Bewertung von Warmwasser- Erzeugersystemen

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1 Bewertung von Warmwasser- Erzeugersystemen Andreas Genkinger, FHNW Institut Energie am Bau EnergiePraxis-Seminar 1/2012

2 Programm Einführung WP & Solarthermie (Hydraulikschaltungen) WP mit Photovoltaik Ökologie (Ökologische Bewertung) Kosten Institut Energie am Bau 2

3 Einführung Einführung: Ausgangslage BL & BS verlangen 50 % erneuerbare Energien zur WW-Erzeugung EN-3 Zugelassen sind unter anderem die Kombinationen: Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Photovoltaik (50 % Strombedarf) Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Solarthermie (50 % Wärmeerzeugung) Fragestellung: Welche dieser Kombinationen kann empfohlen werden? Hydraulikschaltung Umweltbelastung Kosten Vergleich mit anderen Systemen (Erdwärme, Öl/Gas & Solar, Pellets) Institut Energie am Bau 3

4 Einführung Einführung: Vorgehen und Rahmenbedingungen Systemsimulationen mit Polysun EFH-Neubau mit 200 m 2 Q h = 155 MJ/m 2 (SIA 380/1:2009) für WP-Dimensionierung Q ww = 50 MJ/m 2 F HL = 5.1 kw; SIA Klimastation: Basel-Binningen Warmwasser: Speichertemperatur 55 C / Zapftemperatur 50 C Wärmepumpe als alleiniger Wärmeerzeuger (ausser Solarthermie) Deckt Bedarf Heizung und Warmwasser Keine direktelektrische Zusatzheizung Jeweils minimale Kollektorfläche für 50 % Ertrag Solaranlage optimaler Ausrichtung Institut Energie am Bau 4

5 WP & Solarthermie WP & Solarthermie: Hydraulikschaltungen Knackpunkt ist die Wärmeübergabe Wärmepumpe an Speicher. Beispiel: Heizleistung Winter (A-5/W55): 5.2 kw Heizleistung Sommer (A20/W55): 11.3 kw (!) Grosse Wärmeübertrageroberflächen oder direkte Anbindung an Speicher («Energiespeicher») notwendig Anbindung Wärmepumpe 3.5 m 2 Anbindung Wärmepumpe 4.2 m 2 Anbindung Solar 1.9 m 2 Wärmepumpe alleine Wärmepumpe + Solarthermie Institut Energie am Bau 5

6 WP & Solarthermie WP & Solarthermie: Hydraulikschaltung (1) High-Flow (~30 l/h pro m 2 Kollektorfläche) Häufigste Variante Energetisch «gut» Wenig komplex und bewährt Institut Energie am Bau 6

7 WP & Solarthermie WP & Solarthermie: Hydraulikschaltung (2) Low-Flow (~15 l/h pro m 2 Kollektorfläche) Energetisch leicht besser als High-Flow Mit (zu) kleiner Kollektorfläche kein Vorteil Circa 5 % teurer als High-Flow Quelle: Soltop Institut Energie am Bau 7

8 WP & Solarthermie WP & Solarthermie: Hydraulikschaltung (3) Tank in Tank Muss auf hoher Temperatur gehalten werden (ungünstig für WP!) Für reine WW-Anwendung energetisch nicht geeignet Sinnvoll bei Heizungsunterstützung Quelle: Feuron Institut Energie am Bau 8

9 WP & Solarthermie WP & Solarthermie: Hydraulikschaltung (4) Frischwasser-Kombispeicher Erwärmt WW im Durchlaufprinzip Wenig WW-Vorratshaltung (~30 Liter) Für reine WW-Anwendung energetisch nicht geeignet (Viel Speichervolumen muss warmgehalten werden) Sinnvoll bei Heizungsunterstützung Quelle: TiSUN Institut Energie am Bau 9

10 WP & Solarthermie WP & Solarthermie: Hydraulikschaltung (5) Frischwasserstation Keine WW-Vorratshaltung Tiefe Zapftemperaturen möglich (Legionellen) Keine Temperatur-Anforderungen nach SIA 385/1 Quelle: Strasshofer (D) Institut Energie am Bau 10

11 WP & Solarthermie WP & Solarthermie: Simulationsresultate Variante Strombezug relativ* Strombezug absolut* (1) High-Flow 100 % 684 kwh (2) Low-Flow 100 % 683 kwh (3) Tank in Tank 123 % 841 kwh (4) Spiro-Speicher 107 % 731 kwh (5) Frischwasserstation 91 % 624 kwh (5) Frischwasserstation** 75 % 511 kwh *Wärmepumpe & Umwälzpumpen Solaranlage/Frischwasserstation **wie 5, aber 45 C Zapftemperatur statt 50 C Institut Energie am Bau 11

