IEA Heat Pumping Technologies MAGAZINE Vol. 38, No. 2/2020

Vorwort

In seinem Vorwort diskutiert Onno Kleefkens, Operating Agent des Annex 46, über Herausforderungen und Barrieren, die eine weitere Verbreitung von Wärmepumpen in Sanierungsanwendungen zurzeit einschränken.

Renovierungen bestehender Gebäude eröffnen einerseits einen großen potenziellen Markt für erneuerbare Heiz- und Warmwassersysteme, aber andererseits stellen die aktuellen Eigentümerverhältnisse (in Europa haben die Hälfte aller Wohngebäude private Besitzer) ein großes Hindernis dar, da Eigentümer Renovierungslösungen mit den niedrigsten Investitionskosten bevorzugen.

Der Einsatz von Wärmepumpen kann im Vergleich zu konventionellen Heizungssystemen erhöhte Investitionskosten mit sich bringen. Technische Lösungen, wie einfache Plug&Play Systeme oder Hybridsysteme, als auch entsprechende politische Maßnahmen können hier wesentlich unterstützen.

Kolumne

M. Kegel, S. Breton, S. Prudhomme und J. Tamasauskas berichten über die steigende Markt-Akzeptanz der Wärmepumpentechnologie in Kanada.

In Rahmen des pan-kanadischen Rahmenwerks „Sauberes Wachstum und Klimawandel" hat sich Kanada verpflichtet, seine Treibhausgasemissionen (THG) bis 2030 um 30% gegenüber dem Niveau von 2005 zu reduzieren. Zur Unterstützung wurde ein Markt-Transformationsfahrplan entwickelt, in dem Wärmepumpen als wichtiges Schlüsselelement betrachtet werden. Luft-Luft-Wärmepumpen für Gebiete mit kaltem Klima sind vielversprechende Lösungen mit niedrigen Kosten und relativ geringem Installationsaufwand. Wegen klimatischer Unterschiede und unterschiedlicher regionaler Implikationen für das Stromnetz gibt es in Kanada keine einheitlichen Vorgaben zur optimalen Integration der Technologie.

So führt z.B. eine Auslegung der Wärmepumpe auf den kältesten Tag zu einer Überdimensionierung der Anlage, die bei milderen Außenbedingungen eine schlechtere Performance liefert. Simulationsergebnisse zeigen, dass eine Wärmepumpe, die für die volle Auslegungslast eines Hauses in Montreal (bei -23 °C) ausgelegt ist, 50 % weniger Energieeinsparungen gegenüber einer Einheit aufweist, die für mildere Bedingungen (-8 °C) ausgelegt ist. Bessere Trainingsprogramme, Auslegungswerkzeuge und genauere Leistungsdaten sollen daher bei der weiteren Verbreitung von Wärmepumpen unterstützen.

Neuigkeiten

Aufgrund des Ausbruchs des Coronavirus (COVID-19) wurde die 13. IEA-Wärmepumpen-Konferenz (HPC2020) verschoben. Die Konferenz soll von 26. bis 29. April 2021 stattfinden. Der Konferenzort bleibt derselbe, Ramada Plaza Hotel Jeju, Korea.

Thibaut Abergel: Im Jahr 2019 haben die globalen CO2 Emissionen, die von Strom- und Wärmeverbrauch in Gebäuden verursacht wurden, einen neuen Höchstwert erreicht. Die Faktoren, die dazu geführt haben, waren ein steigender Bedarf an Heizung und Kühlung, eine steigende Anzahl installierter Klimageräte und extreme Wetterereignisse. Im „Tracking Clean Energy Progress Report 2020" der IEA wird dargelegt, dass die Richtung bezüglich der weltweiten Verbreitung von Wärmepumpen stimmt, aber noch weitere Anstrengungen notwendig sind, um die ambitionierten Ziele zu erreichen.

Das Marktwachstum in den USA und in Europa ist seit 2015 stetig wachsend. Allerdings beziehen sich diese Zahlen hauptsächlich auf den Neubau (in 50% der Neubauten werden Wärmepumpen installiert) und im Sanierungsbereich liegt noch ein großes ungenutztes Potential. Generell kann gezeigt werden, dass die Performance der Technologie (Jahresarbeitszahl) seit 2000 stetig verbessert worden ist und die Wärmepumpe eine effektive Technologie zur CO2 Reduktion ist.

