Benutzer:Arvigrat/Mein erster Entwurf

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Dieser Artikel behandelt den Einsatz und die Wirkungsweise von Wärmepumpen in Haushaltsgeräten. Weiter wird die Bedeutung von Haushaltsgeräten am elektrischen Stromverbrauch in der Schweiz aufgezeigt.

Überblick

Wärmepumpen und Kälteanlagen (auch Kältemaschine) sind in der Gebäudetechnik, in der Mobilität und in Industrieanlagen sowie in der Haustechnik weit verbreitet. Mit diesen Maschinen kann Wärmeenergie von einem tiefen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau angehoben werden. In der Haustechnik werden Wärmepumpen und Kälteanlagen in Haushaltsgeräten wie zum Beispiel Wäschetrockner oder Kühlschränken eingebaut.

Durch den Einsatz von Wärmepumpen und Kälteanlagen kann der Bedarf an elektrischer Energie eines Prozesses im Vergleich zu einer rein elektrischen Energieversorgung markant reduziert werden. Der Einsatz von wertvoller Primärenergie, z. B. Erdöl oder Erdgas, kann gesenkt und die natürlichen Ressourcen geschont werden. Dies setzt voraus, dass ein „Energie-Reservoir“ der jeweils ungenutzten Seite der Wärmepumpe bzw. Kälteanlage zur Verfügung steht. Beispielsweise bei Sole/Wasser-Wärmepumpen für die Haustechnik wird die Energie für den Verdampfer aus dem Erdreich bezogen.

In diesem Artikel werden ausschließlich Kompressions-Wärmepumpen bzw. -Kälteanlagen, d. h. elektrisch angetriebene Wärmepumpen bzw. Kälteanlagen, behandelt. Sorptionskälteanlagen werden nicht betrachtet.

Anwendungsgebiete

1. Kühlschrank
2. Gefrierschrank / Gefriertruhe
3. Wäschetrockner
4. Wäschetrockenschrank
5. Raumluftwäschetrockner (z. B. Secomat)
6. Waschmaschine
7. Geschirrspüler

Bedarf von elektrischer Energie von Haushaltsgeräten

Bedarf von elektrischer Energie von Haushaltsgeräten in der Schweiz

Gemäß einer Studie im Auftrag des Bundesamtes für Energie der Schweiz verbrauchen Haushaltsgeräte in der Schweiz für die Prozesse Kochen (Kochherd, Backofen etc.) und Geschirrspülen, Waschen und Trocknen sowie Gefrieren und Kühlen im Jahre 2010 einen Gesamtbedarf an elektrischer Energie von 5‘165 GWh (~435‘500 t Benzin) und im Jahre 2012 ein Bedarf von 5‘665 GWh (~478‘000 t Benzin). Dies entspricht einer Zunahme von rund 9% innerhalb von 2 Jahren. Als Vergleich: Für die Erzeugung dieses Bedarfs an elektrischer Energie muss das Kernkraftwerk Leibstadt mit einer Nettoleistung von 1.22 GW rund 177 bzw. 194 Tage durchgehend betrieben werden. Der Anteil des Energiebedarfs von Haushaltsgeräten entspricht demnach rund 8% des Gesamtenergiebedarfs von Haushalten in der Schweiz.

Im Jahr 2012 betrug der Anteil für Kochen und Geschirrspülen am gesamten Bedarf an elektrischer Energie für Haushaltsgeräte rund 47%. Für Gefrieren und Kühlen betrug der Anteil etwa 34% und für Waschen und Trocknen rund 19%.

Entwicklung des Bedarfs an elektrischer Energie der verkauften Haushaltsgeräte in der Schweiz

Verkaufsstatistik von Geschirrspüler zwischen den Jahren 2004 und 2012

Die Verkaufsstatistik von Haushaltsgeräten in der der Schweiz zwischen 2004 und 2012 zeigt eine kontinuierliche Abnahme des Bedarfs an elektrischer Energie. Für Waschmaschinen nahm beispielsweise der spezifische Bedarf an elektrischer Energie pro kg Trockenwäsche um ca. 15% von 0,20 kWh/kg auf 0,17 kWh/kg ab.

