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Technik von Hochtemperatur-Wärmepumpen im Überblick

Wie funktioniert eine Hochtemperatur-Wärmepumpe? Welche Techniken werden genutzt, um hohe Brauch- und Heißwassertemperaturen zu erzeugen? Wie können Wärmepumpen hohe Quellentemperaturen nutzen?

Unter Hochtemperatur-Wärmepumpen versteht man sowohl Wärmepumpen, die hohe Heiz- und Brauchwassertemperaturen erzeugen können als auch Wärmepumpen, die hohe Wärmequellentemperaturen nutzen können. Wir stellen Ihnen hier die gängigen technischen Lösungen vor, wie diese Hochtemperatur-Wärmepumpen funktionieren.

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Bei der Heizungsmodernisierung geht es in der Regel darum, einen neuen, effizienten Wärmeerzeuger in ein bestehendes Wärmeverteilsystem zu integrieren. Dabei sind die erforderlichen Vorlauftemperaturen gerade bei bestehenden Heizkörpern so hoch, dass diese mit einer normalen Wärmepumpe nicht effizient erzeugt werden könnten. Daher kommen in diesen Fällen spezielle Hochtemperatur-Wärmepumpe zum Einsatz.

Die Sabroe HeatPAC™ HPX-Wärmepumpen-Baureihe von Johnson Controls ist eine industrielle Hochtemperatur-Wärmepumpe, die bis zu 90°C heißes Wasser aus Abwärme erzeugt. (Foto: Johnson Controls Denmark ApS)
Die Sabroe HeatPAC™ HPX-Wärmepumpen-Baureihe von Johnson Controls ist eine industrielle Hochtemperatur-Wärmepumpe, die bis zu 90°C heißes Wasser aus Abwärme erzeugt. (Foto: Johnson Controls Denmark ApS)

Diese speziellen Wärmepumpen erreichen aufgrund spezieller Verdichtertechnik, mehrstufigen Kreisprozessen und unter Einsatz verschiedener Kältemittel Vorlauftemperaturen von 70 °C bis sogar über 80°C und können so ideal in Altbauten aber auch im Gewerbe oder Industrie als Wärmepumpenlösung eingesetzt werden.

Oilon "ChillHeat" Industiewärmepumpen nutzen HFC/HFO Kühlmittel mit sehr geringem GWP (Global Warming Potential) und können Wassertemperaturen von über 100 °C bei voller Leistung bereitstellen. (Foto: Oilon)
Oilon "ChillHeat" Industiewärmepumpen nutzen HFC/HFO Kühlmittel mit sehr geringem GWP (Global Warming Potential) und können Wassertemperaturen von über 100 °C bei voller Leistung bereitstellen. (Foto: Oilon)
ratiotherm Hochtemperatur-Wärmepumpe WP Grid-HiQ CF 06
Speziell für Altbauten mit Heizwärmebedarf von 3 bis 9 kW eignet sich die drehzahlgeregelte ratiotherm Hochtemperatur-Wärmepumpe WP Grid-HiQ CF 06. Sie ist als Wasser/Wasser- oder Sole/Wasser-Wärmepumpe einsetzbar und beinhaltet einen 200 Liter Pufferspeicher sowie ein zusätzliches Frischwassermodul. Sie erreicht Vorlauftemperaturen von bis zu 72 °C und arbeitet mit möglichen Quellnetz-Temperaturen von 10 bis 55 °C. (Foto: ratiotherm Heizung + Solartechnik GmbH, Dollnstein)

Hochtemperatur-Wärmepumpen mit Heißgas

Eine Technik, hohe Brauchwasser-Temperaturen zu erzeugen, erfolgt durch eine gesonderte Nutzung des Heißgases (dampfförmiges, bereits verdichtetes Kältemittel). Da dieses näher am Verdichter geschieht ist, ist die Temperatur um ca. 20°C höher als die Temperatur, die normalerweise in den Verflüssiger gelangt.

Dabei wird das gewonnene Heißgas an einen zusätzlichen Wärmetauscher abgegeben und damit der obere Speicherbereich des Frischwasserspeichers aufgeheizt. Daher spricht man hierbei auch von einer sogenannten "Topladung" oder "Toploader". Durch diese sogenannte Heißgaslade-Technik (HGL-Technik) kann die Hochtemperatur-Wärmepumpe im Winterbetrieb niedrige Temperaturen von z.B. 35 °C für Flächenheizungen bereitstellen, und gleichzeitig den oberen Speicherbereich für den Warmwasserbedarf auf 60 °C erhitzen, ohne dass dies die Leistungszahl der Wärmepumpe beeinträchtigt.

Teilweise wird bei der Heißgas-Nutzung auch von Hochtemperatur-Wärmepumpen gesprochen, die auf der Nutzung des Sauggases basieren. Da die Überhitzung des Sauggases verantwortlich ist, welche Heißgastemperatur sich einstellt, sind diese Techniken jedoch äquivalent.

