Erfolgreiche Beispiele von Wärmepumpenanlagen Beispiele

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1 Erfolgreiche Beispiele von Wärmepumpenanlagen Beispiele 1. Wärmequellen 2. Wirtschaftlichkeit und Ökologie 3. Referenzbeispiele mit Hydraulik und Messwerten 1. Niedertemperatur - Systeme im Neubau 2. Hochtemperatur - Systeme im Sanierungsfall 3. Systeme zum Heizen und Kühlen 1

2 Wärmepumpe: Black Box 1 kwh Antriebsenergie Wärmepumpe kwh Wärme kwh regenerativ Grundwasser Erdreich Luft Auch bei -20 C wird kein Öl oder Gas benötigt 2

3 Grundwasser-Wärmepumpenanlage 3

4 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Brunnenanlage Wasserbedarf pro kw Heizleistung : ~ 0,2 m³/h Kleinanlage bis 15 kw: nur im Gebiet mit eindeutig positiven Erfahrungen Großanlage: hydrogeologisches Fachgutachten Bohranzeige Probebohrung zur Bestätigung Wasseranalyse: - Verockerung - Korrosion Brunnenbau Pump- und Schluckversuch luftdichte Brunnenhydraulik wasserrechtliche Genehmigung 4

5 Erdreichkollektor-Wärmepumpenanlage 5

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7 1. Kompressionswärmepumpe 1.3 Systemtechnik von Wärmepumpenanlagen Wärmequellen Erdreich-Wärmepumpenanlage 7

8 1. Kompressionswärmepumpe 1.3 Systemtechnik von Wärmepumpenanlagen Wärmequellen Erdreich-Wärmepumpenanlage 8

9 Erdreichkollektor-Wärmepumpenanlage Erdreichkollektor: Flächenbedarf: m²/kw Heizleistung (Entzugsleistung: W/m²) Verlegetiefe: mind. 20 cm unter Frostgrenze Erdreichkollektor darf nicht überbaut werden 9

10 Erdwärmesonden-Wärmepumpenanlage 99 % der Erdmasse hat eine Temperatur über C 10

11 Erdwärmesonden- Wärmepumpenanlage 11

12 Erdwärmesonden-Wärmepumpenanlage 12

13 Luft-Wärmepumpenanlage 13

14 Luft-Wärmepumpenanlage Vorteile: + einfache Planung + keine Genehmigung erforderlich + relativ geringe Investition Nachteile: - höchste Verbrauchskosten - geringste Umweltentlastung - höchste Belastung des Kältekreislaufes Lebensdauer - Geräusche für Nachbarn und sich selbst 14

15 Einfamilienhaus: beheizte Fläche: 150 m² Heizlast: 6 kw Warmwasser für 4 Personen Einfamilienhaus: beheizte Fläche: 150 m²; Heizlast 6 kw; Warmwasser für 4 Personen Heizenergie: 6 kw x h/a = Warmwasser: 4 Pers. x 2 kwh/pers./d x 365 d = ges. thermischer Energiebedarf Betriebsgebundene Kosten: Ölkessel Gaskessel Brennwert 4 Wirtschaftlichkeit 4.1 Betriebs- und Verbrauchskostenvergleich Pellets- Kessel kwh/a kwh/a kwh/a Erdreich- Wärmepumpe Grundwasser- Wärmepumpe Luft-WP Wartung, Kesselreinigung Tankreinigung anteilig 100 Kaminkehrer Summe Verbrauchsgebundene Kosten: Wärmeerzeugung: Jahresarbeitszahl/-Nutzungsgrad 85% 95% 80% 4,4 5,0 3,3 Strombedarf in kwh/a Strompreis (Misch~) pro kwh 0,196 0,196 0,196 Stromkosten Bedarf in l/a, m³/a bzw. in t/a ,31 Preis in pro l, m³ bzw in t 0,80 0, Brennstoffkosten pro Jahr Hilfsenergie: Strombedarf in kwh/a Strompreis pro kwh 0,27 0,27 0,27 0,196 0,196 0,196 Stromkosten pro Jahr Meßpreis/Grundpreis Summe Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München Ges.-Summe

