Ist die Wärmepumpe im Sanierungsfall eine sinnvolle Alternative?

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1 Ist die Wärmepumpe im Sanierungsfall eine sinnvolle Alternative? 1. Wärmequellen Prof. Dipl.-Ing. Werner Schenk Hochschule München Versorgungstechnik 2. Wirtschaftlichkeit und Ökologie 3. Sanierungsfall 1. Vorgehensweise 2. Hydraulische Optimierungen 3. Anlagenbeispiele 1

2 500 % Preissteigerung % Ct/l bzw. Ct/kWh Treibhauseffekt 200 % Verbrauch konventioneller Energien Politische Auseinandersetzungen Radioaktive Belastung Waldsterben Ing.-Büro Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk 2

3 Wärmepumpe: Black Box 1 kwh Antriebsenergie Wärmepumpe kwh Wärme kwh regenerativ Grundwasser Erdreich Luft Auch bei -20 C wird kein Öl oder Gas benötigt 3

4 Grundwasser-Wärmepumpenanlage 4

5 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Wasserbedarf pro kw Heizleistung : ~ 0,2 m³/h Wasseranalyse: Fe < 0,2 mg/l Mn< 0,1 mg/l elektrische Leitfähigkeit < 500 µs/cm Kleinanlage bis 15 kw: nur im Gebiet mit eindeutig positiven Erfahrungen Großanlage: hydrogeologisches Fachgutachten Bohranzeige Probebohrung zur Bestätigung Wasseranalyse: - Verockerung -Korrosion Brunnenbau Pump- und Schluckversuch luftdichte Brunnenhydraulik wasserrechtliche Genehmigung 5 Ing.-Büro Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk

6 Erdreichkollektor-Wärmepumpenanlage 6

7 7

8 Erdreichkollektor-Wärmepumpenanlage Erdreichkollektor: Flächenbedarf: F 30 m²/kw Heizleistung (Entzugsleistung: W/m²) Verlegetiefe: mind. 20 cm unter Frostgrenze Erdreichkollektor darf nicht überbaut werden 8 Ing.-Büro Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk

9 Erdwärmesonden-Wärmepumpenanlage 99 % der Erdmasse hat eine Temperatur über C 9 Ing.-Büro Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk

10 Erdwärmesonden-Wärmepumpenanlage 10

11 Abwasser-Wärmepumpenanlage Wärmetauscher im Abwasserkanal Rinnenwärmetauscher für Kanäle mit Kreisprofil Rohrwärmetauscher : Chromstahlrohre in Spezialmörtel 11 Rinnenwärmetauscher als vorgefertigtes Kanalisationselement Koaxial-Wärmetauscher als vorgefertigtes Kanalisationselement

12 Abwasser-Wärmepumpenanlagen Wärmetauscher neben Abwasserkanal Mindestbedarf: 150 kw Bild Rückgewinnung von Wärmeenergie aus der Kanalisation Bild Abwasserwärme zur Schlammtrocknung zeitlich getaktete Präventivreinigung der Rohrmodule automatischer Austrag von Sedimenten Bild Spezialwärmetauscher für belastetes Abwasser 12

13 Luft-Wärmepumpenanlage Außenaufstellung Innenaufstellung Splitaufstellung 13

14 Einfamilienhaus: beheizte Fläche: 150 m² Heizlast: 6 kw Warmwasser für 4 Personen Einfamilienhaus: beheizte Fläche: 150 m²; Heizlast 6 kw; Warmwasser für 4 Personen Heizenergie: 6 kw x h/a = Warmwasser: 4 Pers. x 2 kwh/pers./d x 365 d = ges. thermischer Energiebedarf Betriebsgebundene Kosten: Ölkessel Gaskessel Brennwert 4 Wirtschaftlichkeit 4.1 Betriebs- und Verbrauchskostenvergleich Pellets- Kessel kwh/a kwh/a kwh/a Erdreich- Wärmepumpe Grundwasser- Wärmepumpe Luft-WP Wartung, Kesselreinigung Tankreinigung anteilig 100 Kaminkehrer Summe Verbrauchsgebundene Kosten: Wärmeerzeugung: Jahresarbeitszahl/-Nutzungsgrad 90% 100% 80% 4,0 5,0 3,2 Strombedarf in kwh/a Strompreis (Misch~) pro kwh 0,167 0,167 0,167 Stromkosten Bedarf in l/a, m³/a bzw. in t/a ,31 Preis in pro l, m³ bzw in t 0,92 0, Brennstoffkosten pro Jahr Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München Hilfsenergie: Strombedarf in kwh/a Strompreis pro kwh 0,20 0,20 0,20 0,17 0,17 0,17 Stromkosten pro Jahr Meßpreis/Grundpreis Summe Ges.-Summe

