WÄRMEPUMPE Auszüge aus einem Skriptum für das EU Projekt CER2, erstellt von arsenal research

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1 WÄRMEPUMPE Auszüge aus einem Skriptum für das EU Projekt CER2, erstellt von arsenal research Inhaltsverzeichnis: 1 Wärmepumpentechnik Allgemeines Energiebilanz, Temperaturdifferenzen Leistungszahl Arbeitszahl Komponenten der Wärmepumpe Kältemittelseitige Funktion des Verdampfers Prinzip der Verdampfung Verdampferbauarten Kältemittel Allgemeines Umweltauswirkungen der Kältemittel Auswahl der Wärmequelle Bestimmung des Wärmebedarfs Planungsgrundsätze Warmwasserbereitung Bestimmung der Heizungs-Vorlauftemperatur Auswahl der Wärmepumpe Mögliche Betriebsweisen Monovalente Anlagen Monoenergetisch Bivalente Anlagen Wärmenutzungsanlagen Fußbodenheizung Wandheizung Sonstige Wärmeverteilsysteme Radiatoren und Konvektoren Lufterhitzer Warmwasserbereitung mit Wärmepumpen Gerätearten zur Warmwasserbereitung mit Wärmepumpen Wärmequellenanlagen Wärmequellenanlage Luft Allgemeines Kompaktgeräte Split Geräte Wärmequelle Wasser Allgemeines Behördenauflagen Voraussetzungen Auslegung der Brunnenpumpe Wärmequelle Erdreich - Grundlagen I

2 4.3.1 Gründe für erdreichgekoppelte Wärmepumpen Belastbarkeit des Erdreichs Behördenauflagen Wärmequelle Sole Allgemeines Flachkollektor Sole Tiefensonden Anbindung der Wärmepumpe Auslegung der Sole-Umwälzpumpe Wärmequelle Direktverdampfung Allgemeines Planungsrichtlinien - Direktverdampfung Literatur II

3 1 WÄRMEPUMPENTECHNIK 1.1 Allgemeines Generell kann eine Wärmepumpe als ein Aggregat bezeichnet werden, das Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau aufnimmt und unter Hinzunahme von Antriebsenergie (mechanische Energie oder höhere Temperaturen) auf einem höheren, nutzbaren Temperaturniveau wieder abgibt. Damit eignet sich eine Wärmepumpe grundsätzlich für die Nutzung von Luft, Wasser und oberflächennaher Geothermie zu Heizzwecken. Wärme wird zb. aus der Erde bei Temperaturen von etwa 5 C bis +10 C entzogen und mit ca. 35 C - 55 C an die Heizung abgegeben. Je niedriger dabei der Temperaturhub zwischen der Wärmequelle und dem Heizungssystem ist (z.b. 0 C auf 35 C), desto weniger Antriebsenergie wird benötigt und desto besser ist die Energieeffizienz. Funktion einer Kompressionswärmepumpe: Durch Wärmezufuhr auf niedrigem Temperatur- und Druckniveau wird ein Medium mit tiefem Siedepunkt ( Kältemittel, heute meist HFKWs wie R407C) verdampft. Die gasförmige Phase wird im Anschluss in einem Verdichter verdichtet (in der Praxis bis >20 bar) und dadurch erhitzt. Das unter hohem Druck stehende Arbeitsmittel gibt seine Wärme an das Heizungsmedium (Wasser, Luft) ab und kondensiert dabei. Durch ein Drosselorgan (Expansionsventil) tritt das Arbeitsmittel wieder in den Teilkreislauf mit geringem Druck ein und wird wiederum dem Verdampfer zugeführt. Für den Antrieb von Wärmepumpenverdichtern werden überwiegend Elektromotore eingesetzt. 1 Verdichter; 2 Kondensator; 3 Expansionsventil, 4 Verdampfer; 5 verdichten; 6 kondensieren; 7 expandieren; 8 verdampfen (BWP) Abb. 1: Schema einer Kompressions-Wärmepumpe 1

4 1.1.1 Energiebilanz, Temperaturdifferenzen Theoretisch ist in jedem Kältekreislauf die Summe der zugeführten Leistung (Kälteleistung aufgenommen in Verdampfer P O und Antriebsleistung des Verdichters P el ) gleich der Summe der abgeführten Leistung (Heizleistung P c ) sein. Damit gilt für Wärmepumpen, unter Vernachlässigung von Verlusten und Nebenantrieben: P + P = P o el c P o P el P c kw kw kw Infolge von Wärmeverlusten des Verdichters geht allerdings nicht die gesamte am Verdichter zugeführte Leistung P el in die Verflüssigerleistung P c ein, sondern nur ein um den Faktor a verringerter Wert, sodass P c = P o + a P P o P el P c a kw kw kw - Der Faktor a ist abhängig von der Verdichter-Bauart, Betriebstemperatur und Wärmedämmung der warmen Anlagenteile. Für überschlägige Berechnungen kann angesetzt werden: el a = 1,0 für den verlustlosen Idealfall 0,9 bezogen auf die elektrische Leistungsaufnahme P el hermetischer Verdichter 0,8 bezogen auf die elektrische Leistungsaufnahme P el offener Verdichter Das Betriebsverhalten einer Wärmepumpenanlage ist jedoch nicht nur abhängig von der oben angeführten Grundgleichung für den Kreislaufprozess. Ebenso wichtig sind die Energiebilanzen der Massenströme auf der kalten und der warmen Seite mit den sich daraus ergebenden Temperaturdifferenzen, wie auch die Temperaturdifferenzen, die sich aus den installierten Wärmetauscherflächen und den erreichbaren Wärmedurchgangszahlen ergeben Leistungszahl Die Wirtschaftlichkeit einer Maschine wird grundsätzlich über den Wirkungsgrad angegeben, welcher das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand ist und damit stets kleiner als 1 ist. Da bei einer Wärmepumpe durch die Wärmezufuhr auf der kalten Seite dieses Verhältnis stets größer als 1 ist, spricht man nicht von einem Wirkungsgrad, sondern von der Leistungszahl. Die Leistungszahl wird mit ε bezeichnet und ist wie folgt definiert: ε W = abgegebene Heizleistung aufgenommene elektrische Leistung = P P c el P o P el ε w kw kw - 2

5 1.1.3 Arbeitszahl Die Arbeitszahl ß ist der Mittelwert der Leistungszahl über eine bestimmte Zeitspanne hinweg. Die Jahresarbeitszahl ist dieser Mittelwert über ein ganzes Jahr gemessen. Die Arbeitszahl wird wie folgt errechnet: Summe der abgeg. Wärmemengeans Heizungssystem β = Summe der aufgenommenen el. Energie Q C...Summe der abgegebene Wärmemenge in kwh (oder KJ) W...aufgenommene elektrischen Energie in kwh (oder KJ) In der Praxis wird für diese Berechnung die gesamte aufgenommene elektrische Energie herangezogen. Damit ist beim Vergleich ähnlicher Anlagen immer erkennbar, ob alle Umwälzpumpen richtig dimensioniert und entsprechend optimal eingesetzt werden. Die abgegebene Wärmemenge sollte mit einem geeichten Wärmemengenmesser ermittelt werden. Am besten haben sich dafür heute Zähler nach dem Ultraschallprinzip bewährt. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) wird international mit SPF (= Seasonal Performance Factor) abgekürzt. = Bei monovalenten 1 Anlagen sollten folgende Mindestarbeitszahlen erreicht werden: Wärmequelle 35 C max. Vorlauf 45 C max. Vorlauf Wasser 3,8 3,0 Erdreich/Sole 3,8 3,0 Direktverdampfung 4,0 3,3 Luft 2,5 2,5 Luft bivalent 2,7 Tab Mindestarbeitszahlen Q C W 1 Beschreibung: siehe Seite 28 3

