Diplomarbeit. Energetischer und wirtschaftlicher Vergleich von drei Wärmepumpenanlagen am Versuchsstand der Staatlichen Studienakademie Glauchau

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1 Diplomarbeit Energetischer und wirtschaftlicher Vergleich von drei Wärmepumpenanlagen am Versuchsstand der Staatlichen Studienakademie Glauchau Vorgelegt am: Von: Christian Böhm Rümpfstraße Glauchau Studiengang: Studienrichtung: Versorgungs- und Umwelttechnik Technische Gebäudesysteme Seminargruppe: VU 10/2 Matrikelnummer: Praxispartner: Maßalsky GmbH Güterbahnhofstraße Glauchau Mentor: Prof. Dipl.-Ing. Maik Schenker Staatliche Studienakademie Glauchau Mentor: Dipl.-Ing. (BA) Lutz Walter Maßalsky GmbH

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... II Abbildungsverzeichnis... V Tabellenverzeichnis... VI Formelverzeichnis... VII 1 Einleitung Systembeschreibung einer Wärmepumpe Allgemeines Allgemeine Funktionsbeschreibung Thermodynamische Grundlagen Bauteile im Kältekreislauf einer Kompressions-Wärmepumpe Das Arbeitsmittel Betriebsarten von Wärmepumpen Wärmequellen Luft als Wärmequelle Bedeutung Nutzung der Wärmequelle Luft Erdreich als Wärmequelle Bedeutung Nutzung der Wärmequelle Erdreich Wasser als Wärmequelle Bedeutung Nutzung der Wärmequelle Wasser Der Versuchsstand Einführung Aufbau des Versuchsstandes Programme II

3 5 Erfassung der Messwerte Messtechnik und Messstellen Temperaturmessung Durchflussmessung Elektrische Verbraucher Messwerterfassung Auswertung der Messwerte Berechnung der Leistungszahlen in Programm Auswertung der Ergebnisse in Programm Diagrammdarstellung der Messwerte Auswertung Wärmepumpe mit Tiefenbohrung Auswertung Luft-Wasser-Wärmepumpe Auswertung Wärmepumpe mit Energiezaun Vereisung Auswertung Programm Wirtschaftlichkeit Ermittlung des COP Wirtschaftlicher Vergleich der drei Wärmepumpen Ermittlung der Investitionskosten der Wärmepumpensysteme Ermittlung der Jahresgesamtkosten der Wärmepumpensysteme Rahmenbedingungen für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Vergleichende Betrachtung mit Gas-Brennwertgerät Investitionskosten Gas-Brennwertgerät Kostenvergleich und Amortisation ohne Preisänderung Kostenvergleich und Amortisation mit Preisänderung Optimierung Optimierung der Wärmepumpe mit Tiefenbohrung Optimierung der Luft-Wasser-Wärmepumpe Optimierung der Wärmepumpe mit Energiezaun Optimierung von Programm III

4 7.5 Optimierung bei der Aufzeichnung der Messwerte Weiterführende Untersuchungen Schlussbetrachtung Quellenverzeichnis Anhangverzeichnis IV

5 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Wärmepumpenprozess... 3 Abbildung 2: T-S-Diagramm... 4 Abbildung 3: Spezifische Entzugsleistungen Abbildung 4: Spiralkollektoren Abbildung 5: Der Versuchsstand Abbildung 6: Luft-Wasser-Wärmepumpe Abbildung 7: Funktionsweise eines Wärmerohres Abbildung 8: Außeneinheit Tiefenbohrung Abbildung 9: Verdichter und Kondensator im Gebäude Abbildung 10: Energiezaun Abbildung 11: Wärmepumpe Energiezaun Abbildung 12: Ausschnitt aus Anlagenschema des Versuchsstandes Abbildung 13: Messergebnisse 8. bis 11. März Abbildung 14: Messergebnisse 4. bis 6. März Abbildung 15: Fehlende Isolierung an Kälteleitung Abbildung 16: Heizkreispumpe der Wärmepumpe mit Energiezaun Abbildung 17: Darstellung der Leistungszahl der Luft-Wärmepumpe Abbildung 18: Darstellung der Entzugsleistung des Energiezaunes Abbildung 19: Standort Energiezaun V

6 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Temperaturmessstellen am Versuchsstand Tabelle 2: Durchflussmesspunkte am Versuchsstand Tabelle 3: Elektrische Verbraucher Tabelle 4: Berechnungsergebnisse Programm Tabelle 5: Gemessene Temperaturdifferenz Tabelle 6: Neue Temperaturdifferenz des Heizkreises Tabelle 7: Geänderte Berechnungsergebnisse Programm Tabelle 8: Vergleich Umweltenergiemenge und Heizleistung Tabelle 9: Theoretische Heizleistung Energiezaun Tabelle 10: Vereisung Energiezaun und Verdampfer Luft-Wärmepumpe Tabelle 11: Beispiel Heizpause Luft-Wärmepumpe Tabelle 12: Elektrischer Energiebedarf der Verdichter in Programm Tabelle 13: Vergleich der WP in Programm Tabelle 14: COP in Programm Tabelle 15: Aufstellung der Investitionskosten Tabelle 16: Kostenvergleich der WP-Systeme Tabelle 17: Investitionskosten Gas-Brennwertgerät Tabelle 18: Kostenvergleich verschiedener Wärmeerzeuger ohne Preisänderung. 54 Tabelle 19: Amortisation der Wärmepumpe mit Energiezaun ohne Preisänderung 55 Tabelle 20: Kostenvergleich verschiedener Wärmeerzeuger mit Preisänderung Tabelle 21: Amortisation der Wärmepumpe mit Energiezaun mit Preisänderung VI

7 Formelverzeichnis (0.1)Formel (0.2)Formel (0.3)Formel (0.4)Formel (0.1)Formel (0.1)Formel (0.2)Formel (0.3)Formel (0.4)Formel (0.5)Formel (0.6)Formel (0.7)Formel (0.8)Formel VII

8 1 Einleitung Die jährlich steigenden Rohstoffpreise sowie das steigende Umweltbewusstsein der Menschen animiert zum Einsatz neuer Technologien, um effizienter und kostengünstiger Wärme zur Beheizung von Gebäuden oder zur Trinkwassererwärmung bereitzustellen. Wärmepumpen sind ein mögliches System, um diese Ziele zu erreichen. Da ein Großteil der benötigten Wärme kostenfrei in der Umwelt zur Verfügung steht, wird nur ein kleiner Teil an zusätzlicher Energie benötigt, um diese nutzbar zu machen. Im Vergleich zur Verwendung fossiler Brennstoffe, können auf diese Weise die jährlichen Kosten zur Bereitstellung von Wärme sowie die CO 2 -Emissionen reduziert werden. Diese Ausarbeitung geht auf den Grundaufbau einer Wärmepumpe sowie deren Funktionsweise ein. Weiterhin wird ein Überblick über die Arten und Nutzung von Wärmequellen in der Umwelt gegeben. Um das System einer Wärmepumpe für Studenten, Firmen und Bauherren zu veranschaulichen und für Untersuchungen bereitzustellen, wurde an der Staatlichen Studienakademie Glauchau ein Versuchsstand mit drei verschiedenen Wärmepumpensystemen errichtet. Alle drei Wärmepumpen besitzen eine annähernd gleiche Heizleistung, da sie die gleiche Heizlast decken müssen, welche über drei Kühlkreisläufe simuliert wird. Somit ist die Vergleichsmöglichkeit der Systeme gegeben. Um einen möglichst genauen und aussagekräftigen Vergleich der Wärmepumpensysteme durchführen zu können, wurde der Versuchsstand mit zahlreicher Messtechnik zur Erfassung von Temperaturen, Volumenströmen und elektrischer Arbeit ausgestattet, welche über einen Computer ausgewertet werden können. Seit Februar 2013 werden Messversuche an den drei Systemen durchgeführt. Dabei werden über vordefinierte Zeiträume durch den Computer die Messwerte jeder einzelnen Messstelle gelesen und aufgezeichnet. Das Resultat ist eine Vielzahl von Messwerten, welche die Anlagen zu unterschiedlichen Zeiten und Einsatzbedingungen beschreiben. Durch Gegenüberstellung der Messwerte und Ermittlung der Leistungszahlen sowie des COP der unterschiedlichen Systeme ist ein energetischer Vergleich durchführbar. Weiterhin können die Wärmepumpen hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit zueinander und vergleichend mit einem alternativen Wärmeerzeuger geprüft werden. Folglich sind Vorschläge hinsichtlich der Optimierung der Wärmepumpensysteme und des Versuchsstandes möglich. 1