Wärmepumpen könnten 90% des globalen Wärmebedarfs mit weit geringeren CO2 Emissionen als Gaskesseln decken. Um diese ambitionierten Ziele zu erreichen, bedarf es Unterstützung durch politische Maßnahmen, wie Förderungen, entsprechende Energiepreispolitik und auch weiterhin Unterstützung von Innovationen.

Laufende Annex Projekte

• Annex 48: Industrial heat pumps, second phase, Teilnehmer: AT, CH, DK, FR, JP, UK, [DE*]
• Annex 49: Design and integration of heat pumps for nZEB, Teilnehmer: AT, BE, CH*, DE, NO, SE, UK, US
• Annex 50: Heat pumps in multi-family buildings for space heating and DHW: AT, DE*, FR, IT, NL
• Annex 51: Acoustic signature of heat pumps, Teilnehmer: AT*, DE, DK, FR, IT, SE
• Annex 52: Long term measurements of GSHP Systems performance in commercial, institutional and multi-family buildings, Teilnehmer: FI, NL, NO, SE*,US, UK, DE
• Annex 53: Advanced cooling/refrigeration technologies development, Teilnehmer: DE, IT, KR, US*
• Annex 54: Heat pump systems with low GWP refrigerants, Teilnehmer: IT, JP, KR, US*
• Annex 55: Comfort and climate box, Teilnehmer: AT, IT, NL*
• Annex 56: Internet of Things for Heat Pumps Teilnehmer: AT*, FR, DE, NO,CH

* kennzeichnet den Operating Agent

Annex Projekte stellen sich vor

• Annex 48: Industrial Heat Pumps, Second Phase fokussiert auf den Einsatz von Industriewärmepumpen mit deren Hilfe ungenützte Abwärme als Nutzwärme auf einem höheren Temperaturniveau in industriellen Prozessen eingesetzt werden kann. Auf der Website des Annex 48 werden die Ergebnisse des Annexes in mehr als 60 Publikationen dargelegt.
  
  Lessons Learned: Industrielle Trocknungsprozesse stellen einen vielversprechenden Anwendungsfall für Wärmepumpen dar, bei dem signifikant Energiekosten und CO2 Emissionen reduziert werden können. Beispiele dazu sind das H2020 Projekt „DryFiciency" und Aktivitäten im Bereich der Papierindustrie in Frankreich und Japan Die Aktivitäten des Annexes wurden 2019 beendet.
• Annex 49: Design and Integration of Heat Pumps for nearly Zero Energy Buildings (nZEB): Ab 2021 müssen alle neuen Gebäude in Europa die Anforderungen von nZEB erfüllen. Wärmepumpen stellen dafür eine zentrale Technologie dar. Annex 49 untersucht dazu unterschiedliche Wärmepumpenkonzepte mittels Simulationen als auch durch Monitoring realer Gebäude, u.a. wurden zwei Demoanlagen (Wärmepumpe in Kombination mit Photovoltaik) in Tirol evaluiert. Weitere Infos
• Annex 53: Advanced Cooling/Refrigeration Technologies Development: Klima- und Kühlanwendungen sind mit steigender Tendenz für einen großen Teil des globalen Energieverbrauches verantwortlich. HPT Annex 53 fokussiert nicht nur auf bestehende Technologien (Kompressionskältemaschinen), sondern auch auf die Entwicklung alternativer Wärmepumpenprinzipien mit niedrigen TRLs (Technology Readiness Level). Erste Ergebnisse wurden aus dem Bereich von Formgedächtnislegierungen (Shape Memory Alloys) in elasto-kalorischen Anwendungen vorgestellt.
• Annex 54: Heat Pump Systems with Low GWP Refrigerants: Das Ziel von Annex 54 ist die Förderung der Anwendungen von Kältemitteln mit niedrigerem Treibhauspotential (GWP) und die Entwicklung von Konstruktionsrichtlinien für Komponenten solcher Kältemittel. Es wurde ein Review Report erstellt, in dem aktuelle Vorschriften, Normen und Richtlinien zur sicheren Anwendung brennbarer Kältemittel beschrieben werden.
• Annex 55: Comfort und Climate Box (CCB): Ziel des Annexes ist es, optimale Kombinationen von Speichern und Wärmepumpen in einer Gesamtpaketlösung(CCB) zu untersuchen. Dabei wird auf marktnahe Lösungen, die ein hohes Anwendungspotential in unterschiedlichen Klimazonen haben, fokussiert. Weitere Informationen

Schwerpunktartikel: Wärmepumpen Marktentwicklung in der Schweiz (Stephan Renz)

Die Schweiz hat bei der Entwicklung und Kommerzialisierung von Wärmepumpen eine Vorreiterrolle gespielt. Bis in die 1980er Jahre waren vor allem Wärmepumpen großer Leistungen in industriellen und gewerblichen Anwendungen installiert worden. Seit den 1990er Jahren werden vermehrt Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung in der Schweiz eingesetzt. Seit 2007 werden jährlich ca. 20.000 Einheiten verkauft. Die meisten davon (85% im Jahr 2019) weisen eine Heizleistung kleiner 20 kW auf. Für ein vollständiges Ersetzen bestehender fossiler Heizsysteme müssten bis 2050 jährlich ca. 40.000 Einheiten installiert werden.

