Prinzip des thermodynamischen Heizens mit Wärmepumpen

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1 Prinzip des thermodynamischen Heizens mit Wärmepumpen Die andere Art der Solarheizung SEMINARTAG FÜR ENERGIEBERATER Glen Dimplex Forum Kulmbach

2 Historie 1852 Der englische Physiker William Thomson, besser bekannt als Lord Kelvin, beschreibt ein mechanisches System zur Heizung oder Kühlung von Gebäuden. 1856/57 Bau und Betrieb der Saline nach dem Funktionsprinzip des Österreichers Peter von Rittinger mit wirtschaftlicher Soleverdampfung nach dem Funktionsprinzips eines Kühlschranks Carl Paul Gottfried von Linde erhält das Patent für die Entwicklung des ersten Kühlschranks. (geb. am 11. Juni 1842 in Berndorf, Oberfranken) Das Rathaus in Zürich wird seit 1938 mit einer Wärmepumpe beheizt. Als "Wärmequelle" dient der Fluss Limmat, der am Rathaus vorbeifließt. (+ Kongresshaus, Hallenbad, mehrere Amtshäuser) Lord Kelvin Quelle: wikipedia Fazit - Die Möglichkeiten Energie aus der Umgebung zu nutzen sind lange bekannt!

3 1950er Wärmepumpenboom in den USA Luft-Luft-WP für Kühl- und Heizbetrieb 1973 Anfang der siebziger Jahre kam es zu einem starken Anstieg der Ölpreise. In der Folge wurden verstärkt Alternativen zu herkömmlichen Heizungssystemen gesucht (Erste Ölkrise). Autofreier Sonntag zur Zeit der Ölkrise 1976 Beginn der Wärmepumpenfertigung in Kulmbach. Zunächst Feldtestanlagen 1977 Beginn der Serienfertigung Erneut starker Anstieg der Ölpreise. Dies führt dazu, dass 1980 bis -82 ein Massenmarkt für Wärmepumpen entsteht (Zweite Ölkrise). Erste Wärmepumpen aus Kulmbach

4 Analogiemodell zu Heizungskesseln: Öl/Gas Verbrennung Wärme Wärmeverluste Konventionelle Heizung Bei allen konventionellen Heizungen wird eine Nutzenergie (Heizöl, Gas, Strom, ) in einem chemischen oder physikalischen Prozess umgewandelt und dabei Wärme erzeugt. Darstellung: GDD Ramming

5 heizungsanlage Die Wärmepumpe entzieht der Umwelt Wärme und transportiert sie, durch eine Erhöhung der Temperatur, in das Gebäude, und gibt sie an das Heizungswasser ab. Es wird dafür nur die Antriebsenergie für den Verdichtungsprozess benötigt. Auch diese Energie wird, wie die Antriebsenergie bei allen Transportgeräten am Schluss in Wärme umgewandelt, bei der Wärmepumpe aber nicht an die Umwelt, sondern gemeinsam mit der Wärme aus der Wärmequelle an das Heizungswasser abgegeben. Stromerzeugung Antriebsenergie Wärme Wärmeverluste Primär- Energie Die Heizleistung einer Wärmepumpe, die über den Verflüssiger abgegeben wird, ist daher immer die Summe aus der Kühlleistung des Verdampfers und der Leistungsaufnahme des Verdichters. Darstellung: GDD Ramming

6 Energiefluss Ölheizung elektrische Wärmepumpe Darstellung: GDD Ramming

7 Jede Wärmepumpenheizungsanlage besteht aus drei Systemteilen Der Wärmequellenanlage Luft Erdreich Grundwasser Darstellung: GDD Ramming

8 Jede Wärmepumpenheizungsanlage besteht aus drei Systemteilen Der Wärmepumpe Darstellung: GDD Ramming

9 Jede Wärmepumpenheizungsanlage besteht aus drei Systemteilen Der Wärmenutzungsanlage z.b. Radiatoren, Fußbodenheizung oder Gebläsekonvektoren Darstellung: GDD Ramming

10 Wärme- nutzungs- anlage Darstellung: GDD Ramming

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13 Monovalenter Betrieb Bei dieser Betriebsart deckt die Wärmepumpe den Wärmebedarf des Gebäudes das ganze Jahr zu 100 %. Bivalenter Betrieb Die Wärmepumpe deckt zum größten Teil den Wärmebedarf allein. Bei tiefen Außentemperaturen arbeiten Wärmepumpe und ein zweiter Wärmeerzeuger (z.b. eine vorhandene Ölheizung) gemeinsam. Monoenergetischer Betrieb An wenigen Tagen im Jahr bei tiefen Außentemperaturen ergänzt ein elektrischer Heizstab die Wärmepumpe. Beide Wärmeerzeuger werden mit einer Energieform ( Strom ) betrieben. Darstellung: GDD Ramming