9 2 Systembeschreibung einer Wärmepumpe 2.1 Allgemeines Die Funktion einer Wärmepumpe besteht darin, mit Hilfe von Umweltenergie und elektrischer Energie Wärmeenergie bereitzustellen. Unter Umweltenergie versteht man dabei die Wärme, welche man unter Einsatz geeigneter Technologien der Umgebung entziehen kann. Diese Wärme kann aus dem Erdreich, aus der Luft oder aus dem Grundwasser stammen. Da die entzogene Wärme aus der Umgebung, im Vergleich zur angestrebten Heizwärme, nur ein sehr kleines Energieniveau besitzt, wird unter Zuführung von elektrischer Energie technische Arbeit geleistet, um ein höheres Energieniveau zu erreichen. Für die technische Umsetzung wird ein Wärmeträgermedium verwendet, welches in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Der dabei ablaufende Vorgang wird auch als linksläufiger Kreisprozess bezeichnet. Die durch die Umwandlung von Umweltenergie und Elektroenergie entstandene Wärmeenergie kann zur Gebäudebeheizung oder Trinkwassererwärmung genutzt werden. 2.2 Allgemeine Funktionsbeschreibung Um die technischen Abläufe in einer Wärmepumpe besser verstehen zu können, muss man sich zunächst die theoretischen Grundlagen des Wärmepumpenprozesses anschauen. Wie bereits erwähnt, handelt es sich hierbei um einen linksläufigen Kreisprozess. In Abbildung 1 ist ein Wärmepumpenprozess dargestellt und mit vier Betriebspunkten gekennzeichnet. Des Weiteren sind vier Hauptbauteile erkennbar. Beginnend mit einem Wärmeübertrager, welcher als Verdampfer bezeichnet wird, einem Verdichter, einem weiteren Wärmeübertrager, welcher auch Verflüssiger oder Kondensator genannt wird, sowie einem Drosselorgan, bezeichnet als Expansionsventil. In dem Kreislauf zirkuliert ein Wärmeträgermedium, im Folgenden als Kälteoder Arbeitsmittel bezeichnet. Am Punkt 4 befindet sich das Kältemittel im flüssigen Aggregatzustand und besitzt eine niedrige Temperatur. Dem Verdampfer wird Wärme aus der Umwelt mit einer höheren Temperatur zugeführt. Nun strömt das flüssige Kältemittel durch den Verdampfer. Durch die Temperaturdifferenz kommt es zur Wärmeübertragung von der Umweltwärme auf das Kältemittel. Die Temperatur des Kältemittels steigt an und es verdampft, da der Siedepunkt solcher Arbeitsmittel niedrig ist. Die Temperatur des Arbeitsmittels ist jedoch noch nicht hoch genug, um damit eine Heizungsanlage betreiben zu können. Aus diesem Grund kommt von Punkt 2 nach Punkt 3 ein Verdichter zum Einsatz, welcher das bereits gasförmige Medium komprimiert. Bei der Kompression steigt der Druck, welcher bisher niedrig war. Damit verbunden ist ebenfalls der erwünschte Temperaturanstieg. Das Kältemittel besitzt im Betriebspunkt 3 nun 2

10 eine Temperatur die größer ist, als die Temperatur des Wärmeträgermediums im Heizkreis, welcher sekundärseitig an den Kondensator angeschlossen ist. Mit diesem hohen Temperaturniveau strömt das Kältemittel in den Kondensator. Die Temperaturdifferenz ermöglicht einen Wärmeübergang vom Kältemittel auf das Heizkreismedium, bei welchem es sich meist um Wasser handelt. Die Wärmeabgabe des Kältemittels sorgt dafür, dass es kondensiert, das heißt, es wird verflüssigt. Da diese Abkühlung jedoch nicht ausreicht, um erneut im Verdampfer Umweltwärme aufnehmen zu können, muss das Arbeitsmittel entspannt werden. Dafür strömt es von Punkt 3 nach Punkt 4 durch ein Expansionsventil, durch welches der Druck stark abfällt und in Folge dessen die Temperatur ebenfalls stark sinkt. Mit dem erlangten niedrigen Temperaturniveau strömt das Kältemittel erneut in den Verdampfer und der Kreislauf beginnt von vorn. Abbildung 1: Wärmepumpenprozess Diese Ausarbeitung bezieht sich auf die eben erklärten Kompressions-Wärmepumpen, da die Wärmepumpen am Versuchsstand allein mit diesem Prinzip arbeiten. Weitere Arten stellen die Absorptions- und die Adsorptions-Wärmepumpen dar. Bei diesen Anlagen ist der Kompressor durch einen thermischen Verdichter ersetzt, welcher das Arbeitsmittel durch Zufuhr von Wärme auf ein höheres Energieniveau bringt. 3

11 2.3 Thermodynamische Grundlagen Zur vereinfachten Darstellung kann der Carnot-Prozess verwendet werden. Dieser ist ein theoretischer Vergleichsprozess und kann für eine erste Bewertung von Wärmepumpen genutzt werden. Abbildung 2 zeigt ein Temperatur-Entropie-Diagramm. In diesem ist der linksläufige Carnot-Prozess dargestellt und mit den vier Betriebspunkten gekennzeichnet. Abbildung 2: T-S-Diagramm Der Kreisprozess wird durch vier Zustandsänderungen beschrieben. Dabei handelt es sich um zwei isotherme Zustandsänderungen (von Punkt 4 nach 1, sowie von Punkt 2 nach 3), bei welchen die Temperatur konstant bleibt und um zwei isentrope Zustandsänderungen (von Punkt 3 nach 4, sowie von Punkt 1 nach 2), bei denen die Entropie konstant ist. Die Fläche unter der Zustandskurve von Punkt 4 nach Punkt 1 stellt die Umweltenergiemenge dar. Die von dem Kreisprozess eingeschlossene Fläche bildet den Betrag der Kompressionsarbeit des Verdichters. Bei der Addition beider Flächen erhält man die Heizwärmemenge. Da die Umweltenergie kostenfrei aus der Umwelt entnommen wird, strebt man danach, diese möglichst groß zu bekommen, was eine Vergrößerung der roten Fläche bedeutet. Bei konstanter Heizwärmemenge muss demzufolge auch die grüne Fläche, das heißt die Kompressionsarbeit, kleiner werden. Die Heizwärmemenge pro Zeiteinheit bildet die Heizleistung und kann mit folgender Formel beschrieben werden....heizleistung [W]...Umweltenergiemenge [W]...elektrische Antriebsleistung des Verdichters [W] (0.1)Formel0.1 4