12 WP & Solarthermie WP & Solarthermie: Fazit Energetische & hygienische Sicht: Frischwasserstation Absenkung der Warmwassertemperaturen auf das minimal nötige Mass verringert Energiebedarf zusätzlich Verbreitet in Deutschland und Österrreich Die Variante High-Flow ist nicht viel schlechter als die «optimale» Anlage Am weitesten verbreitet Kombispeicher sind zur alleinigen WW-Bereitstellung energetisch ungeeignet Es ist das Zusammenspiel aller Komponenten, das eine Anlage «gut» macht! Material Speicher, Dämmung, effiziente Pumpe, Verbrauch,... Institut Energie am Bau 12

13 WP & Photovoltaik WP & Photovoltaik Strombezug Wärmepumpe: kwh Photovoltaik erzeugt 50 % davon Anlagengrössen ca. 0.5 kw Peak bis 1 kw Peak Institut Energie am Bau 13

14 Ökologie Ökologie: Systemgrenzen Systemgrenzen 25% Infrastruktur Wärmeerzeuger für WW und Raumheizung Alloziert nach Energiebedarf Warmwasser (25%) resp. Raumheizung (75%) Endenergiebezug & Betriebsemissionen nur für Warmwasserbetrieb Institut Energie am Bau 14

15 Ökologie Ökologie: Bewertung Photovoltaikstrom Infrastruktur PV-Anlage in Strombezug enthalten, aber keine Speicherung/Backup 50 % Photovoltaikstrom Rest: CH-Mix Institut Energie am Bau 15

16 Ökologie Ökologie: Bewertungsmethodik «UBP»: Umweltbelastungspunkte (ökologische Knappheit, UBP 2006) «THG»: Treibhausgas-Emissionen (IPCC GWP 100a) Anlage erfüllt 50 % Anforderung (BS/BL) exakt Solarthermie: Variante «High-Flow» Strom: CH Verbraucher-Mix (resp. Photovoltaikstrom für Kombination «WP & Photovoltaik») Aufschlüsselung nach «Infrastruktur» und «Betrieb» Infrastruktur: Allokation nach Energie Wärmepumpe / Kessel zu 25 % Speicher / Solaranlage zu 100 % Institut Energie am Bau 16

17 Ökologie Ökologie: Umweltbelastungspunkte? Vollaggregation zu einer einzigen Zahl Was ist «schlimmer»: 1 t CO 2 in der Atmosphäre oder 1 kg Blei im Boden? Bewertung ist subjektive «gefärbt»! Bewertung mittels Umweltbelastungspunkte: Politische Zielvorgaben im Vergleich zu der aktuellen Situation 2000-Watt Gesellschaft Luftreinhalteverordnung... Gültigkeitsbereich: Schweiz Vergleich mit anderen Methoden nicht zulässig (UBP ecoindicator)! Institut Energie am Bau 17

18 Ökologie Ökologie: Systemvergleich (Süd / 45 ) PV-Anlage erscheint unter «Betrieb» Erfüllen Vorschriften ohne Solaranlage Institut Energie am Bau 18

19 Ökologie Ökologie: Fazit Betrieb entscheidender als Infrastruktur Systeme mit Luft/Wasser-Wärmepumpe: Photovoltaik etwas besser, beinhaltet aber keine Speicherung/Backup Solarthermie: grösserer Speicher & Pumpenstrom Solarkreis Ökologischer Mehrwert Solarstrom wird nicht verkauft Öl-/Gas hat auch mit Solarunterstützung höchste THG Emissionen CO 2 aus Pelletsfeuerung bleibt in Kreislauf UBP: Keine signifikanten Unterschiede Weitere Untersuchungen: Geringe Abhängigkeit von Orientierung Kollektorfläche Hausgrösse (Anzahl Personen) und Bedarf haben wenig Einfluss Institut Energie am Bau 19

20 Kosten Kosten: Systemgrenzen Kosten für......komplette Anlage...ohne bauseitige Bestandteile (Keller, Kamin,...)...Energiebezug im WW-Betrieb Kein Eigenverbrauch oder Einkauf von Solarstrom Betriebsstrom für WP und Solaranlage wird zu 100 % als CH-Mix eingekauft Keine Förderbeiträge berücksichtigt Solarthermie: Variante «High-Flow» Grundlage: Richtofferten & Katalogpreise Institut Energie am Bau 20

21 Kosten Kosten: Jahreskosten (Südorientierung / 45, 3 % Realzins) Erfüllen Vorschriften ohne Solaranlage Institut Energie am Bau 21

22 Kosten Kosten: Fazit Wärmepumpe mit Photovoltaik resp. Solarthermie etwa gleichwertig Sinkende Preise für PV-Anlagen (Kleinanlagen: 50 % Materialkosten)? Quelle: Photon Institut Energie am Bau 22

23 Danke! Spezieller Dank an das Amt für Umweltschutz und Energie des Kantons Basel- Landschaft sowie an das Amt für Umwelt und Energie des Kantons Basel-Stadt in deren Auftrag die Studie erstellt worden ist. Institut Energie am Bau 23

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