
geführte Energiemenge in der
Desorptionsphase so gering wie
möglich gehalten werden, um
Die Zeolith-Gas-Wärmepumpe besteht aus einer klassischen Gas-Brennwertzelle und dem Zeolith-Modul in eine möglichst positive Ener-
einem gemeinsamen Gehäuse. Beispielsweise drei Solar-Flachkollektoren, ein solarer Warmwasserspeicher giebilanz zu erzielen. Und die-
und eine Regelung vervollständigen das System. se Energiebilanz sollte überzeu-
50 iKz-EnErgy 3/2013
EnErgiEEffiziEnz
Feldtest
gen: 25 % höher als bei einem möglicht somit in Kombina-
aktuellen Gas-Brennwertgerät tion mit der Wärmepumpe eine
sollte die Energieeffizienz aus- solare Heizungsunterstützung
fallen. mit nur 7 m² Flachkollektor
Für den jetzt abgeschlos- bzw. 6 m² Vakuum-Röhrenkol-
senen IGWP-Feldtest wurden lektoren (Grafik 3).
„zeoTHERM“ Geräte der Gene- Bei Betrachtung der Feld-
ration 3 deutschlandweit in- testanlagen erkennt man die
stalliert und umfangreich ver- Funktion der solaren Direkthei-
messen. Dabei zeigte sich die zung sehr gut. In Grafik 4 wer-
erwartete System-Wirkungs- den die zeitlichen Anteile von
gradverbesserung (Wärme in Brennwertbetrieb DHB (inklusi-
Heizung + Wärme in Spei- ve Brauchwasserbereitung), von
cher / Wärmemenge Gas) von Wärmepumpenbetrieb WP und
etwa 25 % im Vergleich zu von solarer Direktheizung SDH
Grafik 1: „zeoTHERM“ Gesamt-Jahresnutzungsgrad nach VDI 4650, Blatt 2.
einem reinen Brennwertgerät vom 20. bis zum 24. 10. 2011 an
mit einer Fußbodenheizungs- 10 Feldtestgeräten aus ganz
anlage. Als vorteilhaft erwie- Deutschland dargestellt.
sen sich in diesem Zusammen- Im Mittel wurde der Wär-
hang sonnenreiche Gebiete und mebedarf im oben genannten
ein geringer Gebäudeheizwär- Zeitraum in 24 % der Heizzeit
mebedarf (Grafik 1). über SDH gedeckt. Die Umge-
An den hohen Wirkungs- bungstemperatur lag in diesem
graden bei kleinen Gebäude- Zeitraum bei 3 – 10 °C bei leich-
heizlasten wird ersichtlich, ter Bewölkung. Sogar in den
dass der Wärmebedarf im rei- Wintermonaten Januar bis März Grafik 2: Darstellung der nutzbaren Solar-Kollektortemperaturen von
nen Wärmepumpenbetrieb ge- 2012 konnte ein zeitlicher An- 3 bis 130 °C.
deckt werden kann. Bei höheren teil von 10 % im Mittel festgehal-
Heizlasten wird der Anteil des ten werden. Durch die SDH ist
Direktheizbetriebes durch Gas der Systemwirkungsgrad von
stets größer und die Gesamtef- Stand Generation 3 zu Stand
fizienz fällt ab. Die Darstellung Generation 4 um etwa 10 % an-
gilt für ein schon verbessertes gestiegen.
Gerät der neuen Generation 4 Auch Ergebnisse aus einer
mit solarer Direktheizung. Der Simulation zeigen einen De-
tendenzielle Verlauf bei der Ge- ckungsanteil zwischen 5 % (bei
neration 3 ist aber identisch. 4 m² Aperturfläche, 3 Personen
Warmwassernutzung) und 16 %
nutzung (bei 9 m² Aperturfläche, 6 Per-
der Solarkollektoren sonen Warmwassernutzung)
Im Jahr 2011 wurde dann solarer Direktheizung im Jah-
die Mehrzahl dieser Wärme- resmittel bei verschiedensten
pumpen von Stand Genera- Anlagenkombinationen. Die Grafik 3: Simulation der direkten solaren Heizungsunterstützung am Bei-
tion 3 auf den Stand Genera- energetisch empfohlene Anlage spiel eines VPS 1000-l-Pufferspeichers und eines 300-l-Solarspeichers.
