Expertentag der Energieexperten

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1 Expertentag der Energieexperten Wärmepumpen Rolf-Peter Strauß ZETA, ochschule Bremen Ein Projekt der Bremer Energie-Konsens Verkaufszahlen eizungs-wp-anteil am Neubau (Ein- und Zweifamilienhäuser) 2007: ~ 20% Expertentag der Energieexperten Folie 2 1

2 Aufbau und Funktion eine Wärmepumpe z. B. Fußboden (ca. 26 C) Wärmesenke eizkreis (mit Pumpe) Kompressions- Wärmepumpe 28 C 35 C ϑ V Kondensator 30 C 90 C -5 C flüssiges Kältemittel Ventil Kältemitteldampf 0 C Verdampfer Verdichter (äußerer) Temperaturhub hier: C z. B. Erdreich (ca. 3 C) 0 C 2 C ϑ SR Solekreis (mit Pumpe) Wärmequelle Expertentag der Energieexperten Folie 3 Wesentliche Komponenten einer Wärmepumpe Kondensator (typisch: Platten-Wärmeübertrager) Expansionsventil Verdampfer (hier z. B. für Luft) Verdichter (typisch: Scroll-Verdichter) Expertentag der Energieexperten Folie 4 2

3 Energiebilanz einer Wärmepumpe Abgabe von Wärme an den eizkreis (bei ϑ K ~ C) Q P el Zufuhr von elektr. Strom Leistungszahl einer Wärmepumpe: WP Nutzen Aufwand Weiterhin gilt: ς Q& P el WP WP WP, Carnot Q O Zufuhr von Wärme aus der Umgebung (bei ϑ U ~ 3 C) Gütegrad ς WP (zeta) ς WP 0,45...0,55 Ideale Wärmepumpe TV WP, Carnot T T V T in Kelvin angeben! SR Expertentag der Energieexperten Folie 5 Leistungszahlen Leistungszahl [-] WP, Carnot TV T T V SR zeta 1,00 zeta 0,55 zeta 0, Temperaturhub in C oder K ideale WP reale WP Wichtig für eine hohe Leistungszahl ist ein niedriger Temperaturhub! geringe Temperaturen der eizflächen ( Fußbodenheizung) hohe Temperatur der Wärmequelle ( Erdreich oder Grundwasser) Expertentag der Energieexperten Folie 6 3

4 Energetische Bewertungsmöglichkeiten 25% 25% 75% 50 % 100% 25% 25% η KW 33% 75% Bilanz Endenergie Bilanz Primärenergie Q & 100 Q& WP 100 Leistungszahl der WP: 4 WP, PE 1, 33 P 25 Q& 75 el zu Expertentag der Energieexperten Folie 7 Bedeutung verschiedener Bewertungen 1. Bezug der Leistungszahl auf die Endenergie: WP,EE : Größe zum Berechnen der benötigten Strommenge sinnvoll, um die Energiekosten zu bestimmen 2. Bezug der Leistungszahl auf die Primärenergie: WP,PE : Größe zum Berechnen der umwelt-relevanten Energiemenge sinnvoll, um die Energieeinsparung zu bestimmen ηbw, PE E R (1 ) (1 Energieeinsparung: (WP im Vergleich zu BW-Kessel) WP, PE 0,98 ) 1,33 26% Fazit: Mit einer Wärmepumpe lassen sich, je nach Temperaturhub und Ausführung, im Vergleich zu einem Brennwertkessel bis zu 40% Primärenergie einsparen! Expertentag der Energieexperten Folie 8 4

5 Installationsbeispiele Außenluft-Kanäle Sole/Wasser-WP Luft/Wasser-WP Solarspeicher Pufferspeicher (empfehlenswert!) Sole/Wasser-WP Trinkwasserspeicher (Warmwasser mit der WP ist empfehlenswert trotz geringerer Leistungszahl!) Sole/Wasser-WP Expertentag der Energieexperten Folie 9 Wärmequelle Erdreich Erdsonde Erdkollektor Eine oder mehrere Bohrungen bis 100 m Tiefe Mittlere Entzugsleistung: 50 (20-100) W/m 25 (10-50) W/m² Typischer Bedarf für EF*: ~ 80 m ~ 160 m² (*NE, 150 m², 4 Personen) (Kosten ~ 50,- /m) Expertentag der Energieexperten Folie 10 5

6 Einbringen einer Erdsonde Quelle: Expertentag der Energieexperten Folie 11 Wärmequelle Grundwasser und Außenluft Grundwasser Außenluft Saugbrunnen Schluckbrunnen Ausführungsvarianten der Außenluft/Wasser-WP: Außenaufstellung (siehe Bild) Innenaufstellung Split-Austellung Expertentag der Energieexperten Folie 12 6

