Gerhard Faninger, Alpen-Adria-Universität Klagenfurt

Transkript

1 Aktuelles zur Wärmepumpen-Technik und Marktsituation Die Wärmepumpen-Technik Energie von der Sonne und aus der Umwelt Gerhard Faninger, Alpen-Adria-Universität Klagenfurt Vortrag, gehalten am 11. April 2014 bei der Fachveranstaltung zum Thema der Wärmepumpentechnologie von TIS innovation park in Bozen.

2 Anlagen/Jahr Der Wärmepumpen-Markt in Österreich: Jährlich installierte Anlagen Schwimmbadentfeuchtung Wohnraumlüftung Phase 3? Heizung Brauchwasser Phase 1 Phase 2 Source: : Gerhard Faninger seit 2007: EEG-TU Wien Quelle: BMVIT 2013

3 Lessons Learned: GOOD NEWS Die Wärmepumpen-Branche hat sich zu einem Wirtschaftsfaktor entwickelt. Wärmepumpen-Heizungssysteme haben sich in der öffentlichen Wahrnehmung von einer effizienten Stromheizung zu einem nachhaltigen Heizungssystem entwickelt. Der Wärmepumpen-Technik wird in der Österreichischen Energiestrategie 2050 ( Energiewende ) eine besondere Bedeutung im Wärmesektor zugemessen.

4 Fakten zur Bewertung der Nachhaltigkeit von Wärmepumpen-Heizungssystemen (1) Beitrag von Erneuerbarer Energie zum Wärmeaufkommen (2) Reduktionspotenzial für kumulierten Energieeinsatz (Primärenergie) und kumulierte CO 2 -Emission im Vergleich zu fossilen Energieträgern (Heizöl und Erdgas) Beitrag zur Substitution fossiler Energieträger im Wärmesektor Energiewende

5 Energetische und Ökologische Bewertung von Heizungssystemen Raumwärme Heizwärme kwh/(m², a) bzw. kwh/a Warmwasser Heizendenergie (Heizung und Warmwasser) kwh/(m², a) bzw. kwh/a Primärenergie-Faktor für Brennstoff (PEF) [ - ] CO 2 -Faktor für Brennstoff g CO 2 /kwh Primärenergie kwh/(m², a) bzw. kwh/a CO 2 -Emission kg CO 2 /(m², a) bzw. kg CO 2 /a

6 Reduktion CO 2-Emission, %/Jahr ,5 74,7 60,3 CO 2 -Reduktionspotenzial von Wärmepumpen im Vergleich zu Ölkessel 89,3 71,5 55,4 Strom-Mix Österreich 2010 ENTSO-E-Mix 2010 Kalorisch 87,8 67,4 49,0 85,8 62,0 40,5 83,0 54,4 28,6 0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 Jahresarbeitszahl Wärmepumpe, JAZ Bewertungstool TOOL-Gebäude und TOOL-Heizungssysteme Bewertung nach energetischen (Heizenergie, kumulierte Primärenergie), ökologischen (kumulierte CO 2 -Emission) und ökonomischen (Jahreskosten Investition und Betrieb) Kriterien. Gerhard Faninger, Kostenloses Download unter

7 Energieeinsatz, kwh/jahr Energieeinsatz in einem Einfamilien-Wohnhaus Vergleich Ölkessel und E-Warmwasserboiler und Wärmepumpe mit Solaranlage für Warmwasser Heizwärme: kwh/jahr; Warmwasser: kwh/jahr Jahres-Nutzungsgrad Ölkessel: 85%; Nutzungsgrad E-Boiler: 98% Jahresarbeitszahl Wärmepumpe (Heizung und Warmwasser): 3, kwh Strom Haushaltsgeräte Strom Wärmepumpe Strom Warmwasser Heizöl kwh Ölkessel Wärmepumpe

8 Argumente für den Einsatz von Wärmepumpen Wesentliche Argumente für den Einsatz der Wärmepumpen-Technik sind: Hoher technischer Entwicklungsstand und Heizkomfort. Genormte Methoden zur Sicherstellung des Qualitätsstandards. Langjährige Betriebserfahrungen zur Planung und Installation von Wärmepumpen-Heizungen mit hoher Effizienz. Hoher Ausbildungsgrad von Installateuren. Vertrauensbildende Maßnahmen von Seiten der Wärmepumpen-Hersteller und Installateuren: Erfolgskontrolle und Service-Leistungen, Beratung nach standortspezifischen Kriterien und Erwartungen der Energiekonsumenten. Keine Emissionen am Standort.

