Übersicht Wärmepumpen. Energiekreis Lokale Agenda 21 Leonberg Helmut Uebel

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1 Übersicht Wärmepumpen Energiekreis Lokale Agenda 21 Leonberg Helmut Uebel

2 Erneuerbare-Wärme-Gesetz des Landes Baden-Württemberg gültig ab 1. Januar 2010 Eine Neufassung mit verschärften Werten wird Mitte 2015 kommen! Bei einer Erneuerung der Heizung müssen 10% (15%)der Wärme durch erneuerbare Energien erzeugt werden. Alternative Möglichkeiten: 0,04 qm (0,07 qm) Solarkollektor pro qm Wohnfläche Wärmepumpe zur Deckung des Gesamtbedarfs mit JAZ>3,5 Holzkessel (Pellets oder Scheitholz) Beimischung 10 % (15 %) Biogas oder Bioöl Ersatzweise Erfüllung: Gebäude dämmen, (Energieberatung) Ausnahmen: Gegenteilige öffentlich rechtliche Vorschriften Bereits erneuerbare Energien genutzt (Holz, Solarthermie, Wärmepumpe) Bereits Photovoltaik-Anlage vorhanden, kein Platz für thermische Solaranlage 2

3 Wärmepumpen im Vergleich zu Standardheizungen Bei Standardheizungen wird die gesamte Heizenergie durch den Brennstoff erzeugt (Gas, Öl, Holz). Bei Wärmepumpen wird die Energie der Umwelt auf ein höheres Temperatur-Niveau gehoben, um sie nutzbar zu machen. Die dazu benötigte Energie ist umso geringer, je geringer der Temperaturunterschied zwischen der Umwelt und der Heizung ist Übersicht Wärmepumpen

4 Wirkungsprinzip der Wärmepumpe Beispiel: Grundwasser-Wärmepumpe, Haus mit Fußboden-Heizung 4

5 Welche Art von Umweltenergie kann benutzt werden? Wärme der Umgebungsluft Die angesaugte Luft wird im sogenannten Verdampfer durch das flüssige Kühlmittel abgekühlt und dann wieder ausgeblasen. Dadurch verdampft das Kühlmittel. Je größer der Verdampfer ist, desto leiser und leistungsstärker ist er. Wärme des Erdreichs Man unterscheidet zwischen Oberfächen-naher Erdwärme, die durch mäanderförmige Verlegung von Rohren gewonnen wird und Erdsonden, die in Tiefen von ca. 100 m gebohrt werden. In beiden Fällen liegt die Temperatur der Erde über 0 Grad. Wärme des Grundwassers Das Grundwasser wird nach oben gepumpt. Dort wird ihm Wärme entzogen, so dass es abkühlt. Das kalte Wasser wird wieder in das Grundwasser geleitet. Die Temperatur des Grundwassers liegt bei ca. 10 Grad. 5

6 Luft/Wasser-Wärmepumpe Außenaufstellung Abhängigkeit von der Lufttemperatur Geringerer Platzbedarf im Keller Leitungen zur Wärmepumpe gut dämmen Große Teile der Anlage sind den Umweltbedingungen ausgesetzt Lüftergeräusch beachten! Skizze: Weishaupt 6

7 Luft/Wasser-Wärmepumpe Innenaufstellung Abhängigkeit von der Lufttemperatur Große Durchbrüche in der Kellerwand erforderlich, deshalb nur für Neubau geeignet Etwas geringerer Wirkungsgrad durch Verluste der Luftströmung Alle Bauteile haben Keller- Temperatur, bequeme Wartung Lüftergeräusche beachten! Skizze: Weishaupt 7

8 Luft/Wasser-Wärmepumpe Split-Bauweise Skizze: Weishaupt Abhängigkeit von der Lufttemperatur Der Verdampfer ist von der übrigen Wärmepumpe getrennt. Der Verdampfer kann an einer günstigen Stelle aufgestellt werden (Senke vermeiden!). Es sind keine größeren Durchbrüche im Keller erforderlich. Relativ hoher Wirkungsgrad Lüftergeräusch beachten! 8

9 Beispiel einer Split-Luft/Wasser-Wärmepumpe Verdampfer 9

10 Sole/Wasser-Wärmepumpe Erdkollektor Skizze: Weishaupt Temperatur der Sole im Kollektor 0 Grad bis +10 Grad Leistung ca. 25 W / qm. Benötigte Gartenfläche ca. 1 2x beheizte Fläche Keine Lüftergeräusche Keine Genehmigung erforderlich Besonders für Neubauten geeignet Bei Altbauten Verlegung der Rohre in Gräben Umweltschäden praktisch ausgeschlossen 10

