Optimierung der Jahresarbeitszahl bei bestehenden Erdwärmesonden-Wärmepumpenanlagen - Strategie und Beispiele -

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1 Optimierung der Jahresarbeitszahl bei bestehenden Erdwärmesonden-Wärmepumpenanlagen - Strategie und Beispiele - 1. Leistungszahl Arbeitszahl 2. Messung bestehender Erdwärmesonden- Wärmepumpenanlagen 3. Optimierung der Arbeitszahl mit 11 - Punkte-Check - Beispiele Hochschule München Versorgungstechnik München werner.schenk@hm.edu Ing.-Büro Prof. W. Schenk Rosenheim wpeffizienz.de 1

2 Definitionen hier: Leistungszahl COP: Arbeitszahl: COP = Heizleistung [kw] Antriebsleistung [kw] β = Heizarbeit [kwh] Antriebsenergie [kwh] 1. Leistungsaufnahme des Verdichters bei bestimmten Temperaturen: W10/W35, B0/W35, A2/W35 2. Anteilige Leistungsaufnahme der Pumpen zur Durchströmung der WP Optimierungsmöglichkeiten der Arbeitszahl: 1. Stromverbrauch Verdichter 2. Stromverbrauch Wärmequellenpumpe 1. Minimierung der Temperaturdifferenz Wärmequelle Wärmenutzung 2. Minimierung der Hilfsantriebe 3. Hoher COP der Wärmepumpe 2

3 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 3

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

5 Betriebsgebäude Dortmund hydraulisches Schaltbild Heizen oder passiv Kühlen optional 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 M 5 EWS a 130 m Abstand 6 m 20 % Monoethylenglycol turbulente Strömung

6 Bankgebäude Rosenheim Kompakt-Erdwärmesonden-Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen Gemessene Arbeitszahl: ß =1,9 Arbeitszahl Hauptfehler: Überdimensionierte WP: 50 kw für 300 m² = 15 kw Kurze Laufzeit der Verdichter Soleumwälzpumpe Hohe Leistungsaufnahme da 15 mws und Dimensionierung für 3 Verdichter läuft ständig: kwh von kwh 6

7 Regelung Überwachung pumpen Umwälz- Kühlung Erdwärme -sonden- anlage Nieder- u. Hoch- temperatur heizflächen Trinkwarmwasserbereitung Technischer Speicher Kombispeicher Hydraulik u. Fehlströmung Wärmepumpe 7

8 1. Datenanfrage und Analyse Gebäudedaten: 1. Baujahr 2. Beheizte Fläche 3. Heizlast Anlagedaten: 1. Hydraulischer Schaltplan 2. Wärmepumpe: Type, Daten 3. Systemtemperaturen der Wärmeverteilung 4. Einstellwerte zum hydraulischen Abgleich 5. Erdwärmesonden: 1. Auslegungsunterlagen: Simulation, W/m? bei Standartbedingungen: Kleinanlage: max. 50 W/m, Großanlage: max. 40 W/m 2. Bohrprofil, 3. Länge, 4. Abstand: min. 6 m besser 10 m 5. Type: Einfach- oder Doppel-U-Rohr; DN 25, 32 oder Frostschutz: Mono- oder Polypropylenglycol 7. Soletemperaturen 6. Messungen Wärmemengen 7. Messung elektr. Energiemenge/Stromrechnungen; für welche Verbraucher? Tarif? 8. Störungen, Reparaturen, Probleme Mögliche Ergebnisse: Auslegungsfehler Erdwärmesonde Planungsfehler Hydraulik Untypischer Wärmeverbrauch Untypischer Stromverbrauch Hoher Stromtarif Vorbereitung Vor-Ort-Termin: Zugänglichkeit Verteiler/Sammler-Schacht Kompetenz Regler-Bedienung 8

9 2. Wärmequelle Erdwärmesonde 1. Verteiler/Sammler Durchströmungskontrolle an allen EWS: Häufige Ursache für Stagnation: Luft Vereisung aller Vorläufe ähnliche Rücklauftemperatur oder Volumenstrommesser oder 9

