Konventionelle Wärmepumpen bzw. Niedertemperatur-Wärmepumpen sind typischerweise für Heizsysteme mit Temperaturen bis etwa 50 °C ausgelegt, während Hochtemperatur-Wärmepumpen 80 °C Vorlauftemperatur oder höher erreichen. Dadurch ergeben sich vielseitige Einsatzmöglichkeiten. Hochleistungswärmepumpen werden oft in der Industrie oder im Gewerbe eingesetzt. Bestimmte industrielle
Wärmepumpen schaffen sogar Höchsttemperaturen von mehr als 100 °C.
Es ist ebenfalls möglich, eine Hochtemperatur-Wärmepumpe in Wohngebäuden für Heizzwecke zu verwenden. Insbesondere dann, wenn das vorhandene System hohe Vorlauftemperaturen für Heizkörper benötigt. Bei der Heizungsmodernisierung gewinnen hochtemperaturfähige Wärmepumpen für Altbauten heutzutage stärker an Relevanz, weil eine Erneuerung der vorhandenen Heizflächen (Heizkörper, Konvektoren) nur mit viel Aufwand und Kosten durchzuführen sind.
Normalerweise liegt die physikalische Grenze für den Verdichtungsprozess des Kältemittels bei etwa 50 – 55 °C, damit eine klassische Wärmepumpe ein Gebäude effizient heizt. Hochleistungswärmepumpen steigern die Temperaturen im Heizungskreislauf auf ein besonders hohes Niveau, indem sie das Kältemittel noch stärker komprimieren.
Das ist technisch umsetzbar, indem die Anlage mit einem zweistufigen Kreisprozess arbeitet. Zwar schaffen zweistufige Wärmepumpen nochmal deutlich höhere Verflüssigungstemperature, jedoch weisen die Anlagen physikalisch bedingt eine schlechtere Leistungszahl auf und sind technisch komplexer aufgebaut.
Diese Zweikreis-Hochtemperatur-Wärmepumpe arbeitet mit zwei hintereinander geschalteten Heizkreisläufen. Der erste Kreislauf funktioniert wie bei einer herkömmlichen Wärmepumpe: Die der Luft, dem Erdreich oder Grundwasser entzogene Wärme wird dabei auf eine Temperatur auf etwa 40 °C erhöht. Im zweiten Kreislauf wird die Temperatur weiter erhöht, wobei ein anderes Kältemittel verwendet wird, das für die höhere Eingangstemperatur ausgelegt ist. Die dampfförmige Wärme wird dabei immer stärker verdichtet. Am Ende des Kreislaufs wird das Heizungswasser auf die gewünschte Vorlauftemperatur von 70 bis 90 °C erwärmt. Mit diesen Temperaturen ist es möglich, auch Heizungsanlagen, die mit den früher üblichen Temperaturen ausgelegt wurden, und für den Einsatz herkömmlicher Wärmepumpen nicht geeignet sind, ausreichend zu erwärmen.
Andere Hochtemperatur-Wärmepumpen
Eine Propan-Wärmepumpen erreicht aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels (R290) mit nur einem Kältekreis eine hohe Vorlauftemperatur. Propan (C3H8) gehört zu den Kohlenwasserstoffen und ist ein farbloses, nahezu geruchloses Gas, das schwerer als Luft ist, ein sogenanntes Flüssiggas. Das bedeutet, es verflüssigt sich unter Druck. Es hat einen Siedepunkt von -42 °C und eine Verflüssigungstemperatur von 70 °C bei 26 bar.
Bei der Aufstellung einer Propan-Wärmepumpe muss beachtet werden, dass das Kältemittel R290 brennbar (leicht entflammbar) und schwerer als Luft ist. Deshalb muss die Außeneinheit einer R290-Wärmepumpe so aufgestellt werden, dass bei einer Leckage Kältemittel weder in das Gebäude noch in die Kanalisation oder in das Heizungswasser gelangen kann. Wenn Propan in das Heizwassersystem gelangt, dann kann es durch die Entlüftungeinrichtungen in die Räume austreten.
Das in der Natur vorkommende Gas fällt als Bestandteil bei der Gewinnung von Erdöl an. Propan ist ein alltägliches, bekanntes Mittel zur Verbrennung, dessen Umgang erprobt ist und als sicher gilt. Es wird nicht nur in Kältemitteln (unter dem Namen R290), sondern auch zum Beispiel in Gaskochern, Gasfeuerzeugen, Gasflaschen undFlüssiggastanks für Gasheizungen eingesetzt.
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Bei der CO2-Wärmepumpe, die vorwiegend in der Industrie zum Einsatz kommt, wird CO2 als Kältemittel R744 verwendet. Mit dieser Art von Wärmepumpe können aus einer Eingangstemperatur von 35 °C Vorlauftemperaturen von bis zu 90 °C erzeugt werden. Industrielle Abwärme, Kühl- oder Abwässer dienen dabei als Wärmequellen für die CO2-Wärmepumpe, die eine effiziente Wärmerückgewinnung ermöglicht. Aufgrund des hohen Isentropenexponenten des CO2 kann das aus dem Verdichter austretende Druckgas, je nach Auslegung der Anlagenkomponenten, bis zu 150 °C betragen.
