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Arten und Einsatzmöglichkeiten von Gas-Wärmepumpen

Die Gaswärmepumpe ist eine Wärmepumpe, die mit Erdgas angetrieben wird. Durch die Nutzung von Umgebungswärme wird der Wirkungsgrad im Vergleich zum kondensierenden Gaskessel weiter gesteigert. Für den Ein- und Mehrfamilienhausbereich wird die Gaswärmepumpe daher als eine wichtige Nachfolgetechnik zu den heute als technischer Standard betrachteten Gasbrennwertheizungen gesehen.

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Arten von Gaswärmepumpen

Gaswärmepumpen zählen zu den Sorptionswärmepumpen. Diese werden in drei unterschiedliche Funktionstypen unterschieden, die sich nach dem Prinzip

  • der Absorption (Stoffpaarung Flüssigkeit / Gas) und
  • der Adsorption (Stoffpaarung Feststoff / Flüssigkeit, Gas) unterscheiden.

Adsorption bezeichnet die physikalische Bindung eines Gases an einen Feststoff unter Abgabe von Wärme. Absorption beschreibt die physikalische Bindung einer Flüssigkeit oder eines Gases in einer Flüssigkeit unter Abgabe von Wärme. Wie andere Kompressionswärmepumpen auch nutzen alle Gaswärmepumpen dabei ein zirkulierendes Arbeitsmedium, das durch Aufnahme und Abgabe von Wärme ständig seinen Aggregatzustand ändert: Es verdampft unter Aufnahme von Umweltwärme, und es wird verflüssigt unter Abgabe von Nutzwärme.

Gasmotor-Wärmepumpe

Die Gasmotor-Wärmepumpe ist die engste Verwandte der Elektrowärmepumpe. Analog zur Elektrowärmepumpe wird die Umgebungswärme mit Hilfe eines Arbeitsmediums (auch Kältemittel genannt) vom tieferen zum höheren Temperaturniveau gepumpt. Dazu durchläuft das Arbeitsmedium immer wieder denselben Kreislauf. Im Kondensator (Verflüssiger) ändert das Arbeitsmedium seinen Zustand von gasförmig nach flüssig und gibt dabei die aufgenommene Umgebungswärme ab. Das flüssige Arbeitsmedium nimmt danach im Verdampfer die Umgebungswärme auf und wird dabei wieder gasförmig (es verdampft) und der Kreislauf beginnt im Kompressor von Neuem.

Der Kompressor einer Gasmotorwärmepumpe wird von einem Gasmotor angetrieben (in einer Elektrowärmepumpe ist dies ein Elektromotor). Der Gasmotor gibt, wie der Motor eines Autos, auch Wärme ab. Diese Abwärme geht aber nicht verloren, sondern wird ebenfalls zum Heizen verwendet. Dieser Wärmepumpen-Prozess kann auch umgekehrt werden, wodurch aus der gleichen Maschine eine Kältemaschine wird, die im Sommer zum Kühlen von Gebäuden eingesetzt werden kann.

Schematische Darstellung einer Gasmotorwärmepumpe (Grafik: ASUE - Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)
Schematische Darstellung einer Gasmotorwärmepumpe (Grafik: ASUE - Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)

Gas-Absorptions-Wärmepumpe

Bei der Absorptions-Wärmepumpe wird die Umgebungswärme mittels eines Arbeitsmedium-Kreislaufs vom tieferen zum höheren Temperaturniveau gepumpt. Das Arbeitsmedium ist in diesem Fall Ammoniak, das innerhalb der Maschine abwechselnd gasförmig und in Wasser gelöst ist. Den Antrieb des Kreislaufes besorgt ein Gasbrenner, der die Ammoniak-Wasser-Lösung erhitzt und so das Ammoniak wieder als Gas aus dem Wasser austreibt.

Das heiße Ammoniakgas gelangt in den Kondensator, gibt seine Wärme als Heizenergie ab und wird wieder flüssig. Danach gelangt das flüssige Ammoniak in den Verdampfer, wo es Umgebungswärme aufnimmt und wieder gasförmig wird. Im danach folgenden Absorber löst sich das Ammoniakgas in Wasser und gibt dadurch die aufgenommene Wärme ab. Vom Absorber wird das Wasser-Ammoniak-Gemisch wieder in den Austreiber gepumpt, und der Kreislauf beginnt erneut. Auch bei der Absorptions-Gaswärmepumpe kann durch Umkehren des Kreislaufes gekühlt statt geheizt werden.