Die TERRA Twin Hochtemperatur-Wärmepumpen von IDM Energiesysteme basieren auf der Heißgaslade-Technik und besitzen zwei Kompressoren, um die Leistung in der Übergangszeit auf 50 Prozent anzupassen. (Foto: IDM Energiesysteme)
Die TERRA Twin Hochtemperatur-Wärmepumpen von IDM Energiesysteme basieren auf der Heißgaslade-Technik und besitzen zwei Kompressoren, um die Leistung in der Übergangszeit auf 50 Prozent anzupassen. (Foto: IDM Energiesysteme)

Hochtemperatur-Wärmepumpe mit zweistufigem Kreisprozess

Eine weitere Technik hohe Temperaturen mit Wärmepumpen zu erzeugen ist der Einsatz eines zweistufigen Kreisprozesses. Die zwei hintereinandergeschalteten Kreisprozesse werden dann mit meistens unterschiedlichen Kältemitteln betrieben, die für die jeweilige Temperatur ideale Eigenschaften mitbringen.

Beim zweistufigen Kreisprozess bildet dann der Kondensator der ersten Stufe den Verdampfer für die zweite Stufe. Erzeugt also die "erste Wärmepumpe" eine Temperatur von z. B. 40°C so nutzt das danach geschaltete Wärmepumpenmodul diese Temperatur als Eingangstemperatur und pumpt das Temperaturniveau weiter hoch. Eine solche Hochtemperatur-Wärmepumpe kann dann Heizwassertemperaturen von 80°C oder auch 90°C erzeugen und wird teilweise sogar dazu eingesetzt, Nah- und auch Fernwärmenetze mit Heizwärme zu versorgen.

Buderus Luft-Wärmepumpe Logatherm WPL AR HT mit zwei Kältemittelkreisläufen (Foto: Buderus)
Buderus Luft-Wärmepumpe Logatherm WPL AR HT mit zwei Kältemittelkreisläufen (Foto: Buderus)

Hochtemperatur-Wärmepumpe mit CO2

Eine spezielle Technik von Hochtemperatur-Wärmepumpen stellen CO2-Wärmepumpen dar, die u.a. bis Dezember 2017 von der Dürr thermea GmbH hergestellt wurden. Die thermeco2 Wärmepumpen nutzen das natürliche Kältemittel CO2 (R744) um Vorlauftemperaturen für Heiz- und Prozesswärme bis 90 °C herzustellen. Aufgrund der besonderen Eigenschaften des CO2 als Kältemittel lassen sich hohe Temperaturen auch aus vorhandenen Niedertemperaturquellen wie industrieller Abwärme und Abwasser bis 35 °C erzeugen. Die Wärmerückgewinnung von Energie aus Kühlwässern, Rückkühlern oder Abwässern durch den Einsatz von CO2-Hochtemperaturwärmepumpen verringert so den Primärenergieeinsatz und CO2-Emissionen. Energetisch besonders effektiv ist es, mit CO2-Hochtemperaturwärmepumpen die Kälteerzeugung bis - 10°C mit der Hochtemperatur-Wärmerückgewinnung bis 90°C zu kombinieren.

Die Hochtemperaturwärmepumpe und Kältemaschine Dürr thermeco₂ HHR65 kann aus Niedertemperaturquellen Heiz- und Prozesswärme bis 90 °C herstellen. (Dürr thermea GmbH)
Die Hochtemperaturwärmepumpe und Kältemaschine Dürr thermeco₂ HHR65 kann aus Niedertemperaturquellen Heiz- und Prozesswärme bis 90 °C herstellen. (Dürr thermea GmbH)

Hochtemperatur-Wärmepumpen für hohe Medientemperaturen

Neben Hochtemperatur-Wärmepumpen, die hohe Heiz- und Brauchwassertemperaturen erzeugen, gibt es auch Wärmepumpen, die hohe Medientemperaturen nutzbar machen können. Denn herkömmliche Kältemittel verdampfen nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches von teilweise - 20°C bis zu + 40°C und teilweise auch ein bisschen mehr. In jedem Fall nimmt die Effizienz des Wärmepumpenprozesses unter- oder oberhalb dieser Temperaturen stark ab. Um z. B. industrielle Abwärme mit Temperaturen von über 70°C oder 80°C sinnvoll nutzen zu können, wurden Hochtemperatur-Wärmepumpen mit speziellen Kältemitteln entwickelt.

Experten-Wissen: Niedrig siedende Medien werden auch zur Stromerzeugung genutzt. Zum einen ist hier der Organic Rankine Cycle (ORC) zu nennen, bei dem organische Flüssigkeiten verwendet werden. Zum anderen nutzt man bei einem noch geringeren Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke den Kalina-Prozess. Hier kommt jedoch im Gegensatz zum ORC ein Zwei-Stoff-Gemisch aus Ammoniak und Wasser zum Einsatz.

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"Technik der Hochtemperatur-Wärmepumpe" wurde am 04.04.2019 das letzte Mal aktualisiert.