6 2 KOMPONENTEN DER WÄRMEPUMPE Wärmepumpen haben grundätzlich folgende Hauptkomponenten: Verdichter, Verdampfer, Kondensator, Sammler, Trockner, Expansionsorgan, Hochdruck- sowie einem Niederdruckpressostat mit händischer oder automatischer Rückstellung, Sicherheitskältemittel und Spezialöl für den Verdichter, elektrische Verdrahtung, Schaltschütze, Steuerung und Gehäuse. Für den Baumeister ist vor allem das Thema Verdampfer von Bedeutung. Der Verdampfer hat die Aufgabe, die Energie aus der Wärmequelle aufzunehmen und diese an das verdampfende Kältemittel abzugeben. Die Temperatur, die so genannte Verdampfungstemperatur, muss dabei immer tiefer sein als die Wärmequellentemperatur, was durch die Saugwirkung des Verdichters erreicht wird Kältemittelseitige Funktion des Verdampfers Das in das Drosselorgan eintretende flüssige, unterkühlte Kältemittel wird im Drosselorgan auf den Verdampfungsdruck p o entspannt. Dabei wird ein Teil des flüssigen Kältemittels bereits verdampft, bevor es in den Verdampfer eintritt. Der verdampfte Anteil ist umso größer, je größer die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Kältemittels im Drosselventil und der Verdampfungstemperatur ist. Es ist also am Eingang des Verdampfers immer ein mehr oder weniger großer Teil an flüssigem und ein kleinerer Teil an dampfförmigem Kältemittel vorhanden. Abb. 5: Verdampfungsvorgang (TWK) 4

7 2.1.2 Prinzip der Verdampfung Abb. 6: Schema der Verdampfungsprinzipien Direkte Verdampfung Das im Verdampfer verdampfende Kältemittel wird direkt in der Wärmequelle verdampft. Abb. 7: Schema einer Luft/Wasser WP Schema einer WP mit Direktverdampfung Indirekte Verdampfung Bei der indirekten Verdampfung wird zwischen der Wärmequelle und dem Kältemittel ein weiterer Wärmeträger zwischengeschaltet. Abb. 8: Wasser/Wasser-WP Sole/Wasser-WP 5

8 2.1.3 Verdampferbauarten Luftbeaufschlagt - Lamellenverdampfer Wasserbeaufschlagt Plattenverdampfer Der Plattenverdampfer ist bei Wärmepumpen die meist verwendete Verdampferbauart. Abb. 10: Plattenverdampfer 2.2 Kältemittel Allgemeines Als Kältemittel bezeichnet man ein Arbeitsmedium, das in einem Wärmepumpenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt (im Verdampfer) und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt (im Verflüssiger). Die wichtigsten Kältemittel, die zurzeit in der Wärmepumpentechnik eingesetzt werden, sind Halogenierte Kohlenwasserstoffverbindungen, z.b. R 134a oder R 407C Umweltauswirkungen der Kältemittel Zu Beginn der Kältetechnik waren die verwendeten brennbaren oder/und toxischen Kältemittel ein großes Hindernis für eine allgemeine Einführung der Technologie. In den Dreißigerjahren versuchte man, die vorhandenen brennbaren und/oder toxischen Kältemittel durch "Sicherheitskältemittel", unbrennbare und ungiftige Substanzen zu ersetzen. Das Ergebnis der Suche nach Sicherheitskältemitteln waren die FCKW, Fluor-, Chlor- und Bromderivate des Methan und Ethan kam als erstes R-12 auf den Markt, bis 1936 wurden R-11, R-114, R-113 und mit R-22 der erste HFCKW, ein teilhalogenierter Fluorchlorkohlenwasserstoff, eingeführt. Heute wissen wir, dass die FCKW Fremdkörper in unserer Biosphäre sind, die zwar hervorragende Eigenschaften als Kältemittel haben, aber auch schwerwiegende Auswirkungen auf unsere Umwelt haben. Sie werden für die Zerstörung der stratosphärischen Ozonschicht verantwortlich gemacht und sind starke Treibhausgase. Für die globalen Auswirkungen der FCKW haben sich derzeit drei Kenngrößen etabliert, nämlich ODP, GWP und TEWI. ODP (Ozone Depletion Potential), Ozonzerstörungspotenzial GWP (Global Warming Potential), Treibhauspotenzial TEWI (Total Equivalent Warming Impact) 6

9 Die für die Umwelt interessanteste Größe ist der TEWI. Darunter wird der Summen- Treibhauseffekt aus direkten Kältemittelverlusten und indirekten CO 2 -Emissionen aus der Verbrennung fossiler Energieträger zur Bereitstellung der Antriebsenergie verstanden. Während der GWP nur das Treibhauspotential eines Stoffes in Relation zu CO 2 repräsentiert, zeigt der TEWI die effektiven Auswirkungen eines Systems auf den globalen Treibhauseffekt. Diese ergeben sich aus dem direkten Kältemittelverlusten in die Atmosphäre bei Betrieb und Wartung sowie den Verlusten beim Abbau der Anlage, und den indirekten CO2-Emissionen, die bei der Bereitstellung der Energie zum Antrieb des Systems auftreten, also bei der Verbrennung fossiler Energieträger für die Stromerzeugung, in Verbrennungskraftmaschinen Wärmepumpen - Aufstellungsort Der Aufstellungsort soll trocken sein und nicht unter einem Schlafraum liegen. Ferner ist von Verfliesungen dieser Räume abzuraten, da zu glatte Oberflächen eventuell das Geräusch durch Reflexionen verstärken können. Die Größe des Raumes sollte so groß sein, dass die Mindestabstände zu den Umfassungsmauern als auch zu den daneben stehenden Geräten eingehalten werden. Die in den Herstellerangaben angeführten Mindestabstände sind für den Serviceeinsatz sehr wichtig und unbedingt einzuhalten. Auch zu große Aufstellungsräume sind zu vermeiden, da diese als Resonanzkörper wirken. Weiters müssen sie frostsicher sein (nicht unter +5 C) und es ist für gute Durchlüftungsmöglichkeit gemäß EN zu sorgen! Wird die Wärmepumpe mit einer Feuerungsanlage gemeinsam in einem Raum aufgestellt, so ist für eine zusätzliche Zuluft zu sorgen, damit eine eventuelle undichte Luftführung nicht zu einem starken Abfall des Luftdruckes in dem Raum führen kann. Die Folge wären Zugprobleme des Kamins. 2.3 Auswahl der Wärmequelle Grundsätzlich gilt: Die Wärmequelle mit dem höchstmöglichen Temperaturniveau zu nutzen bringt höchst mögliche Leistungszahl und damit niedrigste Betriebskosten Bestimmung des Wärmebedarfs Bei Wärmepumpen-Anlagen ist eine genaue Dimensionierung besonders wichtig. Überdimensionierte Geräte verursachen unverhältnismäßig hohe Anlagekosten und sehr kurze Laufzeiten der Aggregate. Die Ermittlung der Heizlast erfolgt nach den entsprechenden Normen. Folgende Werte sind erfahrungsgemäß zu erwarten (Wärmebedarf W/m 2 ): Altbau mit zeitgemäßer Wärmedämmung 75 W/m2 Neubau mit guter Wärmedämmung 50 W/m2 Niedrigenergiehaus 30 W/m2 7

