Heizen mit der Wärmepumpe

Transkript

1 FRANZIS DO IT! BAND 38 Reinhard Hoffmann Heizen mit der Wärmepumpe Leicht gemacht, Geld und Ärger gespart! Erdwärme im Haus nutzen Wärmepumpen-Heizungsanlagen planen, installieren und betreiben Die Wirtschaftlichkeit im Überblick

2 6Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Wirtschaftlichkeit und Ökologie Kostenanalyse und Wirtschaftlichkeitsberechnung Energieverbrauchskosten Betriebskostenvergleich mit anderen Heizsystemen Ergebnisse aus Wärmepumpen-Feldtests Erfahrungen von Betreibern Einfluss unterschiedlicher Randbedingungen auf den Energieverbrauch 24 2 Prinzip der Wärmepumpe, Bauarten Funktion der Wärmepumpe Wärmequellen Oberflächennaher Erdwärmekollektor Erdwärmesonde Grundwasser und Oberflächenwasser Luft Gaswärmepumpen 42 3 Planung der Wärmepumpen-Heizanlage Besonderheiten der Wärmequellen Systeme mit Erdkollektor Systeme mit Erdsonde Grundwasser Umgebungsluftwärme Warmwasserbereitung Lüftungsanlage Kühlfunktion Pufferspeicher Wärmenutzungsanlage, Heizsystem Flächenheizung Heizkörper/Radiator 67

3 Inhaltsverzeichnis 3.7 Wärmebedarf ermitteln Wärmepumpe auswählen 72 4 Installation Arbeiten bei der Wärmequelle Erdreich, System Sole Erdkollektor Erdsonde Dichtheitsprüfung, Füllen und Entlüften der Anlage Wärmequelle Grundwasser Arbeiten bei der Wärmequelle Luft Innenaufstellung der Wärmepumpe Außenaufstellung der Wärmepumpe Mauerdurchführungen Einbinden ins Heizsystem Inbetriebnahme 90 Inhaltsverzeichnis 5 Kombination mit Solaranlagen, neue Entwicklungen Solarthermische Warmwasserbereitung Unterstützung der Raumheizung Neue Konzepte 96 6 Wärmepumpenheizungen optimal einstellen Regelung Hydraulischer Abgleich Fehlerquellen und Störungen Zusammenfassung der Vor- und Nachteile 111

4 8Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 9 Anhang Glossar Förderung beantragen Sicherheit bei Erdarbeiten Adressen und Internetportale 119 Stichwortverzeichnis 120

5 1 Wirtschaftlichkeit und Ökologie 1 Wirtschaftlichkeit und Ökologie Infolge der Preisexplosion bei Öl und Gas sowie der Marketingkampagnen der Wärmepumpenhersteller und einiger Stromversorger sind hohe Zuwachsraten beim Verkauf von Wärmepumpen zu beobachten. Als Argumente für die Wärmepumpe werden angeführt: 9 Bild 1.1 Wärmepumpe, die bis zu 65 C Vorlauftemperatur liefern kann; rechts daneben der Warmwasserspeicher (Foto: Viessmann) Sie nutzt die regenerative Energiequelle Luft-, Grundwasser-