tion 4 mit integrierter solarer mit einem 300-l-Solarspeicher,
Direktheizung umgerüstet, um bei einem 3- bis 4-Personen-
noch weitere Ergebnisse des op- haushalt und 7,05 m² Apertur-
timierten Systems zu erhalten. fläche hat auch laut Simulati-
Bei ausreichender solarer Strah- on einen solaren Deckungsan-
lung ist entsprechend auch ein teil für die Heizung von 11 %
Parallelbetrieb von direkter so- mit einem Deckungsanteil für
larer Brauchwasserbereitung die Brauchwasserbereitung
und solarer Direktheizung mög- von 60 %. Diese Ergebnisse zei-
lich. Durch diese Kombinati- gen sich trotz einer Kannibali-
onen können die Solarkollek- sierung der solaren Warmwas-
toren über ein Temperaturband serbereitung durch die solare
von 3 °C bis 130 °C genutzt wer- Direktheizung. Bei höherem
den (Grafik 2). Warmwasserbedarf wäre diese
Die solare Direktheizung Kannibalisierung aber leicht
ohne Pufferspeicher vermei- durch einen zusätzlichen Kol- Grafik 4: Verteilung der Heizungsanteile 20. – 24. 10. 2011 bei verschie-
det Speicherverluste und er- lektor aufzufangen. denen „zeoTHERM“ Zeolith-Gas-Wärmepumpen.
3/2013 iKz-EnErgy 51
EnErgiEEffiziEnz
Feldtest
Vorteile für erhöhten Quellentemperaturen
Vakuum-röhrenkollektoren begünstigen den Betrieb von
Ein weiterer Untersuchungs- Anlagen bei höheren Heiztem-
punkt des Feldtests war der peraturen (55 °C / 45 °C, Radia-
Unterschied der Wärmequel- toren). Somit gilt die Empfeh-
len Vakuum-Röhrenkollektor / lung „Heizsysteme mit höheren
Flachkollektor. Für diese Unter- Heiztemperaturen sollten auch
suchung wurden vier Anlagen mit Vakuum-Röhrenkollektoren
mit Vakuum-Röhrenkollektoren ausgestattet werden“.
ausgestattet (3 x 6 m², 1 x 5 m²). Wie in der VDI4650 Blatt 2
Ein Vergleich der Anlagen lässt beschrieben bestimmt sich die
leicht erkennen, dass der Vaku- mittlere Temperaturdifferenz
um-Röhrenkollektor speziell bei zwischen Kollektortempera-
diffusem Licht deutlich höhere tur und Umgebungstempera-
Temperaturen zur Verfügung tur nach
stellt (Grafik 5-A / 5-B).
So erzeugt die Anlage mit
Grafik 5A: Darstellung der Außen- und Kollektortemperaturen im Mess-
den Röhren bei diffusem Licht
zeitraum 22. – 29. 11. 2011.
eine mittlere Temperaturerhö-
hung zur Umgebungstempera- mit
tur von 12,5 °C, während der A die Aperturfläche des Kol-
Flachkollektor in der Nachbar- lektors in m2
schaft nur 5 °C zur Verfügung ∆TR die Referenztemperatur-
stellt. Bei starker Sonnenein- differenz
strahlung liegen die Tempera- A R Referenzkollektorfläche
turen in ähnlicher Größenord-
nung. nach den Parametern für Flach-
Auch die Simulation bestä- kollektoren aus der Tabelle.
tigt diese Ergebnisse, nach der Für die Vakuum-Röhrenkol-
ein Vakuum-Röhrenkollektor lektoren ergeben sich dann, ab-
im Jahresmittel um 5,3 K hö- geleitet aus Simulationen und
here Temperaturen aufweist den Feldergebnissen die Ergeb-
als der Flachkollektor. Diese nisse wie in der Tabelle 1.
funKtionSprinzip dEr zEolith-gaS-Wp „zEothErM“
Grafik 5B: Darstellung der Außen- und Kollektortemperaturen im Mess- Der Sorptionsprozess läuft in zwei wesentlichen Schritten ab:
zeitraum 22. – 29. 11. 2011. 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 freigesetz-
te Kondensationsenergie wird als Nutzwärme abgeführt.
