Energetische und wirtschaftliche Bewertung von Wärmequellen für Wärmepumpen

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1 Energetische und wirtschaftliche Bewertung von Wärmequellen für Wärmepumpen Franziska Bockelmann*, M. Norbert Fisch, Mathias Schlosser, Markus Peter Technische Universität Braunschweig IGS Institut für Gebäude- und Solartechnik, Mühlenpfordtstraße 23, Braunschweig, Tel: , Fax: , Kurzfassung * Korrespondenzautor Die Entwicklung im Bereich des Energiebedarfs und der bedarfsgerechten Energieversorgung von Gebäuden zeigt eine zunehmend wirtschaftliche und ökologische Bedeutung im Zusammenhang mit der Nutzung von regenerativen Energiequellen. Die optimierte Auslegung einer Wärmepumpe, die Auswahl der dazugehörenden Energiequelle sowie die Ankopplung an das Gebäude sind wesentliche Voraussetzungen zur Erreichung eines energieeffizienten und dauerhaft wirtschaftlichen Betriebs. Die Zahl der potentiell nutzbaren Niedertemperaturwärmequellen und Wärmeübertragersysteme am Markt nimmt mit dem wachsenden Einsatz von Wärmepumpen zu. Dabei kommen Produkte wie Eisspeicher, Luftzäune oder Hochleistungs-Energiepfähle zum Einsatz, ohne das wissenschaftliche Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit oder das Kosten-Nutzen Verhältnis vorliegen. Im Rahmen des vom BMWi geförderten Forschungsprojektes soll eine ganzheitliche, energetische und wirtschaftliche Bewertung der auf dem Markt vorhandenen Wärmequellen (Wärmeübertragersysteme) für Wärmepumpen durchgeführt werden. Ziel ist dabei die Ermittlung der Plausibilität der einzelnen Quellen-Systeme sowie die Leistungsfähigkeit und Effizienz (u.a. Jahresarbeitszahl). Darüber hinaus soll die wirtschaftliche Einschätzung (Investitions- und Betriebskosten) eingebunden werden. Der Fokus des Vortrages liegt auf der Darstellung der geplanten Ziele, dem Vorgehen und der Bearbeitung des Forschungsprojektes. Zudem werden erste Ergebnisse zur Bewertung und vergleichenden Darstellungen der Wärmequellen vorgestellt. Die auf dem Markt angebotenen Wärmequellen für Wärmepumpen sind zum Teil sehr unterschiedlich in ihrer Funktionsweise und Leistungsfähigkeit. Bisher wurden diese Systeme nur gruppenspezifisch (erdgekoppelt, Einfamilienhausbau, o.ä.) oder nur im Einzelnen ohne Vergleich zu anderen Systemen analysiert und messtechnisch erfasst. Eine ganzheitliche Vergleichsbetrachtung u.a. in Hinblick auf die Arbeitszahlen und die Effizienz ist nicht verfügbar. Im Rahmen des Projektes werden im Bereich der Wohngebäude Systeme für Ein- und Mehrfamilienhäuser zur Gebäudeheizung und Trinkwassererwärmung untersucht, bei Nichtwohngebäuden (Bürogebäude) erfolgt die Betrachtung für den Heiz- und Kühlbetrieb. Zu Beginn werden Simulationsmodelle für ausgewählte Wärmequellen und Übertragersysteme erstellt. Anschließend erfolgt die energetische und ökologische Bewertung der einzelnen Systeme. Zum qualitativen Vergleich der verschiedenen Simulationsergebnisse werden in einem projektbegleitenden Monitoring verschiedene Anlagen und Quellsysteme messtechnisch erfasst. Stichwörter: Wärmepumpen, Niedertemperatur-Wärmequellen, Wärmeübertrager, energetische und wirtschaftliche Bewertung, Monitoring, Simulation