12 Je größer die Umweltenergiemenge ist, desto weniger Elektroenergie muss man aufbringen, um den Verdichter zu betreiben und die Heizleistung zu erreichen. Zur Beurteilung dieser Feststellung wurde die Leistungszahl eingeführt (siehe Formel 2). (0.2)Formel0.2...Leistungszahl...Heizleistung [W]...elektrische Antriebsleistung des Verdichters [W] Die Leistungszahl beschreibt bei einer Wärmepumpe das Verhältnis aus abgegebener Heizleistung zu aufgenommener elektrischer Antriebsleistung des Verdichters. Da hier nur die Verdichterleistung einbezogen wird, ist es möglich einen Vergleich zwischen Wärmepumpen unterschiedlicher Wärmequellen durchzuführen, sofern es sich um Kompressionswärmepumpen handelt. Die Leistungszahl bewertet nur den Kälteprozess einer Wärmepumpe. Im T-S-Diagramm bildet die Wärmequellentemperatur die untere Grenze und die Heizungsvorlauftemperatur die obere Grenze des Kreisprozesses. Das Ziel ist es, die Wärmequellentemperatur möglichst hoch zu erhalten und die Heizungsvorlauftemperatur möglichst niedrig zu wählen. Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen beiden ist, umso weniger Kompressionsarbeit muss der Verdichter aufbringen und umso besser ist die Leistungszahl. Da jede Wärmequelle eine andere Technologie erfordert, ist auch die Aufwendung von Hilfsenergien unterschiedlich. Damit das Gesamtsystem einer Wärmepumpe funktionieren kann, sind neben dem Verdichter noch eine Reihe weiterer elektrischer Antriebe notwendig. Dazu zählen zum Beispiel die Heizkreispumpe, die Solepumpe oder der Ventilator einer Luft-Wärmepumpe. Eine weitere dimensionslose Größe, welche neben der Verdichterleistung auch alle zusätzlichen Hilfsenergien berücksichtigt, wird als COP bezeichnet. Wichtig für die Beurteilung dieses Wertes ist, welche elektrischen Verbraucher in die Berechnung einbezogen werden, beziehungsweise in welchem Umfang man die Anlage betrachtet. Es kann demnach folgende Formel angesetzt werden: (0.3)Formel0.3...Coefficient of Performance...Heizleistung [W]...elektrische Antriebsleistungen [W] Der COP erfasst die komplette Wärmepumpenanlage, sodass ein energetischer Vergleich verschiedener Systeme möglich ist. 5

13 2.4 Bauteile im Kältekreislauf einer Kompressions-Wärmepumpe Unter diesem Gliederungspunkt sollen die Hauptbauteile einer Kompressions- Wärmepumpe technisch näher betrachtet werden. Bei einem Verdampfer handelt es sich um einen Wärmeübertrager. Er hat die Aufgabe, das Kältemittel vom flüssigen Aggregatzustand in den gasförmigen Aggregatzustand zu bringen. Dies erfolgt unter einem niedrigen Druck- und Temperaturniveau mit Hilfe von Umweltwärme. Wie gut die Wärmeübertragung auf das Kältemittel funktioniert, ist abhängig von vielen Einflüssen. Da es sich im Wärmeübertrager um Wärmedurchgang handelt, spielt dessen Aufbau und Beschaffenheit eine entscheidende Rolle. Der Wärmedurchgang setzt sich zusammen aus Wärmeübergang und Wärmeleitung. Die mittels Wärmedurchgang übertragene Wärmemenge kann mit folgender Formel ermittelt werden. (0.4)Formel0.4...Wärmestrom [W]...Wärmedurchgangskoeffizient [W/m²K]...Wärmeübertragungsfläche [m²]...temperaturdifferenz [K] Der Wärmedurchgangskoeffizient k gibt an, welche Wärmemenge pro Quadratmeter durch einen festen Körper von einem Fluid auf ein Anderes übertragen werden kann, wenn die Temperaturdifferenz ein Kelvin beträgt. Er berücksichtigt die Wärmeleitung sowie den Wärmeübergang und ist unter anderem abhängig vom Material des festen Körpers, von dessen Oberflächenbeschaffenheit oder eventueller Verschmutzung. Der Verdichter leistet die für den Prozess entscheidende technische Arbeit. Erst durch dieses Bauteil, welches in der Praxis einen Kompressor darstellt, wird es möglich, nutzbare Temperaturen für eine Heizungsanlage zu erreichen. Da der Verdichter mit elektrischer Energie betrieben wird, ist es wichtig, dass er sehr effizient arbeitet. In der Praxis kann aus einer Vielzahl von Verdichterbauarten gewählt werden. Beginnend bei der Drehzahl des Verdichters, über die Art des verwendeten Kältemittels, bis hin zu den erwünschten Temperatur- und Druckparametern am Verdichteraustritt reichen die Auswahlkriterien bei der Wahl des passenden Verdichtertyps. Es werden drei verschiedene Ausführungsformen (offene, halbhermetische und hermetische) unterschieden. Bei offenen Verdichtern befindet sich der Antriebsmotor außerhalb des Verdichters. Diese Bauform wird bei großen Anlagen angewendet. Bei halbhermetischen Verdichtern befinden sich der Antrieb und der Verdichter in einem gemeinsamen Gehäuse, welches verschraubt ist, sodass Reparaturen möglich sind. Hermetische Verdichter sind genauso aufgebaut, lediglich das Gehäuse ist ver- 6