6 1 Wirtschaftlichkeit und Ökologie 10 1 Wirtschaftlichkeit und Ökologie oder Erdwärme und ist dadurch im Neubau und sogar im Altbau ökologisch sinnvoll. Sie verursacht an ihrem Aufstellungsort keine Schadstoffe. Sie ist, bei richtiger Auslegung, das Heizsystem mit den niedrigsten Betriebskosten. Wärmepumpen bringen mithilfe elektrischer Energie Niedertemperaturwärme aus der Umwelt auf ein höheres Temperaturniveau, das ausreicht, ein Haus zu beheizen und Warmwasser zu bereiten. Entscheidend für die Höhe der Energieverbrauchskosten ist die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe. Das ist das Verhältnis der gewonnenen Wärmeenergie zur Antriebsenergie, die sie dazu benötigt. Eine Jahresarbeitszahl von 4 bedeutet bei einer Wärmepumpe mit elektrischem Antrieb, dass zur Erzeugung von jeweils 4 kwh (Kilowattstunden) Wärme im Jahresmittel je eine Kilowattstunde elektrischer Energie ausreicht. Viele Wärmepumpen erreichen in der Praxis jedoch nur eine Jahresarbeitszahl von 3. In Abschnitt 1.2 finden Sie die Ergebnisse eines am Oberrhein durchgeführten umfangreichen Feldtests. Wenn die von den Herstellern unter Laborbedingungen ermittelten Leistungsdaten nicht erreicht werden, kann das folgende Gründe haben: Die Wärmequelle ist nicht ergiebig genug. Planer und Installateur haben einzelne Komponenten nicht richtig dimensioniert (Beispiel: Rohre mit zu geringem Durchmesser bei einer Grundwasserwärmepumpe). Es wurde kein hydraulischer Abgleich des Heizsystems vorgenommen. Die Vorlauftemperatur ist zu hoch. Denn je größer der Temperaturunterschied zwischen der Temperatur der Luft, des Grundwassers bzw. des Erdreichs auf der einen Seite und der benötigten Nutztempe- Bild 1.2 Grafik: Bundesverband Wärmepumpe ratur auf der anderen Seite ist, desto mehr Strom verbraucht die Wärmepumpe. Wenn eine Wärmepumpe eine Jahresarbeitszahl unter 3 hat, bedeutet das, dass ihr Einsatz ökologisch nicht Info Es gibt drei verschiedene Arten von Wärmepumpen. Adsorptions- und Absorptionswärmepumpen gewinnen aus Hitze Kälte und kühlen im Sommer Gebäude mit Sonnenenergie. Kompressionswärmepumpen werden massenhaft in der Kältetechnik eingesetzt und sind als Kühlschrank in praktisch jeder Küche zu finden. Ihre Verbreitung nimmt jedoch auch in der Heiztechnik zu.

7 1 Wirtschaftlichkeit und Ökologie unbedingt sinnvoll ist. In der Regel wird sie nicht durch regenerativ erzeugten Strom angetrieben und konventionelle Kraftwerke brauchen 3 kwh Primärenergie mit dem damit zusammenhängenden CO 2 -Ausstoß, um den Stromverbrauchern 1 Kilowattstunde liefern zu können. Das liegt an den Abwärme- und den Leitungsund Transformationsverlusten. Die von diesen konventionellen Kraftwerken hierzulande verschleuderte Abwärme würde ausreichen, um alle Wohnungen in Deutschland zu beheizen. Fördergelder gibt es nur für Wärmepumpen, die in der Praxis mindestens folgende Jahresarbeitszahlen erreichen (vor dem Schrägstrich: Medium des Wärmequellenkreises, nach dem Schrägstrich: Medium des Heizkreises): Neubau: Luft/Wasser 3,5 und Sole/Wasser oder Wasser/Wasser 4,0 Altbau: Luft/Wasser 3,3 und Sole/Wasser oder Wasser/Wasser 3,7 Bei richtiger Planung und Auslegung ist im Neubau bei Erdreich- und Grundwasserwärmepumpen eine Jahresarbeitszahl von 4 erreichbar, bei Luft-/Wasserwärmepumpen ist derzeit maximal 3 bis 3,5 möglich. Diese Angaben beziehen sich auf Fußbodenheizungen. Bei Verwendung von Radiatoren sind die Werte noch einmal um 0,5 niedriger. Kaum möglich ist es, diese Vorgaben für einen schlecht gedämmten Altbau zu erreichen. Viele Hersteller setzen immer noch klimaschädliche Kältemittel ein. Ein Kilogramm R404A FKW ist z. B. genauso klimaschädlich wie 3,26 Tonnen Kohlendioxid. FKW steht für Fluorkohlenwasserstoffe, die einerseits ungiftig und unbrennbar sind und die Ozonschicht nicht schädigen, andererseits ein extrem hohes Triebhauspotenzial aufweisen. In Kompressionswärmepumpen für Einfamilienhäuser befinden sich zwar nur zwischen einem und drei Kilogramm Kältemittel, aber sobald es zu einer Leckage kommt, entweichen diese sehr schnell, weil sie bei normalen Temperaturen dampfförmig sind. Beim Befüllen und Entsorgen der Anlagen (und auch bei normalem Betrieb) treten zwangsläufig Kältemittelverluste auf. 1 Wirtschaftlichkeit und Ökologie Kältemittel Siedepunkt Verflüssigungstemperatur bei 26 bar Treibhauspotenzial relativ zu CO 2 R12 FCKW* -30 C 86 C 6640 R134a FKW -26 C 80 C 1300 R404A FKW -47 C 55 C 3260 R407C FKW -45 C 58 C 1530 R410A FKW -51 C 43 C 1730 R744 (CO 2 ) -57 C -11 C 1 R717 (Ammoniak) -33 C 60 C 0 R290 (Propan) -42 C 70 C 3 R600a (Butan) -12 C 114 C 3 R1270 (Propen) -48 C 61 C 3 * R12 FCKW ist seit 1995 in Neuanlagen verboten 11