10 Die Heizlast kann bei bestehenden Gebäuden auch aus dem jährlichen Heizölverbrauch oder Gasverbrauch nach folgenden Faustformeln errechnet werden. l 3 Ölverbauch[ ] m a Gasverbauch[ ] P H = a l P H = 3 250[ akw ] m 250 [ ] Der Faktor 250 ergibt sich aus Heizwert, Betriebsstunden und Anlagen Jahresnutzungsgrad. akw Planungsgrundsätze Neubau Optimale Wärmequelle auswählen. Wärmeverteilung nach Möglichkeit mit der niedrigsten Temperatur. Wärmepumpe mit der besten Leistungsanpassung. Je größer die Anlage, desto wichtiger die Trennung von Warmwasserbereitung und Beheizung des Gebäudes. Auf die Lüftung des Gebäudes nicht vergessen! Die Regelung ist ein ganz wichtiger Part in der Heizungsanlage. Durch gute Planung spart man Anlagekosten Altbau Vorsicht bei der Wärmebedarfsrechnung, unbedingt den Verbrauch der letzten Jahre ermitteln und auf die Leistung umrechnen. Kältebrücken können sich bei niedrigen Temperaturen katastrophal auswirken (Schimmelbildung). Womöglich die Vorlauf- und Rücklauftemperaturen im Vergleich zu der Außentemperatur einer Heizperiode erfassen (lieber den Einbau ein Jahr verschieben). Bei einer bivalenten Anlage ist besonders bei der Erdwärme die Wärmequelle großzügig zu dimensionieren (längere Laufzeiten). Auf einen gut berechneten Wärmespeicher ist zu achten. Der Zustand der bestehenden Anlage ist zu dokumentieren. Die bestehende Anlage soll vor der Einbindung der WP überprüft werden. Keine wagen Kompromisse eingehen. 8

11 Massivbau Betriebszeiten beachten. Heizflächen danach ausrichten. Die Niedertarifzeiten ausnutzen, ohne den Komfort zu mindern. Genaue Außentemperaturregelung unter Einbeziehung der Rücklauftemperatur. Die Wärmepumpe kann knapp ausgelegt werden (jedoch nicht die Wärmequelle). Die erforderliche Energie für die Gebäudeaufheizung beachten. (Besonders wenn im Winter die Anlage hochgefahren werden muss) Leichtbau Wenn möglich Masse schaffen (FBH Estrich). Wohnraumlüftung beachten. Der Lüftung nicht zu viel Kühlleistung zumuten. Vorsicht, es können wegen der geringen Wärmedichte nur geringe Heizleistungen über die Lüftung übertragen werden. Die Verlegung der Laufzeiten in die Niedertarifzeit ist nur bei der FBH mit Estrich im vernünftigen Masse möglich. Bei Heizkörperanlagen ist eine Außentemperaturregelung mit Raumeinfluss vernünftig. Die WP soll nicht unterdimensioniert werden. (zu wenig Speicher) Passivhaus Da kleine Heizleistungen gefordert sind, ist die Wärmebedarfsrechnung äußerst genau durchzuführen. Kleine Undichtheiten wirken sich umso stärker aus. Vorsicht ist bei Sperrzeiten geboten, da meist so gut wie kein Speicher vorhanden ist. Die Lüftung ist sicher ein wichtiger Bestandteil der Haustechnik, ist aber nach der Erfahrung kein Ersatz für ein statisches Heizsystem. Vorsicht bei zu viel Glasflächen! Längere Wetterperiode ohne Sonneneinstrahlung erhöhten Wärmebedarf. Abschaltzeiten können nur mittels zusätzlichen Pufferspeichers überbrückt werden. 9

12 Mehrfamilienhaus Die Anlage kann knapp berechnet werden. Eine gemeinsame Außentemperatursteuerung mit eigenen Subregelungen in den Wohnungen ist nötig. Geeichte Wärmezähler verwenden. Ein Verantwortlicher für die WP Anlage soll namhaft gemacht werden. Fernwirk-Einrichtung ist erforderlich. Große Betriebssicherheit ist erforderlich Gasthaus und Hotelbetrieb Bei der Auslegung der Wärmepumpenleistung sind die Stosszeiten zu berücksichtigen. Absenkzeiten und somit auch Aufheizzeiten beachten. Lüftungsverluste können höher als der Transmissionswärmeverlust sein. Wärmerückgewinnung ist Stand der Technik. Warmwasserbedarf ist ein sehr individuelles Thema und muss daher mit dem Bauherrn bzw. Planer, genauestens festgelegt werden. Vorratsmenge, Temperatur, Zirkulation u. Verfügbarkeit müssen geklärt sein. Saal oder Konferenzräume werden oft nur kurzfristig geheizt, die ausgekühlte Bausubstanz beim Aufheizen einkalkulieren. Die Regelbarkeit ist wichtig, da zeitweise viel Fremdwärme entsteht Betriebsstätten Bei Betriebsstätten sind bei der Ermittlung der Wärme- und Kältelast unbedingt die Maschinen einzubeziehen. Betriebszeiten (die sich auch ändern können) sind wegen der Schnelllaufheizung einzurechnen. Hochtemperaturstrahler sind nicht für Wärmepumpen geeignet, dasselbe gilt auch für bestehende Heizlüfter. Die Fläche für einen Erdkollektor ist meist vorhanden (Parkplätze der Kunden bzw. Angestellten). Der Erdkollektor kann auch sehr gut für die Kühlung im Sommer verwendet werden. Um die Tag-Nachtlast zu verteilen, wäre natürlich die Industrie-Fußbodenheizung ideal, außerdem ist der Betrieb der Wärmepumpe wesentlich günstiger und eine Wärmerückgewinnung mit der Abwärme der Maschinen ist möglich. 10