15 4 Wirtschaftlichkeit 4.1 Betriebs- und Verbrauchskostenvergleich Einfamilienhaus: beheizte Fläche: 150 m² Heizlast: 6 kw Warmwasser für 4 Personen Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

16 4 Wirtschaftlichkeit 4.2 Heizkostenvergleich nach VDI 2067: Heizkosten nach VDI 2067 Einfamilienhaus: beheizte Fläche: 150 m² Heizlast: 6 kw Warmwasser für 4 Personen Kapitalkosten: Betriebsgebundene Kosten Verbrauchsgebundne Kosten 16 Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

17 Energiepreise Energiepreisentwicklung Ct/l bzw. Ct/kWh ?? Ct/Liter Öl incl. Steuer Ct/kWh Heizstrom incl. Stromsteuer 17 Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

18 Energiepreise Energiepreisentwicklung Ct/l bzw. Ct/kWh Ct/Liter Öl incl. Steuer Ct/kWh Heizstrom incl. Stromsteuer 18 Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

19 Wirtschaftlichkeit mögliche künftige Betriebsund Verbrauchskosten Einfamilienhaus: beheizte Fläche: 150 m² Heizlast 7,5 kw Warmwasser für 4 Personen Künftig mögliche Energiepreise: Öl: 2,02 /l Erdgas: 2,02 /l Pellets: 450 /t Heizstrom: 33 Ct/kWh Strom allgemeiner Tarif: 35 Ct/kWh Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

20 Wirtschaftlichkeit künftiger Heizkostenvergleich nach VDI 2067: Heizkosten nach VDI 2067 Einfamilienhaus: beheizte Fläche: 150 m² Heizlast: 6 kw Warmwasser: für 4 Personen Künftig mögliche Energiepreise: Öl: 2,02 /l Erdgas: 2,02 /l Pellets: 450 /t Heizstrom: 33 Ct/kWh Strom allgemeiner Tarif: 35 Ct/kWh Kapitalkosten: Betriebsgebundene Kosten Verbrauchsgebundne Kosten 20 Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

21 Umweltverträglichkeit CO 2 -Emissionen ,75 0,46 5,11 0,46 Einfamilienhaus: beheizte Fläche: 150 m² Heizlast 7,5 kw Warmwasser für 4 Personen vgl. PKW Einsparung 3 t/a Verbrauch 6 l/100 km CO2-Emissionen 0,160 kg/km entspricht km/a ,29 4,65 1,66 0,60 1,09 2,45 2,46 Strom Ro 458 Pellets 42 Erdgas 249 Heizöl Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

22 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Reihenhaus München Heizung und Warmwasser Wohnfläche 160 m² Heizlast: 7,1 kw 22

23 Grundwasseranlage Reihenhaus München WP Trennwärmetauscher Grundwasser- Förderbrunnen Grundwasser- Schluckbrunnen 23

24 ß Heizung= 4,7 ß Gesamt= 4,5 ß Warmwasser= 3, Arbeitszahl Grundwasseranlage Reihenhaus München Stromverbrauch: kwh/a Verbrauchskosten: 353 /a = 2,21 /m²/a 24

25 Heizen und Kühlen Bürogebäude Perlach Gebäudedaten: temperierte Fläche: m² Heizlast: 235 kw Kühllast: 250 kw 25

26 Heizen und Kühlen Hydraulik Bürogebäude Perlach Bauteiltemperierung Kühlen Heizen M M M M Kühlen M M M Heizen 26

27 Heizen und Kühlen Investitionskosten Perlach Kühlen Kühlen Heizen Heizen Gaskessel Kaltwassersatz 250 kw Rückkühlwerk Gaskessel 250 kw: Anschlusskosten: Schornstein: Kaltwassersatz 250 kw: Kühlturm m. Zubehör 330 kw: Verrohrung, Armaturen, usw Elektro und MSR Summe Invest: Grundwasserwärmepumpe Wärmetauscher Kühlung Brunnenanlage: Wärmepumpen 235 kw: Verrohrung, Armaturen, usw Wärmetauscher Kühlung: Elektro und MSR Summe Invest:

28 Heizen und Kühlen Verbrauchskostenvergleich Gaspreis: Strompreis WP: Strompreis allg Bürogebäude Perlach Gebäudedaten: temperierte Fläche: m² Heizlast: 235 kw Kühllast: 250 kw Heizwärmebedarf: (b vh = h/a) Kältebedarf: (b vk = 800 h/a) /a Gaskessel Rückkühlwerk Kaltwassersatz 0,52 /m³ 0,14 /kwh 0,20 /kwh kwh/a kwh/a Wärmepumpe Grundwasser /a Einsparung /a Kälte: Wärme: Wärmeerzeugung: Gaskessel Grundwasser- Kaltwassersatz Wärmepumpe Rückkühlwerk Grundwasser (Verteilungsverl. vernachlässigt) Gasbedarf η Nutz = 95 % m³/a Gaskosten /a Wärmepumpe ß H = kwh/a Stromkosten 400 /a /a Leistungs-/Messpreis /a 84 /a Wärme : /a /a Kälteeerzeugung: Wasser aufbereitet Kältemaschine ß K = 4 Kühlwasserpumpe Ventilator Grundwasserpumpe /a kwh/a kwh/a kwh/a 3200 kwh/a (elektr. Leistung: 4 kw) Stromkosten /a 448 /a Kälte: /a 448 /a Gesamtsumme: /a /a 28

29 Heizen und Kühlen CO 2 -Emissionen Spez. CO 2 Emissionen Erdgas: Strom Stadtwerke München 2011: CO2-Emissionen pro Jahr in [t/a] t/a 223 g/kwh 443 g/kwh 70 % 35 t/a Gaskessel GW-Wärmepumpe Kaltwassersatz Grundwasser Rückkühlwerk Wärmeerzeugung Wärmemenge kwh/a kwh/a Endenergie kwh/a kwh/a CO 2 -Emissionen 88t/a 33t/a Kälteerzeugung Kältemenge kwh/a kwh/a Endenergie kwh/a kwh/a CO 2 -Emissionen 25t/a 1t/a 20 0 Rückkühlwerk Kaltwassersatz Gaskessel Grundwasser GW-Wärmepumpe vgl. PKW Einsparung 78 t/a Verbrauch 6 l/100 km CO2-Emissionen 0,160 kg/km entspricht km/a oder 24 Autos a km/a 29

30 2012 Wärmepumpe bei Sanierung Warum ist diese Technik wirtschaftlich interessant geworden? 1. Energiepreisentwicklung 2. Höhere energetische Effizienz durch Entwicklungen in der Wärmepumpentechnik 1. Kältekreislauf Rekuperator 2. Verdichtertechnik Optimierungen 3. Hochtemperatur-Kältemittel R134a, R Erkenntnisse bei der Wärmequellentechnik 1. Grundwasser: Grenzwerte sind bekannt 2. Fläche des Erdreichkollektors konnte durch neue Technologie reduziert werden 3. Erdwärmesonde hat sich etabliert 30

31 12,0 10,0 Steigerung der spezifischen Wärmepreise 10,0 10, % Niedertemperatur 10,8 8,0 Ct pro kwh Wärme 6,0 4,0 2,0 0,0 4,2 2,7 1,6 4,4 2,9 1,7 5,6 6,8 7,1 7,1 WP mit Radiatoren t Vmax =~60 C 3,7 3,7 3,9 3,9 3,9 WP mit Flächenheizung t Vmax =35 C 2,2 2,2 2,3 2,3 2,3 5, % Hochtemperatur 8,1 4,6 4,6 2,8 2, ,0 3,0 5,6 3,3 Ölkessel Nutzungsgrad =85 % WP ß = 3 WP ß = 5 31

32 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Doppelhaushälfte Rosenheim 32

33 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Doppelhaushälfte Rosenheim WW 300 l Frischwasser-System Einrohr-Radiatoren-Heizung 190 m² KW 8,4 kw WP Grundwasser- Förderbrunnen Grundwasser- Schluckbrunnen 33

34 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Doppelhaushälfte Rosenheim 6,00 5,00 4,00 Arbeitszahl durchschnittliche Arbeitszahl ß= 4,4 3,00 2,00 1,00 0, Vollbenutzungsstunden: h/a Stromverbrauch: kwh/a Verbrauchskosten: 862 /a = 4,53 /m²/a 34