Bei der Entwicklung des Bedarfs an elektrischer Energie des Wäschetrockners fällt die markante Abnahme zwischen den Jahren 2011 und 2012 auf. Der Bedarf an elektrischer Energie pro kg trockener Wäsche reduzierte sich von 0,44 kWh/kg auf 0,30 kWh/kg. Auf Grund gesetzlicher Vorschriften dürfen in der Schweiz seit dem 1. Januar 2012 nur noch A-klassige Geräte zur Wäschetrocknung mit Netzbetrieb verkauft werden. Dies führt dazu, dass in der Regel Geräte mit eingebauter Wärmepumpe verkauft werden.

Gemäß dieser Verkaufsstatistik wurden zwischen 2004 und 2012 insgesamt 1,75 Millionen Geschirrspüler verkauft. Im Jahre 2004 benötigte ein verkaufter Geschirrspüler durchschnittlich 1‘120 Wh pro Standardspülprozess und im Jahre 2012 noch 995 Wh pro Standardspülprozess. Mit einer typischen normierten jährlichen Nutzung von 280 Standardspülprozessen eines Geschirrspülers würde ein Bedarf von elektrischer Energie von 550 GWh (46‘500 t Benzin, 19 Produktionstage KKW Leibstadt) resultieren, falls alle Geräte den Energiebedarf von 2004 aufweisen würden. Wenn all diese Geräte durch energieoptimierte Geschirrspüler aus dem Jahre 2012 ersetzt werden würde, resultiert ein jährlicher Energiebedarf von 490 GWh (41‘300t Benzin, 16 Produktionstage KKW Leibstadt). Der Energiebedarf dieser verkauften Geräte könnte somit um 11% reduziert werden.

Seit Februar 2014 ist ein Geschirrspüler mit einer integrierten Wärmepumpe auf dem Markt erhältlich, der einen Bedarf an elektrischer Energie von 490 Wh pro normgerechtem Standardspülprozess aufweist. Würden diese 1.75 Millionen Geräte durch Geschirrspüler mit einer Wärmepumpe ersetzt, würde ein Bedarf an elektrischer Energie von rund 240 GWh (26‘200 t Benzin, 8 Produktionstage KKW Leibstadt) resultieren. Dies entspricht einer Reduktion um rund 56%.

Bestimmung des Bedarfs an elektrischer Energie

Der auf dem Gerät angegebene und deklarierte Bedarf an elektrischer Energie sowie anderen Ressourcen, z. B. Frischwasser, von Haushaltsgeräten wird nach einer Norm bewertet, die eine Energiebedarfsmessung unter genau definierten Randbedingungen wie Umgebungs- oder Frischwassertemperatur vorschreibt. Dadurch werden die Geräte vergleichbar, was den Kunden in seiner Auswahl eines effizienten Gerätes unterstützt. Im alltäglichen Gebrauch sind diese Kennwerte nicht zu verzeichnen, da beispielsweise für Geschirrspüler die Menge des geladenen Geschirrs und der gewählten Programme je nach Kunde deutlich variieren. Jedoch darf angenommen werden, dass ein nach Norm besser bewertetes Gerät auch im Alltag Vorteile aufweist.

Für Wäschetrockner wird zurzeit beispielsweise die Norm DIN EN 61121 „Wäschetrockner für den Hausgebrauch – Verfahren zur Messung der Gebrauchseigenschaften“ für die Ermittlung des Bedarfs an elektrischer Energie herangezogen.