13 In den meisten Fällen ist eine Bivalenz mit einer Brennstoffheizung notwendig Bürogebäude In Büros ist besonders auf die Behaglichkeit zu achten (Man ist kaum in einem andern Raum solange auf dem selben Platz). Eine Fußbodenheizung ist besonders vorsichtig zu dimensionieren. Wandheizung ist als Ergänzung oft ideal. Ganz wichtig ist eine gut ausgeklügelte Lüftung (Fensterlüftung ist wegen der vielen Papierstücke nicht immer geeignet). Ansonsten sind Bürogebäude ideal geeignet für WP. Wärmeverteilung und Fläche für den Kollektor ist fast immer vorhanden Warmwasserbereitung Erfolgt auch die Warmwasserbereitung über die Heizungs-Wärmepumpe, so muss (im Einfamilienhaus Bereich) die Heizleistung der Wärmepumpe um ca. 0,25 kw pro Bewohner erhöht werden Bestimmung der Heizungs-Vorlauftemperatur Grundsätzlich gilt: Je niedriger die Vorlauftemperatur (wenn möglich sollen 35 C nicht überschritten werden), umso höher ist die Leistungszahl der Wärmepumpe und umso niedriger sind die Betriebskosten. Niedrige Vorlauftemperaturen erreicht man mit einer Niedertemperatur Flächenheizung wie z.b. Fußboden- oder Wandheizung. Weiters garantiert die Niedertemperatur Strahlungswärme maximale Behaglichkeit. Die maximal erreichbaren Vorlauftemperaturen liegen je nach Kältemittel zwischen 55 C und 65 C. Einfluss der Vorlauftemperatur auf die Arbeitszahl, z.b. für Sole/Wasser-Wärmepumpen 11

14 Abb. 17: Einfluss der Vorlauftemperatur auf die Arbeitszahl (Beispiel) Auswahl der Wärmepumpe Wenn - Art der Wärmequellenanlage - erforderliche Heizleistung der WP - maximale Vorlauftemperatur - Betriebsweise bekannt sind, kann die entsprechende WP-Type anhand der Leistungsdaten des Wärmepumpenherstellers ermittelt werden. 2.4 Mögliche Betriebsweisen Man unterscheidet je nach Anzahl der Energieträger im Heizungssystem zwischen monovalenten (nur ein Energieträger) und bivalenten (zwei Energieträger) Anlagen Monovalente Anlagen Die Wärmepumpe ist alleiniger Wärmeerzeuger. Solche Anlagen haben sich vor allem dann als wirtschaftlich erwiesen, wenn ein kontinuierlicher Wärmebedarf vorliegt. Unter diesen Bedingungen wird eine hohe Laufzeit und damit Ausnutzung der Wärmepumpe gesichert. Vorteilhafte Lösungen sind dann möglich, wenn die Wärmepumpe mit einem sehr geringen Temperaturhub (Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Vorlauftemperatur des Heizungssystems) betrieben werden kann. 12

15 Abb.18: Monovalent Monoenergetisch Die elektrisch betriebene Wärmepumpe heizt bis zum Umschaltpunkt alleine und danach gemeinsam mit einem E - Heizstab Bivalente Anlagen In bivalenten Anlagen wird mit zwei Energieträgern geheizt. Es wird z.b. eine Wärmepumpe und eine konventionelle Heizung betrieben. Die Außentemperatur, bei der die Heizleistung der Wärmepumpe gerade noch den ganzen Wärmebedarf deckt, heißt Gleichgewichts-, Abschaltoder Einschaltpunkt. Die Umschaltung erfolgt automatisch. Luft/Wasser-Wärmepumpen werden häufig in bivalenten Anlagen eingesetzt, da bei tieferen Temperaturen die Leistungszahl stark abfällt (Vereisung des Verdampfers und anschließendes Abtauen). Man unterscheidet nochmals zwischen bivalent im Alternativbetrieb und bivalent im Parallelbetrieb Bivalent - alternativ Abb.19: Bivalent alternativ Die Wärmepumpe läuft nur oberhalb des Einsatzpunktes. Sie ist nie gleichzeitig mit der konventionellen Heizung in Betrieb. Die Wärmepumpe wird für eine Heizleistung Q N im Einsatzpunkt (bei Luft/Wasser-Wärmepumpen häufig 3 C) ausgelegt. Die Wärmepumpe läuft bei Temperaturen oberhalb des Einsatzpunktes getaktet mit Teillast. Der Heizkessel ist für 100% Q max auszulegen. Je tiefer der Umschaltpunkt liegt, desto höher ist der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit. 13

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17 3 WÄRMENUTZUNGSANLAGEN 15

18 3.1 Fußbodenheizung FBH sind fast überall einsetzbar. Bei Einhaltung der max. Oberflächentemperaturen gibt sie eine komfortable Wärme ab (Verlegeabstände, Vorlauftemperaturen). Der Estrich ergibt einen guten Speicher (cpbeton = 0,8kJ kg-1 K-1). Die FBH hat einen guten Selbstregelungseffekt (Sonneneinstrahlung). Vor- und Nachteile verschiedener Verlegesysteme beachten. 3.2 Wandheizung Geeignet in Wohnräumen, Büros, Veranstaltungsräumen, und überall dort, wo mit niedrigen Vorlauftemperaturen schnell aufgeheizt werden soll. Gut für Sanierungen geeignet. Das Material ist nach den Einsatzbedingungen auszuwählen, alle Systeme haben irgendwo ihre Berechtigung. Die Heizleistung hängt von der Temperaturdifferenz von Heizoberfläche- Raumtemperatur und von der Heizfläche ab. Schnelle Ansprechzeit, da kaum eine Speichermasse vorhanden ist. Genau wie bei der Fußbodenheizung gibt es auch hier keine Konvektion, nur Strahlungswärme. Abb. 25: Unterschiedliche Varianten Aufbau Wandheizung 3.3 Sonstige Wärmeverteilsysteme Radiatoren und Konvektoren Zu hohe Vorlauftemperaturen. Eventuell Heizflächen vergrößern. Bei Neuanlagen bietet sich immer eine andere Alternative. 16

19 3.3.2 Lufterhitzer Werden hauptsächlich für Montagehallen und Werkstätten verwendet. Geräusch und unangenehmer Luftzug sind zu vermeiden. Durch die niedrigen Vorlauftemperaturen der WP ist eine größere Luftmenge für die gleiche Heizleistung notwendig. 3.4 Warmwasserbereitung mit Wärmepumpen Gerätearten zur Warmwasserbereitung mit Wärmepumpen Luft/Warmwasser Wärmepumpen Diese steckerfertigen Kompaktgeräte enthalten alle Kältekomponenten in einem Gehäuse. In den meisten Fällen werden vollhermetische Hubkolbenverdichter mit dem Kältemittel R134a eingesetzt. Als Boiler dient ein lierter Stahlbehälter, der mit Anodenschutz und einem zusätzlichen Heizstab ausgerüstet werden kann. Es werden neben den freiansaugenden und -ausblasenden Geräten auch Wärmepumpen mit Kanalanschluss angeboten. Bei der Montage ist ein Kondensatablauf vorzusehen, im Betrieb können bis zu 0,3l/h Kondensat anfallen. In manchen Fällen ist die zusätzliche Anbindung von Sonnenkollektoren oder Heizkesseln möglich. Erfolgt die Aufstellung im Keller, so kann je nach Luftführung eine Entfeuchtung und Kühlung der Kellerräume bewirkt werden. Abb. 26: Luft/Warmwasser Wärmepumpe Warmwasser Wärmepumpen mit Direktverdampfung In diesem Fall werden Warmwasser-Wärmepumpenaggregate eingesetzt, die an Stelle eines luftbeaufschlagten Lamellenverdampfers ein, in Erdreich verlegtes, PE beschichtetes Kupferrohr als Rohrverdampfer mit einer Länge von 75 m verwenden. Die sich damit ergebende Heizleistung beträgt etwa 2,5 kw. Frischwassersysteme/ Heißgaslanzentechnik 17