Die Schweizer Energiepolitik wird durch den Ausstieg aus der Kernenergie und durch die Reduktion von Treibhausgasemissionen maßgeblich bestimmt. Die Herausforderung besteht darin, diese Ziele bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit zu erschwinglichen Energiepreisen zu erreichen. Es wurden u.a. die CO2 Steuer erhöht und ab 2030 Installation von Gasbrennern verboten. Weiters fördert die Regierung Wärmepumpeninstallationen mit einem von Kanton zu Kanton unterschiedlichen Betrag von bis zu 10.500 CHF für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe.

Schwerpunktartikel: Tiefgreifende Renovierung von Wohngebäuden von Wohnbaugesellschaften, Bas Roestenberg - Niederlande

Bei der Renovierung von Mehrfamilienhäusern in den Niederlanden ist Fernwärme die vorherrschende eingesetzte Heiztechnologie. Dennoch entscheiden sich immer mehr Wohnungsbaugesellschaften für „Nullenergie-Lösungen", bei denen dezentrale Plug & Play- Wärmepumpen- und Speichersysteme für Heizung und Warmwasserbereitung zum Einsatz kommen. Dabei werden vorgefertigte Bauteile für die Sanierung der Gebäudehülle als auch für den Tausch der Heizungssysteme eingesetzt, die leicht und schnell auf der Baustelle installiert werden können. Diese Methode minimiert die Unannehmlichkeiten für Bewohner, eliminiert Installationsfehler und senkt damit die Installationskosten, wie drei Projekte in diesem Artikel darlegen. Durch den Einsatz von Photovoltaik kann der bilanzielle Jahresenergieverbrauch praktisch auf null reduziert werden.

Schwerpunktartikel: Renovierung der Heizsysteme in Mehrfamilienhäuser in Finnland J Hirvonen, O Kleefkens

Fernwärme wird in Finnland in vielen Städten zur Wärmeversorgung eingesetzt, um vor allem in Bereichen mit hohem Energiebedarf und einer hohen Wohnungsdichte eine kostengünstige Energieversorgung zu Verfügung zu stellen. In den skandinavischen Ländern gibt es einen wachsenden Trend bei Mehrfamilienhäusern, die Fernwärmeversorgung abzukoppeln und durch Wärmepumpen zu ersetzen. Dadurch können Verteilverluste und Kosten signifikant reduziert werden.

Dieser Effekt wird an Hand von drei Beispiele beschrieben. So wurden in einem großen Wohnhaus in Jyväskylä (Baujahr 1971) der Energieverbrauch um 45% und die jährlichen Energiekosten um 35% reduziert. Beim zweiten Beispiel in Raiso wurde ein Wohnhaus (Baujahr 1972) mit Erdwärmepumpen ausgerüstet. Die Investition hat eine geschätzte Amortisationszeit von 9 Jahren. Im dritten Beispiel in Espoo wird die jährliche Ersparnis nach Ablauf der Amortisationszeit auf jährlich € 50.000 geschätzt. In Finnland werden jährlich in ca. 500 Gebäuden Fernwärmeanschlüsse durch Wärmepumpen ersetzt.

Interessante Konferenzen 2020 und 2021

• 13. - 15. 10. 2020: Chillventa eSpecial
• 5. - 6. 11. 2020: The Fourth International Conference on Efficient Building Design Virtual Conference
• 11. - 13. 11. 2020: 8th Iberian-American Congress of Refrigeration Science and Technology (CYTEF 2020) Pamplona, Spain
• 2. - 4. 12. 2020: 51st International HVAC&R Congress and Exhibition Belgrade, Serbia
• 7. - 9. 12. 2020: 14th IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants (GL 2020) Virtual Conference
• 13. - 15. 1. 2021: Compressors 2021 – 10th International Conference on Compressors and Coolants Slovak University of Technology
• 26. - 29. 4. 2021: 13th IEA Heat Pump Conference 2020 Jeju, South Korea

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