Möglichkeit zur Reduktion des Bedarfs an Energie

Gemäß dem Sinnerschen Kreis kann der Wirkmechanismus von Reinigungsabläufen, z. B. wie in der Waschmaschine oder im Geschirrspüler, mit folgenden vier Parametern beschrieben werden:

1. Chemie (Reinigungsmittel)
2. Mechanik (z. B. Spritzdruck an einem Geschirrspüler-Sprüharm zum Lösen von Schmutz)
3. Temperatur
4. Zeit

Der Parameter „Temperatur“ wird beeinflusst durch das Zuführen von elektrischer Energie. Je tiefer die vorgeschriebene Prozesstemperatur sein muss, desto kleiner ist der Bedarf an elektrischer Energie des Gerätes. Dadurch verlängert sich aber die Prozessdauer, d. h. der Parameter „Zeit“ wird durch diese Maßnahme beeinflusst. Grund hierfür ist, dass sich z. B. im Geschirrspüler die Fette gemäß der van’t Hoff’schen Regel (auch RGT-Regel, Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel) um etwa Faktor 2 bis 4 langsamer lösen, falls die Prozesstemperatur um etwa 10 K gesenkt wird. Das ist der Grund für die erwähnte Verlängerung der Prozessdauer.

In den vergangenen Jahren wurde die Reduktion des Bedarfs an elektrischer Energie von Haushaltsgeräten insbesondere durch die Senkung der Prozesstemperaturen auf Kosten einer Verlängerung der Prozessdauer erreicht. Im Jahr 2000 wiesen die Sparprogramme eine Programmdauer von 80 bis 170 min und im Jahr 2014 eine Dauer von 180 bis 250 min auf.

Kühlschrank

In einem Kühlschrank werden Lebensmittel bei tiefen Temperaturen im Bereich von ca. -20°C bis +8°C gelagert, um diese länger geniessbar zu halten. Der Grund hierfür ist, dass chemische Reaktionen und biologische Prozesse bei tiefen Temperaturen langsamer ablaufen.

Eingefüllter Kühlschrank

Im Kühlschrank wird zur Kühlung der Lebensmittel (Kühlgut) eine Kälteanlage eingebaut. Der Nutzen dabei ist der an das Kältemittel zugeführte Wärmestrom im Verdampfer der Kälteanlage (kalte Seite), welcher an den Kühlraum gekoppelt ist. Das Quellen-Medium, in diesem Fall das Kühlgut, kühlt dadurch ab. Der Kondensator steht in Kontakt mit der Umgebungsluft (Senken-Medium) des Aufstellungsraums. Über den Kondensator der Kälteanlage (warme Seite) auf der Rückseite oder an der Außenseite des Kühlschrankes fließt ein Wärmestrom vom Kältemittel an die Umgebungsluft. Der Aufwand ist die elektrische Leistung für den Antrieb des Kompressors der Kälteanlage und ggf. weitere Hilfsaggregate wie z. B. Ventilatoren im Kühlraum.

Der Verdampfer steht nicht im direkten Kontakt mit dem Kühlgut. Der Verdampfer kühlt in der Regel die Rückwand des Kühlschranks und die Auflageflächen im Gefrierfach. Damit wird indirekt über die Kühlraumluft dem Kühlgut Wärme entzogen und dadurch gekühlt. Mit Hilfe eines Ventilators im Kühlraum wird die Kühlluft umgewälzt und sorgt dadurch für eine gleichmäßige Kühlung des Kühlguts.

Energieeffiziente Geräte mit Entwicklungsstand von 2014 entsprechen der Energieeffizienzklasse „A+++“, was einer Reduktion des Bedarfs an elektrischer Energie um bis zu 50% gegenüber von ineffizienten Kühlschränken beträgt.

Wäschetrockner

Wäschetrockner mit Trommel

In einem Wäschetrockner wird feuchte Wäsche auf Grund eines Verdunstungsprozesses durch Zufuhr von warmer, trockener Prozessluft schonend getrocknet. Das gebundene Wasser in der Wäsche verdunstet und wird von der Prozessluft aufgenommen.