11 Sole/Wasser-Wärmepumpe Erdsonde Skizze: Weishaupt Temperatur der Sole ca. 10 Grad Leistung ca. 50 W pro Meter Bohrtiefe. Bis 100 m Bohrtiefe Genehmigung des Landratsamts, darüber Bergamt Anzahl der Bohrungen abhängig von der Leistung Erhebliche Mehrkosten im Vergleich zu Luft In Wasserschutzgebieten CO 2 als Energietransport-Medium Umweltschäden unwahrscheinlich, aber erheblich 11

12 Wasser/Wasser-Wärmepumpe Grundwasser Temperatur des Grundwassers ca. 10 Grad Wasserrechtliche Genehmigung erforderlich Zwischenkreis Grundwasser/ Sole erforderlich, um Verschmutzung zu vermeiden Zusätzlich Tauchpumpe im Förderbrunnen Umweltschäden unwahrscheinlich, aber erheblich Skizze: Weishaupt 12

13 Energieausweis EnEV 2009 und EnEV 2014 Neu: Klassen A+ H für den Endenergiebedarf eines Gebäudes, vergleichbar mit Haushaltsgeräten Endenergiebedarf: Die Energie, die zum Heizen des Hauses benötigt wird, Angabe in kwh pro qm und Jahr. Primärenergie: Die nicht erneuerbare Energie, die zur Erzeugung der Endenergie benötigt wird. Sie berücksichtigt z.b. den Wirkungsgrad von Kraftwerken und andere Verluste. 13

14 Beispiel: Energiebilanz Wärmepumpe (JAZ=4) im Vergleich zu Gas-Brennwertkessel (vor 2014) Primärenergie Endenergie Quelle: DLR 14

15 Vergleich der Pimärenergie Brennwertheizung Wärmepumpe Gas-Brennwertheizung Wirkungsgrad 90%, Wärmepumpe JAZ 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Erdgas H Primärenergie- Faktor Brennwertheizung Faktor Endenergie/Primärenergie Strom Primärenergie-Faktor Wärmepumpe Faktor Endenergie/Primärenergie 0,

16 Wärmepumpen mit elektrischem Antrieb Begriffe Monoenergetische Wärmepumpe: Nur elektrische Energie wird eingesetzt Monovalente Wärmepumpe: Keine elektrische Zusatzheizung (Heizstab) COP oder Leistungszahl: Verhältnis von erzeugter Wärmeleistung zu aufgewendeter elektrischer Leistung in einem bestimmten Arbeitspunkt. Beispiel: A2 / W35, COP=4; Luft=2 Grad, Heizungswasser=35 Grad Jahresarbeitszahl (JAZ) Verhältnis von erzeugter Wärmeenergie zu aufgewendeter elektrischer Energie für ein Jahr mit festgelegtem Temperaturverlauf. Abhängig von der Art der Heizung (Heizkörper, Flächenheizung). 16

17 COP Temperatur Vorlauf COP bei verschiedenen Wärmequellen Heizungsart: Heizkörper 9, , , ,00 5,00 4,00 3, COP Luft COP Sole COP Wasser Vorlauf Grad 2, , , Lufttemperatur Grad 0 17

18 COP Temperatur Vorlauf COP bei verschiedenen Wärmequellen Heizungsart: Fußbodenheizung mit Heizkörpern kombiniert 12, , , ,00 30 COP Luft COP Sole COP Wasser 4,00 20 Vorlauf Grad 2, , Lufttemperatur Grad 0 18

19 COP Temperatur Vorlauf COP bei verschiedenen Wärmequellen Heizungsart: Fußbodenheizung 16, ,00 12,00 10, ,00 25 COP Luft COP Sole 6,00 20 COP Wasser Vorlauf Grad 15 4, ,00 5 0, Lufttemperatur Grad 0 19

20 Temperatur, Leistung Arbeitsbereiche einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (Beispiel Fußbodenheizung mit Heizkörpern kombiniert) Schlechter Wirungsgrad Guter Wirkungsgrad Vorlauftemperatur Grad Sinnvolle Grenze "+50 Grad" Grad Leistungsbedarf Haus kw Maximale Leistung WP kw Minimale Leistung WP kw Heizstab Modulationsbereich 10 Leistungsüberangebot Außentemperatur Grad 20