8 1 Wirtschaftlichkeit und Ökologie 1 Wirtschaftlichkeit und Ökologie Wegen deren Brennbarkeit verschmähen die meisten Hersteller die ebenfalls gut geeigneten Kältemittel R290, R600a und R1270, obwohl die bei deren Verwendung notwendigen besonderen sicherheitstechnischen Maßnahmen in der Praxis leicht umzusetzen wären. Wenn die Wärmepumpe mit CO 2 -freiem Ökostrom betrieben, ein FKW-freies Kältemittel verwendet und ihre Wärme für ein Flächenheizsystem genutzt wird, um einen möglichst kleinen Temperaturhub zu haben, ist sie auch aus ökologischer Sicht eine Alternative zu den herkömmlichen Heizsystemen. Abb. 1.3 Grafik: Bausparkasse BHW 12 Altbausanierung Fast alle Experten sind sich einig, dass ein Altbau mit hohem Wärmebedarf vor dem Einbau einer Wärmepumpenheizung zuerst energetisch saniert werden sollte. Die Tabellen geben Ihnen Anhaltspunkte zu den Kosten der einzelnen Maßnahmen und den Einsparungen bei den Heizkosten (für eine Ölheizung) nach der Sanierung. Abb. 1.4 Grafik: Bausparkasse BHW