Bei der Verwendung als Wärmepumpen-Kältemittel hat CO2 in geschlossenen Kreisläufen einen vernachlässigbaren direkten Treibhauseffekt (GWP* = 1). Es ist nicht brennbar, chemisch inaktiv und schwerer als Luft.
CO2 als Kältemittel in Wärmepumpen zeichnet sich durch eine ganze Reihe physikalischer Eigenschaften besonders im Hinblick auf die Energieeffizienz aus. CO2 hat einen vergleichsweise hohen Wert bei der spezifischen Verdampfungsenthalpie. Das ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1 kg Kältemittel bei gleichbleibender Temperatur zu verdampfen. Auch lassen sich aus der volumetrischen Kälteleistung, die von den stofflichen Eigenschaften des CO2 abhängt, erhebliche Abweichungen in der Heizleistung ableiten. Die volumetrische Kälteleistung stellt dar, wie viel Kälteleistung mit 1 m3 Kältemittel theoretisch realisiert werden kann. Je größer dieser Wert ist, umso weniger Kältemittel muss für eine bestimmte Heizleistung umgewälzt werden. Das heißt wiederrum, dass dadurch auch Energieverluste in Anlagenkomponenten der Wärmepumpe sinken.
Da der Einsatz von CO2 in Wärmepumpen einen höheren technischen Aufwand gegenüber synthetischen Kältemitteln erfordert und damit auch zu höheren Kosten führt, wird CO2 hauptsächlich in Großwärmepumpen mit einer Heiz- bzw. Kälteleistung über ca. 100 kW eingesetzt. In dieser Größenordnung rechtfertigen die Effizienzvorteile den notwendigen erhöhten Investitionsbedarf. Meist amortisieren sich die Kosten innerhalb von zwei bis fünf Jahren gegenüber Wärmepumpen mit synthetischen Kältemitteln.
* GWP (Global Warming Potential [Erderwärmungspotenzial]) ist die Richtgröße der Klimawirksamkeit von Kohlendioxid (GWP von CO2 ist gleich 1) und die Treibhauspotenziale anderer Stoffe bemessen sich relativ zu CO2. Der GWP-Wert/CO2-Äquivalent (CO2e) gibt das Treibhauspotenzial eines Stoffes an und damit seinen Beitrag zur Erwärmung der bodennahen Luftschicht. Das GWP berücksichtigt die Emissionen während des gesamten Lebenszyklus der Wärmepumpe, einschließlich Herstellung, Transport, Installation und Betrieb.
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Die Heißgas-Wärmepumpe ist eine spezielle Form der Hochtemperatur-Wärmepumpe, bei der ein Teil des komprimierten Kältemittels direkt vom Verdichter abgeleitet und über einen zusätzlichen Wärmetauscher auf 70 °C erhitzt wird. Diese Wärme wird anschließend in einen Pufferspeicher eingebracht, der das Wasser für den Gebrauch erwärmt. Die Heißgas-Wärmepumpe ist besonders für Neubauten geeignet, bei denen die Vorlauftemperatur bereits niedrig genug für herkömmliche Wärmepumpen ist, jedoch eine zusätzliche Erwärmung des Trinkwassers erforderlich ist. Sie wird weniger für Altbauten mit hohen Vorlauftemperaturen empfohlen.
Durch die ausgekoppelten Wärmemenge und der etwas geringeren durchschnittlichen Temperatur verringert sich zwar die Leistung und die Leistungszahl für den Heizbetrieb minimal, aber dieser Effekt wird jedoch aufgewogen, indem die Laufzeit mit hohen Temperaturen für die Trinkwassererwärmung reduziert und damit die Gesamteffizienz der Wärmepumpe erhöht wird.
Die Entladung des Heißgases, das zwischen Verdichter und Verflüssiger fließt (Heißgasleitung), stellt in diesen Anwendungsfällen, in denen unterschiedlich hohe Temperaturen, mit einem Schwerpunkt auf der Bereitstellung von niedertemperierter Heizwärme, benötigt werden, daher eine gute Option dar, die Effizienz der Wärmepumpe bei einer kombinierten Heiz- und Trinkwassererwärmungsbetrieb zu erhöhen.
Die Heißgasauskopplung realisiert bei der Trinkwasserwassererwärmung Temperaturen von häufig über 70 °C, sodass z. B. das Nachheizen mit einem direktelektrischen Heizstab entfällt. Damit werden zugleich auch die gängigen Normen und Verordnungen bezüglich der Wasserhygiene und Legionellenvermehrung im Bereich Trinkwarmwasser erfüllt. Auch Zirkulations- und Verteilverluste insbesondere in Mehrfamilienhäusern können so reduziert werden.
Durch die Heißgasauskopplung bedingte ruhigere Betriebsweise der Wärmepumpe vermindert sich zudem der Verschleiß des Verdichters, sodass die Lebensdauer der Wärmepumpe ansteigt.