14 schweißt, sodass im Schadensfall meist die komplette Einheit ausgetauscht werden muss. Beim Verflüssiger, auch als Kondensator bezeichnet, handelt es sich ebenfalls um einen Wärmeübertrager. In diesem erfolgt die Wärmeabgabe an das Heizungssystem. Für diesen Wärmeübertrager gelten die gleichen Anforderungen wie für den Verdampfer. Als Verflüssiger werden hauptsächlich Plattenwärmeübertrager eingesetzt. Diese bestehen aus parallel angeordneten Platten aus Edelstahl oder Kupfer, welche die zwei strömenden Medien voneinander trennen. Aufgrund einer guten Wärmeleitfähigkeit der Materialien und einer kleinen Wandstärke der Platten ist eine gute Wärmeübertragung möglich. Das Expansionsventil entspannt das Kältemittel von hohem Verflüssigungsdruck und -temperatur auf niedrigen Verdampfungsdruck und -temperatur. Des Weiteren kann das Expansionsventil zur Verdampferregelung eingesetzt werden, indem es die optimale Durchflussmenge des Kältemittels einstellt. Bei einer zu großen Kältemittelmenge würde nicht verdampftes Kältemittel im Verdampfer zurückbleiben und bei einer zu kleinen Menge wäre die Fläche des Verdampfers nicht optimal ausgenutzt. Durch eine zu große Kältemittelmenge kann dieses nicht vollständig verdampfen und führt zu keiner Überhitzung. Für den Verdichter besteht dann die Gefahr von Flüssigkeitsschlägen beim Ansaugen von nicht verdampftem Kältemittel. Zum Einsatz kommen thermostatische oder elektronische Expansionsventile. Bei der thermischen Ausführung wird mittels eines Fühlers am Beginn der Saugleitung am Verdampferaustritt die Überhitzungstemperatur abgegriffen. Mit Hilfe einer Kapillarleitung vom Fühler zum Expansionsventil können Druckänderungen übertragen werden. Erhöht sich die Überhitzungstemperatur, so steigt der Fühlerdruck, welcher im Expansionsventil auf eine Membran wirkt. In Folge dessen öffnet sich das Ventil, um den Kältemitteldurchfluss zu vergrößern. Auf der Gegenseite der Membran wirken der Verdampfungsdruck des Verdampfereintritts und der voreingestellte Federdruck des Ventils auf die Membran, was als innerer Druckausgleich bezeichnet wird. Von äußerem Druckausgleich spricht man, wenn vom Verdampferende eine Ausgleichsleitung zum Expansionsventil verlegt ist, sodass auf der Oberseite der Membran nun der Verdampfungsdruck vom Verdampferende anliegt. Diese Variante wird angewendet, wenn der Verdampfer einen hohen Druckverlust besitzt. Bei Anwendung des inneren Druckausgleiches kann in diesem Fall die Überhitzung zu groß werden, da in Folge des zu niedrigen Verdampfungsdruckes auf der Oberseite der Membran der Kältemitteldurchfluss zu niedrig geregelt wäre. Elektronische Expansionsventile messen direkt die Verdampfungstemperatur am Verdampfereintritt sowie die Überhitzungstemperatur. Diese Werte werden ständig mit den eingestellten Werten verglichen. Liegt eine Abweichung von den Sollwerten vor, so bekommt der Stellantrieb einen entsprechenden Impuls und das Ventil öffnet beziehungsweise schließt sich. 7

15 2.5 Das Arbeitsmittel Der Begriff Arbeitsmittel bezeichnet das Kältemittel, welches im Kältekreislauf zirkuliert. Es gibt eine Vielzahl von Kältemitteln, welche alle für unterschiedlichste Anwendungen entwickelt wurden. Der linksläufige Kälteprozess kann mit Hilfe eines log p-h- Diagramms beschrieben werden. Für jedes Kältemittel gibt es ein anderes Diagramm. An ein Kältemittel werden in der Praxis hohe Ansprüche gestellt. Es muss geeignete physikalische und chemische Eigenschaften haben, um bestmöglich im Kälteprozess zu arbeiten. Darüber hinaus muss es kostengünstig und zudem gut wiederverwertbar sein. Einige der früheren Kältemittel, wie beispielsweise R22, dürfen aufgrund ihrer schädlichen Einwirkung auf die Umwelt nicht mehr eingesetzt und müssen gegen Ersatzkältemittel ausgetauscht werden. Mittlerweile gibt es viele Kältemittel mit nur geringfügiger bis keiner Schadwirkung auf die Umwelt. Zudem haben diese meist eine hohe volumetrische Kälteleistung, wodurch weniger Kältemittel benötigt wird. Die volumetrische Kälteleistung gibt an, wie viel Wärme das Kältemittel pro Kubikmeter und Stunde transportieren kann. 2.6 Betriebsarten von Wärmepumpen Generell unterscheidet man in vier Betriebsarten von Wärmepumpen. Diese sind: - monovalenter Betrieb - monoenergetischer Betrieb - bivalent-alternativer Betrieb - bivalent-paralleler Betrieb Bei monovalentem Betrieb ist die Wärmepumpe der einzige Wärmeerzeuger im Gebäude und somit allein für die Beheizung und Warmwasserbereitung zuständig. Bei dieser Betriebsart erreicht die Wärmepumpe einen Deckungsgrad von 100 %, da dieser den Anteil der jährlich erbrachten Heizwärmemenge durch die Wärmepumpe darstellt. Das bedeutet, dass die Wärmepumpe auch für die niedrigste Außentemperatur dimensioniert werden muss. Bei dieser Betriebsweise besteht der Vorteil darin, dass man keinen zweiten Wärmeerzeuger benötigt. Diese Variante sollte bei Neubau angestrebt werden, da hier die Heizungsvorlauftemperatur in Kombination mit einer Flächenheizung niedrig geplant werden kann. Aufgrund der Warmwasserbereitung empfiehlt sich jedoch keine Luft-Wärmepumpe für den monovalenten Betrieb, da die Temperaturen der Wärmequelle über das Jahr zu stark schwanken und besonders im Winter sehr niedrig liegen. Die Konsequenz wäre eine große elektrische Verdichterleistung und damit verbunden eine schlechte Leistungszahl. Die Entzugsleistung der Wärmequelle sollte daher über das ganze Jahr konstant zur Verfügung stehen. 8

16 Bei monoenergetischem Betrieb wird die Wärmepumpe bei Bedarf durch eine elektrische Zusatzheizung unterstützt. Das ist besonders bei Luft-Wärmepumpen bei sehr niedrigen Außentemperaturen der Fall. Da die Verdichterleistung ab ungefähr - 5 C zu stark ansteigen würde, nutzt man eine elektrische Zusatzheizung, um die gewünschten Temperaturen zu erreichen. Hierbei erreicht die Wärmepumpe einen Deckungsgrad von rund 95 %. Es gelten die gleichen Einsatzbedingungen wie bei der monovalenten Betriebsart. Die monoenergetische Betriebsweise eignet sich besonders dort, wo nur selten sehr niedrige Außentemperaturen erreicht werden. Bei bivalent-parallelem Betrieb wird ab einer bestimmten Außentemperatur ein zweiter Wärmeerzeuger zugeschaltet, sodass dieser parallel zur Wärmepumpe läuft. Ab einer zweiten eingestellten Grenzaußentemperatur schaltet die Wärmepumpe aus, sodass der zweite Wärmeerzeuger nun die gesamte Wärmeversorgung übernimmt. Hierbei erreicht die Wärmepumpe einen Deckungsgrad bis zu 80 %. Diese Betriebsart wird besonders bei der Sanierung von Altbauten empfohlen, da hier oftmals noch keine Flächenheizungen vorhanden sind und durch die parallele Betriebsweise auch höhere Vorlauftemperaturen in Verbindung mit statischen Heizflächen möglich wären. Zudem kann der vorhandene Öl- oder Gaskessel als zweiter Wärmeerzeuger verwendet werden. Bei bivalent-alternativem Betrieb schaltet die Wärmepumpe ab einer bestimmten Außentemperatur komplett ab und ein zweiter Wärmeerzeuger übernimmt die gesamte Wärmeversorgung. Hierbei wird ein Deckungsgrad von rund 60 % erreicht. Dies ist eine ungünstige Variante, da ein zu großer Teil der Heizwärme durch den zweiten Wärmeerzeuger bereitgestellt wird. Aus diesem Grund wird empfohlen, die bivalentparallele Betriebsweise zu wählen, sofern die monoenergetische Betriebsweise bereits ausgeschlossen wurde. 9

