Die geothermische Wärmepumpe La pompa di calore ad energia geotermica

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1 Die geothermische Wärmepumpe La pompa di calore ad energia geotermica DI Roland Kapferer ENERGIE TIROL Quelle: FWS

2 Energie Tirol Energie Tirol ist eine unabhängige Beratungseinrichtung des Landes Tirol zur Förderung umweltfreundlicher Energietechnologien Niedrigenergie Sonnenenergie Biomasse Öko-Baustoffe

3 Inhaltsangabe Wärmepumpentechnik allgemein Wärmequelle energieeffiziente Gebäude und Wärmeabgabesysteme Betriebsweisen Kosten und Umweltrelevanz Quelle: MECO Erdwärme

4 Wärmepumpentechnik allgemein Funktionsweise - Funktionsbetrieb wie Kühlschrank: gleiche Technik, nur umgekehrter Nutzen - Wärmepumpe entzieht der Umgebung Wärme und pumpt diese auf ein Temperaturniveau, das ausreicht, um ein Haus damit zu beheizen - dies besorgt ein Kompressor (Verdichter), der mit Strom angetrieben wird

5 Wärmepumpentechnik allgemein Funktionsweise Quelle: QGW

6 Wärmepumpentechnik allgemein physikalischer Vorgang verdampfen verflüssigen Quelle: Arsenal Research

7 Wärmepumpentechnik allgemein Komponenten - Kompressor [1] - Expansionsventil [2] - Verdampfer [3] - Verflüssiger [4] [1] [3] [4] [2] Quelle: Arsenal Research

8 Wärmepumpentechnik allgemein Kältemittel - Wärmeübertragungsmittel, welches bei niedrigen Druck und Temperatur => Wärme aufnimmt hohen Druck und Temperatur => Wärme abgibt - wichtigste Kältemittel halogenierte Kohlenwasserstoffe, z.b. R134a, R407C... organische Kohlenwasserstoffe, z.b. R290 (Propan)... anorganische Verbindungen, z.b. R717

9 Wärmepumpentechnik allgemein Umweltauswirkungen der Kältemittel - ODP Ozonzerstörungspotenzial - GWP Treibhauspotenzial (H)FCKW und UV Strahlung bildeen freie Chloratome, wirken als Katalysator beim Ozonabbau: - Verbot von FCKW seit Ausstieg von H-FCKW bis 2010 EU-Vorgabe - Verbot von H-FCKW seit 2002 sowie HFKW und FKW ab 2008 Österreich

10 Wärmepumpentechnik allgemein Effizienz - aus 1 kwh elektrischer Energie entstehen mind. 4 kwh Heizwärme

11 Wärmepumpentechnik allgemein wichtige Kenngrößen - JAZ Jahresarbeitszahl Wirkungsgrad einer Wärmepumpenanlage Verhältnis von aufgenommene elektr. Energie zu abgegebener Wärmemenge in einem Jahr Zielwert > 4 - COP - Coefficient of Performance Prüfwerte bei einem bestimmten Betriebszustand z.b. B0/W35, A2/W35, W10/W35 Prüfstellen: WPZ - CH, Arsenal A,

12 Wärmequelle Erdreichgekoppelte Systeme - Sole - Direktverdampfer Grundwasser (Oberflächenwasser) Luft (Abluft)

13 Erdreichgekoppelte Systeme Arten: Flachkollektor Tiefenbohrung Quelle: Arsenal Research

14 Erdreichgekoppelte Systeme Vorteile - Quellentemperaturen relativ konstant - Quellentemperaturen an kalten Tagen (höchste Heizlast) wesentlich höher wie Luft - Wärmepumpe kann gesamten Wärmebedarf abdecken (monovalenter Betrieb) - unabhängig von Wasserqualität und Wasservorkommen

15 Erdreichgekoppelte Systeme Wärmestrom auf die Erdoberfläche - Sommer ca W/m² - Winter ca. 200 W/m² Wärmestrom von Erdkern - ca. 0,050 W/m² Entzugsleistungen - 10 W/m² trockenes Erdreich - 40 W/m² nasses Erdreich Quelle: Arsenal Research

16 Erdreichgekoppelte Systeme Erdreichtemperaturen

17 Sole Flachkollektor Quelle: Arsenal Research

18 Sole Flachkollektor Kollektorleitungen - hochdichtes Polyethylen (HDPE) - gängige Durchmesser 25 bis 32 mm - Betriebsdruck 6 bar - Rohrschlangen verbindungsfrei im Erdreich Wärmeträger: Sole - Wasser Frostschutzgemisch (Glykol) - üblicher Frostschutz bis 15ºC

