Heizen, Kühlen, Klimatisieren mit Gaswärmepumpen

Der Anstieg des Klimatisierungs- und Kältebedarfs bei gleichzeitigem Rückgang des Wärmebedarfs im industriellen als auch im gewerblichen Bereich erfordert die Anwendung von umweltverträglichen Wärme- und Kälteerzeugungsverfahren. Erdgasbetriebene Kälte- und Wärmepumpenanlagen, die nach dem Kaltdampf- und Absorptionsprozess arbeiten, sind eine umweltverträgliche Alternative und bieten ökologische und ökonomische Vorteile. Hier werden die thermodynamischen Prozesse die grundlegenden Funktionsweisen zur Beheizung und Kühlung vorgestellt. Die Vorteile der Wärme- und Kälteerzeugung mit einer Anlage und der Verwendung von Erdgas werden anhand der Anlageneffektivität, der Umweltbilanz und von Wirtschaftlichkeitsberechnungen aufgezeigt.

Der Bedarf zur Kühlung und Klimatisierung in Gebäuden wird immer größer. Großer Bedarf ist insbesondere im Bereich bis zu einer Kühlleistung von 100 KW gegeben. Bisher werden hierfür überwiegend elektrisch angetriebene Geräte eingesetzt. Eine kostensparende und primärenergetisch vorteilhafte Alternative sind durch "„Gas Heat Pumps“, kurz GHP, gegeben. Diese neue Generation gasmotorisch angetriebener Klimageräte wurde in Japan entwickelt. Die GHP kann zum Heizen und Kühlen eingesetzt werden. Die Kombination von Heizen und Kühlen mit einem System macht die GHP deutlich wirtschaftlicher als getrennte Anlagen für Kühlung und Wärmeversorgung. Das Heizen, Kühlen und Klimatisieren mit den verfügbaren gasmotorischen Anlagen und Absorbern sowie dem Energieträger Erdgas ist realisierbar. Die Techniken sind erprobt und ausgereift. Sie haben über viele Jahre die Praxistauglichkeit bewiesen. Das Angebot an verfügbaren Geräten ist schon heute beachtlich und wird ständig größer. Der gasmotorische Kaltdampfprozess sowie der Absorptionsprozess haben gegenüber den konventionellen Systemen (strombetriebener Kaltdampfprozess) den Vorteil der Einsparung an Energie. In Verbindung mit Erdgas können die Emissionen an Klimagasen und Luftschadstoffen deutlich reduziert werden. Ökonomisch sind in vielen Fällen die gasmotorischen Anlagen und Absorber eine interessante Alternative gegenüber der herkömmlichen Technik. Der Grund für eine bisher etwas zögerliche Verbreitung ist sicherlich in der mangelnden Kenntnis und in Informationsdefiziten zu suchen. Zur Realisierung ist entsprechend fundiertes Wissen über den Aufbau und die Auslegung erforderlich, so dass der spätere Betreiber vor Problemen bewahrt wird. Heizen und Kühlen mit einem Gerät generiert Vorteile. Die finanziellen Aufwendungen für die Beheizung und die Kühlung der Gebäude können hiermit reduziert werden und liefern einen Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit. Darüber hinaus wird die Umwelt nachhaltig und dauerhaft entlastet.


Kompressionswärmepumpe
Die meisten installierten Wärmepumpen arbeiten nach dem Kaltdampfprozess mit einem Elektromotor oder einem Gasmotor als Antrieb für den Kältemittel-Verdichter (Kompression). Das Grundprinzip ähnelt dem eines Kühlschrankes: Dem Kühlgut wird mit Hilfe eines Kreisprozesses Wärme entzogen, die zusammen mit der Antriebsenergie für den Kältemittel-Verdichter an der Rückseite des Kühlschrankes an den Raum abgegeben wird. Bei Wärmepumpen läuft der gleiche Prozess ab: Hier wird nur nicht dem Kühlgut, sondern der Umwelt Wärme entzogen. Die dafür notwendige Antriebsenergie für den Kältemittel-Verdichter wird – zusammen mit der aus der Umwelt aufgenommenen Wärme – über einen Wärmeübertrager an ein Heizsystem abgegeben. Wird der Verdichter der Wärmepumpe von einem Gasmotor (anstatt Elektromotor) angetrieben, kann zusätzlich die Wärme aus dem Kühlwasser sowie aus dem Abgas des Gasmotors in das Heizsystem eingekoppelt werden. Die Nutzung dieser „Motor-Abwärme“ trägt wesentlich zur hohen Primärenergieausnutzung und damit zum geringen CO2-Ausstoß bei.


Absorptionswärmepumpe
Die Absorptionswärmepumpe arbeitet nach ähnlichen Prinzipien wie eine
Kompressionswärmepumpe, also mit Verdampfer (zur Aufnahme von Umweltwärme) und einem Verflüssiger oder Kondensator (zur Wärmeabgabe an das Heizsystem). Statt das Kältemittel zu komprimieren, wird beim Absorptionsprozess ein gasförmiges Kältemittel (z.B. Ammoniak) von einem Lösungsmittel (z.B. Wasser) durch einen mit Erdgas oder einer anderen Wärmequelle beheizten „thermischen Verdichter“ in eine kältemittelreiche Lösung (NH3-Dampf) und eine kältemittelarme Lösung (Wasser) getrennt. Das gasför-mige, unter Druck stehende NH3-Kältemittel strömt dann in den Kondensator/
Verflüssiger, gibt hier die Kondensationswärme an das Heizsystem ab und wird dadurch flüssig. Danach durchströmt das flüssige, unter hohem Druck stehende Kältemittel ein Reduzierventil. Durch diese Druckentspannung expandiert das Gas, kühlt sich dabei ab und ist so in der Lage, im nachfolgenden Verdampfer Wärme aus der Umwelt aufzunehmen. Ein wesentlicher Vorteil von Gasabsorptionswärmepumpen ist der Einsatz von Kältemitteln, die weder die Ozonschicht zerstören noch einen direkten Treibhauseffekt bewirken. Allerdings liegt die energetische Effizienz von Gasabsorptionswärmepumpen unter der von Gasmotorwärmepumpen.




Malgorzata Praczyk