14 Bivalent-alternative Betriebsweise Bivalent-parallele Betriebsweise

15 Deckungsanteil einer monoenergetischen Anlage Bivalenzpunkt [ C] Deckungsanteil bei biv.-paral. Betrieb Deckungsanteil bei biv.-altern. Betrieb 1,00 0,99 0,99 0,99 0,99 0,98 0,97 0,96 0,96 0,96 0,95 0,94 0,93 0,91 0,87 0,83 Bivalenzpunkt [ C] Deckungsanteil bei biv.-paral. Betrieb Deckungsanteil bei biv.-altern. Betrieb Quelle: Tabelle DIN 4701 T10 0,95 0,93 0,90 0,87 0,83 0,77 0,70 0,61 0,78 0,71 0,64 0,55 0,46 0,37 0,28 0,19 Eine Luft/Wasserwärmepumpe wird üblicherweise als monoenergetische Anlage ausgelegt, und sollte den Wärmebedarf bis zu einer Außentemperatur von ca. -5 C allein abdecken. In Einzelfällen sind auch bivalente Anlagen sinnvoll. Der Deckungsanteil der Wärmepumpe liegt dann bei ca. 98 %. 2 % müssen vom 2. Wärmeerzeuger abgedeckt werden.

16 Im Gegensatz zu den konventionellen Heizsystemen kann das Problem der Energiequelle nicht einfach auf die Öl- und Gasförderländer abgewälzt, sondern muss auf dem eigenen Grundstück gelöst werden. Wahl der Wärmequelle Die Wasser/Wasser-Wärmepumpe schöpft die Heizwärme aus dem konstant temperierten Grundwasser, das auch im Winter Temperaturen von +8 C bis +12 C liefert. Die Sole/Wasser-Wärmepumpe bezieht ihre Wärme aus der im Erdreich gespeicherten Sonnenenergie von -5 C bis +25 C. Menge und Qualität? Fläche? Keine speziellen Anforderungen. Der Luft/Wasser-Wärmepumpe dient Außenluft als Energiequelle und das ganzjährig bei Temperaturen von +35 C bis 25 C. Darstellung: GDD Ramming

17 Erschließen von Wärmequellen: Die erste Frage die geklärt werden muss ist, aus welchem Medium der Umwelt kann die ausreichende Wärmemenge entzogen werden. Dazu stehen in reinen Wohngebieten maximal 3 Quellen zur Verfügung: 1. Die Luft: Die ist am leichtesten zu erschließen, denn die steht überall zur Verfügung und eine Nutzung ist auch ohne ein Genehmigungsverfahren möglich. Es muss nur die Frage des richtigen Aufstellortes geklärt werden. 2. Das Erdreich: Dazu sind Wärmeaustauscherrohre im Erdreich erforderlich mit denen über ein Wärmeträgermedium die Wärme auf den Verdampfer der Wärmepumpe übertragen wird. Die zwei häufigsten Systeme sind Erdwärmekollektoren und Erdwärmesonden. Hierfür kann eine wasserrechtlicheoder bergrechtliche Genehmigung erforderlich sein. 3. Das Grundwasser: Zur Erschließung sind 2 Brunnen zu errichten, ein Förderbrunnen und ein Schluckbrunnen. Dafür ist immer eine wasserrechtliche Genehmigung erforderlich. 4. In Einzelfällen kann auch Abwärme als Wärmequelle genutzt werden.

18 Wärmepumpen Nutzung des Grundwassers im ersten Grundwasserleiter Die Brunnenanlage muss mindestens folgende Anforderungen erfüllen: Die ausreichende Wassermenge (ca. 220 l/hkw Heizleistung) Wassertemperatur 8 C bis 10 C, daher Tiefe mindestens ca. 10 m Wasser in der richtigen Qualität (Wasseranalyse beachten) Wasserwirtschaftsamt!!! Darstellung: GDD Ramming

19 Wärmequelle: Erdreich mit Erdwärmesonden Bei Erdwärmesonden werden Wärmeaustauscherrohre in Tiefbohrungen, meistens 20 m bis 100 m ins Erdreich eingebracht. Bei Doppel- U- Rohrsonden können Entzugsleistung von ca. 40 W/m bis 50 W/m angesetzt werden. Die genaue Berechnung muss durch ein Planungsbüro für Geothermie erfolgen. Die Bohrung wird mit einem hoch wärmeleitfähigen, dauerhaft abdichtenden Spezialzement verpresst (Schutz vor Verunreinigung des Grundwassers und gute Wärmeleitung) Darstellung: GDD Ramming