35 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Doppelhaushälfte Rosenheim Beiheizte Fläche: 190 m² Bj.: 1984 Heizlast: 13,6 kw 71 W/m² Vor Sanierung: Gaskessel 21 kw Erdgasverbrauch: kwh = /a Stromverbrauch: kwh = 188 /a Verbrauchskosten: /a Primärenergieverbrauch: kwh/a Primärenergievergleich kwh/a kwh/a Gaskessel Wärmepumpe Erdgas Strom Verbrauchskostenvergleich /a Nach Sanierung: Wärmepumpe (W10/W55) 8,4 kw Stromverbrauch: kwh/a Verbrauchskosten: 862 /a Primärenergieverbrauch: kwh/a Gaskessel Wärmepumpe Erdgas Strom 862 /a 35

36 Planungsablauf bei der Sanierung von Öl-und Gasheizungen mit Wärmepumpe 1. Ermittlung Heizleistung WP nach DIN EU Auswahl der Wärmequelle 3. Ermittlung der notwendigen Vorlauftemperatur bei T AUL = -16 C alte Heizung betreiben als wäre Standard - Wärmepumpe bereits installiert: Thermostate bzw. Einzelraumregelungen offen, hydraulischer Abgleich keine Nachtabsenkung möglichst großer Volumenstrom Vorlauftemperatur auf max. Vorlauftemperatur-Niveau der WP begrenzen Prüfung gleichmäßige Durchstömung Rücklauftemperatur an Heizfläche 4. Wenn Vorlauftemperatur nicht ausreicht Vergrößerung der Heizflächen in den betroffenen Räumen leistungsstärkere Radiatoren, Konvektoren oder Gebläsekonvektoren Ergänzung mit Wandheizung Ergänzung mit elektrischer Direktheizung (z.b. Bad) 5. Planung der Warmwasserbereitung 6. Option Kühlen abklären 36

37 Planungsablauf bei der Sanierung von Öl-und Gasheizungen mit Wärmepumpe z.b. 40 C z.b. 65 C 37

38 Planungsablauf bei der Sanierung von Öl-und Gasheizungen mit Wärmepumpe z.b. 40 C z.b. 65 C GW-WP ß = 2,2 38

39 Planungsablauf bei der Sanierung von Öl-und Gasheizungen mit Wärmepumpe Wärmetauscher: 0,2 m²/kw z.b. 40 C z.b. 65 C GW-WP ß = 3,0 39

40 Planungsablauf bei der Sanierung von Öl-und Gasheizungen mit Wärmepumpe z.b. 45 C z.b. 45 C GW-WP ß = 4,0 40

41 Planungsablauf bei der Sanierung von Öl-und Gasheizungen mit Wärmepumpe z.b. 45 C z.b. 45 C GW-WP ß = 4,5 41

42 Planungsablauf bei der Sanierung von Öl-und Gasheizungen mit Wärmepumpe z.b. 45 C z.b. 45 C WW KW GW-WP ß = 4,7 42

43 Reichertshausen: Erdreichkollektor für alte Schule und neue Bücherei 43 Ing.-Büro Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk

44 Reichertshausen: Erdreichkollektor für alte Schule und neue Bücherei Ing.-Büro Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Auch bei Außentemperaturen 44 von -20 C wird kein Öl oder Gas benötigt

45 Ing.-Büro Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk 45

46 Bücherei WW Schule 65 C/60 C FB-Heizung 600 m² Lüftung KW Frischwasser- System WW 40 kw KW 90 kw 90 kw Erdreichkollektor 46

47 Hochrechnungen auf Grundlage der bisherigen Messungen /a Einsparung in 20 a: (bei konstanten Energiepreisen!!!) Stromkosten Heizölkosten Alter Ölkessel Brennwerttechnik und WDVS WP-Anlage Ing.-Büro Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk

48 Abwasser-Wärmepumpenanlage Straubing Nahwärmenetz mit Abwasserwärmepumpe: Heizleistung: Niedertemperatur: 200 kw Hochtemperatur: 50 kw Fußbodenheizung Heizkörper 48

49 Abwasser-Wärmepumpenanlage Straubing Nahwärmenetz mit Abwasserwärmepumpe: Heizleistung: Niedertemperatur: 200 kw Hochtemperatur: 50 kw 49 Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