17 3 Wärmequellen In der Natur stehen grundsätzlich drei verschiedene Wärmequellen zur Verfügung. Dabei handelt es sich um Luft, Erdreich und Wasser. Prinzipiell lässt sich jede Wärmequelle nutzen, solange deren Temperatur über der Verdampfungstemperatur des verwendeten Kältemittels liegt. Neben den natürlichen Wärmequellen können auch Künstliche eingesetzt werden. Dies kann durch die Nutzung von Abwärme aus anderen technischen Prozessen geschehen. Dabei könnte beispielsweise die Abluft einer raumlufttechnischen Anlage oder die im Abwasser enthaltene Wärme genutzt werden. Solche Anwendungen sind jedoch Einzelfälle und müssen je nach Gegebenheit ausgelegt werden. Aus diesem Grund bezieht sich diese Arbeit vorrangig auf die natürlichen Wärmequellen. In der Praxis gibt es keine Pauschallösung für alle Anwendungsfälle. Die Wahl der richtigen Wärmequelle hängt von der Art des zu beheizenden Objektes sowie von der Möglichkeit der Nutzung ab. Oft stehen nicht alle Wärmequellen zur Verfügung oder es fehlen Genehmigungen für deren Nutzung. Unter den folgenden Gliederungspunkten sind die Arten und Nutzungen der Wärmequellen beschrieben. 3.1 Luft als Wärmequelle Bedeutung Luft ist die einzige Wärmequelle, die theoretisch immer eingesetzt werden kann, da sie an jedem Standort und in unbegrenzter Menge zur Verfügung steht. Der Platzbedarf für die Aufstellung der Anlage ist gering und es sind keine aufwendigen Grabungen notwendig. Außerdem benötigt man für die Nutzung dieser Wärmequelle keine Genehmigung und die Investitionskosten sind vergleichsweise gering. Diesen Vorteilen stehen jedoch einige Nachteile gegenüber. Ein großer Nachteil sind die sehr niedrigen Außentemperaturen im Winter, bei welchen zur gleichen Zeit die höchste Heizleistung erforderlich ist. In Folge dessen, muss eine größere Verdichtungsleistung aufgebracht werden, um die größere Temperaturdifferenz zwischen der sehr niedrigen aufgenommenen Verdampfungstemperatur und der angestrebten Kondensationstemperatur zu erreichen. Ein weiteres Problem stellt die Vereisung am Verdampfer dar, welche bei Außentemperaturen unter dem Gefrierpunkt bei Taupunktunterschreitung entsteht. Der in der Luft enthaltene Wasserdampf kann bei Abkühlung nicht mehr komplett gebunden werden, da die Fähigkeit von Luft, Wasserdampf zu binden, mit sinkender Temperatur abnimmt. Das bedeutet, er taut in Form von Wasser aus und setzt sich am Verdampfer ab. Sofern nun die Umgebungstemperatur unter 0 C liegt, gefriert dieses Wasser und der Verdampfer vereist. Mit zunehmender Vereisung sinkt auch die Ver- 10

18 dampfungsleistung und die Wärmeübertragung könnte komplett zum Erliegen kommen. Zusätzlich darf die Schallentstehung durch den Ventilator am Verdampfer nicht unterschätzt werden, da eine dauerhafte Geräuschentwicklung auf dem Grundstück sehr störend sein kann oder auch zu Streitigkeiten mit der Nachbarschaft führen könnte Nutzung der Wärmequelle Luft Um die Luft dem Verdampfer gut zuführen zu können, wird sie über einen Ventilator angesaugt. Für die Aufstellung einer Luft-Wärmepumpe gibt es verschiedene Möglichkeiten. Häufig erfolgt die Aufstellung als Kompaktanlage mit Außenaufstellung. Das bedeutet, das Gerät beinhaltet alle Komponenten der Wärmepumpe in einem Gehäuse und die Aufstellung erfolgt im Freien. Die Verbindung zum Haus stellen hierbei zwei isolierte Rohre für den Heizungsvor und -rücklauf, sowie die Stromversorgung dar. Das Ansaugen und Ausblasen der Außenluft muss ungehindert erfolgen können. Um der Vereisung am Verdampfer entgegenzuwirken, muss eine Abtauvorrichtung vorhanden sein. Desweiteren muss eine frostfreie Ableitung des Kondensates gewährleistet sein. Dies erfolgt durch einen Sickergraben über das Erdreich. Wichtig bei der Wahl des Aufstellungsortes ist die Schallentwicklung der Anlage. In allgemeinen Wohngebieten sind laut der - TA Lärm - tagsüber 55 db(a) als Maximalwert, sowie nachts 40 db(a) vorgeschrieben. In reinen Wohngebieten dürfen nachts 35 db(a) dauerhaft nicht überschritten werden. Die moderne Technik ermöglicht es, die Werte einzuhalten, jedoch sollten einige Dinge beachtet werden, um eine Verstärkung von Schallemissionen zu vermeiden. Eine Aufstellung in Hausecken sollte vermieden werden, da eine Reflexion der Schallwellen zur Erhöhung des Schalldruckpegels führen kann. Ebenso die Aufstellung auf harten Untergründen ist zu vermeiden, um Körperschall zu verhindern. Aus diesem Grund ist auch ein gutes schallisolierendes Gehäuse der Anlage erforderlich. Pflanzen wiederum können den Schallpegel mindern, dürfen den Luftstrom jedoch nicht behindern. Eine weitere Möglichkeit ist die Split-Anlage. Hierbei befinden sich die meisten Teile der Wärmepumpe im Gebäude, lediglich der Verdampfer befindet sich im Freien. Die Verbindung zum Haus stellen dann zwei kälteisolierte Rohrleitungen (die Flüssigkeitsleitung und die Saugleitung des Kälteprozesses) sowie die Stromversorgung dar. Für den Verdampfer gelten die gleichen Aufstellungsbedingungen wie bei der Kompaktanlage. Zuletzt besteht die Möglichkeit einer Kompaktanlage mit Innenaufstellung. Der Lufteintritt beziehungsweise -austritt erfolgt über isolierte Luftkanäle durch direkte Wandöffnungen oder Lichtschächte. Befinden sich der Lufteinlass und -auslass dabei auf 11

19 der gleichen Hausseite, so ist ein thermischer Kurzschluss zu vermeiden. Die Hauptwindrichtung am Standort sollte von der Lufteintrittsöffnung zur Luftaustrittsöffnung strömen. Zusätzlich wäre eine Trennwand zwischen beiden sinnvoll. 3.2 Erdreich als Wärmequelle Bedeutung Bei der Nutzung der Wärmequelle Erdreich für den Betrieb einer Wärmepumpe handelt es sich um oberflächennahe Geothermie, da hier maximal die ersten 400 m der Erdkruste genutzt werden. Die in den ersten 20 m Tiefe vorkommende Wärme besteht hauptsächlich aus gespeicherter Sonnenenergie, welche über das Regenwasser von der Erdoberfläche tiefer ins Erdreich transportiert wird. Der wesentliche Vorteil bei dieser Wärmequelle besteht darin, dass die Temperatur im Erdreich, je nach Tiefe, als nahezu konstant betrachtet werden kann. So beträgt zum Beispiel die Temperatur ab ungefähr 10 m Tiefe ganzjährig 10 C. Selbst bei Tiefen unter 10 m kann man auch im Winter von Temperaturen über 0 C ausgehen, wonach im Gegensatz zur Wärmequelle Luft ein geringerer Temperaturhub notwendig ist. Die tatsächlichen Werte sind natürlich abhängig von der Beschaffenheit des Erdreichs sowie den klimatischen Bedingungen am jeweiligen Standort. Dabei spielt es eine Rolle, wie stark die Sonneneinstrahlung ist und wie gut die aufgenommene Wärme ins Erdreich transportiert und dort gespeichert werden kann. Wärmenutzungsanlagen, welche das Erdreich betreffen, sind in den meisten Fällen anzeigepflichtig. Darüber hinaus ist für Tiefenbohrungen bis 99 m eine Genehmigung durch die untere Wasserbehörde erforderlich. Für Bohrtiefen ab 100 m benötigt man die Genehmigung des verantwortlichen Bergbauamtes, da dann das Bundesberggesetz gilt. 12