16 4 Wirtschaftlichkeit 4.3 mögliche künftige Betriebsund Verbrauchskosten Einfamilienhaus: beheizte Fläche: 150 m² Heizlast: 6 kw Warmwasser für 4 Personen Energiepreise: Öl: 0,80 /l Erdgas: 0,60 /m³ Pellets: 288 /t Heizstrom: 19,6 Ct/kWh Strom allgemeiner Tarif: 27 Ct/kWh Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

17 Umweltverträglichkeit CO 2 -Emissionen ,75 0,46 5,11 0,46 Einfamilienhaus: beheizte Fläche: 150 m² Heizlast 7,5 kw Warmwasser für 4 Personen vgl. PKW Einsparung Verbrauch CO2-Emissionen entspricht 3 t/a 6 l/100 km 0,160 kg/km km/a ,29 4,65 1,66 0,60 1,09 2,45 2,46 Strom Ro 458 Pellets 42 Erdgas 249 Heizöl Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

18 Kosten und Wirtschaftlichkeit verbrauchsgebundene Kosten Energiekosten des Baustandards in /(m²a) Bestand 18,90 WSchV82 15,40 WSchV95 8,40 EnEV ,65 NEH 4,90 Passivhaus 1,05 Grafik: Solarpraxis AG /(m²a) 18

19 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Unterschleißheim Büro 19

20 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Unterschleißheim Büro Anlagedaten: Beheizte Fläche: m² Heizlast: 60 kw Heizleistung WP: 38 kw = 63 %!!! bzw. 52 % bei Berücksichtigung der EVU-Abschaltung Brunnenanlage: Teufe Förder- und Schluck~: je 10 m Leistung Förderpumpe: P 1 =1 kw Grundwassertemperatur: C Grundwasserwärmepumpe 38 kw 20

21 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Büro Unterschleißheim RLT- Anlage Elektroheizung 21 kw 60 kw Wärmepumpe 38 kw FB- Heizung 1265 m² M 3~ Grundwasser- Förderbrunnen Grundwasser- Schluckbrunnen 21

22 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Büro Unterschleißheim 8,00 7,00 6,00 5,91 Arbeitszahl ß 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Datum Vollbenutzungsstunden: h/a Stromverbrauch: kwh/a Verbrauchskosten: /a = 2,60 /m²/a Oder l/a Heizöl = /a 22

23 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Reihenhaus München Heizung und Warmwasser Wohnfläche 180 m² Heizlast: 7,1 kw 23

24 Grundwasseranlage Reihenhaus München WP Trennwärmetauscher Grundwasser- Förderbrunnen Grundwasser- Schluckbrunnen 24

25 Grundwasseranlage Reihenhaus München Arbeitszahl ß Heizung= 4,7 ß Gesamt= 4,5 ß Warmwasser= 3, Stromverbrauch: Verbrauchskosten: kwh/a 540 /a = 3 /m²/a 25

26 Erdwärmesondenanlage Kindergarten Bernau Wärmepumpenanlage mit 10 Erdwärmesonden je 31 m 26

27 Erdwärmesondenanlage Kindergarten Bernau Anlagedaten: Beheizte Fläche: 420 m² Heizlast: 19,9 kw Heizleistung Wärmepumpe: 19,6 kw Kälteleistung: 14,6 kw Erdwärmesonden: Anzahl EWS: Tiefe EWS: EWS-Meter: Entzugsleistung: 10 Stck. 31 m 310 m 48 W/m 27

28 Erdwärmesonden-Anlage Bernau 19,9 kw 6 kw FB- Heizung 420 m² Wärmepumpe 19,6 kw 10 EWS a 31 m 28

29 Erdwärmesondenanlage Kindergarten Bernau 5,00 4,89 4,50 4,00 3,93 4,39 4,13 4,43 4,26 4,20 4,39 4,19 4,34 3,50 Arbeitszahl ß 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Okt 99 Jan 00 Jan 00 Nov 00 Feb 01 Feb 01 Mai 01 Okt 01 Jan 02 bish ß Vollbenutzungsstunden: h/a Stromverbrauch: kwh/a Verbrauchskosten: /a = 3,6 /m²/a Oder Heizöl = /a 29