7 Wärmequelle Abluft (Lüftung ohne WRG) Merkmale der Abluft-Wärmepumpe: hoher Temperaturhub schlechter Gütegrad (Verdichter bei kleiner Leistung) hoher Direktstrombedarf (Transmissionsverluste/Trinkwasser) Keine Primärenergieeinsparung im Vergleich zu einer konventionellen eizung FO Abluft/Wasser-WP eizkreis AB elektr. eizstab AU Expertentag der Energieexperten Folie 13 Wirtschaftliche Aspekte Wärmepumpenanlagen sind im Vergleich zur konventionellen eizung teurer: Wärmepumpen-Aggregat Wärmequellen-Erschließung (Erdsonde) Fußbodenheizung erforderlich (Altbau?) Pufferspeicher, aufwändigerer Trinkwarmwasserspeicher für ein NE-EF* ergeben sich ungefähr 8.000,- bis ,- Mehrkosten Wärmepumpenanlagen werden subventioniert: Förderung (Zuschüsse) durch Bund/Land/EVU** (eher seltener) Günstiger Bezug von Strom durch EVU s (oft gekoppelt mit kurzen Sperrzeiten) für ein NE-EF ergeben sich ungefähr 300,- bis 400,- /a geringere Energiekosten *NE-EF: typ. Niedrigenergie-Einfamilienhaus mit ~60+15 kwh/m²a und 150m² Expertentag der Energieexperten Folie 14 ** EVU: Energie-Versorgungsunternehmen 7

8 Zusammenfassung Mit Wärmepumpen lassen sich unter günstigen Randbedingungen bis zu 40 % Energie einsparen öhere Investitionskosten werden größtenteils durch geringere Energiekosten kompensiert Gute Planung, Ausführung und geringer Temperaturhub sind entscheidend (Wärmequelle Erdreich und Wärmesenke Fußbodenheizung entscheidend!) Bestandsgebäude vorher gut isolieren (WP-Leistung ist teuer!) Je besser Gebäude gedämmt sind, desto geringer ist die (absolute) Energieeinsparung von Wärmepumpen Es sollte gut geprüft werden, ob die zusätzlichen Investitionskosten nicht sinnvoller in die Vermeidung von Energiebedarf verwenden lassen Expertentag der Energieexperten Folie 15 Betriebsarten von Wärmepumpen Wärmepumpen beheizen ein Gebäude entweder: alleine monovalenter Betrieb, (eher häufiger, energetisch am günstigsten!) oder zusammen mit einem zweiten Wärmeerzeuger bivalenter Betrieb (eher seltener) Gründe für den Einsatz eines zweiten Wärmeerzeugers hohe Investitionskosten der WP-Anlage WP liefert an kalten Tagen nicht genug eizleistung (typ.: Außenluft-WP) Arten des bivalenten Betriebs: bei kalten Temperaturen werden beide Wärmeerzeuger gemeinsam betrieben bivalent-paralleler Betrieb (eher häufiger) bei kalten Temperaturen beheizt der zweite Wärmeerzeuger das Gebäude alleine bivalent-alternativer Betrieb (eher seltener) Typische 2. Wärmeerzeuger für den bivalenten Betrieb: 1. elektrischer eizstab monoenergetischer Betrieb (eher häufiger) 2. konventioneller Kessel (eher seltener) Expertentag der Energieexperten Folie 16 8

9 Bivalent-paralleler Betrieb eizleistung in % Wärme vom 2. WE (häufig elektr. eizstab) Wärmelieferung der WP (Q WP ) ϑ Biv. Stunden ϑ U,min Bivalenzpunkt eizleistung einer Sole/Wasser-WP ϑ eizgrenze Leistungsanteil WP: Q& WP 50 90% Q& Wärmeanteil der WP: Q Q WP 90 98% Expertentag der Energieexperten Folie 17 Energetische Bewertung des bivalenten Betriebs Bivalenter Betrieb einer Wärmepumpe in Kombination mit einem elektrischen eizstab Energieeinsparung in %* _WP 5,0 _WP 4,5 _WP 4,0 _WP 3,5 Beispiel von oben: 26% Einsparung bei einer WP mit einer Leistungszahl von 4,0 0 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 Wärmeanteil WP Monovalenter Betrieb *im Vergleich zu einem Brennwert-Kessel mit η BW 1,08; Bezug auf Primärenergie Expertentag der Energieexperten Folie 18 9