Effiziente Nutzwärme mit CO2-Hybridwärmepumpe

Im Bereich der Nutzwärmebereitstellung ist ein Trend hin zu nachhaltigen Heiztechniken, wie Wärmepumpen, zu beobachten. Wärmepumpen nutzen Umgebungswärme oder Abwärme durch Wärmetransformation.

Stand der Technik

Im Neubausektor werden klassische Kompressionswärmepumpen bereits als primäre Wärmeerzeuger eingesetzt. Bei sinkenden Außentemperaturen wird meist ein zweites separates Heizgerät zugeschaltet, um der Spitzenlast als bivalentes Heizsystem zu begegnen. Trotz ihrer hohen Leistungszahl ist die Umstellung auf Wärmepumpen bei der Bestandssanierung wenig verbreitet. Grund dafür: Sie arbeiten am besten mit Niedertemperaturheizkörpern, wie Fußbodenheizung.

Technologie

Mit einer neuen Hybridwärmepumpe, die einen transkritischen CO₂-Kompressionskreislauf (KK) und einen Adsorptionskreislauf (AK) verbindet, schaffen Wissenschaftler des Instituts für Angewandte Thermofluidik (IATF) die Voraussetzungen für den Einsatz von Wärmepumpen zur Beheizung und zur Warmwasserbereitung in bestehenden Gebäuden. Anders als bei existierenden Systemen sind beide Kreisläufe über einen integrierten Schichtwärmespeicher miteinander gekoppelt, um Wärme aus dem CO₂-Zyklus zu puffern und innerhalb des Adsorptionszyklus zurückzugewinnen. Diese hybride Betriebsart weist eine sehr hohe Flexibilität auf: Der AK kann entweder als Hilfskreislauf zum KK (Strombetrieb) oder als Adsorptionswärmepumpe unter Nutzung einer zusätzlichen Antriebswärmequelle (z.B. Gasbrenner) betrieben werden. Bei Spitzenlast werden auch hier beide Kreisläufe gleichzeitig betrieben.

Vorteile

Durch Einsatz des Schichtwärmespeichers wird eine bessere Anpassbarkeit des Adsorptionszyklus an die Wärmebereitstellung durch den CO₂-Zyklus und dadurch eine bis zu 30 Prozent höhere Gesamteffizienz erreicht, ohne weitere teure Zusatzkomponenten. Damit können höhere Vorlauftemperaturen für herkömmliche Heizkörper sowie für die Warmwasserbereitung erreicht werden. Im Unterschied zu den meist verwendeten fluorierten Arbeitsmitteln ist CO₂ ein kostengünstiges und umweltfreundliches Arbeitsmittel.

Optionen für Unternehmen

Über die Nutzwärmebereitstellung hinaus wäre auch der Einsatz zur Kühlung oder Klimatisierung denkbar. Das KIT sucht Industriepartner für die gemeinsame Weiterentwicklung und die Umsetzung der Hybridwärmepumpe.