20 3.2.2 Nutzung der Wärmequelle Erdreich Um das Erdreich als Wärmequelle zu nutzen, können verschiedene Systeme angewendet werden. Ein erstes System stellen Erdsonden dar. Oft ist hier auch von Tiefenbohrungen die Rede, da bei dieser Variante nicht selten bis 100 Meter oder tiefer gebohrt wird, um möglichst konstante Temperaturen und damit eine hohe Entzugsleistung zu erreichen. Abbildung 3 zeigt Tabelle 2 aus der VDI 4640 Teil 2. Diese beinhaltet die spezifischen Entzugsleistungen verschiedener Bodenarten im Erdreich. Abbildung 3: Spezifische Entzugsleistungen (Quelle: VDI ) Mit einer größeren Entzugsleistung, als sich nach der Tabelle für die unterschiedlichen Erdschichten pro Bohrmeter ergibt, sollte nicht geplant werden. Bei falscher Dimensionierung von Erdsonden, kann es zu einer starken Auskühlung des Erdreiches kommen. Dies hätte eine lange Regenerationszeit des Erdreiches zur Folge. Dadurch verkleinern sich die Vorlauftemperaturen der Wärmequelle und die Leistungszahl der Wärmepumpe verschlechtert sich. Im schlimmsten Fall wird die Erdsonde durch eine zu starke Auskühlung unbrauchbar und die Wärmepumpe kann nicht mehr arbeiten. Bei Wärmepumpen, welche eine Heizleistung größer 30 kw besitzen, muss eine genaue Berechnung der Erdschichten und deren Entzugsleistungen durchgeführt sowie das Temperaturverhalten untersucht werden. Zur Untersuchung der Erdschichten bis zu der gewünschten Bohrtiefe wird ein international anerkanntes Verfahren angewendet. Bei dem sogenannten Thermal Response Test wird über eine Erdsonde ein definierter Wärmeeintrag ins Erdreich gebracht. Die Bohrung für diese Testsonde 13

21 kann später auch für eine der Wärmepumpensonden verwendet werden. Bei diesem Vorgang wird die Wärmeaufnahme des Erdreiches in verschiedenen Tiefen gemessen, um Aussagen über die Qualität der Tiefenbohrungen an diesem Standort treffen zu können. Diese Maßnahmen tragen wesentlich zur Optimierung der Heizleistung und somit auch der Leistungszahl bei. Sollte die ermittelte Entzugsleistung der Testbohrung aufgrund ungünstiger Gesteinsschichten schlechter ausfallen als erwartet, so kann das Bohrsondenfeld von Anfang an um weitere Erdsonden erweitert werden, um einen späteren unwirtschaftlichen Betrieb der Anlage oder unnötige Folgekosten zu vermeiden. Tiefenbohrungen sind jedoch kostenintensiv. Es muss mit rund 50 Euro pro Bohrmeter (betriebsfertig) gerechnet werden. Ein weiteres System stellen Flächenkollektoren dar. Dabei handelt es sich um ein horizontal und großflächig verlegtes Rohrsystem, dessen Aufbau einer Fußbodenheizung ähnelt. Die Verlegung der Rohrschlangen erfolgt ungefähr 20 cm unterhalb der Frostgrenze, das entspricht je nach Standort einer Tiefe zwischen 1,0 m und 1,5 m. Die in den Rohrleitungen zirkulierende Sole ist ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel. Diese Sole nimmt die Wärme aus dem Erdreich auf und gibt sie im Verdampfer der Wärmepumpe an das Kältemittel ab. Da im Winter so nah unter der Erdoberfläche ein niedrigeres Temperaturniveau als bei einer Tiefenbohrung zu erwarten ist, muss das Kollektorfeld eine große Fläche aufweisen. Dadurch wird die Wärmeübertragungsfläche zwischen Erdreich und Sole sehr groß, wodurch eine große Umweltenergie auf den Wärmepumpenkreislauf übertragen werden kann. Die Wärmeübertragung erfolgt mittels Wärmeübergang von der Rohrwand auf die strömende Sole und wird mit folgender Formel beschrieben. (0.1)Formel0.5...Wärmestrom [W]...Wärmeübergangskoeffizient [W/m²K]...Wärmeübertragungsfläche [m²]...temperaturdifferenz zwischen Rohr und strömendem Medium [K] Da die Wärmeübertragungsfläche direkt proportional zum Wärmestrom ist, kann durch eine Vergrößerung dieser Fläche eine größere Wärmemenge übertragen werden, jedoch nicht mehr als durch das Erdreich zur Verfügung steht. Bei der Nutzung der Wärmequelle Erdreich ist zudem besonders wichtig, dass die Erdsonden beziehungsweise Flächenkollektoren nicht in irgendeiner Form überbaut werden oder der Boden gar versiegelt wird, sodass die Sonnenstrahlung und das Regenwasser nicht auf das umgebende Erdreich dieser Komponenten gelangen können und somit eine Regeneration stark behindert wird. Umgekehrt wäre eine Bewässerung des Erdreiches (beispielsweise durch gesammeltes Regenwasser) sinnvoll, weil sich dadurch die Entzugsleistung wesentlich erhöht. Das Wasser nimmt die 14

22 Wärme von der Erdoberfläche auf, welche von der Sonne erwärmt wird und transportiert diese ins Erdreich. Auf diese Weise wird die Quellentemperatur angehoben und der notwendige Temperaturhub auf die Heizungsvorlauftemperatur verringert sich (vgl. Abschnitt 2.3). Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass feuchtes Erdreich eine größere Wärmemenge aufnehmen und speichern kann, da die spezifische Wärmekapazität von Wasser (4,19 kj/kgk) größer ist, als die des Erdbodens (rund 1 kj/kgk). Aufgrund des kleineren Platzbedarfs an der Erdoberfläche sind Tiefenbohrungen im Vergleich zu Flächenkollektoren besser im Grundstück planbar. Bei mehreren Bohrungen wird der Aufwand jedoch größer, da ein erforderlicher Mindestabstand von 5 m zwischen den Erdsonden eingehalten werden muss. Bei Flächenkollektoren muss von vornherein eine große unbebaute Fläche zur Verfügung stehen und es muss ein Mindestabstand von 1,5 m zu Gebäuden und Rohrleitungen eingehalten werden, sodass eine Vereisung dieser ausgeschlossen ist. Neben der Verwendung von Erdsonden und Flächenkollektoren gibt es noch weitere Systeme auf dem Markt, welche entwickelt wurden, um den Platzbedarf und die Entzugsleistung zu optimieren. Diese stellen im Falle nicht genehmigter Tiefenbohrungen auch interessante Alternativen dar. So können zum Beispiel spiralförmige Kollektoren oder ein Energiezaun eingesetzt werden. Abbildung 4 zeigt verschiedene Varianten von spiralförmigen Kollektoren. Abbildung 4: Spiralkollektoren (Quelle: supergreen-home.com; solar-redl.de) Diese funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Flächenkollektoren. Die Einbringung kann vertikal oder horizontal im Erdreich erfolgen. Aufgrund der dichten spiralförmigen Anordnung wird auf einer kleinen Grundstücksfläche eine große Wärmeübertragungsfläche realisiert. Näheres zur Nutzung eines Energiezaunes ist in Abschnitt 4 beschrieben. 15

