Was ist die richtige Wärmequelle für meine Wärmepumpe? - Energetische und wirtschaftliche Bewertung

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1 Beitrag Der Geothermiekongress DGK 2015 Essen, November 2015 Was ist die richtige Wärmequelle für meine Wärmepumpe? - Energetische und wirtschaftliche Bewertung Franziska Bockelmann, M. Norbert Fisch, Mathias Schlosser, Markus Peter Technische Universität Braunschweig IGS Institut für Gebäude- und Solartechnik Keywords: Niedertemperatur-Wärmequellen, Wärmeübertrager, energetische und wirtschaftliche Bewertung, Tool Zusammenfassung In Folge des wachsenden Einsatzes und der Umsetzung von Wärmepumpen steigt auch die am Markt vorhandene Anzahl der potentiell nutzbaren Niedertemperaturwärmequellen und Wärmeübertragersysteme für Wärmepumpen. Dabei kommen Produkte wie Eisspeicher, Luftzäune oder Hochleistungs-Energiepfähle zum Einsatz, ohne das wissenschaftliche Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit oder das Kosten-Nutzen Verhältnis vorliegen. Die optimierte Auslegung einer Wärmepumpe, die Auswahl der dazugehörenden Energiequelle sowie die Ankopplung an das Gebäude sind jedoch wesentliche Voraussetzungen zur Erreichung eines energieeffizienten und dauerhaft wirtschaftlichen Betriebs der Anlagen. Im Rahmen des vom BMWi geförderten Forschungsprojektes soll eine ganzheitliche, energetische und wirtschaftliche Bewertung der auf dem Markt vorhandenen Wärmequellen und Wärmeübertragersysteme für Wärmepumpen durchgeführt werden. Ziel ist die Erstellung eines Pre- Check-Tool zur Vorauswahl von Wärmeübertragersystemen für Wärmepumpen und die ganzheitliche Vergleichsbetrachtung u.a. in Hinblick auf die Leistungszahlen und die Performance sowie der wirtschaftlichen und ökologischen Aspekte (Investitionskosten, CO2-Emission). Im Rahmen des Projektes werden im Bereich der Wohngebäude Systeme für Ein- und Mehrfamilienhäuser zur Gebäudeheizung und Trinkwassererwärmung untersucht, bei den Bürogebäuden erfolgt eine Betrachtung für den Heiz- sowie Kühlbetrieb. Anhand von Simulationsmodelle für ausgewählte Wärmequellen und Übertragersysteme werden Grundlagen, wie Entzugsleistungen etc. für die Nutzung im Pre-Check-Tool erarbeitet. 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. 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 Niedertemperaturwärmequellen und Wärmeübertragersysteme am Markt nimmt zu. Dabei kommen Produkte wie Eisspeicher, Luftzäune oder Hochleistungs-Energiepfähle zum Einsatz, ohne dass wissenschaftliche Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit oder das Kosten-Nutzen Verhältnis vorliegen. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsprojektes soll eine ganzheitliche, energetische und wirtschaftliche Bewertung der auf dem Markt vorhandenen Wärmeübertragern von Niedertemperatur-Wärmequellen für

2 Wärmepumpen durchgeführt werden. Ziel ist dabei die Ermittlung der Plausibilität der einzelnen Quell-Systeme sowie die Performance (u.a. Jahresarbeitszahl). Darüber hinaus soll die wirtschaftliche und ökologische Einschätzung eingebunden werden. 2. Projektmotivation Die Projektidee und die Definition der Projektziele beruht auf zwei Schwerpunkten, die im Planungsalltag sowie beim Stand der Technik immer wieder auftreten. Motivation 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 regenerativer Energien herangezogen und erschlossen werden. Neben den klassischen Wärmequellen Erdreich, Wasser und Luft stehen heutzutage eine Vielzahl weiterer 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- und /oder Kühlbetrieb. Größtenteils bestehen die Systeme aus einem Wärmeübertragungssystem und einem Wärmespeicher wie z.b. dem Erdreich. Dabei dient der Wärmeübertrager mittels Rohrleitungen, Wärmetauscher, o.ä.dem Transport der Wärme zwischen der Wärmepumpe und dem Speicher bzw. der Quelle. Die auf dem Markt verfügbaren Wärmequellen (Abb. 1)für Wärmepumpen sind in ihrer Funktionsweise und Performance 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 Leistungszahlen und die Performance, ist nicht verfügbar. Abb. 1: Überblick über die möglichen Wärmequellen für Wärmepumpen

3 List Authors in Header, surnames only, e.g. Smith and Tanaka, or Jones et al. Motivation Planung und Energiekonzepte Im täglichen Planungsgeschäft wiederholt sich der immer gleiche Planungsablauf. Im Rahmen der Vorplanung werden die Grundstücke bestimmt, die Gebäudekubatur, -ausrichtung und der Gebäudestandard festgelegt sowie erste Energiebedarfsberechnungen aufgestellt (Abb. 2). Auf der vorliegenden Basis erfolgen anschließend die Erstellung des Energiekonzepts 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 Wärme- und Kälteerzeuger wie z.b. den Gaskessel. In der Vorplanung muss daher bereits frühzeitig entschieden werden mit welcher Wärmequelle die Wärmepumpe betrieben werden soll. Unter gegebenen Randbedingungen, wie z.b. Tiefen- und Flächenbegrenzungen, Grundwasserschutz, o.ä. muss ein Wärmeübertragersystem gefunden werden. Auch wenn die Vorplanung relativ standardisiert verläuft zeigt die Praxis, dass die Planer sich an dieser Stelle immer wieder die Fragen stellen: Welches System kann zur Anwendung kommen? oder Welches System ist am wirtschaftlichsten für meinen Einsatz? Um hier einen effizienten Prozess in der Vorplanung zu erreichen ist eine einfache und übersichtliche Zusammenstellung der verschiedenen Wärmequellen mit ihren Wärmeübertragersystemen, den zugehörigen Randbedingungen sowie Entzugs- und Eintragsleistungen als Entscheidungsbasis notwendig. Abb. 2: Grunddaten einer Vorplanung 3. Das Forschungsprojekt Innerhalb des Projektes sollen insgesamt sieben Arbeitspakete bearbeitet werden, sodass die Gebiete Technik, Performance und Ökologie sowie Ökonomie abgedeckt sind (Abb. 3). Zu Beginn werden Systemsimulationen für ausgewählte Wärmequellen und Wärmeübertragersysteme erstellt. Im Anschluss erfolgt eine energetische, ökologische sowie wirtschaftliche Bewertung der umgesetzten Systeme. 3

