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Adsorptionswärmepumpe

Definition: eine Wärmepumpe, die auf der Adsorption und Desorption eines Kältemittels basiert

Englisch: adsorption heat pump

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 14.06.2013; letzte Änderung: 03.11.2018

Eine Adsorptionswärmepumpe ist eine Art von Wärmepumpe, bei der ein Kältemittel durch Adsorption (Anlagerung) an ein festes Adsorbermaterial aus dem Verdampfer “gesaugt” wird. Eine solche Maschine arbeitet nicht kontinuierlich. Nach der Adsorptionsphase muss das Kältemittel durch Zufuhr von Wärme auf höherem Temperaturniveau (z. B. von einem Gasbrenner) wieder ausgetrieben werden. Insgesamt erhält man eine Menge von Nutzwärme, die größer ist als die Menge der zugeführten Hochtemperaturwärme; die Differenz dieser Wärmemengen wird einem anderen Medium (meist der Umwelt) entzogen.

Eine kontinuierliche Wärmeabgabe kann realisiert werden, indem man zwei Module zueinander phasenverschoben betreibt.

Wenn die Kälteerzeugung und nicht die Wärmeerzeugung im Vordergrund steht, spricht man von einer Adsorptionskältemaschine. Technisch ist eine solche Maschine nicht grundlegend anders als eine Wärmepumpe.

Ähnlich wie bei einer Absorptionswärmepumpe erfolgt die Zufuhr von Exergie in Form von Wärme und nicht etwa wie bei einer Kompressionswärmepumpe in Form von mechanischer Energie. Die technische Realisierung ist allerdings deutlich anders, da der Adsorber/Desorber (das Sorptionsmittel) ein ortsfestes Material ist, also nicht wie der Absorptionswärmepumpe abwechselnd verschiedene Komponenten der Anlage durchlaufen kann.

Adsorptionswärmepumpen werden vor allem im kleinen Leistungsbereich eingesetzt; für höhere Leistungen verwendet man eher Absorptionswärmepumpen, weil damit eine höhere Energieeffizienz möglich ist.

Der Oberbegriff Sorptionswärmepumpe umfasst sowohl Absorptions- als auch Adsorptionswärmepumpen.

Bei Verwendung von Gas (meist Erdgas, manchmal Biogas bzw. Biomethan) spricht man auch von einer Gas-Wärmepumpe. Dies ist allerdings ungenau, da darunter auch Gasmotor-Wärmepumpen fallen.

Funktionsprinzip der Adsorptionswärmepumpe

Das Funktionsprinzip einer einstufigen Zeolith/Wasser-Adsorptionswärmepumpe wird im Folgenden genauer erläutert:

  • Wie bei jeder anderen Wärmepumpe gibt es einen Verdampfer, in dem Wasser als Kältemittel unter niedrigem Druck verdampft und dabei Wärme aufnimmt (bzw. Kälte erzeugt). Der Verdampfer kann über einen Wärmeübertrager z. B. Umweltwärme auf niedrigem Temperaturniveau aufnehmen. Der Verdampfer muss aber mehr als 0 °C haben, da das Wasser sonst einfrieren würde. (Mit anderen Kältemitteln wären auch tiefere Temperaturen möglich.)
  • Der niedrige Druck wird nicht wie einer Kompressionswärmepumpe dadurch aufrechterhalten, dass das Kältemittel mit einem Kompressor abgesaugt wird, sondern ohne Aufwenden von Antriebsenergie durch die Adsorption an das Sorptionsmittel. Hierfür wird z. B. Zeolith verwendet – ein hoch poröses Material, welches bezogen auf sein Gewicht große Mengen von Wasserdampf aufnehmen kann und dabei wärmer wird. Hierbei wird über einen Wärmeübertrager dem Sorptionsmittel Nutzwärme entzogen. Diese Adsorptionsphase funktioniert nur so lange, bis das Sorptionsmittel mit dem Kältemittel gesättigt ist, also kein weiteres Kältemittel aufnehmen kann.
  • Danach muss eine Desorptionsphase erfolgen. Hier wird das Kältemittel durch starkes Erwärmen des Sorptionsmittels aus demselben wieder ausgetrieben. Die Wärmezufuhr erfolgt z. B. durch heißes Wasser von einem Erdgasbrenner über denselben Wärmeübertrager, über den zuvor die Nutzwärme entzogen wurde. Das Kältemittel (Wasserdampf) gelangt wieder in den Teil, der vorher als Verdampfer diente, nun aber als Kondensator: Das Kältemittel kondensiert dort wieder, und über den dortigen Wärmeübertrager wird wiederum Nutzwärme abgeführt.

Obwohl das Funktionsprinzip relativ raffiniert ist, ist der technische Aufbau relativ einfach. Es werden außer kleinen Wasserpumpen für den Wärmetransport keine beweglichen Teile benötigt, und als Verdampfer und Kondensator dient ein einziger Anlagenteil. Eine lange Lebensdauer mit weniger Wartung ist für alle Anlagenteile möglich.

Die Wärmekapazität von Adsorber/Desorber und Verdampfer/Kondensator versucht man möglichst klein zu halten, um eine möglichst hohe Energieeffizienz zu erzielen.