9 Lessons Learned: Es besteht Entwicklungsbedarf! Das Effizienz-Potenzial von Wärmepumpen- Heizungssysteme wird in der Praxis noch nicht voll ausgeschöpft! Im Betrieb erreichte Leistungskenndaten weichen noch zu oft von den Planungsvorgaben ab! Definition der Anforderungen an Forschung, Entwicklung, Planung und Errichtung

10 Wärmepumpen-Typen Schema einer Kompressions-Wärmepumpe Schema einer Kompressions-Wärmepumpe (1) Kompressions-Wärmepumpe mit Elektro-Antrieb Vorrangig eingesetzt in Wohnbauten (Neubau und Althaus-Sanierung) (2) Kompressions-Wärmepumpe mit Verbrennungskraftmaschine Vorrangig eingesetzt in Wohnbau-Siedlungen, Gewerbe und Industrie (Groß-Wärmepumpen) (3) Absorptions-Wärmepumpen Derzeit nur vereinzelt eingesetzt in Industrie und Gewerbe Schema einer Absorptions-Wärmepumpe Schema einer Absorptions-Wärmepumpe

11 Erdreich Wärmepumpen Erdsonde Geringer Platzbedarf. Tiefenbohrung abhängig von der Bodenbeschaffenheit: 50 m bis 150 m. Sondenbelastung: kleiner 40 W/m. Sondenlänge für Einfamilien-Wohnhaus: um 150 m; z. B. 3 * 50 m. Größerer Platzbedarf. Sondenbelastung: kleiner 40 W/m². Bodenfläche für Einfamilien-Wohnhaus: m². Flächenkollektor

12 Außenluft- und Grundwasser Wärmepumpen Außenluft Erdsonde Uneingeschränkt verwendbar. Schalldämmung bei Außenaufstellung des Ventilators. Enteisung des Wärmetauschers erforderlich. Erhöhung der Leistungsfähigkeit mit thermischer Solaranlage. Flächenkollektor Grundwasser Vorrang für Grundwasser-Nutzung! Behördliche Genehmigung (meist nur auf Zeit) erforderlich. Verschmutzungsgefahr für Grundwasser. Grundwasserfluss Grundwasser kann sich ändern!

13 Anteil in % Heizungs-Wärmepumpen in Österreich: Anteile der Wärmequellen-Anlagen Luft/Wasser Wasser/Wasser SOLE/Wasser Direktverdampfung Luft/Luft Seit 2003 nimmt der Anteil von Außenluft-Wärmepumpen am österreichischen Wärmepumpen-Markt deutlich zu: Standort unabhängige Wärmequelle sowie geringere Investitionskosten.

14 Wärmepumpen mit Abwärmenutzung Noch ungenutzte urbane Wärmequellen Urbane Infrastrukturen wie Fern- und Nahwärmenetze, Abwasser- und Trinkwasserleitungen sowie Abwärme aus der Verkehrsinfrastruktur können der Wärmepumpe als Wärmequelle dienen oder zur Wärmeverteilung genutzt werden. Spezielle Hochtemperatur-Wärmepumpen können aus industrieller Abwärme, dem Rücklauf aus der Fernwärmeversorgung oder aus industriellen Kühlungsprozessen hohe Temperaturen von nahezu 100 C liefern, die für die Prozess- und Fernwärme benötigt werden. Kontrollierte Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung

15 Von der Leistungszahl COP zur Arbeitszahl JAZ / SPF Gemäß Wärmepumpe-Typenblatt Standort (Klima) Gebäudedaten Wohnfläche Transmissions-Wärmeverluste Lüftungs-Wärmeverluste Heizwärmebedarf Warmwasserbedarf Heizungsauslegung Vorlauf- und Rücklauf-Temperatur Temperaturbegrenzung Raumwärme und Warmwasser Wärmepumpen-Typ Wärmequelle Wärme-Entzugsleistung Thermische Solaranlage Kollektor-Typ und Kollektor-Fläche Leistungszahl COP Arbeitszahl JAZ / SPF Jahres-Arbeitszahl JAZ Heizung, Warmwasser, System Laufzeit Wärmepumpe, h/a Strombedarf, kwh/a Rechenmodell JAZcalc Anmelden zum freien Download:

16 Jahres-Arbeitszahlen JAZ [ - ] Erdreich-Wärmepumpe (Erdsonden) Heizungsauslegung 35 C / 29 C 46 C / 33 C 35 C / 29 C 46 C / 33 C Ohne Solaranlage Mit Solaranlage Heizung 4,50 3,44 5,65 4,31 Warmwasser 2,41 2,41 8,03 8,03 JAZ Gesamt 3,71 3,11 6,10 4,87 Jahres-Arbeitszahlen JAZ [ - ] Luft-Wärmepumpe (Außenluft) Heizungsauslegung 35 C / 29 C 46 C / 33 C 35 C / 29 C 46 C / 33 C Ohne Solaranlage Mit Solaranlage Heizung 2,43 1,76 3,05 2,21 Warmwasser 1,90 1,90 6,34 6,34 JAZ Gesamt 2,27 1,79 3,49 2,63