Wäschetrockner mit Wärmepumpe

Die feuchte Wäsche wird zu Beginn der Trocknung in die Wäschetrommel gelegt und durch den Trommelantrieb in eine Drehbewegung versetzt. Dies führt zu einer besseren Durchlüftung und zu einer schnelleren Trocknung der Wäsche. Der Prozessluftventilator fördert in einem geschlossenen Kreislauf trockene, vorgewärmte Prozessluft durch die Wäschetrommel und die darin enthaltene feuchte Wäsche. Das Wasser in der Wäsche verdunstet und wird von der Prozessluft aufgenommen. Die Prozessluft kühlt sich durch die Wasseraufnahme ab und wird befeuchtet. Anschließend strömt die Prozessluft in den Verdampfer der Wärmepumpe (kalte Seite), in welchem die Prozessluft markant unter den Taupunkt abgekühlt wird. Als Folge der Unterschreitung des Taupunkts der Prozessluft kondensiert der Wasserdampf an der kalten Oberfläche des Verdampfers aus. Somit wird die Prozessluft auf Grund einer Partialkondensation entfeuchtet. Das flüssige Wasser wird abgeführt und gesammelt. Im Verdampfer wird dabei der Wärmestrom ${\dot {Q}}_{V}$ auf das Kältemittel der Wärmepumpe übertragen, welches dadurch verdampft. Die kalte, entfeuchtete Prozessluft fließt anschließend in den Kondensator der Wärmepumpe (warme Seite), in welchem die Prozessluft erwärmt wird. Im Kondensator wird dabei der Wärmestrom ${\dot {Q}}_{K}$ vom verdichteten Kältemittel auf die Prozessluft übertragen und das Kältemittel kondensiert. Die erwärmte, trockene Prozessluft wird wiederum in die Wäschetrommel geführt.

Der Vorteil eines geschlossenen Prozessluftkreislaufs ist, dass die Umgebungsluft im Aufstellungsraum (z. B. Waschküche) nicht befeuchtet wird und sich dadurch kein Schimmel infolge des Betriebs eines Wäschetrockners bildet. Die Umgebungsluft des Raumes erwärmt sich dabei nur geringfügig, was insbesondere beim Einbau des Wäschetrockners in Möbel vorteilhaft sein kann. Weiter wird für einen Wäschetrockner mit Wärmepumpe mit geschlossenem Prozessluftkreislauf keine Anschlussleitung für Abluft benötigt.

Funktionsschema eines Wäschetrockners mit Wärmepumpe: 1 Kondensator, 2 Expansionsorgan, 3 Verdampfer, 4 Kompressor (Verdichter), 5 Prozessluftventilator, 6 Wäschetrommel mit Wäsche

Wärmepumpenaggregat eines Wäschetrockners

Die Wärmepumpe in einem Wäschetrockner stellt ein gutes Beispiel für die Integration in einen Prozess dar, da die kalte und die warme Seite der Wärmepumpe für den Prozess genutzt werden kann. Der Nutzen in diesem Gesamtprozess ist die Entfeuchtung der Wäsche. Aus Sicht des Gerätes kann der Nutzen aber nicht genau definiert werden, da für die Trocknung der Wäsche warme Prozessluft, die durch den Kondensator erwärmt wird, und entfeuchtete Prozessluft, die durch den Verdampfer entfeuchtet wird, notwendig ist. Bei den Haushaltsgeräte-Herstellern hat sich aber der Begriff „Wärmepumpentrockner“ durchgesetzt.

Der Aufwand für den Betrieb des Wäschetrockners ist die elektrische Leistung für den Betrieb des Kompressors der Wärmepumpe, für den Prozessluftventilator und für den Trommelantrieb. Energieeffiziente Geräte mit Entwicklungsstand von 2014 entsprechen der Energieeffizienzklasse „A“ und besser. Die Energieeffizienzklasse „A“ entspricht einem Bedarf an elektrischer Energie pro kg trockener Wäsche von 0,55 kWh/kg. Auf Grund gesetzlicher Vorschriften dürfen in der Schweiz seit dem 1. Januar 2012 nur noch A-klassige Geräte zur Wäschetrocknung mit Netzbetrieb verkauft werden.