2 1 Einleitung Die Entwicklung im Bereich des Energiebedarfs und der bedarfsgerechten Energieversorgung von Gebäuden zeigt eine zunehmend wirtschaftliche und ökologische Bedeutung im Zusammenhang mit der Nutzung von regenerativen Energiequellen. Die optimierte Auslegung einer Wärmepumpe, die Auswahl der dazugehörenden Energiequelle sowie die Ankopplung an das Gebäude sind wesentliche Voraussetzungen zur Erreichung eines energieeffizienten und dauerhaft wirtschaftlichen Betriebs. Die Zahl der potentiell nutzbaren Wärmequellen und Wärmeübertragersysteme am Markt nimmt mit dem wachsenden Einsatz von Wärmepumpen zu. Dabei kommen Produkte wie Eisspeicher, Luftzäune oder Hochleistungs-Energiepfähle zum Einsatz, ohne das gesicherte Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit oder das Kosten-Nutzen Verhältnis vorliegen (Bild 1). Bild 1: Überblick über die möglichen Wärmequellen für Wärmepumpen Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsprojektes soll eine ganzheitliche, energetische und wirtschaftliche Bewertung der auf dem Markt vorhandenen Niedertemperatur-Wärmequellen (Wärmeübertragersysteme) für Wärmepumpen durchgeführt werden. Ziel ist dabei die Ermittlung der Plausibilität der einzelnen Quellen-Systeme sowie die Leistungsfähigkeit und Effizienz (u.a. Jahresarbeitszahl). Darüber hinaus soll die wirtschaftliche Einschätzung (Investitions- und Betriebskosten) eingebunden werden. 2 Stand der Technik und Wissenschaft - Projektidee Die Projektidee und das finden der Projektziele beruht auf zwei Schwerpunkten, die im Planungsalltag sowie beim Stand der Technik immer wieder auftreten. Schwerpunkt A Stand der Technik Wärmequellen mit niedrigem Temperaturniveau, wie das oberflächennahe Erdreich oder die Außenluft, galten früher als nutzlos. Mittels einer Wärmepumpe können diese Quellen zur Nutzung 2

3 regenerativer Energie herangezogen und erschlossen werden. Neben den klassischen Wärmequellen Erdreich, Wasser und Luft stehen heutzutage eine Vielzahl weitere Möglichkeiten, wie z.b. Abwasser oder Eisspeicher, zur Verfügung. Die unterschiedlichen Systeme dienen zur Bereitstellung und Abfuhr der in der Wärmepumpe anfallenden Wärme. Die Systeme dienen oft sowohl als Wärmequelle als auch als Wärmesenke für den Heiz- oder / und Kühlbetrieb. Größtenteils bestehen die Systeme aus einem Wärmeübertragungssystem und einem Wärmespeicher (z.b. Erdreich). Dabei dient der Wärmeübertrager (Rohrleitungen, o.ä.) dem Transport der Wärme zwischen der Wärmepumpe und dem Speicher / der Quelle. Die auf dem Markt verfügbaren Wärmequellen für Wärmepumpen sind in ihrer Funktionsweise und Leistungsfähigkeit zum Teil sehr unterschiedlich. Bisher wurden die Systeme nur gruppenspezifisch (erdgekoppelt, Einfamilienhausbau, o.ä.) oder nur im Einzelnen ohne Vergleich zu anderen Systemen analysiert und messtechnisch erfasst [1, 2, 3]. Eine ganzheitliche, vergleichende Betrachtung u.a. im Hinblick auf die Arbeitszahlen und die Effizienz, ist nicht verfügbar. Schwerpunkt B Planung und Energiekonzepte Im täglichen Planungsgeschäft läuft immer wieder der gleiche Planungsablauf ab. Im Rahmen der Vorplanung werden die Grundstücke (Lageplan) bestimmt, die Gebäudekubatur, -ausrichtung und der Gebäudestandard festgelegt sowie erste Energiebedarfsberechnungen aufgestellt (Bild 2). Auf der vorliegenden Basis werden dann Energiekonzepte erstellt und die Wärmeversorger festgelegt. In Energiekonzepten von Ein-, Mehrfamilienhäusern sowie von Bürogebäuden spielen geothermische Heiz- und Kühlsysteme zunehmend eine tragende Rolle und ersetzen die konventionellen Wärmeund Kälteerzeuger wie z.b. den Gaskessel. In der Vorplanung muss nun jedoch bestimmt werden, wie die Wärmepumpe betrieben werden soll. Unter gegebenen Randbedingungen, wie ggf. Tiefen- und Flächenbegrenzungen, Grundwasserschutz, o.ä. muss ein Wärmeübertragersystem gefunden werden. In diesem Zuge fehlt allerdings eine einfache und übersichtliche Zusammenstellung der verschiedenen Wärmeübertragersysteme, deren Randbedingungen sowie Entzugs- bzw. Eintragsleistungen. Diese Situation kehrt immer wieder und die Frage: Welches System kann zur Anwendung kommen? bleibt offen oder bedarf einer Recherche. Bild 2: Grunddaten einer Vorplanung 3