21 Heizstab für Luft/Wasser-Wärmepumpen Thermostat einstellbar Heizstab Der Heizstab wird eingesetzt: Bei tiefen Temperaturen, wenn die Leistung der Wärmepumpe nicht ausreicht Zur Austrocknung von Neubauten 21

22 Überschlägige Berechnung der der Gebäudeheizlast bei Einfamilienhäusern, Ergebnis in kw Altbau: Durchschnittlicher Heizölverbrauch pro Jahr in Litern, dividiert durch 250 Durchschnittlicher Gasverbrauch pro Jahr in kwh, dividiert durch Neubau: Anhand des EnEV-Nachweises Zuschlag für Warmwassererwärmung, falls nicht enthalten: Mittlerer Bedarf (50 l/tag): Hoher Bedarf (70 l/tag): 0,18 kw/person 0,25 kw/person 22

23 Planung der Leistung von Wärmepumpen Abschaltung durch den Energieversorger Der Energieversorger schaltet die WP zu Hochlastzeiten ab. EnBW: 2x täglich jeweils 1 ½ Stunden Folge: Speicher für Warmwasser und Heizwasser (bei Heizkörpern) erforderlich, um diese Zeiten zu überbrücken. Aufwärmen von Brauchwasser (Warmwasserbetrieb) Die WP kann entweder Brauchwasser oder Heizungswasser erwärmen. Im Allgemeinen hat die Brauchwassererwärmung Vorrang. Abtauen des Verdampfers bei Luft/Wasser-WP Bei Temperaturen um 0 Grad vereist der Verdampfer und muss dann abgetaut werden. Das geschieht automatisch mit Heizwasser. In dieser Zeit arbeitet die WP im Kühlbetrieb. In diesen Zeiten kann die WP nicht zur Heizung beitragen. Dieses ist bei der Planung der WP-Leistung zu berücksichtigen 23

24 Aufzeichnung Luft/Wasser-Wärmepumpe Warmwasserbereitung, Abtauen Verdampfer, Heizungsbetrieb 24

25 Temperaturen Grad Klimadaten Flughafen Stuttgart Heiztage (<15 Grad), 3397 Gradtage (Raum 21 Grad), 23 Tage <0 Grad, 0 Tage < -8 Grad Mittlere Lufttemperatur 5 3 Heizgrade Temperatur<15 Grad , , , , , ,5 2 2 Temperatur<0 Grad Temperatur<-8 Grad Tag des Jahres

26 Temperaturen Grad Klimadaten Flughafen Stuttgart Heiztage (<15 Grad), 3750 Gradtage (Raum 21 Grad), 35 Tage <0 Grad, 10 Tage < -8 Grad , , , , , , ,5 3,5 3 2,5 2 1,5 Mittlere Lufttemperatur Heizgrade Temperatur<15 Grad Temperatur<0 Grad Temperatur<-8 Grad ,5-25 Tag des Jahres

27 Ergebnisse der Klimabetrachtung Stuttgart Die Heizung wird in Altbauten bei einer Lufttemperatur von weniger als 15 Grad eingeschaltet (Vorgabe). Dies ist für ca. 240 Tage im Jahr der Fall. In den meisten Fällen wird die Heizung aber im Sommer nicht eingeschaltet! Die letzten 10 Jahre wurde die mittlere Tagestemperatur von -8 Grad nur im Februar 2012 für 10 Tage unterschritten. Hier war der Elektro-Heizstab bei einer Luft/Wasser-WP erforderlich. Auf die Betriebskosten hat dies nur geringen Einfluss. Bei einer Raumtemperatur von 21 Grad ergeben sich ca Gradtage (Summe Heizgrade x Tage) % der Heizleistung einer Luft/Wasser-WP werden in dem Temperaturbereich von Grad erbracht, in dem das Vereisen des Verdampfers möglich ist. 27

28 Legionellengefahr Um Legionellen zu vermeiden, muss entweder das Brauchwasser regelmäßig auf > 60 Grad aufgeheizt werden oder das Volumen des Brauchwassers reduziert werden. Bei Wärmepumpen wird häufig die zweite Möglichkeit in einer Frischwasserstation genutzt, damit eine hohe JAZ erreicht wird. Der Warmwasserspeicher enthält kein Trinkwasser, sondern Heizwasser. Es wird auf Grad aufgeheizt. Bei Warmwasserbedarf wird frisches Leitungswasser über einen Wärmetauscher vom erhitzten Wasser des Brauchwasserspeichers erwärmt. Das resultierende Brauchwasservolumen ist so gering, dass sich keine Legionellen bilden können. 28