Wäschetrockner mit Entwicklungsstand von 2014 für Einfamilienhäuser benötigen typischerweise minimal 0,16 kWh elektrische Energie pro kg trockener Wäsche. Wäschetrockner für Mehrfamilienhäuser benötigen minimal 0,23 kWh elektrischer Energie pro kg trockener Wäsche. Grund hierfür ist, dass die Programmdauer zulasten des Bedarfs an elektrischer Energie verkürzt wurde, um größere Mengen Wäsche in der entsprechenden Zeit trocknen zu können. Gegenüber ineffizienten Geräten, welche einen Bedarf an elektrischer Energie von 0,56 kWh pro kg trockener Wäsche aufweisen, resultiert eine Reduktion von rund 70% bzw. 60%.

Wäschetrockenschrank

Ein verwandtes Gerät stellt der Wäschetrockenschrank dar. Der Unterschied zum Wäschetrockner liegt in der Bauart der Trocknungskammer. Im Wäschetrockenschrank wird die feuchte Wäsche in einen Schrank gehängt. Die Prozessluft umströmt dabei die Wäschestücke. Die Funktionsweise der Trocknung in Kombination mit einer Wärmepumpe läuft dabei identisch ab.

Textilpflegesystem - Wäschetrockenschrank mit Wärmepumpe

Solche Geräte bieten weitere Hauptfunktionen zur Behandlung der Wäsche wie das Auffrischen mit Dampf und Photokatalyse (Abbau von Geruchsmolekülen), das Entknittern, das Hygienisieren und das Trocknen. Solche multifunktionale Geräte werden auch als Textilpflegesystem bezeichnet.

Secomat

Ein weiteres Gerät, welches auf dem gleichen Prinzip der Wäschetrocknung beruht, ist der „Secomat“, welcher insbesondere in der Schweiz weit verbreitet ist. Anstelle einer Wäschetrommel oder einem Schrank wird die feuchte Wäsche in einem geschlossenen Trocknungsraum im Wohngebäude auf eine Wäscheleine gehängt.

Eingebauter Secomat in einer Nasszelle

Im Trocknungsraum befindet sich der Secomat, welcher die Raumluft ansaugt. Im Verdampfer der Wärmepumpe wird wiederum die Raumluft abgekühlt und entfeuchtet. Im Kondensator wird die Raumluft aufgeheizt und anschließend dem Trocknungsraum zurückgeführt. Diese warme Luft nimmt anschließend auf Grund der Verdunstung wieder Wasser aus der Wäsche auf. Durch die kontinuierliche Durchströmung des Trocknungsraumes mit warmer trockener Luft wird eine Schimmelbildung im Trocknungsraum verhindert bzw. vorgebeugt.

Waschmaschine

In einer Haushalt-Waschmaschine werden Kleider gereinigt, d. h. es werden Verschmutzungen aus dem Textil entfernt. Hierzu benötigt man Waschmittel und warmes Wasser.

Frontansicht einer Waschmaschine mit Wärmepumpe

Energieeffiziente Waschmaschinen mit Entwicklungsstand von 2013 setzen für die Wassererwärmung eine Wärmepumpe anstelle einer elektrischen Widerstandsheizung ein. Während des Aufheizprozesses wird das mit Waschmittel versetzte Reinigungswasser durch den Kondensator der Wärmepumpe (warme Seite) gefördert. Dabei wird ein Wärmestrom vom Kältemittel auf das Reinigungswasser übertragen und erwärmt. Anschließend fließt das erwärmte Reinigungswasser in den Vorratsbehälter zurück. Der Verdampfer der Wärmepumpe (kalte Seite) ist in einem Abwassertank angeordnet. Das darin gespeicherte Abwasser dient als Wärmequelle, d. h. es fliesst ein Wärmestrom vom Abwasser zum Kältemittel, welches verdampft. Das Abwasser kühlt ab und gefriert. Nach dem Waschprogramm fliesst das noch warme Abwasser in den Abwassertank und schmilzt das gefrorene Abwasser. Dadurch wird ein Teil der Wärmeenergie des warmen Abwassers zurückgewonnen. Durch das Aufschmelzen kann das Reinigungswasser des nächsten Waschprogramms wieder mit Hilfe der Wärmepumpe erwärmt werden und dadurch der Dauerbetrieb sichergestellt. Alle Komponenten für das Wärmepumpenaggregat sind im Standardgehäuse einer Waschmaschine untergebracht.