4 Zum Abgleich der verschiedenen Simulationsmodelle und zur Überprüfung der Simulationsergebnisse sollen in einem projektbegleitenden Monitoring verschiedene Anlagen und Quellsysteme messtechnisch erfasst werden. Des Weiteren sollen gesicherte Erkenntnisse über die Performance des Gebäudes und der Anlagen im Betrieb erlangt sowie dokumentieren werden. Abb. 3: Projektstruktur Im Detail (Abb. 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 Performance 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.

5 List Authors in Header, surnames only, e.g. Smith and Tanaka, or Jones et al. Abb. 4: Arbeitspakete 4. 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. (Abb. 5) Das Monitoring wird sich über zwei Jahre erstrecken, so dass zwei Heiz- und 5

6 Kühlperioden zur Auswertung der Performance und Kennwertbildung herangezogen werden können. Abb. 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. Es werden bisher neun Gebäude aus fünf Gebäudetypologien sowie sieben unterschiedliche Wärmeübertragersysteme erfasst. 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 Performance und Kosten sowie der Klimaschutzpotentiale (CO2- 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 u.a. die wirtschaftliche Einschätzung (Investitions- und Betriebskosten) sowie auch die ökologischen Auswirkungen (CO2-Emission) eingebunden werden. Abb. 6: Prinzip und Vorgehensweise des Pre-Check-Tools

7 List Authors in Header, surnames only, e.g. Smith and Tanaka, or Jones et al. Bezüglich des Layout und der Umsetzung des Pre-Check-Tools soll eine einfach und übersichtlich Oberfläche erstellt werden, die auf eine Art Registerstruktur aufbauen sollt (Abb.7). Umsetzungsideen und Struktur: i. Eingabe: Der Nutzer muss zu Beginn erste Annahmen oder bekannte Daten eingeben, wie z.b. Grundstücksfläche, Nettogrundfläche des Gebäudes, Gebäudestandrad und Energiebedarf, etc. ii. Ausgabe / Ergebnis: Die Ausgabe erfolgt dann über die Darstellung von möglichen umsetzbaren Systemen. Hier werden wirtschaftliche und ökologische Auswertung, auch im Vergleich zu konventionellen Anlagen, dargestellt. iii. Zusatzinformationen: Es sollen Hinweise zu wichtigen zu beachtenden Punkten. ggf Warnungen ausgegeben werden, wenn diese für bestimmte Wärmeübertrager vorliegen oder zu beachten sind. So soll z.b. ein Hinweis erfolgen, wenn die Möglichkeit besteht, dass das ausgewählte System auch zum Kühlen des Gebäudes angewendet werden kann. Oder ein Hinweis, wie bei Luft-Wasser-WP der Schallschutz eingehalten sein oder bei einer Grundwassernutzung ein Pumpversuch vorab erfolgen muss, aufgeführt werden. Abb. 7: Ideen zur Umsetzung des Pre-Check-Tools 7

8 6. Erste Ergebnisse Um möglichst umfangreiche Informationen zu den einzelnen Wärmeübertragersystemen zu erhalten, wurde in einer ersten Phase eine Umfrage bei Herstellern umgesetzt. Die Befragung erfolgte über verschiedene Kategorien, um einen allgemeinen Überblick über die am Markt vorhandenen Systeme zu erzielen (Abb.8). 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 Temperaturniveau 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. Abb. 8: Übersichtsmatrix der Systeme 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. Erste Ergebnisse anhand der durchgeführten Recherche und der Rückläufer der Hersteller und Anbieter der Wärmeübertrager sind in Abb. 9 und Abb. 10 dargestellt. Von den 54 erfassten und vertriebenen 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.

9 List Authors in Header, surnames only, e.g. Smith and Tanaka, or Jones et al. 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. Abb. 9: Anzahl auf dem Markt vertretender Systeme [Herstellerangaben] (Auswertung: 24 Unternehmen, 54 Systeme) Abb. 10: Gegenüberstellung verschiedener Wärmeübertrager Entzugsleistung über Abteuftiefe [bezogen auf Herstellerangaben] 9

10 Quellenangaben MAYER, A., & MEYER, B.: Titel, Tagungsband, 16. Seminar für Oberflächennahe Geothermie, Geologische Fachhochschule, Buxtehude (1986). <Format Quellenangabe > MEYER, C. und MAYER, D.: Titel, Geothermische Energie, 29, (1999), <Format Quellenangabe > BOCKELMANN, F., KIPRY, H., FISCH, M. N.: WKSP Wärme- und Kältespeicherung im Gründungsbereich energieeffizienter Bürogebäude, Forschungsbericht: BMWi Fkz A, November 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, Forschungsprojekt BMWi Fkz A, Mai MIARA, M., ET AL: WP Monitor, Forschungsprojekt, Fraunhofer ISE, seit September Mühlenpfordtstraße 23, Braunschweig