10 2. Wärmequelle Erdwärmesonde 2. Technikraum 1. Messung Solekonzentration Refraktometer: 20 Vol.-% Monoethylenglycol 2. Messung aktueller Soletemperaturen in und aus der Wärmewärmepumpe nach 20 min Laufzeit; 1. Ziel: Eintrittstemperatur: Sommer: min 8 C; Winter: min. 0 C Temperaturen in die WP bei Dimensionierung 50 W/m Maxwerte 4 Minwerte

11 2. Wärmequelle Erdwärmesonde 2. Technikraum 2. Ziel: t = 3 6 K und Soletemperatur in EWS größer -3 C 5,3 5,2 5,1 5,0 4,9 4,8 4,7 4,6 4,5 4,4 4,3 4,2 COP = 5,20 Leistungszahlmessung konstante Solevorlauftemperatur COP m. Pumpe = 5,0 T Sole in K cop e 11

12 2. Wärmequelle Erdwärmesonde 3. Ermittlung Solevolumenstrom vv = KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK kkww 3600 KK/h [l/h] KK SSSSKKKKSSSSSSKKSSKKSS KK SSSSKKKKSSSSSkkKKSSKKSS 3,85 kkkk 1,04kkKK/KK kkkkkk 4. Ermittlung von Förderhöhe der Soleumwälzpumpe Ziel p ges = 4 6 mws Filter Reinigen Recherche Druckverlust von Verdampfer und verdächtigen Armaturen: Leitungen, Entlüfter, Absperrschieber, 5. Ausdehnungsgefäß: Vordruck: z.b. 0,7 1 bar bei leerer Anlage oder entkoppelt Anlagenfülldruck: Vordruck + 0,3 bar 12

13 2. Wärmequelle Erdwärmesonde 6. Soleumwälzpumpe - Betriebsbedingungen 1. Prüfung Rechtsdrehfeld; Messung: elektrisch, magnetisch oder Schraubenzieher 2. Wirtschaftlichkeitsprüfung turbulente Strömung 32mm Doppel-U-Rohrsonde, 20 % Monoethylenglycol mindestens l/erdwärmesonde 40mm Doppel-U-Rohrsonde, 20 % Monoethylenglycol mindestens l/erdwärmesonde Vergleich laminar - turbulent Randbedingungen Heizleistung 100 kw durchschnittlicher COP bei B0W35 4 Entzugsleistung 75 kw spezifische Entzugsleistung 0,05 kw/m Vollbenutzungsstunden Heizen 1800 h/a Länge einer EWS 100 Durchmesser 32 x 3 mm Länge der EWS 1500 m Anzahl 15 konstante Vorlauftemperatur Konstante Erdreichtemperatur Anhebung der Soletemperatur bei turbulenter Strömung 3 4 laminar turbulent turbulent dt K Volumenstrom gesamt m³/h 16,92 22,56 33,83 Volumenstr je EWS m³/h 1,13 1,50 2,26 Reynoldszahl , ,80 Druckverlust EWS Pa , ,44 Druckverlust WP Pa Druckverlust Summe Pa mws 3,1 6,2 13,3 Pumpe 50-1,9 65/ Stratos Stratos IP E P1 kw 0,28 0,70 2,47 dp Verdampfer bei dt 4 K 25 % Monethylenglycol Pa P1 Kompressor 0, ,125 22,50 Summe Strom 25,3 23,8 25,0 COP incl. SoleUWP 3,96 4, ,00

14 2. Wärmequelle Erdwärmesonde 7. Soleumwälzpumpe: Dimensionierung prüfen und Wirtschaftlichkeit einer Hocheffizienzpumpe prüfen MHI Stratos 30/1-8 Förderhöhe mws 9 ideal 4 Fördermenge m³/h 7 ideal 3 P1 W Vollbenutzungsstundenh/a elektrische Energie kwh/a Verbrauchskosten/a 0, Verbrauchskosten/20a 0, Verbrauchskosten/20a 0,30 /kwh MHI Stratos 30/1-8 14