9 1.1 Kostenanalyse und Wirtschaftlichkeitsberechnung Energieverbrauchskosten Es folgt eine Gegenüberstellung der erforderlichen Investitionskosten für verschiedene Heizsysteme und der jährlich anfallenden Kosten für Strom bzw. Heizöl oder Erdgas. Als Beispiel dient ein Neubau mit 150 Quadratmetern zu beheizender Fläche und einem Heizwärmebedarf von rund Kilowattstunden. Der spezifische Wärmebedarf für die Heizung und Warmwasser sind 45 bzw. 12,5 kwh pro Quadratmeter und Jahr. Die Heizanlagen haben jeweils eine Leistung von 5 Kilowatt. Sie müssen ungefähr mit folgenden Investitionskosten für eine Wärmepumpenanlage rechnen: mit oberflächennahem Erdwärmeregister (Wärmepumpe mit Kollektor, Anschlüssen und Warmwasserbereitung , Erdarbeiten 2.500, Brauchwasserspeicher 1.000, Elektroinstallationen 600, hausinterne Verteilung ). mit Erdwärmesonde (Wärmepumpe mit Anschlüssen und Warmwasserbereitung 8.200, Sonde und Bohrung 7.300, Brauchwasserspeicher 1.000, Elektroinstallationen 600, hausinterne Verteilung ). mit Grundwassernutzung (Wärmepumpe mit Anschlüssen und Warmwasserbereitung , Förder- und Schluckbrunnen 5.000, Brauchwasserspeicher 1.000, Elektroinstallationen 600, hausinterne Verteilung ). bei Nutzung der Umgebungsluft (Wärmepumpe mit Anschlüssen und Warmwasserbereitung 9.300, Fundament, Luftkanäle, Zubehör 1.900, Brauchwasserspeicher 1.000, Elektroinstallationen 600, hausinterne Verteilung ). Eine Erdgas-Brennwert-Heizanlage ist für etwa erhältlich (Kessel 3.100, Brauchwasserspeicher 1.000, Gasanschluss 1.800, Abgasleitung 2.100, Gas-/Elektroinstallation 300, hausinterne Verteilung ). Eine Niedertemperatur-Ölheizung kostet durchschnittlich (Kessel 3.800, Brauchwasserspeicher 1.000, Lagerung/Tank 1.900, Schornstein-Abgasleitung 2.100, Gas-/Elektroinstallation 300, hausinterne Verteilung ). Die Beträge sind alle einschließlich Mehrwertsteuer und stammen größtenteils aus einer Studie des Instituts für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), die in Abschnitt vorgestellt wird. Die Energieversorger liefern Wärmepumpenstrom derzeit üblicherweise für 10 bis 14 Cent. Als Jahreswirkungsgrad der Wärmepumpen wurden die Durchschnittswerte angenommen, die die Lokale Agenda- Gruppe 21 Umwelt/Energie im badischen Lahr in einem mehrjährigen Feldtest mit 33 Wärmepumpen ermittelt hat (Stand: Frühjahr 2008). Die Werte stammen zu zwei Dritteln von Wärmepumpen, die mit Fußbodenheizungen kombiniert sind. In Einzelfällen hat das Team Jahresarbeitszahlen über 4 gemessen. Die Stromverbrauchskosten für die Wärmepumpen ergeben sich folgendermaßen: Heizwärmebedarf (8.625 kwh) durch Jahresarbeitszahl mal kwh-preis (Wärmepumpe: 0,12 ). Die Erdgas-Brennwertheizung hat einen Wirkungsgrad von 100 % und kostet im Jahr: Heizwärmebedarf (8.625 kwh) mal kwh-preis (Erdgas: 8,2 Cent). Die Niedertemperatur-Ölheizung hat einen Wirkungsgrad von 92 % und verbraucht deshalb entsprechend mehr Kilowattstunden, um kwh Heizwärme zu erzeugen: Wärmebedarf (8.625 kwh / 0,92 = kwh) mal kwh-preis (Heizöl: 9,0 Cent). 1.1 Kostenanalyse und Wirtschaftlichkeitsberechnung 13

10 Stichwortverzeichnis Stichwortverzeichnis A Anschlussantrag 89 Anschlussgruppe 89 Aufstellungsort 72 B Betriebsart 45, 72 Bivalenzpunkt 57 Bohrverfahren 77 D DIN EN E Einschaltverzögerung 104 Einzelraumregelung 104 Eisbildung 48 Elektroanschluss 89 Entzugsleistung 34 J Jahresarbeitszahl 18, 29, 44, 66 Jahresbetriebsstunden 51 K Kältemittel 11 Kompressor 107 Kühlung 64 L Leistungszahl 29 M Mindestlaufzeiten 104 Mindestverlegeabstände 75 Mischventil 86 N Nachtabsenkung 104 U Umwälzpumpe 67, 87 V Vorlauftemperatur 67, 102 W Wärmekapazität 33 Wärmenutzungsanlage 85 Wasserqualität F Fachunternehmererklärung 116 Flächenheizung 67 G Grundwassermenge 52 H Hausdrainage 84 Heizgrenze Heizkreis 86 Heizkreispumpe 104 Heizkurve 103 Heizlastberechnung 70 Heizstab 109 Hydraulische Trennung 86 P Pufferspeicher 87 R Raumkühlung 38 Regelung 102 S Simulationssoftware 44 Sole 32 Solekreislauf 46 Sondenlänge 36 Sondentiefe 36 Sondertarif 89 Stromverbrauch 109 System Direkterwärmung 32 System Direktverdampfung 50