30 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Doppelhaushälfte Rosenheim 30

31 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Doppelhaushälfte Rosenheim Stromzähler Verdichter Stromzähler Unterwasserpumpe Wärmemengenzähler extern Temperaturregelung Frischwassermodul Frischwassermodul Interne Messung Arbeitszahl Heizung Arbeitszahl Warmwasser Arbeitszahl gesamt Temperatur Grundwasser 31

32 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Doppelhaushälfte Rosenheim WW 300 l Frischwasser-System Einrohr-Radiatoren-Heizung 190 m² KW 8,4 kw WP Grundwasser- Förderbrunnen Grundwasser- Schluckbrunnen 32

33 Grundwasser-Wärmepumpenanlage Doppelhaushälfte Rosenheim 7,00 6,00 5,00 4,00 4,00 5,03 5,09 Arbeitszahl mit Quellenpumpe 4,19 5,00 5,93 6,14 5,66 5,50 5,42 5,46 durchschnittliche Arbeitszahl ß= 5,3 3,00 2,00 1,00 0, Vollbenutzungsstunden: h/a Stromverbrauch: kwh/a Verbrauchskosten: 1038 /a = 5,46 /m²/a Vor Sanierung: Erdgaskosten /a 33

34 Grundwasser-Wärmepumpenanlage DYWIDAG Daten: Bj. Gebäude: 1978 Bj.: WP: 2001 Beheizte Fläche: m² Heizleistung WP: 840 kw 34

35 4 Wärmepumpenmodule mit einer Heizleistung von 840 kw Einsparungen: Verbrauchskosten: 50 % CO 2 : 70 % 35

36 Beispiel Wärmepumpen - Contracting im Altbau 36

37 Beispiel Wärmepumpen- Contracting im Altbau 37

38 Grundwasserwärmepumpe Hotel Prien WW Frischwasser-System KW 36kW Abwärme 10 kw 125 kw Grundwasser- Förderbrunnen Grundwasser- Schluckbrunnen 38

39 Grundwasserwärmepumpe Hotel Prien/Chiemsee Vor Sanierung: Ölkessel (2 Stck.): 320 kw Ölverbrauch: l/a Vorlauftemperatur eingestellt: 70 C Verbraucher: Probleme: - Radiatorenheizung - 2 Lüftungsanlagen Verbrauchskosten Erdtank Geräuschbelästigung der Nachbarn durch Kühlanlage Nach Sanierung: Grundwasserwärmepumpe 1 Schraubenverdichter: 125 kw mögl. Vorlauftemperatur mit R 134a: 65 C Durchlauferhitzer: 36 kw Solewärmepumpe z. Abwärmenutzung 10 kw Besonderheiten: kein Grundwasser auf Grundstück benötigte Vorlauftemperatur max.: 55 C kein technischer Speicher Warmwasserbereitung: Frischwassersystem 39

40 Reichertshausen: Erdreichkollektor für alte Schule und neue Bücherei Auch bei Außentemperaturen 40 von -20 C wird kein Öl oder Gas benötigt

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42 Bücherei WW Schule 65 C/60 C FB-Heizung 600 m² Lüftung KW Frischwasser- System WW 40 kw KW 90 kw 90 kw Erdreichkollektor 42

43 Messung von Schule und Turnhalle Beispiel: 28. Febr. bis 1. März Temperaturen :06 05:27 10:48 16:09 21:30 02:51 08:12 13:33 18:54 0: :00 0:00-20 Aussen Temp WP1 KW ein Rücklauf Vorlauf 43

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45 Schneefernerhaus Kompressions-Kältemaschine R290 Sole-Luftwärmetauscher: 1. Überschusswärme 2. Wärmeaufnahme Löschwasser- Speicher Wärmepumpe R290 45