20 Bei Frischwassersystemen wird die Wärme im Heizungsspeicher gespeichert. Wenn Warmwasser gezapft wird, wird das Trinkwasser mit einem Plattenwärmetauscher erwärmt. Der Vorteil besteht darin, dass keine großen Mengen warmes Trinkwasser gespeichert werden müssen, wodurch die Legionellen-Problematik deutlich entschärft wird. Zusätzlich kann durch die Heißgaslanze das Heizungswasser auf höhere Temperaturen, etwa 70 C erhitzt werden, als es mit einem hydraulisch gebundenen System möglich ist. Abb. 27: Warmwasserbereitung mit zusätzlicher Heißgaslanze (IDM) 18

21 4 WÄRMEQUELLENANLAGEN 4.1 Wärmequellenanlage Luft Allgemeines Außenluft ist eine Wärmequelle, die überall unbegrenzt zur Verfügung und ohne jede Genehmigung nutzbar ist. Bei sinkender Außentemperatur steigt der Wärmebedarf des Gebäudes. Gleichzeitig sinkt jedoch die Heizleistung und Leistungszahl der Wärmepumpe. Deshalb werden Luft/Wasser - WP oft für bivalenten Betrieb ausgelegt. Die integrierte Abtauung ermöglicht einen störungsfreien Betrieb bei Außentemperaturen bis zu 20 C Kompaktgeräte In den Kompaktgeräten für Innenaufstellung sind sämtliche Bauteile der Wärmepumpe in einem Gehäuse untergebracht. Für die notwendige Förderung des Luftstromes werden meist Radialventilatoren eingesetzt, diese müssen sämtliche Druckverluste bei der Luftführung überwinden können. Aufstellung Die Aufstellung der Luftwärmepumpe ist in allen Räumen möglich, die trocken und nicht Frost gefährdet sind. Die Aufstellung soll auf einem ebenen, waagrechten Platz erfolgen. Unter der Maschine ist zusätzlich zur eingebauten Kondensatablauftasse mit Abflussstutzen, eine an das Kanalsystem angeschlossene Auffangmulde zu errichten, um entstehendes Kondensat zur Verhinderung von Bauschäden zu entsorgen. Abb. 28: Prinzip einer Luft/Wasser WP - Kompaktgerät 19

22 Luftführung Die Zuluft- und Abluftkanäle müssen in einem ausreichenden Abstand von einander ins Freie geführt werden, um Kurzschlüsse in der Luftströmung zu vermeiden. Die Luftkanäle sind mittels Segeltuchmanschetten flexibel an die Wärmepumpe anzuschließen um Luftgeräusche zu vermeiden. Die Luftkanäle sind mit verzinktem Stahlblechrohren oder mit flexiblen, isolierten Schläuchen auszuführen, die jeweiligen Dimensionen sind entsprechend den Luftvolumenströmen und den Herstellerangaben zu wählen. Da die Volumenströme bis zu mehreren 1000 m 3 /h betragen können, sind entsprechende schalldämmende Maßnahmen wie Segeltuchmanschetten, Beruhigungsstrecken, schalldämmende Matten usw. vorzusehen. Die Ausblasöffnungen dürfen den freien Querschnitt nicht verringern (grobmaschige Schutzgitter ohne Veränderung des Querschnitts). Die Luftleitungen sind dampfdiffusionsdicht zu Isolieren um Kondensatbildung zu vermeiden Split Geräte Die Split - Anlage verbindet die Vorteile der Außenaufstellung mit denen der Innenaufstellung. Es brauchen keine Luftkanäle installiert werden und die Wärmepumpe ist geschützt im Gebäude aufgestellt während der Splitverdampfer mit langsam laufenden, geräuscharmen Ventilatoren im Freien aufgestellt wird. Da es ab Außenlufttemperaturen von ca. 7 C zur Kondensatbildung kommt, ist unterhalb des Verdampfers eine Auffangmulde vorzusehen, die das Kondensatwasser über einen frostsicheren Kanalanschluss oder Sickerschacht entsorgt. Abb. 29: Prinzip einer Luft/Wasser WP Splitgerät Die Verbindungsleitungen von der WP zum Verdampfer (Saug- und Flüssigkeitsleitung) sowie die Stromversorgung sollten in einem Futterrohr verlegt werden. Bei der Aufstellung des Verdampfers sind folgende Punkte zu beachten: Die Aufstellung auf schallharten Böden ist zu vermeiden Die Aufstellung zwischen zwei Wänden oder in Ecken kann zu einer Schallpegelerhöhung führen Pflanzen und bewachsene Flächen können den Schallpegel verringern Die Aufstellung bei Ruhebereichen (Schlaf- u. Kinderzimmer) ist zu vermeiden 20

23 4.2 Wärmequelle Wasser Allgemeines Die Temperatur des Grundwassers in Tiefen von 10 m und mehr schwankt im Verlauf eines Jahres nur geringfügig und beträgt im Mittel etwa 10 C. Je nach Gebiet, sowie je nach der Tiefe des Grundwasserstockwerks, aus dem Wasser gefördert wird, liegt die Grundwassertemperatur in Österreich im Winterhalbjahr zwischen 8 C und 12 C und im Sommerhalbjahr zwischen 10 C und 14 C. Sofern Grundwasser in ausreichender Menge und Qualität sowie in zumutbarer Tiefe zur Verfügung steht, kann diese Wärmequelle hinsichtlich ihres Temperaturverhaltens als besonders gut bezeichnet werden. Abb. 30: Prinzip einer Wasser/Wasser WP Behördenauflagen Bei der Planung und Errichtung von Wasser/Wasser Wärmepumpen sind unter allen Umständen die nationalen Behördenauflagen zu berücksichtigen Voraussetzungen Grundsätzlich sollte, bevor mit dem Bau der eigentlichen Brunnenanlage begonnen wird, eine Probebohrung niedergebracht werden, die Aufschluss über die Bodenschichten, Tiefe und Mächtigkeit des für eine Grundwasserförderung geeigneten Grundwasserstockwerkes sowie über die chemische Zusammensetzung des Wassers erbringen muss. Anhand der Ergebnisse der Probebohrung sowie der Auflagen der Behörde muss die Brunnenanlage nach den Regeln der Brunnenbautechnik sorgfältig geplant werden. Dabei ist zu beachten, dass die Brunnenanlage einer Wärmepumpenanlage im Gegensatz zu einer Hauswasserbrunnenanlage an kalten Wintertagen bis zu 20 Stunden ununterbrochen in Betrieb ist. Die Ergiebigkeit des Brunnens und der wasserführenden Schichten spielt daher bei Wärmepumpen-Brunnenanlagen eine wesentlich größere Rolle als bei Hauswasser- Brunnenanlagen. Vor Installation einer Wasser/Wasser - WP sind folgende Punkte zu beachten: QUANTITÄT Das Grundwasser muss in ausreichender Menge zur Verfügung stehen. Dazu ist ein 2 bis 3 Tage dauernder Pumpversuch erforderlich. Der Wasserbedarf beträgt ca. 200 Liter/Stunde je kw Heizleistung (Spreizung 4 K). Der Grundwasserspiegel soll nicht tiefer als 15 m liegen. 21