4 3 Das Forschungsprojekt Innerhalb des Projektes sollen insgesamt sieben Arbeitspakete bearbeitet werden, sodass die Gebiete Technik, Leistungsfähigkeit und Ökologie sowie Ökonomie abgedeckt sind (Bild 3). Zu Beginn werden Systemsimulationen für ausgewählte Wärmequellen und Wärmeübertragersysteme erstellt. Im Anschluss erfolgt eine energetische, ökologische sowie wirtschaftliche Bewertung der umgesetzten Systeme. Zum Abgleich der verschiedenen Simulationsmodelle und zur Überprüfung der Simulationsergebnisse sollen in einem projektbegleitenden Monitoring verschiedene Anlagen und Quellsysteme messtechnisch erfasst werden (siehe Kapitel 4). Des Weiteren sollen gesicherte Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit des Gebäudes und der Anlagen im Betrieb erlangt sowie dokumentiert werden. Bild 3: Projektstruktur Im Detail (Bild 4) gliedert sich die Bearbeitung zunächst in eine umfassende System- und Marktrecherche, welche die gängigsten am Markt vorhandenen und umgesetzten Wärmeübertragersysteme erfasst und darstellt. Zu Beginn der Bewertung werden Konzepte, Einsatzgebiete sowie Randbedingungen definiert. Die Eingrenzung beruht dabei u.a. auf der Marktrelevanz und dem Innovationspotential der einzelnen Systeme sowie der Wirtschaftlichkeit. Ein Ziel dieses Arbeitspaketes ist die Erstellung einer Übersichtsmatrix mit einer einfachen Kostenanalyse. Anschließend werden über eine Systemkonfiguration Musteranlagen (Einfamilien- (EFH), Mehrfamilienhäuser (MFH), Nichtwohngebäude) konzipiert und festgelegt. Dabei soll eine Variantenmatrix für die im Anschluss erfolgende Simulation erstellt werden. In dem begleitenden Low- Level-Monitoring sollen 6 bis 10 unterschiedliche in Betrieb befindliche Anlagen messtechnisch untersucht und dokumentiert werden. Das Arbeitspaket Simulation lässt sich in drei Abschnitte unterteilen: Teil I: Erstellung von Simulationsmodellen (EFH, MFH, Bürogebäude) Teil II: Systemsimulation mit TRNSYS, Version 17 Teil III: Parameterstudie zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz der Systeme Die abschließende Auswertung umfasst technische und ökonomische Aspekte sowie die allgemeine Wirtschaftlichkeit (Kapital-, Betriebs- und Energiekosten), als auch ökologische und energetische Aspekte. 4