19 Sole Flachkollektor Auslegung des Flachkollektors abhängig von Leitfähigkeit des Erdreichs Temperatur des Erdreichs Verlegeart des Kollektors spezifischer Energieentzug aus dem Erdreich Klima vor Ort Kälteleistung der Wärmepumpe Energiebedarf pro Jahr

20 Sole Flachkollektor spez. Entzugsleistung des Bodens lt. VDI 4640

21 Sole Flachkollektor Verlegung des Flachkollektors optimal: Feuchte und lehmhaltige Erdreiche Verlegetiefe: ca. 20 cm unter der örtlichen Frostgrenzen Verlegeabstand: cm (VDI 4640) maximale Kollektorkreislänge: max. 100 m normale Bepflanzung, keine Tiefwurzler Kollektorbereiche nicht asphaltieren oder abgedecken Verlegung auch in Hanglage möglich

22 Sole Flachkollektor Beispiel für die Verlegung eines Flachkollektors Quelle: Arsenal Research

23 Direktverdampfung Flachkollektor Quelle: Arsenal Research

24 Direktverdampfung Flachkollektor Dimensionierung, Verlegetiefe und Verlegeabstand gleich wie bei Soleanlagen keine Soleumwälzpumpe ein Wärmetauscher weniger höhere Effizienz mehr fachliches Können notwendig Kollektorleitungen aus Kupfer Quelle: Arsenal Research

25 Sole Tiefensonden Achtung: Genehmigungen Quelle: Arsenal Research

26 Sole Tiefensonden Bauformen - Einfach-U-Sonde - Doppel-U-Sonde Material: PE 100-PN 16 Sondenlänge - 40 bis 100 m Sondenabstand - bis 50 m 5 m

27 Sole Tiefensonden Quelle: Arsenal Research

28 Sole Tiefensonden Spezifische Entzugsleistungen

29 Grundwasser Achtung: Genehmigungen Quelle: Arsenal Research

30 Grundwasser Vorteile geringe Schwankungen der Grundwassertemperatur - Sommer 10 C bis 14 C - Winter 8 C bis 12 C monovalenter Wärmepumpenbetrieb möglich

31 Grundwasser Voraussetzungen Genehmigungsverfahren Wasserqualität (Nitrat, Sommer-Winter) Wassermenge - Probebohrung - Pumpversuch 2-3 Tage - Menge 250 Liter/h kw Kälteleistung Wassertiefe Wassertemperatur (nicht < 8 C)

32 Grundwasser Brunnenanordnung Quelle: Arsenal Research

33 Oberflächenwasser Quelle: Arsenal Research

34 Luft Kompaktgerät Quelle: Arsenal Research

35 Luft Split-Wärmepumpen (Luft/Wasser und Luft/Luft) Quelle: Arsenal Research

36 Luft Vorteil keine Genehmigung und keine Quellenerschließung im Passivhaus besonders effizienter Einsatz - Abluft aus der Komfortlüftung genutzt - auch an kältesten Tagen mind. 5 C - gesamte Heizung und Warmwasserbereitung Nachteil bei tiefen Außentemperaturen unwirtschaftlich meist nur "bivalenten" Betrieb möglich

37 Luft Nachteil Geräuschproblematik Quelle: Arsenal Research

38 Luft Einfrieren des Verdampfers bei tiefen Außentemperaturen (unter 5 C) Verdampfer Abtauverfahren Abtauen mit Umluft, meist bei Kühlanlagen durch elektrische Heizung mit Heißgas durch Kreislaufumkehr mit Wasser/Sole, selten angewendet

39 Wärmeabgabe in effiziente Gebäuden Passivhaus - 15 kwh/m²a (1,5 Liter Heizöl/m²a) KlimaHaus A - 30 kwh/m²a (3 Liter Heizöl/m²a) KlimaHaus D 90 kwh/m²a (9 L Heizöl/m²a) Altbau (>300 kwh/m²a)

40 Wärmeabgabe in effiziente Gebäuden Vorlauftemperaturen - je geringe die Vorlauftemperatur desto effizienter die Wärmepumpe (max. 45 C) Quelle: Arsenal Research

41 Wärmeabgabe in effiziente Gebäuden Fußbodenheizung - ideale Temperaturverteilung - sehr gut für Wärmepumpenanlagen geeignet - keine kalten Füße - 29 C max. Oberflächentemperatur in Aufenthaltszonen lt. DIN EN 1264 Quelle: Arsenal Research

42 Wärmeabgabe in effiziente Gebäuden Wandheizung - warme Wände guter thermischer Komfort durch Strahlungswärme - Vorlauftemperatur 25 bis max. 45 C - sehr gut für Wärmepumpenanlagen geeignet Quelle: Arsenal Research