20 Wärmequelle: Erdreich mit Erdkollektoren Erdwärmekollektoren nutzen gespeicherte Sonnenenergie, die durch direkte Einstrahlung, Wärmeübertragung aus der Luft und durch Niederschlag in das Erdreich eingeleitet wird. Verlegung horizontal ca. 1,2 m tief Darstellung: GDD Ramming

21 Wärmequelle Luft Einsatzbereich -25 C C Verfügbarkeit uneingeschränkt Nutzungsmöglichkeit monoenergetisch bivalent Darstellung: GDD Ramming

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24 Leistungszahl und Jahresarbeitszahl Umweltwärme Q U Elektrischer Strom Heizwärme Q N Bei einer Wärmepumpe bzw. Wärmepumpenheizungsanlage wird das Verhältnis aus Nutzen durch Aufwand nicht Wirkungsgrad sondern Leistungszahl bzw. Arbeitszahl genannt, weil dies immer eine Zahl größer 1 ist. Eine Arbeitszahl von 4 bedeutet, ¾ der Heizarbeit ist Umweltwärme und ¼ ist Antriebsenergie (Strom). Die in der Anlage erreichte Arbeitszahl hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequellen- und Wärmenutzungsanlage ab. Eine Temperaturabsenkung um 1 K senkt den Energieverbrauch um ca. 2,5 % Darstellung: GDD Ramming

25 Die Jahresarbeitszahl wird aus der Wärmemenge, die die Wärmepumpe in einem Jahr an das System liefert und der aufgenommenen Antriebsarbeit einschließlich aller Hilfsaggregate wie Pumpen und Regelung ermittelt, und ist der Quotient aus der Wärmemenge durch die Antriebsarbeit. Die theoretisch erreichbare JAZ kann auf der Seite des Bundesverband Wärmepumpen e.v. unter online berechnet werden. Die tatsächlich erreichte JAZ hängt aber von den Nutzergewohnheiten, wie geforderte Raumtemperatur, Einstellung der Regelung, hydraulischen Abgleich usw. ab. Die Leistungszahl einer Wärmepumpe ist der Quotient aus der Heizleistung durch die aufgenommene Antriebsleistung die auf einem genormten Prüfstand nach der EN ermittelt werden

26 Primärenergiefaktor Strom Vergangenheit: Aufgrund des zunehmenden Anteils von erneuerbaren Energien wurde der Primärenergiefaktor für elektrischen Strom in der deutschen EnEV von 3,0 über 2,7 auf 2,6 gesenkt (EnEV 2009 Anlage 1 Abschnitt 2.1.1) Zukunft: Der Primärenergiefaktor für Strom wird von bisher 2,6 beim Inkrafttreten der neuen EnEV auf 2,0 und Anfang 2016 auf 1,8 abgesenkt. Quelle:

27 Primärenergieverbrauch über der JAZ im Vergleich zu den Referenzsystemen Ölkessel, Ölbrennwertkessel und Gasbrennwertkessel (Stand 2008). >30% >50% Primärenergiefaktor 1,8 (ab 2016) Quelle:

28 Spezifische CO 2 -Emissionen unterschiedlicher Heizsysteme (Stand 2008) >35% >50% Spezifische CO2 Emissionen unterschiedlicher Heizungsanlagen für das Jahr 2030 Quelle: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e. V Darstellung: GDD Ramming

29 Absorptionswärmepumpen Quelle: ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.v. Gaswärmepumpen.2002

30 Quelle: Vaillant GmbH, Herr Marx, Remscheid Adsorptionswärmepumpen

31 Beh. Gebäudefläche 150 m² Vorlauftemp.: 35 C Warmwassertemp.: 55 C Wärmepumpen Effizienz - Effektivität Durchschnittlich gedämmtes Haus Passivhausstandart Heizenergiebedarf 100 kwh/(m²a) 15 kwh/(m²a) Trinkwasserenergiebedarf 12,5 kwh/(m²a) 12,5 kwh/(m²a) Energetischer Anteil der Trinkwassererwärmung 11 % 44 % Mittlere Temperatur der Wärmesenke 37 C 44 C Theoretische Effizienz 5,2 4,3 Heizenergieverbrauch pro Jahr kwh kwh Stromverbrauch pro Jahr kwh 959 kwh Stromkosten pro Jahr (bei 18 Cent / kwh) 584 Euro 173 Euro Primärenergieverbrauch (bei KEA 2,6) kwh kwh CO2 Ausstoß (bei 583 g/kwh) kg 559 kg

32 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!!!

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