Wärmequellen für Wärmepumpen

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1 Wärmequellen für Wärmepumpen Dipl. Ing. Franziska Bockelmann, Dipl. Ing. Mathias Schlosser, Dipl. Ing. Markus Peter, Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch TU Braunschweig Institut für Gebäude- und Solartechnik Mühlenpfordtstraße 23, Braunschweig Tel.: , Fax: Einleitung Im Zusammenhang mit der Nutzung regenerativer Energiequellen nimmt die Entwicklung im Bereich des Energiebedarfs und der bedarfsgerechten Energieversorgung von Gebäuden zunehmend einen wirtschaftlichen und ökologischen Schwerpunkt ein. Die optimierte Auslegung einer Wärmepumpe, die Auswahl der zugehörigen Energiequellen und die Ankopplung an das Heizsystem und Gebäude sind wesentliche Voraussetzungen einen energieeffizienten und dauerhaft wirtschaftlichen Betrieb zu erreichen. Mit dem wachsenden Einsatz von Wärmepumpen nimmt auch die Zahl der potentiell nutzbaren Niedertemperaturwärmequellen und der am Markt verfügbaren Wärmeübertragersysteme zu. Dies alles, obwohl für eine Vielzahl der Systeme keine gesicherten Erkenntnisse bezüglich der thermischen Leistungsfähigkeit oder des Kosten-Nutzen-Verhältnisses vorliegen. Oft kommen sehr spezielle Produkte wie Eisspeicher, Luftzäune oder Hochleistungs-Energiepfähle zum Einsatz. (Abbildung 1) Im Rahmen des Forschungsprojektes future:heatpump soll eine ganzheitliche, energetisch und wirtschaftliche Bewertung der auf dem Markt vorhandenen Niedertemperaturwärmequellen (Wärmeübertragersysteme) für Wärmepumpen durchgeführt werden. Ziel ist die Überprüfung der Plausibilität der einzelnen Quellen- Systeme sowie deren Leistungsfähigkeit und Effizienz (u. a. Jahresarbeitszahl). Darüber hinaus wird eine wirtschaftliche Einschätzung (Investitions- und Betriebskosten) in die Ergebnisse einfließen.

2 Abbildung 1 Überblick über die möglichen Wärmequellen für Wärmepumpen 2. Wärmeübertrager und Wärmequellen Um möglichst umfangreiche Informationen zu den einzelnen Wärmeübertragersystemen zu erhalten, wurde eine Umfrage bei den Herstellern durchgeführt. Die Befragung erfolgte über verschiedene Kategorien, um einen allgemeinen Überblick über die am Markt vorhandenen Systeme zu erzielen. 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. Die Fragen an die Herstellerfirmen bezogen sich auf: - 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., - 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

3 Wärmeübertrager (EFH, MFH, Büro sowie Neubau und Sanierung, als auch für Heizen, Kühlen und Trinkwarmwasser, etc.), - Investitionskosten des Materials als auch des Einbaus, - sowie gesetzlichen Grundlagen, Auslegungsvorschriften und bereits vorhandenen Auslegungs- und Dimensionierungstools. Die Zusammenführung und Aufbereitung aller Informationen und Angaben der Hersteller sowie aus der Marktrecherche erfolgt je System in einer Übersichtsmatrix. Insgesamt werden 13 Kategorien von Übertragersystemen / Wärmepumpensysteme identifiziert, die u.a. das Erdreich, die Luft oder Wasser als Wärmequelle verwenden. Zudem gibt es noch direkt die Wärmequelle Luft z.b. in Kombination mit einer Luft- Wasser-Wärmepumpe. (Tabelle 1) Tabelle 1 Auswahl / Kategorisierung der Wärmeübertragersysteme Nummer Bezeichnung Abkürzung 1 Erdwärmesonde EWS 2 Spiralsonde SPS 3 Phasenwechselsonde PWS 4 Erdwärmekorb EWK 5 Flächenkollektor FK 6 Energiepfahl EP 7 Abwassertauscher AW 8 Übertragersysteme für Seen, offene Gewässer, etc. OG 9 Brunnen (Grundwasser) GW 10 Luftabsorber LA 11 Eisspeicher ES 12 Sonderformen SF 13 Luft (Luft-Wasser-WP) L Eine Übersicht der Ergebnisse der Auswertung der Recherche und der Rückläufer der Hersteller und Anbieter sind in Abbildung 2 und Abbildung 3 sowie in Tabelle 2 dargestellt. Bei der Auflistung handelt es sich nur um die Wärmeübertragersysteme und nicht um die Wärmepumpentechnologie. Es ist festzustellen, dass die auf dem Markt vorhandenen Wärmeübertragersysteme für Niedertemperaturquellen geothermielastig sind. Von den 54 erfassten geschlossenen Systemen (auch Dopplungen vorhanden, da z.b. zwei Firmen Erdsonden herstellen) sind 74% Wärmeübertragersysteme für das Erdreich (Nutzung von Geothermie), jeweils 2-9%