15 2. Wärmequelle Erdwärmesonde 8. Anschluss Verdampfer: Gleichstrom Gleichstrom Gegenstrom Gegenstrom Ziel: Verdampfer und Kondensator müssen im Gegenstrom durchströmt werden Bei Gleichstrom: Beispiel: Einfamilienhaus Wärmeverbrauch 3 K tiefere Verdampfungstemperatur 3 K höhere Kondensationstemperatur kWh/a Gegenstrom Gleichstrom Verdampfungstemperatur 0-3 Kondensationstemperatur berechnete Leistungszahl 4,3 3,55 Stromverbrauch Verdichter [kwh/a] Stromverbrauch Verdichter [kwh/a] Gegenstrom 21 % Gleichstrom Stromverbrauch Verdichter [kwh/a] 15

16 3. Wärmepumpe 1. Kältemittelmangel? 1. Schauglas: blasenfrei nach spätestens 2 Minuten 2. Öl am Kältekreislauf bzw. Boden: meist Kältemittelverlust HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH [kkkk] 2. Ermittlung Leistungszahl = COP = KKKKKKkkKKSSKKKKSShKK LLKKKKKKKKKKKKKKKKSSKKSSKKSShKKLLLL VVKKSSVVKKSShKKKKSS [kkkk] Messung elektrische Leistung und Heizleistung: gleichzeitige Messung bei möglichst konstanten Wärmequellen- und Heizwassertemperaturen Elektrische Leistung: mobile Leistungsmessung oder EVU-Zähler Heizleistung: fest installierter oder mobiler Heizleistungsmesser mit Volumenstrommessung; Ermittlung der Heizleistung über Daten des Kältekreislaufes setzt intakten Kältekreislauf voraus Verbrauchskosten 20 a 0,3 /kwh % vor Optimierung nachher 16

17 4. Hydraulik: Fehlströmung Effizienz der Anlage RLT- Anlage FB-Heizung m² 93 kw WP 1 In Betrieb WP 2 aus 2 C 0 C 4 C 4 C Fehlströmung: Kein maximal möglicher Volumenstrom für WP1 Temperatur am Verdampferaustritt ist tiefer als Temperatur zur Wärmequelle 17

18 4. Hydraulik: Fehlströmung Effizienz der Anlage RLT- Anlage FB-Heizung m² 93 kw WP 1 WP 2 0 C 0 C 4 C 2 C A Fehlströmung: 1. Scheinbar tiefe Quellentemperatur 2. Evtl. keine turbulente Strömung in Erdwärmesonde 18

19 4. Hydraulik: Fehlströmung Effizienz der Anlage Motorventile schließen sicherer als Rückschlagventile/-Klappen M M RLT- Anlage FB-Heizung m² 93 kw WP 1 WP 2 M M 19

20 5. Technischer Speicher, Kombispeicher 35 C 35 C 30 C 40 C 35 C WP WP WP 35 C 30 C Reihenspeicher Parallelspeicher Praxis: Vorlaufreduzierung oder Rücklaufanhebung 65 C % 40 C M Stromverbrauch Verdichter [kwh/a] C M W10/W35 W10/W40 20

21 6. Wärmeverteilung 1. Hydraulischer Abgleich Nach Berechnung Zumindest ähnliche Rücklauftemperaturen 2. Räume mit höchster Temperaturanforderung (Heizwasser) optimieren 1. Wärmeschutz prüfen 2. Volumenstrom messen (Rücklauftemperatur) und erhöhen 3. Heizflächen vergrößern: PK 33, Wanheizung, Gebläsekonvektor, sep. elektrische Ergänzungsheizung (zeitlich gesteuert) 21

22 7. Trinkwarmwasserbereitung 60 C 60 C 62 C 60 C 65 C 60 C 65 C 63 C 65 C 10 C 65 C 60 C 60 C 58 C 60 C 25 C 60 C 0,2 m² Glattrohr-WT /kw 10 C innenliegender Glattrohrwärmetauscher außenliegender Plattenwärmetauscher Frischwassersystem Platten-WT Frischwassersystem Innen liegender WT 1. Dimensionierung Wärmetauscher prüfen 2. Solltemperatur so tief wie möglich: Abstimmung mit Komfortanspruch und Anforderungen DVGW Möglichst seltene Freigabe: Komfort 1. Platzierung des Fühlers möglichst oben oder 2. Freigabezeit einschränken 22