50 Grundwasser-Wärmepumpenanlage DYWIDAG Daten: Bj. Gebäude: 1978 Bj.: WP: 2001 Beheizte Fläche: m² Heizleistung WP: 840 kw 4 Wärmepumpenmodule mit einer Heizleistung von 840 kw Einsparungen: Verbrauchskosten: 50 % CO 2 : 70 % 50

51 Beispiel Wärmepumpen - Contracting im Altbau 51

52 Grundwasserwärmepumpe Hotel Prien WW Frischwasser-System KW 36kW Abwärme 10 kw 125 kw Grundwasser- Förderbrunnen Grundwasser- Schluckbrunnen 52

53 Grundwasserwärmepumpe Hotel Prien/Chiemsee Vor Sanierung: Ölkessel (2 Stck.): 320 kw Ölverbrauch: l/a Vorlauftemperatur eingestellt: 70 C Verbraucher: Probleme: - Radiatorenheizung - 2 Lüftungsanlagen Verbrauchskosten Erdtank Geräuschbelästigung der Nachbarn durch Kühlanlage Nach Sanierung: Grundwasserwärmepumpe 1 Schraubenverdichter: 125 kw mögl. Vorlauftemperatur mit R 134a: 65 C Durchlauferhitzer: 36 kw Solewärmepumpe z. Abwärmenutzung 10 kw Besonderheiten: kein Grundwasser auf Grundstück benötigte Vorlauftemperatur max.: 55 C kein technischer Speicher Warmwasserbereitung: Frischwassersystem 53

54 Grundwasserwärmepumpen-Anlage Wohnanlage Olching Hochschule München 54 Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk

55 55

56 Grundwasserwärmepumpen-Anlage Wohnanlage Olching 27-Familienhaus: Ölkessel 320 kw 6-Familienhaus: Ölkessel 60 kw Ölverbrauch: l/a Stromverbrauch: kwh/a Wartung Kaminkehrer Probleme: 1. Hohe Heizkosten 2. Veraltete Ölheizung (Abgaswerte, Ölgeruch, anstehende Kaminsanierung) 3. Dringender Raumbedarf im Keller Nach Sanierung: 1 Heizzentrale + Fernwärmeleitung Grundwasserwärmepumpe: Elektrische Ergänzungsheizung: 100 kw 36 kw Warmwasserbereitung: zentrales Frischwassersystem 56

57 Grundwasserwärmepumpen-Anlage Wohnanlage Olching Investitionskostenvergleich: Gaskessel Demontage Heizzentrale Kaminsanierung Gasanschluß Erdarbeiten Planung Summe Grundwasser Wärmepumpe Demontage Wärmepumpe Einrichtungen Rohrleitungen Trinkwasser Elektro Brunnen und Erdarbeiten Heizmobil Planung Summe Mehrkosten:

58 Grundwasserwärmepumpen-Anlage Wohnanlage Olching ges. thermischer Energiebedarf Betriebsgebundene Kosten: Ölkessel kwh/a Betriebs- und Verbrauchskostenvergleich: Erdreich- Wärmepumpe Wartung, Kesselreinigung Tankreinigung anteilig 200 Kaminkehrer 100 Summe Verbrauchsgebundene Kosten: Wärmeerzeugung: Jahresarbeitszahl/-Nutzungsgrad 85% 3,3 Strombedarf in kwh/a Strompreis (Misch~) pro kwh 0,165 Stromkosten Bedarf in l/a, m³/a bzw. in t/a Preis in pro l, m³ bzw in t 0,90 Brennstoffkosten pro Jahr Ölkessel Erdreich-Wärmepumpe Jährliche Einsparung: In 20 Jahren: Hilfsenergie: Strombedarf in kwh/a Strompreis pro kwh 0,22 0,17 Stromkosten pro Jahr Meßpreis/Grundpreis 100 Summe Ges.-Summe

59 Zusammenfassung Wärmepumpe für Sanierung Nachteile: 1. bereichsübergreifender Planungsaufwand 2. höhere Investitionskosten Vorteile: 1. bis 70 % Verbrauchskostenreduzierung 2. bis 70 % CO 2 Entlastung 3. einfache, störungsfreie Anlagentechnik 4. zukunftsweisendes Heiz- und Kühlsystem 59

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