23 3.3 Wasser als Wärmequelle Bedeutung Der größte Vorteil bei der Nutzung von Grundwasser als Wärmequelle besteht darin, dass dieses über das ganze Jahr eine konstante Temperatur von ungefähr 10 C besitzt. Da es sich bei der Nutzung von Grundwasser um einen Eingriff in den natürlichen Wasserkreislauf handelt, wird eine Genehmigung durch die untere Wasserbehörde benötigt. Diese prüft die Errichtung der beantragten Anlage am gewünschten Aufstellungsort anhand des Wasserhaushaltsgesetzes. In Trinkwasserschutzgebieten sind solche Anlagen meist nicht genehmigungsfähig Nutzung der Wärmequelle Wasser Zur Nutzung des Grundwassers ist eine Brunnenanlage erforderlich. Zu dieser gehören ein Saugbrunnen und ein Schluckbrunnen. Aus dem Saugbrunnen wird das Wasser an die Oberfläche zur Wärmepumpe gefördert. Nachdem die Wärme des Grundwassers im Verdampfer auf das Kältemittel übertragen wurde, wird es über den Schluckbrunnen zurück in die grundwasserführende Schicht des Erdreiches gefördert. Besonders wichtig ist hierbei, dass man die natürliche Fließrichtung des Grundwassers beachtet. Das Grundwasser muss vom Saugbrunnen in Richtung Schluckbrunnen fließen, sodass kein thermischer Kurzschluss entsteht. Wäre es umgekehrt, würde das bereits energetisch ausgebeutete Wasser aus dem Schluckbrunnen in Richtung Saugbrunnen strömen und dort erneut gefördert werden. Auf diese Weise würde das System nicht optimal funktionieren. Um weiterhin eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Brunnen ausschließen zu können, sollte ein Abstand von 15 m eingehalten werden. Vor der Errichtung einer solchen Brunnenanlage muss geprüft werden, ob im Vergleich zur entnommenen Wassermenge genügend Grundwasser nachströmt. Die Errichtung der Brunnenanlagen kann kostenintensiv sein, besonders wenn noch kein Brunnen vorhanden ist. 16

24 4 Der Versuchsstand 4.1 Einführung Im neuen Laborgebäude der staatlichen Studienakademie Glauchau wurde 2010 ein Wärmepumpen-Versuchsstand errichtet. Er dient zur Schulung von Studenten und stellt eine Informationsquelle für künftige Bauherren dar. Der Versuchsstand besteht aus einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, einer Propan- Wasser-Wärmepumpe mit Tiefenbohrung und einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Energiezaun. Bei der Bezeichnung der Wärmepumpen steht das erste Wort immer für das Wärmeträgermedium, welches die Umweltenergie transportiert und das zweite Wort bezeichnet das heizungsseitige Wärmeträgermedium, welches in den meisten Fällen Wasser ist. 4.2 Aufbau des Versuchsstandes Alle drei Wärmepumpensysteme sind, mit Ausnahme der Außenkomponenten, in einem Raum angeordnet. Abbildung 5 zeigt den kompletten Versuchsstand. Abbildung 5: Der Versuchsstand In Abbildung 5 sind drei gleichgroße Pufferspeicher erkennbar. Jede Wärmepumpe fördert ihre Heizleistung auf einen dieser Speicher. Oberhalb jedes Speichers ist ein Kühlkreis aufgeschaltet, welcher dem Speicher Wärme entzieht. Durch diese Kühlung wird die Heizlast eines Gebäudes simuliert. Bei allen drei Wärmepumpen- Systemen wird die gleiche Heizlast simuliert. Auf diese Weise ist es möglich, einen 17

25 Vergleich der Systeme untereinander zu realisieren. Oberhalb des Kühlkreises ist ein Kältekreis angeschlossen, welcher die Wärme wiederum dem Kühlkreis entnimmt und über das zentrale Kältenetz des Laborgebäudes abführt. Das erste System ist die Luft-Wasser-Wärmepumpe. Es handelt sich hierbei um eine Kompaktanlage mit Außenaufstellung der Firma Weißhaupt vom Typ WWP L9A. Das Gerät wurde direkt hinter dem Laborgebäude aufgestellt. Diese Wärmepumpe bezieht die benötigte Umweltwärme mit Hilfe eines Ventilators direkt aus der Luft. Alle zum Kälteprozess gehörigen Bauteile befinden sich unter der wetterfesten Verkleidung. Abbildung 6 zeigt die Innen- und Außenansicht. Abbildung 6: Luft-Wasser-Wärmepumpe Da der Kälteprozess komplett in der Außeneinheit erfolgt, muss der Heizungsvor und -rücklauf unterirdisch an das Gerät und schließlich innen an den Kondensator geführt werden. Der Heizkreis stellt hier die Verbindung zwischen der Außeneinheit und dem Pufferspeicher im Gebäude dar. Um dem Einfrieren des Verdampfers entgegen zu wirken, besitzt die Luft- Wärmepumpe eine Abtaufunktion. Sobald die Vereisung am Verdampfer zu groß wird, kommt es zu einer Prozessumkehr. Dabei wird der Verflüssiger zum Verdampfer und umgekehrt. Dies wird technisch über ein 4-Wege-Ventil realisiert. Zwischen Verdampfer und Verflüssiger ist eine zusätzliche Rohrverbindung mit einer Querschnittsverengung installiert. Diese dient als Drosselorgan im umgekehrten Prozessablauf. Da der Pufferspeicher im Programm 2 in der Nacht auf 10 C herunter gekühlt wird (vgl. Abschnitt 4.3), beträgt der Heizungsrücklauf bei Beginn der Aufheizphase ebenfalls nur 10 C. Sollte in diesem Moment ein Abtauen des Verdampfers erforderlich sein, reicht diese Temperatur am Kondensator, der dann als Verdampfer arbeitet, nicht aus, um das Kältemittel komplett zu verdampfen. Für diesen Fall ist in den 18

26 Heizungsrücklauf eine Heizpatrone eingebunden, welche die Temperatur bei Bedarf anhebt. Für die fachgerechte Tauwasserableitung wurde ein Sickergraben angelegt. Über diesen kann das Tauwasser abfließen und kontrolliert im Erdreich versickern. Das zweite System ist die Wärmepumpe mit Tiefenbohrung. Diese Wärmepumpe bezieht ihre Umweltwärme mit Hilfe einer 66 m tiefen Bohrung aus dem Erdreich, welche sich ebenfalls direkt hinter dem Laborgebäude befindet. In einem Gewinderohr (DN 50), welches in die Bohrung eingebracht wurde, befindet sich das Kältemittel R290, besser bekannt als Propan. Dieses Kältemittel steht unter einem konstanten Druck von 6 bar. Das eingebrachte Rohr kann auch als Wärmerohr bezeichnet werden. Abbildung 7 veranschaulicht das Prinzip eines Wärmerohres. Abbildung 7: Funktionsweise eines Wärmerohres (eigene Darstellung in Anlehnung an BONIN, J.: Handbuch Wärmepumpen, 2012 S.137) Das flüssige Propan nimmt die Umweltwärme auf. Der damit verbundene Temperaturanstieg sorgt dafür, dass das Propan verdampft. Aufgrund der Verringerung der Dichte beim Verdampfen steigt es im Rohr auf. Am oberen Rohrende strömt das gasförmige Propan durch den Verdampfer und gibt die aufgenommene Umweltenergie an das flüssige Kältemittel R404A ab, sodass der Kälteprozess ablaufen kann. Durch diese Wärmeabgabe sinkt die Temperatur des Propans und es kondensiert. Aufgrund der Dichtezunahme läuft das flüssige Propan an der Rohrinnenwand nach unten und der Kreislauf ist geschlossen. Abbildung 8 zeigt den Schacht, in dem sich der Verdampfer und das Expansionsventil befinden. 19