Am Ende der Desorptionsphase wird der Umweltkreis hydrau-
lisch umgeschaltet. Die Wärmezufuhr zum Adsorber / Desorber
wird unterbrochen, Druck und Temperatur im Modul sinken hier-
durch ab. Sobald die Temperatur des Verdampfers / Kondensators
unter das Temperaturniveau der Umgebungswärmequelle gesun-
ken ist, wird die Solepumpe eingeschaltet. Damit wird dem Ver-
dampfer „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 er-
folgt mit kostenloser Energie aus einem herkömmlichen So-
larkollektor. Da für eine Anlage von 10 bis 15 kW nur eine Um-
weltleistung von bis zu 2 kW benötigt wird, reichen bereits 4 m²
Grafik 6: Differenz zwischen Kollektor- und Umgebungstemperatur bei Flachkollektoren aus, um den Adsorptionsprozess zu decken.
Flach- und Vakuum-Röhrenkollektoren.
52 iKz-EnErgy 3/2013
EnErgiEEffiziEnz
Feldtest
Tabelle 1: Tabelle 2:
Kollektorart �TR AR Kollektorart ��R AR2
[K] [m2] [kW] [m4]
Flachkollektor 8.2 6.9 Flachkollektor 2.3 80
Vakuumröhre 16 6.9 Vakuumröhre 2.3 65
Auch der solare Deckungsan- Ein Verbrauchsvergleich bei
teil zeigt einen ähnlichen Kur-
einem Wechsel von einer Brenn-
venverlauf, wobei der Einflusswert FB Anlage hin zu „zeo-
der Aperturfläche quadratisch THERM“ / Generation 3 zeigte
eingeht (Grafik 6). eine Reduzierung von ca. 30 %
im Gasverbrauch und entspricht
Somit ergibt sich aus den Si-
mulationen für den Deckungs- damit den vorab genannten Er-
anteil folgender Zusammen- gebnissen (Grafik 7).
hang: Aber auch eine Radiatoren-
anlage „Heizwert mit solarer
Brauchwasserbereitung“ hin
�sol ,Hz
Grafik 7: Deckungsgrad der solaren Direktheizung bei Vakuum-Röhren- zu „zeoTHERM“ / Generation 4
und Flachkollektoren in Verbindung mit einer zeoTHERM Zeolith-Gas- mit (5 m² Aperturfläche Vakuum-
Wärmepumpe mit 10 kW Heizleistung. A die Aperturfläche des Kol- röhre) reduzierte den Gasver-
lektors in m2 brauch um gute 30 % im Ver-
��R Referenzanteil gleich zum Vorjahr.
AR² Quadrat der Referenzkol- Eine dritte Anlage der GAS-
lektorfläche AG zeigte eine Einsparung von
Qn Geräteleistung 19 % bei einem Wechsel von
einer Brennwert FB Anlage
und den Parametern der Tabel- hin zu „zeoTHERM“ / Genera-
le 2: tion 3.
aufbau dEr zEolith-gaS-WärMEpuMpE „zEothErM“
Das Gerät misst bei einem Leergewicht von 160 kg ca. 80 cm Brei-
te, 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 Wär-
mezelle untergebracht. Sie enthält den Brenner und den Primär-
wärmetauscher. Die Gasarmatur und die Wärmezelle sowie Kom-
ponenten der Hydraulik werden auch in anderen Produkten des
Herstellers verwendet. Damit sind dem Fachhandwerker alle ser-
Grafik 8: Gegenüberstellung der Feldtestdaten ohne solare Heizungsun- vicerelevanten Komponenten bereits bekannt.
terstützung und der Erwartungswerte (VDI 4650, Blatt 2 – ohne solare Das wartungsfreie Zeolith-Modul und die Hydraulik des Gerätes
Heizungsunterstützung). Quelle: GWI Essen
befinden sich im unteren Modul der Zeolith Unit. Der Umfang der
Gesamt-Wartungsarbeiten ist dadurch identisch mit dem bei her-
kömmlichen Vaillant Gas-Brennwertgeräten mit solarer Warm-
wasserbereitung.