Die Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe ist hingegen ein Wärmepumpenaggregat mit Ammoniak, Wasser und Helium als Arbeitsmedien. Das Wärmepumpenaggregat benötigt keine mechanische Pumpe oder Kompressoren. Stattdessen setzt sich der Diffusions-Absorptions-Prozess bei Wärmezufuhr selbstständig in Bewegung. Die Arbeitsmedien zirkulieren im Gerät aufgrund der sich durch Wärmezufuhr automatisch einstellenden Dichte- und Konzentrationsunterschiede. Beim Kreisprozess verdunstet das Kältemittel Ammoniak im Verdampfer und diffundiert in eine Heliumatmosphäre. Dabei nimmt das Kältemittel Energie aus der Umwelt auf. Das Dampfgemisch aus Ammoniak und Helium strömt nach dem Verdampfer in einen Absorber. Im Absorber wird das Kältemittel wieder vom Helium getrennt. Dies geschieht indem eine wässrige Lösung in den Absorber geleitet wird.

Das Kältemittel ist sehr gut wasserlöslich und wird daher vom Wasser absorbiert (aufgenommen). Die dabei frei werdende Energie wird dem Heizsystem zur Verfügung gestellt. Das vom Kältemittel gereinigte Helium wird wieder in den Verdampfer geleitet, wo es erneut Kältemittel aufnimmt. Die im Absorber mit Kältemittel angereicherte wässrige Lösung fließt in einen Austreiber. An dieser Stelle tritt der Gasgebläsebrenner in Aktion. Über den Brenner wird Wärme in den Austreiber eingekoppelt. Das Kältemittel verdampft, während die verbleibende wässrige Lösung in den Absorber zurückgeleitet wird. Im Absorber wird die wässrige Lösung erneut mit Kältemittel angereichert. Der aus dem Austreiber aufsteigende Kältemitteldampf wird im Kondensator verflüssigt. Auch die frei werdende Kondensationswärme wird an das Heizsystem abgeführt. Das Kondensat gelangt anschließend in den Verdampfer, wo es erneut verdunstet und Umweltwärme aufnimmt. Der Kreislauf ist geschlossen.

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer Gasabsorptionswärmepumpe (Grafik: ASUE - Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)
Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer Gasabsorptionswärmepumpe (Grafik: ASUE - Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)

Gas-Adsorptionswärmepumpe

Gasadsorptionswärmepumpe nutzen einen Feststoff zur Wärmeerzeugung. Hierbei hat sich vornehmlich der Einsatz von Zeolith etabliert, der zu den Siedesteinen gehört und ein keramikähnliches Material ist, das aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid besteht. Das Zeolith nimmt Wasserdampf auf, der mit Hilfe von Umweltwärme erzeugt wird. Durch die Unterbrechung der Wärmezufuhr sinkt der Druck und die Temperatur. Das kondensierte Wasser im Druckbehälter verdampft nun durch Einkopplung von Umgebungswärme bei niedriger Temperatur und wird vom abgekühlten Zeolith wieder aufgenommen (adsorbiert). Dabei erwärmt sich das Zeolith sehr stark. Diese Wärme wird dann zu Heizzwecken genutzt.

Bei der Desorption wird mit der Energie aus dem Gasbrennwertgerät der gebundene Wasserdampf anschließend wieder aus dem Zeolith ausgetrieben. Der Gasbrenner erhitzt den feuchten Zeolith über einen Wärmetauscher. Das im Zeolith gespeicherte Wasser verdampft (desorbiert), im Unterdruckbehälter steigt der Druck leicht an. Die abgegebene Wärme wird dann an den Heizkreislauf abgegeben.

Mit Zeolith-Gaswärmepumpen können Erd- oder Solarwärme als Wärmequellen genutzt werden. Technisch soll zukünftig auch Abluftnutzung von Lüftungssystemen möglich werden. Da die Zeolith-Gaswärmepumpe fast ohne bewegliche Bauteile auskommt, ist ein sehr geräusch- und auch wartungsarmer Betrieb möglich.

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer Gasadsorptionswärmepumpe (Grafik: ASUE - Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)
Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer Gasadsorptionswärmepumpe (Grafik: ASUE - Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)

Einsatzmöglichkeiten von Gas-Wärmepumpen

Gaswärmepumpen haben einen nahezu identischen Einsatzbereich wie die weit verbreiteten Gas-Brennwertgeräte. Vorhandene Flächenheizungen, Heizkörper, Heizungsrohrnetze und auch Solarkollektoren können bei einer Nachrüstung meist weiter genutzt werden. Für die Abgasabführung können die von der Gasbrennwerttechnik bekannten Systeme eingesetzt werden.