27 Abbildung 8: Außeneinheit Tiefenbohrung Durch die Energieaufnahme verdampft das Kältemittel R404A im Kälteprozess und strömt in Richtung Verdichter, welcher sich im Gebäude befindet. Der Kondensator befindet sich ebenfalls im Gebäude. In diesem Fall stellen die Saugleitung zum Verdichter und die Flüssigkeitsleitung zum Expansionsventil die Verbindung nach außen dar. Abbildung 9 zeigt die Komponenten der Wärmepumpe im Gebäude. Abbildung 9: Verdichter und Kondensator im Gebäude Das dritte System ist eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Energiezaun. Diese Wärmepumpe bezieht die benötigte Umweltwärme aus der Luft und dem Erdreich. Ein großer Vorteil dieses Systems besteht darin, dass neben diesen Wärmequellen auch die direkte Sonneneinstrahlung genutzt wird. Bei diesem System wird ein Energiezaun genutzt, welcher zu einem Drittel im Erdreich verlegt ist und zu zwei Drittel oberirdisch verläuft und somit auch mehr Luftkontakt als Erdkontakt besitzt (Abbildung 10). 20

28 Abbildung 10: Energiezaun Der Energiezaun besteht aus einem Geflecht von Kunststoffrohren. In diesem Kreislauf strömt eine Sole, welche die Umweltwärme aus der Luft beziehungsweise über das Erdreich aufnimmt. Ebenso wie bei der Luft-Wärmepumpe besteht für den luftberührten Teil des Energiezaunes die Gefahr der Tauwasserbildung und des Einfrierens. Ein kleiner Vereisungsgrad ist sogar erwünscht, da sich die Wärmeübertragungsfläche leicht vergrößert (siehe Abschnitt ). Mit zunehmender Vereisung verschlechtert sich jedoch der Wärmeübergang von der Luft auf die Rohre des Energiezauns. Eine Abtaufunktion wie bei der Luft-Wärmepumpe ist hier nicht vorgesehen, da die Sonnenstrahlung für das Abtauen sorgt. Außerdem steht der Wärmepumpe zusätzlich der erdberührte Teil des Energiezaunes zur Verfügung, um auch bei starker Vereisung des luftberührten Zaunfeldes eine gewisse Entzugsleistung bereitzustellen. Der Vor- und Rücklauf des Solekreislaufes stellt in diesem Fall die Verbindung zum Gebäude dar. Im Laborgebäude befindet sich die Wärmepumpe der Firma Hautec, erkennbar in Abbildung 11. Dieses Gerät vereint alle für den Kälteprozess notwendigen Bauteile. In dem Kältekreislauf zirkuliert das Kältemittel R407c. Abbildung 11: Wärmepumpe Energiezaun 21

29 4.3 Programme Zunächst ist festzuhalten, dass alle drei Wärmepumpensysteme unter einer monovalenten Betriebsweise untersucht werden. Es besteht die Möglichkeit, jede Wärmepumpe mit zwei unterschiedlich definierten Aufgaben zu betreiben. Dafür wurden drei Schalter installiert, mit denen man zwischen Programm 1 und Programm 2 wählen kann beziehungsweise die Wärmepumpe abschalten kann. Bei Programm 1 wird ein 24-stündiger Heizbetrieb simuliert. Das heißt, dass die eingeschaltete Wärmepumpe inklusive aller weiteren Bauteile ununterbrochen läuft. Dabei wird ein Heizungsvorlauf von 35 C gehalten. Der Pufferspeicher wird durch den Kühlkreislauf ebenfalls auf 35 C gehalten. Das bedeutet, dass die Kühlleistung der Heizleistung entspricht. Bei Programm 2 wird ein Heizbetrieb in Kombination mit einer Warmwasserbereitung simuliert. Von 6.00 Uhr bis Uhr und von Uhr bis Uhr läuft die Wärmepumpe im Heizbetrieb. Jeweils vor Beginn einer Heizperiode wird der Pufferspeicher durch den Kühlkreislauf auf 20 C herab gekühlt und dann wieder mit einer Vorlauftemperatur von 35 C befahren und auf dieser gehalten. Von Uhr bis 6.00 Uhr erfolgt die Warmwasserbereitung. Zunächst wird der Speicher von den zuvor konstanten 35 C auf 10 C herab gekühlt. Anschließend erfolgt die Speichererwärmung von 10 C auf 45 C. Hierbei wird die maximal mögliche Vorlauftemperatur der einzelnen Wärmepumpen ausgenutzt. Nach Erreichen der 45 C schaltet die Anlage ab. Je nachdem, welches Programm gefahren wird, fungieren die Speicher als Heizungspufferspeicher während Programm 1 läuft beziehungsweise als Warmwasserspeicher und Heizungspufferspeicher, wenn Programm 2 gewählt ist. Von bis ist die Anlage im Programm 2 nicht in Betrieb. 22

30 5 Erfassung der Messwerte 5.1 Messtechnik und Messstellen Im Dezember 2012 wurde der vorhandene Wärmepumpen-Versuchsstand der Staatlichen Studienakademie Glauchau mit verschiedenster Messtechnik ausgerüstet. Mit Hilfe der neuen Technik ist es möglich, die aufgenommenen Messwerte zu speichern und auf einen Computer zu übertragen. Der Vorteil besteht darin, dass die einzelnen Messwerte nicht mehr manuell abgelesen und notiert werden müssen, sondern automatisch aufgezeichnet werden. Auf den folgenden Seiten ist die nachgerüstete Messtechnik beschrieben. Die jeweiligen Messpunkte sind im überarbeiteten Anlagenschema des Versuchsstandes eingezeichnet (siehe Abbildung 12, sowie Anhang 1). Als Grundlage wurde das Anlagenschema aus der Diplomarbeit von David Schenker aus dem Jahr 2011 verwendet. Abbildung 12: Ausschnitt aus Anlagenschema des Versuchsstandes 23

31 5.1.1 Temperaturmessung Insgesamt wurden am Versuchsstand 26 Anlege-Temperaturfühler der Firma Siemens vom Typ QAD22 an den Rohrleitungen, sowie 6 Tauch-Temperaturfühler vom Typ QAP21.3 in den Pufferspeichern, nachgerüstet. Zur Messung der Außentemperatur wurde ein Witterungsfühler von Typ QAC22 angebracht. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der nachgerüsteten Temperaturmessstellen. Tabelle 1: Temperaturmessstellen am Versuchsstand 24