43 Wärmeabgabe in effiziente Gebäuden Heizkörper, Radiatoren - vertraute Technik und günstig - meist im Altbau anzutreffen - Radiatoren benötigen höhere Vorlauftemperaturen schlechter für Wärmepumpe geeignet - Einrohrsysteme (oft im Altbau vorzufinden) für Wärmepumpen gänzlich ungeeignet Quelle: Arsenal Research

44 Wärmeabgabe in effiziente Gebäuden Luftheizungen - Anlage zum Heizen im Winter und Kühlen im Sommer - Temperatur der Wände ist niedriger als die der Luft - Luftbewegung kann störende Zuglufterscheinungen hervorrufen - Luftheizungen benötigen hohe Vorlauftemperaturen für Wärmepumpe ungeeignet

45 Wärmeabgabe in effiziente Gebäuden Sonderfall Kühlung Quelle: Arsenal Research

46 Wärmeabgabe in effiziente Gebäuden Vorteile der passiven Kühlung - geringe Investitionskosten und geringe Betriebskosten - Ressourcen schonende Alternative zur aktiven Kühlung Nachteile der passiven Kühlung - Kühlleistung durch das Aufnahmevermögen des Erdreichkollektors bzw. der Sonde begrenzt - Kühlwasservorlauftemperaturen sind begrenzt - keine echte Klimatisierung (Luftkonditionierung) möglich

47 Wärmeabgabe in effiziente Gebäuden Vorteile der aktiven Kühlung: - Kühlleistung und Kühlwasservorlauftemperatur sind flexibel wählbar Nachteile der aktiven Kühlung: - höhere Investitionskosten - höhere Betriebskosten

48 Wärmeabgabe in effiziente Gebäuden Oberflächenkühlung mit Fußboden- und Wandheizung Vorteile - gering höhere Investitionskosten wie ohne Kühlung - überwiegend Strahlung, keine Zugluft - in Bürobauten mit luftgeführten Systemen kombinierbar Nachteile - Taupunktsüberwachung notwendig kalte Stellen hinter Bilder und Kästen vermeiden - keine Entfeuchtung möglich

49 Betriebsweisen Regelungskonzept - Energiesparpotenzial der Wärmepumpe maximiert - höchstmöglichen Leistungszahl - längstmögliche Lebensdauer - zusätzliche Wärmequelle so wenig wie möglich nutzen

50 Betriebsweisen Quelle: Arsenal Research

51 Betriebsweisen Monovalenter Betrieb alleiniger Wärmeerzeuger deckt zu 100 % den Wärmebedarf wirtschaftlich bei kleinen Temperaturhüben Quelle: Arsenal Research

52 Betriebsweisen Bivalent alternativer Betrieb Wärmepumpe nur bei Außentemperaturen über Bivalenzpunkt arbeitet nie gleichzeitig mit dem zusätzlichen Heizsystem Quelle: Arsenal Research

53 Betriebsweisen Bivalent alternativer Betrieb Außentemperaturen über Bivalenzpunkt Wärmepumpe leistet gesamte Heizlast Temperaturen unter Bivalenzpunkt Wärmepumpe parallel mit zusätzlichen Wärmeerzeuger Quelle: Arsenal Research

54 Betriebsweisen Bivalent-"teilparalleler" Betrieb Außentemperaturen über Bivalenzpunkt Wärmepumpe leistet gesamte Heizlast Temperaturen zwischen Bivalenzpunkt und Abschaltpunkt beide Systeme parallel Temperaturen unter Abschaltpunkt nur zusätzlicher Wärmeerzeuger Quelle: Arsenal Research

55 Betriebsweisen Zusammenfassung Quelle: Arsenal Research

56 Kosten

57 Kosten Quelle: Energie AG

58 Kosten Quelle: Energie AG

59 Kosten Quelle: Energie AG

60 Umweltrelevanz Reduktion von Schadstoffen im Vergleich mit Öl(Gas)heizung ist abhängig von: Stromaufbringung für Antrieb der Wärmepumpe Arbeitszahl Wärmepumpe Wirkungsgrad Öl/Gaskessel verwendeten Kältemittel Wärmepumpe ist am Aufstellungsort emissionsfrei Alle Anstrengungen zu einer umweltverträglichen Stromaufbringung fördern das ökologische Image der Wärmepumpe!

61 Umweltrelevanz Primärenergieverhältnis und CO2-Emissionen verschiedener Heizungssysteme im Vergleich Quelle: Arsenal Research

62 Danke für die Aufmerksamkeit Erde Wasser Luft DI Roland Kapferer ENERGIE TIROL Südtiroler Platz 4/ Innsbruck

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