24 TEMPERATUR Die minimale Temperatur des Grundwassers darf 8 C nicht unterschreiten. (Vorsicht: Schneeschmelze!) und nicht auf unter 4 C abgekühlt werden. Eventuell über Spreizung regulieren! QUALITÄT Um den Edelstahl - Wärmeaustauscher vor Korrosion zu schützen dürfen gewisse Grenzwerte (Wasseranalyse unbedingt empfehlenswert) nicht überschritten werden. Vorsicht, die Wasserqualität kann sich im jahreszeitlichen Verlauf durch die landwirtschaftliche Nutzung (Düngung) ändern Auslegung der Brunnenpumpe Der geförderte Wassermassenstrom muss der maximalen Kälteleistung der Wärmepumpe entsprechen. Die Ermittlung erfolgt mit: QK 3600 qm = c p T q m...wassermassenstrom [kg/h] Q K...Kälteleistung der WP [kw] c p...spezifische Wärmekapazität von Wasser cp 4,187 kj/kg.k T...Temperaturdifferenz max. 4 K Zur Vereinfachung entspricht der Massenstrom etwa einem Volumenstrom in [l/h]. Für die Ermittlung der Förderhöhe ist erforderlich: Geothetische Förderhöhe Höhenunterschied der Wasserspiegel im Förder- und Schluckbrunnen Druckverlust im WP-Verdampfer siehe techn. Unterlagen der WP Widerstand der Rohrleitung aus dem Rohrreibungsdiagramm Widerstand der eingebauten Armaturen erfahrungsgemäß etwa 2 mws 22

25 4.3 Wärmequelle Erdreich - Grundlagen Gründe für erdreichgekoppelte Wärmepumpen Konstantere Quellentemperatur als bei Luftanlagen Monovalenter Wärmepumpenbetrieb möglich Nicht abhängig von der Grundwassermenge und -qualität Belastbarkeit des Erdreichs Erdreich hat in 1 bis 2 m Tiefe eine Temperatur, die sich im Verlauf eines Jahres nur wenig ändert. Sie kann genutzt werden, wenn in dieser Tiefe ein Wärmeaustauscher verlegt wird, der der Erde Wärme entzieht. Diese Wärme stammt überwiegend aus der Sonnenenergie, die im Verlauf eines Jahres von der Sonne auf die betreffende Fläche einstrahlt und im Erdreich gespeichert wurde. Im Sommer strahlt die Sonne in der Mittagszeit bis zu 1000 W/m 2 auf die Erdfläche, im Winter 50 bis 200 W/m 2. Der Wärmestrom, der vom Erdinneren zur Erdoberfläche strömt, beträgt nur 0,042 bis 0,063 W/m 2 Erdfläche und kann somit praktisch vernachlässigt werden. In Nordeuropa wird ein frostbeständiger Wärmeträger, meist Propylenglykolgemisch oder das Kältemittel, durch die Rohrleitungen, die in etwa cm unter der Frostgrenze im Erdreich verlegt sind, geleitet. Durch die Speicherwirkung der über dem Erdkollektor lagernden Erdschicht wird die unterschiedliche Energieeinstrahlung der Sonne ausgeglichen. Einem Quadratmeter Erdfläche können bei dieser Technik am kältesten Wintertag, für den die Heizung ausgelegt ist, je nach den örtlichen Bodenverhältnissen 10 W/m 2 (trockener nicht bindiger Boden) bis 40 W/m 2 (wassergesättigter Boden) entzogen werden. Damit wird eine Erdfläche benötigt, die durchschnittlich zweimal größer als die Wohnfläche ist. Alle diese Werte schwanken in weiten Bereichen je nach der Wärmekapazität des Erdreiches, seine Wärmeleitfähigkeit, seinem Wassergehalt, seiner Wasser- sowie seiner Wasserdampfdurchlässigkeit (Diffusion) und der Sonnenscheindauer der betreffenden Gegend. Bei eingehenden Untersuchungen hat sich bestätigt, dass die Erdreichtemperatur über die Jahre des Wärmeentzuges nicht immer weiter absinkt. Im Wesentlichen wird dank der intensiven Sonneneinstrahlung im Sommer und der Zufuhr von Wärme aus der wärmeren Luft sowie Regen die Erdreichtemperatur wieder regeneriert, wenn die spezifischen Entzugsleistungen nicht überschritten werden. 23

26 Fig. 31: Temperaturgang im Erdreich Behördenauflagen Bei der Planung und Errichtung von Erdreich/Wasser Wärmepumpen sind unter allen Umständen die nationalen Behördenauflagen zu berücksichtigen. 4.4 Wärmequelle Sole Allgemeines Die Wärmequellenanlage besteht aus einem Erdkollektor (üblicherweise Flachkollektor oder Erdsonde), der mit PE - Rohren ausgeführt wird. In diesen Rohren zirkuliert die Wärmeträgerflüssigkeit Sole (Wasser mit Frostschutz). Die Größe der Wärmequellenanlage richtet sich nach der Kälteleistung der Wärmepumpe und der spezifischen Wärmeentzugsleistung des Erdreichs Flachkollektor Sole Abb. 32: Schema einer Sole/Wasser WP mit Flachkollektor Auslegung des Flachkollektors Die Größe der Wärmequellenanlage wird durch die mögliche spezifische Entzugsleistung des Erdreichs und von der Kälteleistung der Wärmepumpe bestimmt. Die unten stehenden Werte sind für eine maximale Betriebsdauer von 2000 Stunden gültig. Bei Sonderfällen ist der Kollektor für eine längere Betriebszeit auszulegen! 24