29 Frischwasser-Anlage Zirkulationspumpe Speisepumpe WW-Speicher Wärmetauscher 65 kw 29

30 Wirtschaftlichkeit: Einkaufspreise und Endenergiepreise ct/kwh Örtliche Anbieter (Strom, Gas: EnBW; Öl: Scharr) 25,00 20,00 20,05 20,05 20,05 16,87 16,87 15,00 Einkauf ct/kwh 10,00 6,68 7,20 8,00 6,30 7,00 Endenergie ct/kwh 5,00 5,01 4,01 0,00 direkt WP JAZ=3 WP JAZ=4 WP JAZ=5 Brennwertkessel Brennwertkessel Strom Strom Strom Strom Öl 10% Bio Gas 10% Bio 30

31 Förderung von Wärmepumpen durch das BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) Vor der Auswahl der Anlage über Fördermöglichkeit informieren (Liste der förderfähigen WP als Download) Fördervoraussetzungen: JAZ von mindestens 3,8 bei Sole/Wasser und Wasser/Wasser WP JAZ von mindestens 3,5 bei Luft/Wasser WP Hydraulischer Abgleich der Anlage (Bestätigung Fachbetrieb) Wärmemengenzähler Basisförderung: Luft/Wasser WP: bis 20 kw, über 20 kw Sole/Wasser und Wasser/Wasser WP: bis 10 kw / kw über 10 kw bis 20 kw Neuer Pufferspeicher mit min. 30 l/kw pauschal 500 Antragstellung ab Inbetriebnahme innerhalb 6 Monaten 31

32 Hersteller von Wärmepumpen im Bundesverband Wärmepumpen e.v. 32

33 Nutzung Alternativer Energie für Wärmepumpen: Thermische Solarenergie direkt Eisspeicher Photovoltaik Übersicht Wärmepumpen 33

34 Solarenergie Jahressumme der Globalstrahlung Süddeutschland Quelle: PROTON 34

35 Direkte Nutzung der Solarthermie bei Wärmepumpen Leistung einer Solarthermieanlage bei optimaler Ausrichtung ca. 500 W peak/qm oder 500 kwh/(jahr x qm). Im Winter wesentlich geringere Erträge als im Sommer. Primär zur Erzeugung von Warmwasser im Sommer geeignet. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen Einspeisung zwischen Verdampfer und Verdichter. Einspeisung über einen Wärmetauscher (Spezialanfertigung, hoher Druck!). Nur in Kombination mit Brauchwasser-Erwärmung wirtschaftlich sinnvoll. 35

36 Kombination der Wärmequellen Luft und Erdreich mit Eisspeicher Quelle: Viessmann 36

37 Wirkungsweise des Eisspeichers Der Eisspeicher ist ein Langzeitspeicher, der hauptsächlich die Energie ausnutzt, die von der Umwandlung von 0 Grad Wasser zu 0 Grad Eis und umgekehrt aufgewendet wird. Diese Energie ist so hoch wie die Energie zum Erhitzen des Wassers von 0 Grad auf 83 Grad. Der Vorteil des niedrigen Temperaturniveaus ist, dass der Speicher ungedämmt im Erdreich sein kann und dabei noch Energie von der Erde aufnimmt. Durch das niedrige Temperaturniveau wird eine Wärmepumpe benötigt, um auf Heiztemperaturen zu kommen. Im Sommer kann die Kombination aus Eisspeicher und Wärmepumpe mit gutem Wirkungsgrad auch zum Kühlen verwendet werden. 37

38 Temperatur Grad Aggregatzustände und Energieinhalt von Wasser 120 Wasser beginnt zu sieden Aller Dampf kondensiert Dampf 100 Dampf + Wasser 80 Brennwerteffekt bei Heizungen Alles Wasser verdampft Dampf beginnt zu kondensieren Warmes Wasser Erwärmung Abkühlung 20 Eis beginnt zu schmelzen Alles Wasser gefroren Latentspeicher (Eisspeicher) 0-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Eis Wasser Alles Eis geschmolzen + Eis Wasser beginnt zu frieren -20 Energieinhalt relativ kwh/kg 38