Schematische Darstellung der Integration einer Wärmepumpe in einer Waschmaschine

Wärmepumpenaggregat einer Waschmaschine

Der Nutzen dieser Wärmepumpe ist der Wärmestrom im Kondensator, welcher das Prozesswasser aufwärmt. Der Aufwand ist die elektrische Leistung des Kompressors der Wärmepumpe, des Trommelantriebs sowie der Reinigungswasserpumpe. Ein wesentlicher Schlüssel für die Effizienzsteigerung und den Betrieb der Wärmepumpe ist das Zurückgewinnen der normalerweise „verlorenen“ Wärmeenergie im abgepumpten Abwasser mit der Wärmepumpe.

Waschmaschinen mit Wärmepumpentechnologie für ein Einfamilienhaus reduzieren den Bedarf an elektrischer Energie gegenüber herkömmlichen Waschmaschinen zwischen 17% bis 60% (Stand 2014). Diese Waschmaschinen entsprechen der Energieeffizienzklasse „A+++“.

Geschirrspüler

In einem Haushalt-Geschirrspüler werden Geschirr, Gläser, Essbesteck, Töpfe etc. gespült und getrocknet. Für das Reinigen und Glanzspülen wird warmes Wasser benötigt.

In einem Geschirrspüler wird das im Sumpf gespeicherte Reinigungswasser mit der Sprühpumpe umgewälzt und durch den Kondensator der Wärmepumpe (warme Seite) gefördert. Im Kondensator wird dabei der Wärmestrom ${\dot {Q}}_{K}$ vom Kältemittel auf das Reinigungswasser übertragen, welches sich dadurch erwärmt. Anschließend strömt das Reinigungswasser über die Sprüharme in den Bottich zu den Geschirrstücken, welche dadurch gereinigt werden.

Glasmodell eines Geschirrspülers in Betrieb

Eine Möglichkeit für die Integration einer Wärmepumpe ist die Einbettung des Verdampfers (kalte Seite) in einen Latentwärmespeicher, welcher mit klarem Wasser befüllt ist. Der Vorteil des Einsatzes eines Latentwärmespeichers ist eine hohe Speicherdichte, was zu einem kompakten Bauteil führt. In diesem Wärmespeicher wird der Wärmestrom ${\dot {Q}}_{V}$ vom Wasser/Eis-Gemisch auf das Kältemittel übertragen, welches dadurch verdampft. Das Wasser seinerseits kühlt zuerst ab und erstarrt bei weiterem Energieentzug teilweise entlang des Verdampferrohres. Dabei wird die Erstarrungsenthalpie von Wasser zu Eis freigesetzt, welche für die Verdampfung des Kältemittels genutzt wird. Ein Durchfrieren des Latentwärmespeichers kann nicht auftreten, da die entzogene Wärmemenge über die Steuerung des Haushaltsgerätes begrenzt wird. Nach Abschluss des Geschirrspülprogrammes regeneriert sich der Latentwärmespeicher langsam durch die Umgebungsluft des Aufstellungsortes (normalerweise der Küche), d. h. das Eis schmilzt und das Wasser erwärmt sich wieder auf Raumtemperatur. Da das Regenerieren des Latentwärmespeichers und das Abkühlen des Gerätes langsam voranschreiten, fühlt der Bewohner keine Temperaturänderung in der Küche. Die Energiebilanz des Aufstellungsraums ist dabei positiv, d. h. dass die Energie zum Aufschmelzen des Latentwärmespeichers nicht zu Lasten der Raumheizung entzogen wird. Im Vergleich zu rein elektrisch beheizten Geschirrspüler ist der Netto-Energieeintrag in den Aufstellungsraum mit einem Geschirrspüler mit Wärmepumpe kleiner. Im Sommerhalbjahr kann dies von Vorteil sein, da die Küche weniger aufgeheizt bzw. mit einer Gebäudekühlung eine kleinere Kühlenergie erzeugt werden muss. Das Gerät ist so konzipiert, dass es in Standard-Küchenumgebungen installiert werden kann, ohne Aggregate (z. B. Wärmepumpe) außerhalb anzuordnen. Es kann wie ein normaler Geschirrspüler in einer Küche mit einer Standard-Geschirrspülernische installiert werden.