27 Bodenbeschaffenheit Spez. Entzugsleistung Trockener nicht bindiger Boden 10W/m 2 Bindiger Boden, feucht 20-30W/m 2 Wassergesättigter Boden 40W/m 2 Tabelle 1: spez. Entzugsleistung des Bodens lt. VDI 4640 Bodenbeschaffenheit Für die Einbringung von flachverlegten Rohren soll der Boden gewachsen und nicht einseitig aufgeschüttet sein. Bei Bodensetzungen könnten ansonsten die verlegten Rohre beschädigt werden. Je größer der Feuchtigkeitsgehalt der Böden ist umso größer und besser ist der Wärmeübergang. Bei feuchten Böden ist daher eine kleinere Fläche für den Wärmeentzug erforderlich als bei trockenen Böden. Die für den Wärmeentzug vorgesehenen Flächen müssen unverbaut sein, können jedoch mit nicht tiefwurzelnden Bäumen und Sträuchern bepflanzt werden. Das Regenwasser ist wichtig für die Regeneration des Bodens daher sollte es grundsätzlich nicht durch Drainagen und ähnlichen Einrichtungen von der Kollektorfläche abgeleitet werden. Besteht jedoch die Gefahr von Staunässe oder Überflutungen, z.b. bei Hanglage, so ist überschüssiges Wasser abzuleiten um Bodenhebungen oder Bauschäden zu vermeiden. Der Kollektor darf nicht im Grundwasser Schwankungsbereich liegen. Bei Hanglagen ist der Kollektor immer quer zum Hang zu verlegen. Für eine gute Entlüftbarkeit der Kollektorkreise ist zu sorgen. Kollektorrohr - PE -Rohr hart PN 6 - Länge je Kreis: 100 m - Die Rohrlänge soll bei allen Kreisen annähernd die gleiche sein, damit der Druckverlust über alle Kollektorleitungen gleich ist und damit ein gleichmäßiger Wärmeentzug gegeben ist. - Es dürfen nur nahtlose Kunststoffrohrleitungen mit einem Mindestnenndruck PN 10 eingesetzt werden. Verlegeabstand Der Verlegeabstand richtet sich entsprechend der spezifischen Entzugsleistung: - Bindige, feuchte Böden >50cm - Sandige, schottrige, trockene Böden >80cm Verlegung des Flachkollektors - Die Verlegung hat in einer Tiefe von 20 bis 30 cm unter der Frostgrenze aber in einer Mindesttiefe von 1 Meter unter Gelände zu erfolgen. - Der maximal zulässige Krümmungsradius laut Herstellerangaben ist einzuhalten. - In setzungsgefährdeten Bereichen sind ausreichende Dehnungsschleifen vorzusehen. - Innerhalb eines Sicherheitsabstandes von 1m zu den erdverlegten Leitungen dürfen weder Baulichkeiten noch Einbauten errichtet werden, keine Abgrabungen oder Bohrungen vorgenommen sowie tief wurzelnde Pflanzen eingesetzt werden. - In einem Abstand von mindestens 50cm über den Verdampferleitungen ist ein Warnband 25

28 (Trassenwarnband) am Umfang der Sperrfläche mit zu verlegen. - Vor der Erdabdeckung sind die Erdkollektoren mit einem Sandbett zu schützen - Empfehlung: Kabelsand, Körnung 0,3 bis 1,5mm mit einer Überdeckung von ca. 15cm. - Die Erdabdeckung hat durch lagenweise Verfüllung mit ausreichend verdichtbaren Material ohne große Steine zu erfolgen. - Die Verlegung des Erdreichkollektors ist entsprechend zu dokumentieren maßstabsgetreuer Verlegeplan mit eingetragenen Sperrflächen (Naturmaße), Fotos usw. wird empfohlen. - Sämtliche Planungs-, Einreichungsunterlagen und Prüfprotokolle der gesamten Wärmepumpenanlage sind in einem Betriebs- od. Prüfbuch ständig bei der Wärmepumpe aufzubewahren. Kollektorsammelschacht Der Kollektorsammelschacht ist bei Lage im Grundwasserschwankungsbereich flüssigkeitsdicht und auftriebssicher herzustellen und ist jedenfalls mit einem tagwasserdichten Deckel zu versehen. Außerhalb des Grundwasserschwankungsbereiches ist die Schachtsole mit einem Lehmschlag, bestehend aus zwei Schichten je 10cm dick herzustellen. Druckprüfung Das gesamte verlegte Rohrleitungssystem ist einer Druckprobe (mit dem doppelten, maximal erreichbaren Druck der Förderpumpe, jedoch mindestens 5 bar) zu unterziehen Tiefensonden Abb. 33: Schema einer Sole/Wasser WP mit Tiefensonde Auslegung der Tiefensonde 26

29 Die unten stehende Tabelle zeigt die spezifischen Entzugsleistungen für Tiefenbohrungen. Es ist jedoch in jedem Fall sinnvoll, ein geologisches Gutachten einzuholen. Tabelle 2 spez. Entzugsleistung des Bodens - Sonde Bodenbeschaffenheit Trockene Sedimente Schlier, Schiefer Festgestein mit hoher Wärmeleitfähigkeit Untergrund mit hohem Grundwasserfluss Spez. Entzugsleistung 30 W/m 55 W/m 80 W/m 100 W/m Bodenbeschaffenheit und Abteufung der Bohrung Tiefensonden können in Locker- oder Festgesteinsformationen errichtet werden. Bei der Abteufung der Bohrung für die Tiefensonde ist jede negative Beeinflussung des Untergrundes zu vermeiden. Wie beispielsweise negative Auswirkungen aufgrund von: Bohrtechnischer Betriebsmittel (Treibstoffe, Schmiermittel, Hydrauliköle, etc.). Bei der Verwendung solcher Stoffe sind entsprechende Vorsichtsmaßnahmen und Vorkehrungen zu treffen Eindringen von Oberflächenwässern. Dies ist durch entsprechende Gestaltung des Bohrlochumfeldes zu verhindern Duchörterung von getrennten Grundwasserstockwerken. Kommt es zu einem Durchstoßen des Grundwasserstauers, so ist eine Wiederherstellung der Funktion der Trennschicht zu gewährleisten, um eine Vermischung von unterschiedlichen Wässern zu verhindern. Die Abdichtung der einzelnen Horizonte hat dauerhaft zu erfolgen. Für die Erstellung einer solchen Bohrung sind alle Bohrverfahren, die in der Grundwassererkundung angewendet werden geeignet. Ausführung der Sonde Nach der Installation der Sonde ist der Ringraum zwischen Sonde und Bohrloch mit einem geeigneten, inertem Material zu verfüllen. Dies kann bei Bohrungen im Festgestein Eigenmaterial (Aushub) oder Fremdmaterial (wärmeleitende Zementgemische, Filterkies, Filtersand) sein. Bei Grundwasserführenden Lockersedimenten kann auf eine Auffüllung des Bohrloches unter Umständen verzichtet werden. Nach Ausbau der Bohrung ist an der Oberfläche eine Abdichtung vorzunehmen. Diese kann mittels bindigem Aushubmaterial und Bohrgut oder mit Tonkugeln und Zementbetonitgemisch errichtet werden. Werden bei der Bohrlocherrichtung artesische Horizonte angefahren, ist die Bohrung einzustellen, der Wasseraustritt zu verhindern und die Wasserrechtsbehörde umgehend zu verständigen. Sondentiefe und Sondenabstand Die Bohrtiefen bei Soleanlagen liegen zwischen 40 m und maximal 240 m; generell sind Tiefen bis zu 100m üblich. Sind mehrere Sonden erforderlich, so ist ein Mindestabstand von 5 m einzuhalten. Sondenwerkstoff Als Sondenwerkstoff ist ein korrosionsgeschütztes Material (z. B. Cu-kunststoffbeschichtet, Kunststoff, rostfreier Stahl) zu verwenden, welcher den hydrochemischen Gegebenheiten (z. B. hochmineralisiertes Wasser) standhält. Druckprüfung Nach Möglichkeit sind Endlosrohre zu verlegen, in jedem Fall ist aber mittels Druckprobe, die Dichtheit der Sonde nachzuweisen. 27

