Projekt 10266/02

Entwicklung einer Heizkessel-Wärmepumpe

Projektträger

Zeolith-Technologie GmbH
Ohmstr. 3
85716 Unterschleißheim
Telefon: 089/310-4484

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des Projekts Heizkessel-Wärmepumpe soll ein energieeffizientes Heizsystem für Raumheizungen und Brauchwasser entwickelt werden. Das System ist eine Kombination aus einem Brennwertkessel des aktuellen Standes der Technik und einer thermisch angetriebenen Feststoff-Sorptionswärmepumpe mit dem natürlichen und umweltverträglichen Arbeitsstoffpaar Wasser/Zeolith. Im Rahmen der vorausgegangen Vorphase wurde eine Wärmetauscherkonzeption gefunden, die eine kostengünstige und mit hohem Wirkungsgrad arbeitende Heizkessel-Wärmepumpe möglich erscheinen lässt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Hauptziel bei der Entwicklung der Heizkessel-Wärmepumpe bestand in dem Nachweis einer möglichen Energieeinsparung in Höhe von ca. 25 %, bezogen auf einen NT-Heizkessel. Das Erreichen dieses Zieles war abhängig von der Lösung mehrerer Wärmeübertragungs-Probleme: Zunächst wurde mit der Weiterentwicklung und dem Bau eines geeigneten Sorber-Wärmeaustauschers begonnen, um die Desorptionswärme effektiv an den Zeolith übertragen zu können und anschließend die im Zeolith vorhandene sensible Wärme und die bei der Adsorption entstehende Adsorptionswärme abführen und an einen Heizungswärmetauscher übertragen zu können. Die Anpassung dieser Technologie auf die neu dimensionierte Heizkessel-Wärmepumpe erforderte umfangreiche experimentelle Maßnahmen.
Bei der Auswahl des Heizungswärmetauschers lagen von anderen Projekten Erfahrungen und Erkenntnisse vor, auf die zurückgegriffen werden konnte.
Ein weiteres Wärmeübertragungsproblem war die aus der Umgebung oder aus einem zu kühlenden Raum in den Verdampfer/Eisspeicher einzukoppelnde Wärme. Auch hier konnte auf Vorarbeiten aus anderen Projekten zurückgegriffen werden, bei denen derartige Eispuffer im Einsatz waren.
Abschließend wurden aus den Einzelkomponenten zwei Gesamtaggregate montiert und experimentell auch von dritter Seite untersucht. Das Projekt wurde mit der Hauptphase innerhalb eines Zeitraums von 20 Monaten abgeschlossen.