5 Bild 4: Arbeitspakete 4 Gebäude für das Monitoring Im Rahmen des Low-Level-Monitorings werden im Bereich der Wohngebäude Systeme für Ein- (EFH) und Mehrfamilienhäuser (MFH) zur Gebäudeheizung und Trinkwassererwärmung untersucht. Bei den Nichtwohngebäuden (Bürogebäude) erfolgt eine Systembetrachtung für den Heiz- und Kühlfall. (Bild 5) Das Monitoring wird sich über zwei Jahre erstrecken, so dass zwei Heiz- und Kühlperioden zur Auswertung der Leistungsfähigkeit und Kennwertbildung herangezogen werden können. 5

6 Bild 5: Gebäudetypologie Für das Monitoring werden entsprechende Gebäude, mit bereits vorhandener Messtechnik, vom IGS und den Industriepartnern ausgewählt und die aufgezeichneten Daten dem IGS zur Verfügung gestellt. Bild 6 gibt eine erste Übersicht über die bisher für das Monitoring ausgewählten Gebäude. Es werden bisher neun Gebäude aus fünf Gebäudetypologien sowie sieben unterschiedliche Wärmeübertragersysteme erfasst. Bild 6: Bisherige Gebäudeübersicht 6

7 5 Das Pre-Check-Tool Das übergeordnete Ziel des Forschungsprojektes ist die Erstellung eines online Pre-Check-Tools für die Planung und Architekten. Dabei werden auf der Grundlage der analysierten Anlagenvarianten und der gewonnenen Mess- und Simulationsergebnisse mögliche und effiziente Umsetzungen und Empfehlungen von Niedertemperatur-Quellen und Wärmepumpen für die entsprechenden Gebäudetypologien und standards dokumentiert. Die Online Plattform kann u.a. von Ingenieurbüros zur Grundlagenermittlung und Erstellung von Energiekonzept herangezogen werden. Auf Basis der Plattform soll eine Dokumentation über die Ausgangssituation und die Randbedingungen der Wärmequellen, der spezifischen Kennwerte und Leistungen, der Leistungsfähigkeit und Kosten sowie der Klimaschutzpotentiale (CO 2 - Emissionen etc.) erstellt werden. Neben der Darstellung der Grundlagen sollen über Kenndatenfelder einfache Vordimensionierungen und Auswahlkriterien durchgeführt werden können. Ziel ist dabei die Ermittlung der Plausibilität der einzelnen Niedertemperatur-Quellen und Wärmeübertragersysteme. Darüber hinaus soll die wirtschaftliche Einschätzung (Investitions- und Betriebskosten) eingebunden werden. Bild 7: Prinzip und Vorgehensweise des Pre-Check-Tools 6 Wärmeübertrager Wärmequellen Um möglichst umfangreiche Informationen zu den einzelnen Wärmeübertragersystemen zu erhalten, wurde in einer ersten Phase eine Umfrage bei den Herstellern umgesetzt. Die Befragung erfolgte über verschiedene Kategorien, um einen allgemeinen Überblick über die am Markt vorhandenen Systeme zu erzielen. Die Struktur des Fragebogens bezog sich auf Fragen - zu allgemeinen Angaben zum Produkt, wie Produktbezeichnung, Material des Wärmeübertragers, die verwendete Niedertemperatur-Wärmequelle (Luft, Wasser, Erdreich), das verwendete Wärmeträgermedium sowie geometrische Daten zu Aufbau, Abmessung und Einbau, etc., - zum Betrieb und der Anwendung des Wärmeübertragers, wie Eintrags- und Entzugsleitung (bezogen auf u.a. auf die Bodenklasse), verwendete Temperaturniveaus im Vorlauf- und Rücklauf sowie dem Einsatzgebiete der Wärmeübertrager (EFH, MFH, Büro sowie Neubau und Sanierung, als auch für Heizen, Kühlen und Trinkwarmwasser, etc.), - zu den Investitionskosten des Materials als auch des Einbaus, - sowie zu gesetzlichen Grundlagen, Auslegungsvorschriften und bereits vorhandenen Auslegungs- und Dimensionierungstools. Insgesamt wurde Kontakt zu 24 Unternehmen aufgenommen, die jeweils mindestens ein Wärmeübertragersystem vertreiben. Bei den Firmen handelt es sich sowohl um am Markt etablierte als neue Vertreiber von Wärmeübertragersystemen für Wärmepumpen. Ferner wurde versucht, eine möglichst umfassende Auswahl an verschiedenen Systemen zu erhalten, um viele in der Praxis zum Einsatz kommenden Nutzungsmöglichkeiten und Anwendungen abzudecken. 7