4 Nutzen das Wasser, Abwasser oder sind Eisspeicher und nochmals 9% der aufgenommenen Systeme entziehen der Luft die Wärme (Luftabsorber). Über die aufgeführten Wärmeübertragersysteme kann eine Spannweite des Wärmeentzug von 10 bis ~ 200 W/m bzw. W/m² erzielt werden. Die Übertrager werden dabei auf eine Tiefen von 2 bis >100 m abgeteuft. Die Auswertungen zeigen, dass die Vielzahl sowie der Einsatzbereich der einzelnen erdgekoppelten Wärmeübertrager vielfältig ist und für einen großen Anwendungsbereich entsprechende Systeme zur Kopplung mit einer Wärmepumpe gefunden werden können. Abbildung 2 Anzahl auf dem Markt vertretende geschlossenen Systeme [Herstellerangaben] Abbildung 3 Gegenüberstellung verschiedener Wärmeübertrager im geothermischen Wärmequellenbereich Entzugsleistung über Abteuftiefe [bezogen auf Herstellerangaben]

5 Tabelle 2 Überblick der Wärmeübertragersysteme (Mittelwerte der Herstellerangaben)

6 Generell muss vor jeder Nutzung des Erdreichs der vorh. Wärmertrag / -entzug bestimmt werden. Die Beschaffenheit und Zusammensetzung des Bodens muss dem Planer bekannt sein. Die Angaben in der Tabelle sind Mittelwerte aller Bodenklassen. Die Auswertung beruht hauptsächlich auf Wärmeübertrager, die die Geothermie als Quelle verwenden. Aus den Statistiken der Wärmepumpenbranche (z.b. bwp Bundesverband für Wärmepumpen, Abbildung 4) ist jedoch zu erkennen, dass der Großteil der in Neubauten verbauten Wärmepumpen nicht geothermische Wärmepumpen darstellt. Hier werden überwiegend Luft-Wasser-Wärmepumpen umgesetzt. Die Gewichtung und Verteilung bei der Wärmepumpentechnologie spiegelt somit ein anderes Bild wieder. Abbildung 4 %-Anteil der Wohngebäude mit Wärmepumpe am Gesamtbestand Neubau [nach bwp] 3. Randbedingungen, Einflussfaktoren und Einschränkungen Bei der Wahl der Niedertemperaturquelle und dem entsprechendem Wärmeübertragersystem müssen die vorhanden Randbedingungen, Einflussfaktoren und Einschränkungen auf die Entzugs- und Eintragsleistung sowie der Planung und Umsetzung berücksichtigt werden. Im Vorfeld der Planung und Konzeptfindung ist u.a. zu klären: Klimatische Bedingungen Energiekonzeption des Bauwerks

7 Grundstücksgröße und einzuhaltende Grenzabstände: mögliche Anordnung, Abstand, Geometrie der Übertragersysteme Auswahl der Systeme: Überbaubar, Freifläche, Flächenbedarf, Abteuftiefen / Einbautiefen geothermische und hydrogeologische Eigenschaften des Untergrunds (Grundwasser, -strömung, Wärmeleitfähigkeit usw.) Wasserschutzgebiet und / oder Einschränkungen durch Einbautiefen / Grundwasserleiter Lärmbelästigung: Lärmschutzzonen Gewässer in der Nähe Bereits Bohrungen vorhanden, die ggf. beeinflusst werden oder die mich beeinflussen? 4. Fazit und Ausblick Das Projekt future:heatpump bildet Anlagen und Konzepte, bestehend aus Wärmepumpen und variierenden Niedertemperaturwärmequellen, für Wohn- und Nicht-Wohngebäuden sowie für den Neubau und die Sanierung ab. Mit zunehmender Anwendung und Umsetzung dieser Technologie ist die Wahl und die Auslegung der Wärmepumpe mit dem richtigen Niedertemperaturquellsystem immer häufiger ein entscheidendes Kriterium für den Erfolg der Gesamtanlage. Es besteht ein Bedarf an einer ganzheitlichen Zusammen- und Gegenüberstellung der unterschiedlichen Niedertemperaturquellsysteme für Wärmepumpen. Grundsätzlich kann gezeigt werden, dass viele unterschiedliche Wärmeübertragersysteme und Niedertemperaturquellen auf dem Markt verfügbar sind. Bemerkenswert ist dabei die hohe Zahl an Wärmeübertragern zur Nutzung des Erdreichs (oberflächennahe Geothermie). Die kommerziell verfügbaren Systeme decken einen großen Anwendungsbereich ab (Entzugsleistung / Einbautiefe). Ein Vergleich der Systeme ist bisher jedoch nicht erfolgt und daher Gegenstand des Forschungsprojektes. Das Fazit der Recherche ist, dass die Erarbeitung eines Pre- Check-Tools für eine schnelle und einfache Auswahl von Niedertemperaturwärmequellen für Wärmepumpen hilfreich und für die Praxis sicher begrüßenswert ist. Die Notwendigkeit / der Bedarf eines solchen Pre-Check-Tools in der Wirtschaft und bei Planern ist hoch. Die Vorteile des Pre-Check-Tools liegen besonders in der Vergleichbarkeit von Systemen und, unter Berücksichtigung der vorhandenen Randbedingungen und Zielvorstellungen, der optimierten Auswahl für den jeweiligen Anwendungsfall.

8 Die im Projekt gewonnenen Erfahrungen und ausgearbeiteten Ergebnisse können von Planungsbüros, Anlagenkomponentenherstellern, Betreibern und Unternehmen im Facility-Management zur effizienten Planung von Anlagen für zukünftige Neubauten oder Sanierungen verwendet werden. 5. 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.

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