39 Absorber für Flachdach Quelle: Viessmann 39

40 Installation Eisspeicher für Einfamilienhaus Fotos: Solareis/Viessmann 40

41 Erdtemperatur Grad Energie Eis, Umgebungstemp., Rücklauftemp., Raumtemp., Soletemp. Simulation Eisspeicher: Neubau (KfW 55), 250 qm Heizfläche Leistung WP: 6 kw, Volumen Eisspeicher: 10 cbm Beispiel: Winter 2011 auf T erde T Umgeb. T Rueckl. T Haus T sole E Eis % , , , , , ,

42 Ergebnisse der Simulation Haus 250 qm nach KfW 55 (EnEV 2009) Parameter Absorber-Fläche qm: 10 Größe Eisspeicher kg: Wärmepumpe kw: 6 Ergebnisse Füllung Eispeicher Min %: -8,22 Füllung Eispeicher Max %: 118,91 Temperatur Eisspeicher Min Grad: -13,13 Temperatur Eisspeicher Max Grad: 15,11 Jahresenergie Absorber kwh: ,93 Jahresenergie Absorber ungenutzt kwh: ,10 Jahresenergie WP thermisch kwh ,12 Jahresenergie WP elektrisch kwh: 1.707,88 Jahresenergie Pumpen kwh: Jahresarbeitszahl: 4,66 Jahresenergie von Erde kwh: 318,85 Jahresenergie zur Erde kwh: 690,05 Jahresenergie von Erde fern kwh: -78,67 42

43 Zusammenfassung Eisspeicher Durch den Eisspeicher und den Absorber entstehen höhere Kosten als bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe. Durch die Verwendung von Flüssigkeit statt Luft steigt der COP und damit die JAZ. Durch die Begrenzung der tiefsten Temperatur auf 0 Grad kann die Wärmepumpe eine geringere Leistung haben. Mit dem Eisspeicher kann im Sommer besser gekühlt werden als mit Luft. Beim Eisspeicher gibt es keine Lüftergeräusche wie beim Verdampfer der Luft/Wasser-Wärmepumpe. Die Technik ist relativ neu, sie ist aber risikoarm. Eine Beeinflussung des Untergrunds kann im Gegensatz zu Erdbohrungen ausgeschlossen werden. Bei unterdimensionierten Eisspeichern muss elektrisch mit dem Heizstab gearbeitet werden! 43

44 Photovoltaik als Unterstützung von Wärmepumpen Falls Photovoltaik vorhanden ist, kann sie gewinnbringend für die Speisung von Wärmepumpen eingesetzt werden. Der eigenerzeugte Strom ist wesentlich günstiger als der bezogene Strom. So braucht z.b. eine 6 kw-wp mit einem COP > 3 weniger als 2 kw elektrische Leistung, was bei Sonnenschein kein Problem ist. Batteriespeicher in PV-Anlagen erhöhen den Anteil des Eigenverbrauchs. Speziell für die Brauchwassererwärmung gibt es WP geringer Leistung, die nur arbeiten, wenn die PV-Anlage genügend Leistung liefert. Diese Luft/Wasser-WP nehmen die Wärme der Kellerräume zur Brauchwassererwärmung. 44

45 Nebenaspekt: Wärmepumpen können auch kühlen Im Prinzip können Wärmepumpen durch veränderte Konfiguration im Sommer auch zum Kühlen verwendet werden. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen ist der Wirkungsgrad durch die hohen Lufttemperaturen schlecht. Bei anderen Umweltmedien (Erde, Wasser, Eis) funktioniert das Kühlen besser. Heizkörper sind zum Kühlen nicht geeignet, an ihnen bildet sich leicht Kondenswasser. Bei Flächenheizungen ist wegen Kondenswassers und damit Schimmelbildung der Taupunkt zu beachten. Insgesamt werden im privaten Bereich nur etwa 5 % der Wärmepumpen zum Kühlen im Sommer verwendet. 45

46 Andere als strombetriebene Wärmepumpen Neben stombetriebenen WP gibt es auch gasbetriebene WP, die statt des Elektromotors einen Gasmotor zum Antrieb des Verdichters haben. Diese WP haben eine wesentlich geringere JAZ von ca. 1,5 als Elektro-WP, dafür ist aber die bezogene Energie (Gas statt Strom) pro kwh deutlich billiger. Der Nachteil ist die schlechtere Steuerbarkeit der Gasmotoren und die höhere Schallentwicklung. Gasbetriebene WP haben nur einen geringen Marktanteil. 46

47 Danke für Ihr Interesse 47