8 Erste grob zusammenfassende Ergebnisse anhand der durchgeführten Recherche und der Rückläufer der Hersteller und Anbieter der Wärmeübertrager sind in Bild 8 und Bild 9 dargestellt. Bei der Auflistung handelt es sich in diesem Fall nur um die Wärmeübertragersysteme und nicht um die Wärmepumpentechnologie. Von den 54 bisher erfassten und vertriebenen geschlossenen Systemen (auch Dopplungen vorhanden, da z.b. zwei Firmen Erdsonden herstellen) sind 70% Wärmeübertragersysteme für das Erdreich (Nutzung von Geothermie), jeweils ~5% Nutzen das Wasser, Abwasser oder sind Eisspeicher und nochmals 10% der aufgenommenen Systeme entziehen der Luft die Wärme (Luftabsorber). Der Wärmeentzug der einzelnen Systeme liegt zwischen ca. 10 bis ~ 200 W/m bzw. W/m². Dabei werden die Übertrager auf Tiefen von 2 bis >100 m abgeteuft. Die ersten Auswertungen zeigen, dass die Vielzahl sowie der Einsatzbereich der einzelnen erdgekoppelten Wärmeübertrager vielfältig ist und für viele Anwendungen auch entsprechende Systeme gefunden werden können. Die bisherige Auswertung beruht somit auf Wärmeübertrager, die die Geothermie als Quelle verwenden. Aus den Statistiken der Wärmepumpenbranche (z.b. bwp Bundesverband für Wärmepumpen, Bild 10) ist jedoch zu erkennen, dass der Großteil der in Neubauten verbauten Wärmepumpen nicht geothermische Wärmepumpen darstellt. Hier werden hauptsächlich Luft-Wasser- Wärmepumpen umgesetzt. Im Forschungsprojekt soll ebenfalls auf diese Gewichtung und Verteilung nachmals näher eingegangen werden. Bild 8: Anzahl auf dem Markt vertretende geschlossenen Systeme [Herstellerangaben] 8

9 Bild 9: Gegenüberstellung verschiedener Wärmeübertrager im geothermischen Wärmequellenbereich Entzugsleistung über Abteuftiefe [bezogen auf Herstellerangaben] Bild 10: %-Anteil der Wohngebäude mit Wärmepumpe am Gesamtbestand Neubau [nach bwp] 9

10 7 Literaturverzeichnis [1] Bockelmann, F., Kipry, H., Fisch, M. N.: Forschungsbericht: WKSP Wärme- und Kältespeicherung im Gründungsbereich energieeffizienter Bürogebäude, BMWi Fkz A, November [2] Miara, M., Günther, D., Kramer, T., Oltersdorf, T., Wapler, J.: Wärmepumpen Effizienz Messtechnische Untersuchung von Wärmepumpenanlagen zur Analyse und Bewertung der Effizienz im realen Betrieb, BMWi Fkz A, Mai [3] Miara, M., et al: WP Monitor, Fraubhofer ISE, seit September Danksagung Das Forschungsprojekt future:heatpump Energetische und wirtschaftliche Bewertung von Wärmequellen für Wärmepumpen (FKZ 03ET1273A) wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert. Wir danken auch unseren Projektpartnern (Stiebel Eltron GmbH & Co. KG, Uponor GmbH, Doppelacker GmbH, Viessmann Werke GmbH & Co. KG und Europoles GmbH & Co. KG) für die finanzielle Unterstützung. 10