Am effizientesten ist der Einsatz einer Gaswärmepumpe bei einer Vorlauftemperatur unter 40°C. Jedoch erzeugen sie auch bei höheren Vorlauftemperaturen von z. B. 55 bis 60°C in Leistungsklassen von 15 bis 80 kW wirtschaftlich und umweltschonend Heizwärme. Welcher Gaswärmepumpentyp in einem Gebäude installiert werden kann, hängt dabei hauptsächlich von der Größe des Gebäudes und dem daraus resultierenden Wärmebedarf ab.

Die Logatherm GWPL 41kW Absorptions-Gaswärmepumpe erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 165% und eine maximale Vorlauftemperatur von bis zu 70°C im Warmwasserbetrieb. (Foto: Buderus)
Die Logatherm GWPL 41kW Absorptions-Gaswärmepumpe erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 165% und eine maximale Vorlauftemperatur von bis zu 70°C im Warmwasserbetrieb. (Foto: Buderus)
Tabelle: Einsatzbedingungen und -bereiche von Gaswärmepumpen
Gaswärmepumpen-Typ Heizleistung Einsatzbereiche Nutzbare Wärmequellen
Gasmotorwärmepumpe etwa 25 bis 80 kW Mehrfamilienhäuser, Gewerbe und Industrie Außenluft, Abluft, Abwasser, Erdreich, Solarthermie
Gasabsorptionswärmepumpe etwa 15 bis 40 kW Mehrfamilienhäuser, Gewerbe und Industrie Außenluft, Abluft, Abwasser, Erdreich, Solarthermie
Gasadsorptionswärmepumpe etwa 15 kW Ein- und Zweifamilienhäuser Erdreich, Solarthermie

Der größte Vorteil von Gaswärmepumpen liegt in ihren deutlich höheren Jahresnutzungsgraden von bis zu 135 Prozent (Zeolith-Gaswärmepumpe), welcher im Vergleich zu Brennwertgeräten CO2-Einsparungen von bis zu 25 Prozent ermöglicht. Daher erfüllt die Gaswärmepumpe auch die Anforderungen zur Nutzung regenerativer Energien aus dem Erneuerbaren-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG), wonach Gaswärmepumpen eine Jahresarbeitszahl von mindestens 1,2 aufweisen und den im Gebäude benötigten Wärmebedarf zu mindestens 50 % abdecken muss.

Schnittbild der TEDOM POLO 100 Gaswärmepumpe (Foto: TEDOM a.s.)
Schnittbild der TEDOM POLO 100 Gaswärmepumpe (Foto: TEDOM a.s.)

Experten-Tipp: Die Jahresheizzahl und der Jahresnutzungsgrad von gasbetriebenen Sorptionswärmepumpenanlagen sollte anhand der Richtlinie VDI 4650 Blatt 2 „Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresheizzahl und des Jahresnutzungsgrads von Sorptionswärmepumpenanlagen; Gas-Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung“ berechnet werden. So kann bereits vor der Entscheidung zur Anschaffung einer Gas-Wärmepumpen Klarheit über den Energieverbrauch geschaffen und Grunddaten für die Ermittlung der Umweltrelevanz und die Wirtschaftlichkeit derartiger Anlagen gewonnen werden.

Steuerentlastung für Gasmotorwärmepumpen

Aufgrund der klimafreundlichen Wärmerzeugung einer Gasmotorwärmepumpe, werden diese, sofern sie ausschließlich für die Wärmeversorgung in Gebäuden eingesetzt werden, mit einer Steuerentlastung auf den beim Gasbezug für Heizzwecke zu entrichtenden ermäßigten Satz der Energiesteuer von 0,55 ct/ kWh Erdgas gefördert. Die Entlastung beträgt dann 0,442 ct / kWh. Voraussetzung ist jedoch, dass mindestens 70 % der in der Gasmotorwärmepumpe eingesetzten Energie als Heizwärme im Gebäude eingesetzt werden. Wenn der durchschnittliche Jahresnutzungsgrad der Gaswärmepumpe unterhalb von 60 % liegt, besteht jedoch die Gefahr, dass der volle Energiesteuersatz von 1,39 ct/kWh fällig wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Gaswärmepumpe überwiegend der Kälteerzeugung dient.

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Detail-Informationen zu den verschiedenen Arten von Wärmepumpen

"Arten und Einsatzmöglichkeiten von Gas-Wärmepumpen" wurde am 05.02.2018 das letzte Mal aktualisiert.