17 JAZ, ( - ) JAZ ( - ) Feldtests von Wärmepumpen-Heizungen 4,5 4,0 3,5 3,0 Jahresarbeitszahlen JAZ von Wärmepumpen-Heizungssystemen Sole/Wasser-Wärmepumpen Neubau Bestand 4,1 3,9 3,9 3,8 3,8 3,8 3,7 3,7 3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,2 3,2 3,2 3,2 3,1 3,0 3,0 3,8 3,3 3,5 3,0 2,5 Jahresarbeitszahlen JAZ von Wärmepumpen-Heizungssystemen Luft/Wasser-Wärmepumpen 2,5 2,5 2,5 2,7 2,9 2,8 2,8 2,8 2,9 2,7 2,6 2,3 2,6 2,5 2,0 2,0 1,5 1,0 1,5 1,0 0,5 0,5 0, Monat Hans-Martin Henning, Marek Miara: Wärmepumpen-Feldtest Fraunhoferinstitut für Solare Energiesysteme. Freiburg/Deutschland Untersucht wurden 44 (Neubau) und 34 (Bestand) Anlagen Jahreswert 0, Monat Hans-Martin Henning, Marek Miara: Wärmepumpen-Feldtest Fraunhoferinstitut für Solare Energiesysteme. Freiburg/Deutschland Untersucht wurden 34 (Bestand) Anlagen Jahreswert Feldtests von Wärmepumpen-Heizungssystemen mit SOLE/Wasser- und LUFT/Wasser- Wärmepumpen-Heizungen bestätigen die Bewährung von Wärmepumpen in der Praxis. Mittelfristige Zielvorgabe für System-Jahresarbeitszahlen: Erdreich-Wärmepumpen: 4,5 Außenluft-Wärmepumpen: 3,5

18 Möglichkeiten zur Kombination von Wärmepumpe und Solarthermie Nutzung der Solarwärme Vorwärmung der Wärmequelle Außenluft-Wärmepumpe Energiedach, Energiezaun, Massivabsorber Erdreich-Wärmepumpe Wärmeregenerierung des Erdreiches Ziel: Erhöhung der Wärmequellen-Temperatur. Verbesserung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe um bis zu 15% Warmwasserbereitung Warmwasserbereitung & Heizung Kombination der Wärmepumpe mit einer thermischen Solaranlage Ziel: Effizienzsteigerung des Heizungssystems durch Verbesserung der System-Jahresarbeitszahl JAZ System : größer 4

19 Wärmepumpe-Solar-Kombisysteme am Prüfstand Die Kombination von Wärmepumpe und Solarthermie ermöglicht eine signifikante Reduktion des Stromeinsatzes für Heizung und Brauchwassererwärmung. Eine Reihe von Lösungsansätzen ist bereits am Markt verfügbar, das Potenzial der vorliegenden Kombinationen zur Effizienzsteigerung ist allerdings noch nicht vollständig ausgeschöpft. Im Rahmen des internationalen Forschungsprogrammes IEA SHC Task 44: Solar and Heat Pump Systems werden seit 2008 Betriebsdaten von realisierten Projekten analysiert und aus den Ergebnissen Schlußfolgerungen mit Empfehlungen für weitere Verbesserungen abgeleitet.

20 Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik Mit einer im Gebäude integrierten Photovoltaikanlage lässt sich der Strom zum Antrieb der Wärmepumpe und auch für Hilfsstrom, Haushaltsgeräte und Beleuchtung teilweise und auch darüber abdecken. Damit lassen sich PLUSEnergie-Gebäude realisieren. Niedrigenergie-Bauweise, integrierter Wintergarten, thermische und photovoltaische Solaranlage

21 Neue Perspektiven für Wärmepumpen-Heizungssysteme Lastausgleich und Smart Grids Wärmepumpen können als Schnittstelle zwischen Strom- und Wärmewirtschaft in zukünftigen Netzten eine Lastausgleichsfunktion und auch eine Speicherfunktion übernehmen. Diese Funktionen werden vor allem in Hinblick auf die vermehrte Nutzung von Photovoltaik und Windkraft diskutiert. Da Speichermöglichkeiten für Wärme im allgemeinen einfacher realisiert werden können als für Strom, bieten sich in Smart Grids auch vielgestaltige Einsatzmöglichkeiten für Wärmepumpen. Die bereits bekannten Endergiedienstleistungen der Wärmepumpe Raumwärmebereitstellung, Brauchwasser- Erwärmung und Klimatisierung werden somit um die Aspekte Netzdienstleistungen (Glättung und Speicherung) erweitert.

22 Blick in die Zukunft Die Jahreszuwächse von Wärmepumpen- Heizungen in den letzten Jahren geben Anlass zur Annahme, dass sich die Wärmepumpen-Technik auch in Zukunft am Markt durchsetzen wird. Der Zukunftsmarkt für Wärmepumpen- Heizungssysteme wird entscheidend beeinflusst durch vertrauensbildende Maßnahmen wie fachgerechte Planung und Ausführung mit Qualitätssicherung und verbesserte Beratung und Betreuung sowie günstigere Einsatzbedingungen in energie-effizienten Gebäuden als neuer Baustandard. Mit Solar-Kombiheizungen wird die Effizienz von Wärmepumpen-Anlagen und damit der Beitrag Erneuerbarer Energie zur Wärmeversorgung signifikant gesteigert.