Die Beladung eines bivalenten Solarspeichers zur Brauchwasser-
bereitung mithilfe einer „zeoTHERM“ ist problemlos möglich, die
maximale Vorlauftemperatur beträgt dabei 75 °C. Die „zeoTHERM“
Gas-Wärmepumpe kann im System, bestehend aus Wärmepum-
pe, bivalentem Solar-Warmwasserspeicher, Solarkollektoren, So-
larstation und Hydraulikkomponenten oder auch mit Fremdkom-
ponenten installiert werden.
Durch die Wahl der Umweltwärmequelle Flachkollektor oder Va-
kuum-Röhrenkollektor ist neben der Sorption auch eine direkte
solare Warmwasserbereitung vorgesehen, welche auch parallel
zur Adsorption möglich ist. Die kompakte Bauweise der Wärme-
quellenanlage und die Installation auf dem Dach machen eine
einfache Nachrüstung möglich. Daher kann die zeoTHERM auch im
Baubestand eingesetzt werden.
Thermodynamische Prozesse bei der Desorption und Adsorption.
3/2013 iKz-EnErgy 53
EnErgiEEffiziEnz
Feldtest
Darstellung der Prozesse der Desorptions- und Adsorptionsphase in der Aufbau des Gesamtsystems der Zeolith-Gas-Wärmepumpe.
Zeolith-Gas-Wärmepumpe.
Molekularstruktur des Zeolith und Sodalithkäfig. Beispiel der direkten Warmwasserbereitung durch die Solarkollektoren
während der Desorptionsphase im Zeolith-Modul.
Ein Vergleich der Jahresnut- Um gleiche Systemwirkungs- zienzverbesserung von bis zu 4650 Blatt 2 beschreibt das Vail-
zungsgrade der Feldtestanlagen grade wie ein Zeolithsystem 45 % im Vergleich zu einer lant Zeolith-System damit sehr
mit den erwarteten Nutzungs- zu erreichen, benötigt man ein Brennwertanlage erzielen kön- genau. ■
graden nach VDI 4650 Blatt 2, Brennwertsystem mit einem nen.
bei einem Heizsystem 35 °C / 1400-l-Pufferspeicher und etwa Dabei erweisen sich folgende Bilder: Vaillant
28 °C zeigte trotz nicht idealer 25 m² Kollektoraperturfläche. Parameter als positiv:
Bedingungen vieler Feldtestan- So ist es möglich, mit einem • kleiner Wärmebedarf,
lagen eine Differenz unter 10 %. Zeolith-System mit 7 m² Kol- • niedrige Heiztemperaturen,
Dieses Ergebnis, welches vom lektorfläche ein Brennwertsys- • hohe Sonneneinstrahlung auf
Gas und Wärmeinstitut ausge- tem mit 25 m² Kollektorfläche die Kollektoren, KontaKt
arbeitet wurde, zeigt, dass die zu ersetzen. Dies würde einem • Röhrenkollektoren bei hö-
VDI-Richtlinie das Zeolith-Sys- Kollektorflächenverhältnis von heren Heiztemperaturen, Vaillant Deutschland
tem sehr gut beschreibt (Gra- 1 : 3,5 entsprechen. • Brauchwasserspeicher nicht GmbH & Co.KG
fik 8). größer als für den Bedarf not- 42859 Remscheid
Eine weitere Simulation ver- Erhebliche wendig. Tel. 02191 180
gleicht das Zeolith-System mit Effizienzsteigerung Fax 02191 182810
einer Anlage bestehend aus Zusammenfassend ist festzu- Die Anlagen liefen im Feld info@vaillant.de
einem Brennwertgerät mit so- halten, dass die Zeolith Wärme- sehr zuverlässig und zur Zu- www.vaillant.de
larer Heizungsunterstützung. pumpen von Vaillant eine Effi- friedenheit der Kunden. Die VDI
54 iKz-EnErgy 3/2013
Sie können auch lesen