Anwendung als Gaswärmepumpe für Heizungszwecke

Erst seit 2010 sind Erdgas-Adsorptionswärmepumpen für Heizungsanlagen und Warmwasserbereitung kommerziell erhältlich. Sie sind auch in Einfamilienhäusern einsetzbar und werden mit Solarthermie kombiniert:

  • Solange gute Sonneneinstrahlung auftritt und/oder nur eine geringe Heizwassertemperatur (Vorlauftemperatur) benötigt wird, kann die Wärme von den Sonnenkollektoren direkt für die Heizungsanlage verwendet werden. Es wird dann kein Erdgas verbraucht.
  • Bei zu niedrigen Kollektortemperaturen können die Kollektoren über die Wärmepumpe genutzt werden. Die Gaswärmepumpe kühlt dabei die Kollektoren z. B. auf 5 °C, wodurch ihre Wärmeverluste stark reduziert werden oder sogar ganz entfallen. Für den Betrieb der Wärmepumpe wird dann aber (jeweils in der Desorptionsphase) Erdgas benötigt – freilich weniger, als wenn ein einfacher Gasheizkessel verwendet würde.

Verglichen mit einem sehr guten Gas-Brennwertkessel dürfte der jährliche Erdgasverbrauch einer solchen Adsorptionswärmepumpenanlage erheblich geringer ausfallen, da ja zusätzliche solare Wärme genutzt wird. Wie groß diese Einsparung tatsächlich ist, hängt von diversen Faktoren ab: von der benötigten Vorlauftemperatur der Heizungsanlage, der verlangten Warmwassertemperatur sowie von der Größe, Ausrichtung und Qualität der Sonnenkollektoren in Bezug auf den jeweiligen Wärmebedarf sowie vom Klima am Standort. In günstigen Fällen – sonnenreicher Standort, großzügig bemessene Kollektoren, Fußbodenheizung im Neubau – könnte eine Einsparung von rund 30 % möglich sein. Dies ist mehr, als typischerweise mit konventionellen Anlagen mit Brennwertkessel und thermischer Solaranlage für Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung erzielt wird – mit einem solaren Anteil von z. B. 20 %. Der Grund hierfür ist, dass die Ausbeute der Sonnenkollektoren durch die Kühlung mit der Wärmepumpe ansteigt.

Eine unter ebenfalls günstigen Umständen arbeitende Elektrowärmepumpe, betrieben mit Strom aus modernen Gaskraftwerken, könnte selbst ohne die Nutzung von solarer Wärme noch energieeffizienter sein. Man erhält nämlich mehr als 50 % der Primärenergie als elektrische Energie im Haus, aus der die Wärmepumpe z. B. mit Leistungszahl 4 effektiv mehr als 200 % Nutzwärme erzeugt (zu vergleichen mit z. B. 140 % der Gaswärmepumpe mit Sonnenkollektoren). Hier entstehen allerdings auch meist deutlich höhere Kosten für die Installation der Wärmepumpenheizung z. B. mit Erdsonden, die zudem nicht an allen Standorten installiert werden können.

Für größere Anlagen gibt es auch die Möglichkeit, eine Kompressionswärmepumpe mit einem Gasmotor anzutreiben. Auch hier kann die Energieeffizienz höher sein; dafür sind die Anlagekosten erheblich, und es entstehen auch höhere Wartungskosten.

Im Prinzip möglich wären auch Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Gasbetrieb, um keine Sonnenkollektoren zu benötigen. Allerdings kann die Zeolith-Gaswärmepumpe anders als eine Kompressionswärmepumpe Umweltwärme nur bei Temperaturen von über 0 °C nutzen. Deswegen könnte kostenlose Zusatzwärme aus der Außenluft nur an milderen Tagen gewonnen werden, und die Gaseinsparung in einem Jahr wäre ziemlich gering. Sonnenkollektoren können dagegen selbst bei starkem Frost ohne Weiteres mehr als 5 °C liefern, wenn die Sonne scheint. Eher eine Alternative zu Sonnenkollektoren wäre ein Erdregister oder eine Erdwärmesonde (wie sonst mit Kompressionswärmepumpen verwendet), allerdings meist mit höheren Kosten.

Energieeffizienz von Adsorptionswärmepumpen

Das Verhältnis von erzeugter Nutzwärmemenge zur benötigten zugeführten Wärmemenge wird als Heizzahl bezeichnet. Unter günstigen Umständen – eine Niedertemperaturheizung in Verbindung mit der Nutzung von Umweltwärme auf nicht allzu tiefem Temperaturniveau – kann die Heizzahl z. B. 1,5 betragen, d. h. man erhält 50 % mehr Nutzwärme, als wenn man die Hochtemperaturwärme direkt (ohne Wärmepumpe) genutzt hätte. Unter weniger günstigen Umständen ergeben sich niedrigere Heizzahlen von z. B. 1,3 oder 1,2 – wodurch der Mehraufwand für eine Wärmepumpe dann schwerer zu amortisieren ist.

Wie oben gezeigt, können Kompressionswärmepumpen – angetrieben mit Elektromotor oder Gasmotor – noch deutlich energieeffizienter sein, dies allerdings bei meist höheren Kosten. Insofern kann man die Gas-Adsorptionswärmepumpe mit Solarkollektoren als eine Möglichkeit ansehen, bei der die Energieeffizienz und die Installationskosten höher sind als bei einfachen Heizkesseln, aber geringer als bei Anlagen mit Kompressionswärmepumpen.

Siehe auch: Absorptionswärmepumpe, Wärmepumpe, Gas-Wärmepumpe, Kältemittel, Heizzahl

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