Heizkessel-Wärmepumpe

Heizkessel-Wärmepumpe mit Eisspeicher

Ziel des Förderprojektes "Zeolith: Ein Mineral zum energieeffizienten Heizen und Kühlen" war die Entwicklung einer Nachfolgetechnologie der Brennwerttechnik. Im Rahmen des Projekts wurde ein energieeffizientes Heizsystem für Raumheizungen und Brauchwasser entwickelt. Das System ist eine Kombination aus einem Brennwertkessel (aktueller Stand der Technik) und einer mit einem Gasbrenner angetriebenen Feststoff-Sorptionswärmepumpe mit dem umweltverträglichen Arbeitsstoffpaar Wasser und Zeolith. Dieses Heizkesselsystem der Zukunft heizt und kühlt zugleich!


Diese neuartige Heizkessel-Wärmepumpe zeichnet sich durch folgende Charakteristika aus:

  • Energieeinsparung bezogen auf den Stand der Technik beträgt ca. 25%; bei hohen Warmwassertemperaturen von 60…70 °C.
  • Durch Kombination der Heizkessel-Wärmepumpe mit einem Eisspeicher benötigt das System etwa 75% weniger Wärme aus der Umgebung als eine elektrische Wärmepumpe.
  • Technisch einfache Bereitstellung von Umgebungswärme z.B. mit Sonnenkollektoren kann auch im Winter erfolgen; ferner auch Nutzung der Wärme aus Abwasser und Abluft möglich.
  • Rauchgase können auf unter 0 °C abgekühlt werden. Bei dem neuen Heizkessel-Wärmepumpensystem können mehr Schadstoffe aus dem entstehenden Rauchgas abgespalten werden als bei herkömmlichen Brennwertkesseln.
  • Es gibt die Option, das System zu einer gasbetriebenen Raumklimaanlage zu erweitern. Die Bereitstellung von nennenswerter elektrischer Leistung für den Klimaanlagenbetrieb ist nicht erforderlich.
  • Das System ist extrem wartungsfreundlich und hat eine hohe Lebensdauer.
  • Kosteneinsparung durch die Verwendung von kleinen Umgebungswärmetauschern.
Die Zeo-Tech hat Prototypen einer 10 kW Heizkessel-Wärmepumpe mit Eisspeicher aufgebaut, vermessen und optimiert.

Foto des ersten Prototypen


Gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Betriebsphasen der Heizkessel-Wärmepumpe

Heizphase (Desorption)



Während der Desorption wird die Zeolithfüllung im Sorber durch die direkte Gasbefeuerung soweit erhitzt, dass das adsorbierte Wasser dampfförmig aus dem Zeolith ausgetrieben wird. Der Wasserdampf strömt zur kältesten Stelle im System d. h. in den Bereich der geschlossenen Kaltdampfklappe, wo er unter Abgabe der Verflüssigungswärme an den Heizwasserrücklauf kondensiert. Bei geschlossener Kaltdampfklappe sammelt sich das Kondensat.

Das vorgewärmte Heizungswasser wird anschließend im mit heißem Abgas durchströmten Sorberwärmetauscher weiter erhitzt und strömt dann im Heizungsvorlaufrohr weiter zu den Heizkörpern im Wohnhaus. Nachdem die Zeolithfüllung im Sorber regeneriert ist und der gesamte desorbierte Wasserdampf über der Kaltdampfklappe als Kondensat steht, wird der Gasbrenner abgestellt (Stand-by mode).

Das Heizungswasser wird nun durch die im Sorber vorhandene fühlbare Wärme erhitzt.


Kühlphase (Adsorption)
Die Kühlphase beginnt mit der Umstellung der Abgas-Klappen im Sorber, so dass die heißen Gase vom Gebläse angetrieben im Sorber so zirkulieren, dass sie im Sorberwärmetauscher das Heizungswasser erwärmen und danach abgekühlt die heiße Zeolithfüllung durchströmen. Bevor sich der Sorber durch den Wärmeaustausch mit dem Heizungswasser unter ca. 80 °C abkühlen kann, wird die Kaltdampfklappe elektromechanisch geöffnet, so dass das kalte Kondensat in den Eisspeicher (Verdampfer) laufen kann. Der Adsorptionsvorgang beginnt und die im Zeolith entstehende Adsorptionswärme wird wieder an das Heizungswasser übertragen. Gleichzeitig wird im Verdampfer wieder Eis gebildet. Der Eisanteil im Wasser/Eis-Gemisch im Verdampfer schwankt somit je nach Betriebszustand des Systems.
Die im Verdampfer "erzeugte" Kälte kann mit Hilfe von Umgebungswärmetauschern zusätzlich für Kühl- oder Klimatisierungszwecke genutzt werden.
Wenn die erzeugte Adsorptionswärme nicht mehr ausreicht um das Heizungswasser auf ca. 80 °C zu erwärmen, wird der Gasbrenner wieder eingeschaltet und die Abgas-Klappen so umgestellt, dass das heiße Abgas zum größten Teil durch die Zeolithfüllung im Sorber geführt wird, um diese zu regenerieren (desorbieren). Die Kaltdampfklappe wird geschlossen und die bereits oben beschriebene Heizphase beginnt von neuem.