Ergebnisse und Diskussion

Im Zeitraum von Januar 2000 bis Februar 2001 wurden mehrere hundert Versuchszyklen an den Zeolith-Wärmepumpen erfolgreich durchgeführt. Während der Weltausstellung wurde die EXPO-Anlage zahlreichen Besuchern im praktischen Klima-Betrieb vorgeführt. Im September 2000 hat die niederländische Firma Gastec an dieser Version Leistungsmessungen mit eigenem Equipment und Personal durchgeführt. Da es sich bei den Adsorptions-Wärmepumpen im Prinzip um zwei Wärmespeicher (Zeolith auf hoher und Sole/Verdampfer auf niedriger Temperatur) handelt, war die Anpassung an den jeweils nachgefragten Wärmebedarf immer auf einfache Weise möglich. Je nach Anforderung konnte sowohl der Adsorptionsmodus als auch der Desorptionsmodus verlängert bzw. verkürzt werden, ohne dass dies Nachteile im Wirkungsgrad zur Folge hatte. So konnte der Brenner getaktet oder ganz abgestellt werden, wenn beispielsweise während der Desorptionsphase der Wärmebedarf des Heizungskreislaufes sehr gering war. Andererseits konnte bei extrem hohem Wärmebedarf auch während der Desorptionsphase die Umluft-Klappe (auch teilweise) auf Adsorptionsbetrieb gestellt werden. In dieser Stellung wurde nun die volle Brennerleistung und zusätzlich die Wärmemenge aus der Zeolithfüllung dem Heizkreislauf angeboten. Die Prototypen der Zeolith-Wärmepumpe erreichten bereits recht gute Heiz-COP. Wichtig war jedoch die richtige Einstellung der Randbedingungen. Bei einer Außenlufttemperatur von 5°C erreicht man durch Optimierung der Randbedingungen - z.B. Desorptionsendtemperatur und Adsorptionsendtemperatur - eine Verbessung des Heiz-COP von 119 % auf 127%. Nach Abschluss des Projektes gelang es, mit einem anderen Zeolith-Typ als dem in dem Prototypen eingesetzten, durch Zugabe eines Stabilisators die bereits zu Beginn des Projektes erhofften Formkörper herzustellen. Der nun verwendete Zeolith hat zwar eine etwas geringere Wasseraufnahmefähigkeit, gestattet aber größere Temperaturdifferenzen in den Wärmetauschern, welche den Nachteil geringerer Beladung relativieren. Die innovative Zeolith-Wärmepumpe bietet zukünftig eine sehr gute Möglichkeit den Anforderungen aus der Energieeinsparverordnung (EnEV) insbesondere auch im Renovierungsmarkt Rechnung zu tragen. Ein zunehmender Anteil von Ökostrom und verbesserte Kraftwerkstechnologien verbessern die sehr gute Energiebilanz der Wärmepumpe nochmals. Die Energieeinsparverordnung fördert den Einbau von Zeolith-Wärmepumpen, weil der Heizwärmebedarf gegenüber geltenden Regelungen deutlich reduziert und damit die Investitionskosten weiter gesenkt werden können. Bei Gebäuden, an denen - aus welchen Gründen auch immer - nur der Mindestwärmeschutz realisiert werden kann, werden mit der Zeolith-Heizkesselwärmepumpe die Anforderungen der Energieeinsparverordnung trotzdem deutlich übertroffen. Bei einem zunehmenden Anteil von Lüftungsanlagen wird die Wärmepumpe zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft weitere Verbreitung finden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· Weltweites Projekt der Expo2000 in Deutschland.
· Pressemitteilungen an alle relevanten Zeitungen
· Veröffentlichungen im Münchner Merkur, im Handelsblatt, im DM Magazin und in der Zeitschrift Impulse. Im Rahmen der Initiative Jugend und Umwelt der Frankfurter Allgemeinen Zeitung (F.A.Z) Besuch einer Schülergruppe und der zuständigen Redakteurin. Ziel des Besuchs war eine umfassende Darstellung der Zeolith-Technologie und ihrer Anwendungen, u.a. auch die Heizkesselwärmepumpe, in Form von Reportagen. Die Reportagensammlung erschien am 16. August 2000 in einer ganzseitigen Darstellung in der Rubrik Jugend und Umwelt.
· Erstellung des Expo2000-Flyers sowie die Projektpräsentation in einer Broschüre der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) Weltweite Projekte: Beispiele aus Deutschland.
· Diverse Fernsehberichte im Bayr. Fernsehen BR3, Profile, und in TM3 Crashtest.
· Internetauftritt der Zeo-Tech GmbH mit Blick auf die Teilnahme als Weltweites Projekt an der Expo2000 aktualisiert. Während der Expo2000 erhöhte sich die mittlere Zugriffszahl auf die Internet-Seiten von ca. 220 Zugriffe/Monat auf 420 Zugriffe/Monat. Eine ähnliche Entwicklung nahm die damit eng verknüpfte Verschickung von allgemeinem Informationsmaterial an Interessenten.
· Es wurde ein Besucherleitsystem, welches von der Gemeine Unterschleißheim finanziert wurde, eingerichtet. Des Weiteren wurde während des EXPO Zeitraumes ein Präsentationsraum eingerichtet. Privatpersonen wie auch das Fachpublikum nutzten zahlreich die Möglichkeit sich ausführlich zu informieren.


Fazit

Aufbauend auf den Erfahrungen, die im vorliegenden Projekt und insbesondere bei der Entwicklung eines selbstkühlenden Bierfasses (s.a. www.zeo-tech.de) gewonnen wurden, wird die nächste Entwicklungsstufe nicht mehr mit einer Kaltdampfklappe sondern mit zwei unabhängigen selbsttätigen Dampf-Rückschlagventilen und dem Zeolith-Typ Na-A arbeiten.
Zukünftig soll mit einem vertriebsstarken Partner zunächst ein nahe an der späteren Serienfertigung konzipierter Prototyp aufgebaut werden. Feldtests sowie die Markteinführung sollen folgen. Mit einer Markteinführung der Wärmepumpe kann bei einer erfolgreichen Zusammenarbeit frühestens am Jahresende 2003 bzw. Jahresanfang 2004 gerechnet werden. Die Zeolith-Wärmepumpe wird als Nachfolgetechnologie zum Gasbrennwert-Heizgerät vermarktet und zunächst als sogenanntes high-end Gerät angeboten werden. Fernziel ist bei größeren Stückzahlen einen signifikanten Anteil am Markt für die Sanierung von Altanlagen in Altbauten zu erobern. Darüber hinaus wird zur Zeit die Entwicklung einer mit Holzpellets befeuerten Zeolith-Wärmepumpe, als nahezu CO2-neutrales Heizsystem für Alt- und Neubauten, mit interessierten Herstellerfirmen diskutiert.