30 4.4.4 Anbindung der Wärmepumpe Sammler & Verteiler Sämtliche Komponenten der Wärmequelle sind korrosionsbeständig auszuführen und innerhalb des Heizraumes dampfdiffusionsdicht zu isolieren oder mit einem Kondensatablauf zu versehn. Sole Verteiler und Sammler sind vorzugsweise in einem Sammelschacht im Freien unterzubringen. Dieser Schacht lässt sich mit Betonringen mit einem Durchmesser von 150 cm leicht und kostengünstig herstellen. Die Kollektor- bzw. Sondenleitungen sind zum Schacht hin ansteigend zu verlegen, damit sie ordnungsgemäß entlüftet werden können. Die Rohre sind bei der Durchführung in den Schacht und bei Mauerdurchführungen durch eine zusätzliche Isolierung vor Beschädigungen zu schützen. Die Sammel- und Verteilleitungen (Verbindung Wärmepumpe Sammelschacht) sind mit einem leichten Gefälle zum Schacht hin zu verlegen. Der Rohrleitungsdurchmesser ist entsprechend einer maximalen Strömungsgeschwindigkeit von 0,8 m/s zu dimensionieren. Sicherheitsabstände von Soleleitungen zu: Wasserleitungen min. 1,5 m Kanälen min. 1 m Gebäuden ca. 1 m (bei paralleler Verlegung) Grundstücksgrenzen 1 m Bei unvermeidbaren Querungen sind die Leitungen entsprechend zu isolieren Auslegung der Sole-Umwälzpumpe Der geförderte Solemassenstrom muss der maximalen Kälteleistung der Wärmepumpe entsprechen. Die Ermittlung erfolgt mit: QK 3600 qm = c p T q m...solemassenstrom [kg/h] Q K...Kälteleistung der WP [kw] c p...spezifische Wärmekapazität von Sole cp 3,9 kj/kg.k T...Temperaturdifferenz (3 K) Für die Ermittlung der Förderhöhe ist erforderlich: Widerstand der Kollektorrohre aus dem Rohrreibungsdiagramm Druckverlust im WP-Verdampfer siehe techn. Unterlagen der WP Widerstand der eingebauten Armaturen erfahrungsgemäß etwa 5 mws Korrekturfaktor durch höhere Zähigkeit der Sole (Richtwert: 1,7) 4.5 Wärmequelle Direktverdampfung Allgemeines Bei erdreichgekoppelten Wärmepumpen mit Direktverdampfung zirkuliert das Arbeitsmittel der Wärmepumpe als Wärmeträgermedium in dem Erdkollektor und wird dort verdampft. 28

31 Durch diese direkte Verdampfung ergeben sich höhere Leistungsziffern (ca. 15%), da der Sole/Kältemittel Wärmetauscher und die Soleumwälzpumpe entfallen. Die Wärmequellenanlage wird bei der erdreichgekoppelten Direktverdampfung als Flachkollektor ausgeführt. Der Kollektor wird auch als Verdampferkreis bezeichnet. Die Größe der Wärmequellenanlage richtet sich nach der Kälteleistung der Wärmepumpe und der spezifischen Wärmeentzugsleistung des Erdreichs. Abb 34: Schema einer DV-WP Planungsrichtlinien - Direktverdampfung Auslegung des Flachkollektors Die Auslegung des Direktverdampfer Flachkollektors erfolgt entsprechend den Auslegungskriterien von Sole Flachkollektoren. Für DV Flachkollektoren gelten dieselben Anforderungen an die Bodenbeschaffenheit wie bei Sole Flachkollektoren. Kollektorrohr Als Verdampferrohre werden Kupferrohre (gemäß DIN Kältequalität ) verwendet, die mit einem HDPE Kunststoffmantel versehen sind. Dieser muss eine Mindestwandstärke von 0,5mm aufweisen und muss der VDE 0207 Teil 3 entsprechen. Weiters werden die Leitungen einer Wirbelstromprüfung und einer Hochspannungsprüfung mit 14 kv nach der EN geprüft. Abb. 35: DV Kollektorrohr Bei der Verlegung der Kältemittelleitungen sind keine unzugänglichen Verbindungen (Lötstellen, Verschraubungen) im Erdreich zulässig. Wenn diese im Reparaturfall nicht vermeidbar sind, sind diese durch eine sachkundige Person auszuführen und mit geeigneten Materialien gegen Korrosion zu schützen. 29

32 Bei Mauerdurchführungen sind die Kältemittelleitungen in der Mauer isoliert und wasserdicht auszuführen. Verlegeabstand Siehe Sole Flachkollektor. Verlegung des Flachkollektors Die Verlegerichtlinien für DV Flachkollektoren entsprechen jenen von Sole Flachkollektoren. Es sind weiters die gleichen Verlegeabstände, Verlegetiefen und Sicherheitsabstände einzuhalten. Bei mehr als einer Kollektorschleife muss eine Absaugschaltung in der Wärmepumpe eingebaut sein (Magnetventil, Sammler, der das gesamte Kältemittel aufnehmen kann) Dies ist erforderlich um den Verdampfer für Wartungs- und bei Grabungsarbeiten leer saugen zu können. Kollektorsammelschacht Abb. 36: Sammelschacht Druckprüfung Nach Fertigstellung des Kollektors ist gemäß EN eine Dichtheitsprüfung des gesamten Kältekreises mit Stickstoff (Prüfdruck = maximal zulässiger Druck) und im Vakuum durchzuführen. Arbeitsmedium Für erdreichgekoppelte Direktverdampfer sind Kältemitteln der Klasse L1 oder natürliche Kältemittel zu verwenden. Ebenfalls müssen biologisch leicht abbaubare Kältemittelöle vorwiegend Esteröle oder PAG verwendet werden. 30

33 5 LITERATUR [1] Ochsner K.: Handbuch Wärmepumpen, 2001/2002 [2] ID-Energiesysteme: Firmenunterlagen [3] Heliotherm GmbH: Firmenunterlagen [4] Kirn/Hadenfeldt: Wärmepumpen, Band 1 bis 3, Verlag C.F. Müller, 1979 [5] TWK Karlsruhe, 1979 [6] v. Cube, H. L.: Lehrbuch der Kältetechnik, Band 1 u.2, Verlag C.F. Müller [7] Halozan H., Rieberer R.: Kältemittel Einst-Heute-Morgen, 2002 [8] VDI Richtlinie 4640, Thermische Nutzung des Untergrundes, [9] EN 378 T1 T4, Kälteanlagen und Wärmepumpen, Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen, [10] Energie Tirol, 31