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47 Abwasser-Wärmepumpenanlage Wärmetauscher im Abwasserkanal Rinnenwärmetauscher für Kanäle mit Kreisprofil Rohrwärmetauscher : Chromstahlrohre in Spezialmörtel Rinnenwärmetauscher als vorgefertigtes Kanalisationselement Koaxial-Wärmetauscher als vorgefertigtes Kanalisationselement 47

48 Abwasser-Wärmepumpenanlagen Wärmetauscher neben Abwasserkanal Mindestbedarf: 150 kw Bild Rückgewinnung von Wärmeenergie aus der Kanalisation Bild Abwasserwärme zur Schlammtrocknung zeitlich getaktete Präventivreinigung der Rohrmodule automatischer Austrag von Sedimenten Bild Spezialwärmetauscher für belastetes Abwasser 48

49 Abwasser-Wärmepumpenanlage Straubing Nahwärmenetz mit Abwasserwärmepumpe: Heizleistung: Niedertemperatur: 200 kw Hochtemperatur: 50 kw Fußbodenheizung Heizkörper 49

50 Abwasser-Wärmepumpenanlage Straubing Nahwärmenetz mit Abwasserwärmepumpe: Heizleistung: Niedertemperatur: 200 kw Hochtemperatur: 50 kw 50 Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

51 Kühlung Trend: Großprojekte rechnen sich durch Kühlung mit Wärmequelle Effektivtemperatur [ C] Leistungsabfall des Menschen in Abhängigkeit von der operativer Temperatur /Prof. Steimle/ 51

52 Heizen und Kühlen mit oberflächennaher Geothermie Typische Temperaturen verschiedener Wärmequellen beim Heizen Wärmequellentemperatur ( C) ,8 10,5 10,4 10,3 10,3 10,2 10,3 10,5 10,7 10, Grundwasser Erdkollektor Erdwärmesonde 52 Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

53 Betriebsgebäude Dortmund Beheizte Fläche m² Büro: 760 m² Halle 680 m² Solewärmepumpe Heizleistung 28,8 kw COP (0/35) 4,83 Wärmepumpenanlage mit 5 Erdwärmesonden je 130 m 53

54 Betriebsgebäude Dortmund hydraulisches Schaltbild Heizen oder passiv Kühlen optional Beheizte Fläche m² Büro: 760 m² Halle 680 m² FB-Heizung (+ Wandheizung) + Bauteiltemperierung Taupunktunterschreitung Taupunktregelung größer Taupunkt M dt = max 3 K Serverkühlung Ca. 20 kw dt = 5 7 K M Schmutzfänger (nach Inbetriebnahme Sieb entfernen) Absorptionsluftabscheider M M 28 kw 5 EWS a 130 m Abstand 6 m 20 % Monoethylenglycol turbulente Strömung

55 Betriebsgebäude Dortmund 7,00 Arbeitszahl mit Solepumpe 6,00 5,00 4,00 3,00 Arbeitszahl mit Solepumpe 2,00 1,00 0,00 Wärme- und Kälteerzeugung kwh/a /a 1,66 /m²/a 55

56 Bankgebäude Rosenheim Kompakt-Erdwärmesonden-Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen Gemessene Arbeitszahl: ß =1,9 Arbeitszahl Hauptfehler: Überdimensionierte WP: 50 kw für 300 m² Kurze Laufzeit der Verdichter Soleumwälzpumpe Hohe Leistungsaufnahme da 15 mws und Dimensionierung für 3 Verdichter läuft ständig: kwh von kwh 56

57 Erdwärmesondenanlage Kempten Wärmepumpenanlage mit 6 Erdwärmesonden a 150 m 57

58 Erdwärmesonden-Anlage Ludwigshöhe + Fußbodenheizung + zusätzlicher Badheizkörper + hygienisches Frischwassersystem + Kühlen aller Etagen Überall Fußbodenheizung ggf. Wandheizung Max. Vorlauftemperatur: 35 C Temperaturspreizung: 5K Hydraulischer Abgleich durch Differenzdruckregler Voreinstellung hygienisches Frischwasser- System Unterputzstation zusätzlicher Badheizkörper Ergänzungsheizung 36 kw Taupunktregelung Schwebekörperdurchfussmengenmesser Schwingungsentkopplung t technischer Speicher 500 l Puffer l t wasserdichte Mauerdurchführung Q = ca. 45 kw S0/W65 Schwingungsentkopplung Luftabscheider Schwingmetall- Topfelemente + Schalldämm- Unterlage 58