Prinzipschema eines Geschirrspülers mit Wärmepumpe, Integration des Verdampfers in einen Latentwärmespeicher

Wärmepumpenaggregat mit Latentwärmespeicher eines Geschirrspülers

Anstelle der Einbettung des Verdampfers in einen Latentwärmespeicher kann ein Lamellenluft-Wärmeübertrager eingesetzt werden. Dieser Wärmeübertrager wird mit warmer Küchenluft, welcher mit Hilfe eines Ventilators gefördert wird, durchströmt. Über die Lamellen wird ein Wärmestrom ${\dot {Q}}_{V}$ von der Küchenluft auf das Kältemittel übertragen, welches in den Rohren verdampft. Die warme Küchenluft wird im Gegenzug markant abgekühlt und in die Küche zurückgeführt. Das verdampfte Kältemittel wird anschließend mit Hilfe des Kompressors verdichtet. Im Kondensator der Wärmepumpe wird ein Wärmestrom ${\dot {Q}}_{K}$ vom kondensierenden Kältemittel auf das Prozesswasser übertragen, welches dadurch aufgewärmt wird. Dieses System weist gegenüber dem vorher beschriebenen Konzept mit Latentwärmespeicher den Vorteil auf, dass der so genannte Dauerbetrieb sichergestellt werden kann, d. h. das Prozesswasser eines direkt nachfolgenden Spülprogramms kann ebenfalls mit der Wärmepumpe aufgeheizt werden. Hierbei entfällt das Auftauen des Latentwärmespeichers, welches eine gewisse Zeitspanne in Anspruch nimmt. Die Nachteile von diesem System sind die markante Abkühlung der Küchenluft, welcher der Bewohner auf Grund der großen Temperaturdifferenz fühlen kann, sowie die zusätzlich benötigte Energie für den Antrieb des Ventilators. Trotz der wahrnehmbaren Abkühlung der Küchenluft ist die Energiebilanz der Küche positiv, d. h. durch das Abkühlen des Geschirrspülers inklusive Geschirr wird der Küchenluft mehr Energie zugeführt als während dem Spülprogramm durch die Abkühlung im Verdampfer entzogen wird.

Prinzipschema eines Geschirrspülers mit Wärmepumpe, Einsatz eines Lamellenluft-Wärmeübertragers für den Verdampfer anstelle eines Latentwärmespeicher

Der Nutzen für beide Wärmepumpenkonzepte ist der Wärmestrom im Kondensator, welcher das Prozesswasser aufwärmt. Der Aufwand ist die elektrische Leistung des Kompressors und der Sprühpumpe. Beim Konzept mit Lamellenluft-Wärmeübertrager wird eine zusätzliche elektrische Leistung für den Ventilator benötigt, welcher die Küchenluft durch den Wärmeübertrager fördert.