23 8. Regelung Bei Wärmepumpen: 1. Hydraulischer Abgleich 2. Einstellung der Rücklauftemperatur 3. Optimierung der Heizkurve nach unten; keine Sicherheitszuschläge 4. Keine Nachtabsenkung 35 C 30 C häufige Einstellung optimal 10 K zu viel t WP 30 C Beispiel: Heizlast 100 kw Wärmeverbrauch kwh/a B0/B35 B0/W45 Leistungszahl 4,5 3,4 Stromverbrauch Verdichter [kwh/a] Verbrauchskosten 20 Jahre, 30 Ct/kWh Einsparung 24% B0/B B0/W45 Verbrauchskosten 20 Jahre, 30 Ct/kWh 23

24 9. Kühlung 1. Kompressionskälteerzeugung vermeiden 1. Großflächige direkt durchströmte Kühlregister (Lüftung) 2. Wenn Trennwärmetauscher: obere und untere Grädigkeit max. 2 K Stunden-Kühlung mit hoher Kaltwassertemperatur 2. Laufzeit Sole- und Kaltwasserpumpen kontrollieren 3. Ganzjahreskälteerzeugung (Server) mit freier Kühlung betreiben BTK 200 kw Server 20 kw M WP Beispiel: Bürogebäude BTK kw 200 Vollbenutzungsstunden h 800 Kältebedarf kwh/a Serverkühlung kw 20 Vollbenutzungsstunden h Kältebedarf kwh/a Summe kwh/a freie Kühlung Kaltwasserpuffer ohne mit P1 Pumpen kw 4 4 Betriebsstunden h/a Strombedarf kwh/a Energiekosten /a Arbeitszahl 9,6 41,9 Mit Kaltwasserpuffer steigt die Arbeitszahl von 10 auf 42 24

25 10. Umwälzpumpen 1. Überprüfung der Einstellung 2. Ggf. Wirtschaftlichkeitsprüfung von Hocheffizienzpumpen UPS Magna Förderhöhe mws 2,38 2,38 Fördermenge m³/h 4,7 4,7 P1 W Vollbenutzungsstunden h/a elektrische Energie kwh/a Verbrauchskosten/a 0, Verbrauchskosten/20a 0, Verbrauchskosten/20a 0,30 /kwh UPS Magna

26 11. Dokumentation/Überwachung 1. Dokumentation Einstellungsänderungen mit Datum: Einstellung Heizkurve, 2. Ermittlung Arbeitszahl monatlich, dann jährlich Excel-Datei Datum Zähler 1 KWh Zähler 2 KWh Zähler 3 KWh Wärmemen genzähler Vorlauf t C Betriebs-h Schaltunge n Arbeitszahl WP MWh WP 8, ,0 3686, ,4 3, ,4 3708, ,1 5,19 5, ,6 3737, ,6 7,92 5, ,2 3759, ,5 10,47 5, ,1 3786, ,2 13,15 5, ,4 3821, ,0 15,13 5, ,2 3874, ,5 17,83 6, ,3 3907, ,6 19,31 6, ,0 3951, ,7 22, , ,7 3994, ,2 25, , ,0 4039, ,6 28, , ,0 4087, ,0 30,51 6, ,9 4125, ,4 32, , ,0 4168, ,6 35, , ,5 4211, ,3 38,00 5, ,1 4253, ,7 40, , ,3 4295, ,7 41,9 6, ,2 4338, ,5 44,13 5, ,6 4380, ,3 46,49 5, ,4 4426, ,5 48, , ,5 4465, ,3 50, , ,4 4505, ,3 51, , ,9 4545, ,5 51, ,53 Arbeitszahl ß 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Datum 26

27 Zusammenfassung 1. Mit dem 11-Punkte-Check wurden bei bestehenden Erdwärmesonden-Wärmepumpenanlagen Energieeinsparungen zwischen 10 und 50 % erreicht 2. In der Regel lohnt es sich, alle Punkte zu prüfen 3. Die Arbeitszahl der Wärmepumpenanlage sollte anfangs monatlich und ab dem 2. Jahr jährlich dokumentiert und gegebenenfalls optimiert werden 27