59 5 4,5 Mehrfamilienwohnhaus mit optimierter Systemtechnik Arbeitszahl 4,7 4,6 4,5 4,2 4,2 4 3,5 3 2,5 2 Arbeitszahl 1,5 1 0,5 0 Mrz. 11 Apr. 11 Mai. 11 Jun. 11 Mittelwert Durchschnittliche Arbeitszahl: ß = 4,5 Stromverbrauch hochgerechnet: Verbrauchskosten: kwh/a /a 59

60 Erdwärmesondenanlage Kempten CO 2 -Emissionen vgl. PKW Einsparung Verbrauch CO2-Emissionen entspricht 26 t/a vgl. PKW6 l/100 km Einsparung Verbrauch 0,160 kg/km CO2-Emissionen entspricht km/a 12 t/a 6 l/100 km 0,160 kg/km km/a Ölkessel Gaskessel Wärmepumpe 60

61 Dienstleistungsgebäude Memmingen Heizen und Kühlen Gebäudedaten: temperierte Fläche: m² Heizlast: 172 kw Kühllast: 212 kw 61

62 Dienstleistungsgebäude Hydraulik Heizen und Kühlen Serverräume bzw. Ganzjahreskälte Bauteiltemperierung Heizkörper Lüftungsanlage Taupunktregelung Taupunktregelung Kühlen Kühlen Heizen Heizen 50 kw 70 kw Schmutzfänger Kühlen Schallentkopplung flexibler Anschluss M Heizen M M M M Förderbrunnen im SW Schwebekörperdurchflussmengenmesser + Volumenstromregler Gegen Unterdruck dichte Brunnenhydraulik Schluckbrunnen im NO mit Notüberlauf 62

63 7 6 5 Dienstleistungsgebäude Heizen Anmerkung: hier Darstellung der Arbeitszahl ohne Hilfsenergie ß = 6,2 ß = 5, Lüftung Heizkörper Bauteiltemperierung Verbrauchskosten für Wärmepumpe: 1,4 /m²/a 63

64 Heizen und Kühlen Erdwärmesondenanlage Büro und Lager Kolbermoor Hochschule München Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk

65 Heizen und Kühlen hydraulisches Schaltbild Heizen oder Kühlen (Hochtemperatur) Kühllast: 100 kw RLT- Anlage FB-Heizung m² 93 kw 37 kw 37 kw 13 EWS 111m m

66 Erdwärmesondenanlage Bürogebäude Kolbermoor Arbeitszahl 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 4. Okt Okt Okt Okt Okt Nov Nov Nov Nov 20. Nov 22. Nov 23. Nov 27. Nov 07. Dez 21. Dez Jan Jan Jan 01 1.Feb Feb Feb Mrz Mrz Apr 23. Apr Nov Laufzeit WP 1: h/a Laufzeit WP 2: 100 h/a Stromverbrauch: kwh/a Verbrauchskosten: /a = 3,54 /m²/a durchschnittliche Arbeitszahl Büro: ß= 4,4 Stromverbrauch zum Kühlen: kwh/a Verbrauchskosten: 372 /a = 0,17 /(m² x a)

67 Heizen und Kühlen Bürogebäude Perlach Gebäudedaten: temperierte Fläche: m² Heizlast: 235 kw Kühllast: 250 kw 67

68 68

69 Heizen und Kühlen Hydraulik Bürogebäude Perlach Bauteiltemperierung Kühlen Heizen M M M M M M M Kühlen Heizen 69

70 Heizen und Kühlen Investitionskosten Perlach Kühlen Kühlen Heizen Heizen Gaskessel Kaltwassersatz 250 kw Rückkühlwerk Gaskessel 250 kw: Anschlusskosten: Schornstein: Kaltwassersatz 250 kw: Kühlturm m. Zubehör 330 kw: Verrohrung, Armaturen, usw Elektro und MSR Summe Invest: Grundwasserwärmepumpe Wärmetauscher Kühlung Brunnenanlage: Wärmepumpen 235 kw: Verrohrung, Armaturen, usw Wärmetauscher Kühlung: Elektro und MSR Summe Invest:

71 Heizen und Kühlen Verbrauchskostenvergleich Gaspreis: Strompreis WP: Strompreis allg Bürogebäude Perlach Gebäudedaten: temperierte Fläche: m² Heizlast: 235 kw Kühllast: 250 kw Heizwärmebedarf: (b vh = h/a) Kältebedarf: (b vk = 800 h/a) /a Rückkühlwerk Kaltwassersatz Gaskessel 0,65 /m³ 0,196 /kwh 0,27 /kwh kwh/a kwh/a Einsparung /a /a Grundwasser Wärmepumpe K W Wärmeerzeugung: (Verteilungsverl. vernachlässigt) Grundwasser- Gaskessel Grundwasser- Kaltwassersatz Wärmepumpe Rückkühlwerk Grundwasser Gasbedarf η Nutz = 95 % m³/a Gaskosten /a Wärmepumpe ß H = kwh/a Stromkosten 400 /a /a Leistungs-/Messpreis /a 84 /a Wärme : /a /a Kälteeerzeugung: Wasser aufbereitet /a Kältemaschine ß K = kwh/a Kühlwasserpumpe kwh/a Ventilator kwh/a Grundwasserpumpe 3200 kwh/a (elektr. Leistung: 4 kw) Stromkosten /a 627 /a Kälte: /a 627 /a Gesamtsumme: /a /a

72 Heizen und Kühlen CO 2 -Emissionen Spez. CO 2 Emissionen Erdgas: Strom Stadtwerke München 2011: CO2-Emissionen pro Jahr in [t/a] t/a 223 g/kwh 443 g/kwh 70 % 35 t/a Gaskessel GW-Wärmepumpe Kaltwassersatz Grundwasser Rückkühlwerk Wärmeerzeugung Wärmemenge kWh/a kWh/a Endenergie kWh/a kWh/a CO 2 -Emissionen 88 t/a 33 t/a Kälteerzeugung Kältemenge kWh/a kWh/a Endenergie kWh/a kwh/a CO 2 -Emissionen 25 t/a 1 t/a 20 0 Rückkühlwerk Kaltwassersatz Gaskessel Grundwasser GW-Wärmepumpe vgl. PKW Einsparung 78 t/a Verbrauch 6 l/100 km CO2-Emission 0,160 kg/km entspricht km/a oder 24 Autos a km/a 72

73 schnee- und frostfreie Freiflächen: + ohne Salz + ohne Schneepflug + ohne Arbeit 73

74 Geothermische Frostfreihaltung Temperaturfühler in Flächenheizungen Außenluft M M M Alle Kreise im Vor und Rücklauf jeweils einzeln absperrbar Entlüfter möglichst an höchster Stelle Systemtrennung; Grädigkeit: 1 bis max. 2 K Schwebekörperdurchflussmengenmesser Belüfter bei Δh>10m M Schmutzfänger Grundwasserschluckbrunnen Grundwasser-Fließrichtung Grundwasserförder- Brunnen; alternativ: Düker 74

75 Zusammenfassung Erfolgreiche Beispiele von Wärmepumpenanlagen Nachteile: 1. bereichsübergreifender Planungsaufwand 2. Zeitbedarf und know-how für Inbetriebnahme 3. Bei Erdwärmesonde oder Erdreichkollektor höhere Investitionskosten Vorteile: 1. einfache, störungsfreie Anlagentechnik bis 70 % Verbrauchskostenreduzierung bis 70 % Primärenergieeinsparung bis 70 % CO 2 Entlastung 5. zukunftsweisendes Heiz- und Kühlsystem 75