Erstmals wurde im April 2014 ein Geschirrspüler mit Wärmepumpen- und Latentwärmespeichertechnologie für den Gebrauch im privaten Haushalt auf den Markt gebracht. Der elektrische Jahresenergiebedarf eines Geschirrspülers mit Wärmepumpe, nach der Norm EN 50242 ermittelt, beträgt 137 kWh. Der effizienteste Geschirrspüler ohne Wärmepumpe aber mit einer Zeolith-Trocknung weist einen Jahresenergieverbrauch von 194 kWh auf. Standardgeschirrspüler weisen dagegen einen Jahresenergieverbrauch von rund 260 kWh auf. Somit kann der Bedarf an elektrischer Energie durch den Einsatz eines Geschirrspülers mit Wärmepumpe um mindestens 30% reduziert werden (Stand 2014).

Die integrierte Wärmepumpe erfordert im Vergleich zu einer elektrischen Widerstandsheizung eines konventionellen Geschirrspülers einige zusätzliche Bauteile. Daher stellt sich im Rahmen einer ganzheitlichen Betrachtung die Frage nach der sogenannten Grauen Energie, die für die Herstellung des Gerätes erforderlich ist. In einer Modellrechnung wird nach einer Nutzungsdauer von rund 1‘200 Zyklen, was ungefähr 3 Jahren bei täglicher Nutzung entspricht, der Punkt erreicht, bei dem die Aufwände im Materialeinsatz ausgeglichen sind. Da diese Geräte mit Wärmepumpe auf eine Lebensdauer von > 17 Jahre ausgelegt sind, lässt sich hier unter dem Strich ein erheblicher Beitrag zur Einhaltung der Klimaziele verzeichnen.

Zusammenfassung

Alle installierten und betriebenen Haushaltsgeräte benötigten im Jahr 2012 in der Schweiz einen Anteil von rund 8% des Gesamtenergiebedarfs der Haushalte in der Schweiz, im Wesentlichen elektrische Energie und Energieformen zum Heizen. Die Energie für die Haushaltsgeräte wird in aller Regel als elektrische Energie zugeführt.

Durch den Einbau von Wärmepumpen und Kälteanlagen in Haushaltsgeräten kann der Bedarf an elektrischer Energie gegenüber von rein elektrisch betriebenen Geräten markant gesenkt werden. Der Grund dafür ist, dass ein Teil der benötigten Energie aus einem „Energie-Reservoir“ bezogen wird. Alternativ kann eine Reduktion des Energiebedarfs bei Geräten mit Warmwasserbedarf, z. B. Waschmaschinen oder Geschirrspüler, auch durch einen Anschluss an das Warmwassernetz erreicht werden, was jedoch technisch aufwändiger ist und häufig nicht zum Betrieb ausreicht.

Bereits seit den 1930er Jahren wurden Kälteanlagen in Kühlschränken und Gefriertruhen eingebaut, um damit Lebensmittel zu kühlen und damit deren Haltbarkeit zu erhöhen. Seither wurden diverse weitere Haushaltsgeräte mit integrierter Wärmepumpe entwickelt, beispielsweise Wäschetrockner zur schonenden und energiesparenden Trocknung von Wäsche.

Auf Grund des gestiegenen Bewusstseins im Umgang mit den knappen Ressourcen wurden seit 2013 weitere neue Geräte entwickelt und auf dem Markt eingeführt, in welchen eine Wärmepumpe eingebaut ist. Mit erstmals vorgestellten Waschmaschinen und Geschirrspülern für Privathaushalte konnte gezeigt werden, wie die Wärmepumpentechnologie für die Reduktion des Bedarfs an elektrischer Energie eingesetzt werden kann. Der Vergleich mit herkömmlichen Geräten zeigt auf, dass der Bedarf an elektrischer Energie im Bereich von 20-50% reduziert werden kann.

Mit dem angepeilten Ausstieg aus der Atomenergie und den Umsetzungen der Klimaziele müssen weitere innovative Technologien entwickelt und auch verbreitet werden, die den Energiebedarf in Richtung der 2000-Watt-Gesellschaft führen.

Quellen

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