OEF2S4598 Die Wärmepumpentechnik in der aktuellen Umwelt und Energiesituation G. Faningcr OEF2S4598 Oktober 1991 F O R S C H U N G S Z E N T R U M S E I B E R S D O R F
OEFZS4598. Oktober 1991 DDE WÄRMEPUMPENTECHNIK IN DER AKTUELLEN UMWELT UND ENERGIESITUATION Gerhard Faninger Vortrag, gehalten beim internationalen Symposium "Erdgekoppelte Wärmepumpen", 7. 9. Oktober 1991 JustusLiebigUniversität Gießen Mit Unterstützung durch das Bundesministenum für Wissenschaft und Forschung (GZ 71.055/125/91) Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf Ges.m.b.H. A2444 Seibersdorf HAUPTABTEILUNG UMWELTPLANUNG
DIE WARMEPUMPENTECHNIK IN DER AKTUELLEN UMWELT UND ENERGIESITUATION KURZFASSUNG Gerhard Faninger Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf Umweltwärme, über die Wärmepumpentechnik genutzt, ist eine einheimische und erneuerbare Energiequelle. Die Nutzung von Umweltwärme entspricht den Zielsetzungen zukunftorientierter Energiekonzepte in bezug auf: a Reduktion von Primärenergie und Energieimporten, insbesondere Erdöl, B verstärkter Einsatz einer einheimischen und erneuerbaren Energie und B Reduktion von Kohlendioxidemissionen. Der effiziente Einsatz der Wärmepumpentechnik erfordert die Erfüllung einer Reihe von Randbedingungen, wie möglichst tiefe Temperatur des Heizungsmediums, fachgerechte Planung und Regelung. Ende 1990 waren in Österreich 96.000 Wärmepumpen installiert, mit einer Wärmeproduktion von 950 GWh im Jahr. Dies entspricht einer eingesparten Ölmenge von ca. 180.000 Tonnen pro Jahr. ABSTRACT Ambient heat, used by heat pump technologies, is a domestic and renewable source of energy. The utilization of ambient heat corresponds to the goals of a future oriented energy policy: B the reduction of primary energy requirements and imports, especially oil, the increased use of domestic renewable energies, a reduction of CO 2 emissions. The efficient use of heat pumps for space heating is determined by a number of criteria: low as possible supply temperatures of the heating system, appropriate designing and efficient control. In 1990, the number of heat pumps installed in Austria amounted to a total of about 96,000 systems. The present contribution of heat pump technology to the energy supply amounts to about 950 GWh per year (December 1990). This amount corresponds to a saved quantity of oil of about 180,000 tons per year.
1. Einführung Begrenzte Energieressourcen, die große Abhängigkeit von nichterneuerbaren Energiequellen, die Instabilität gegenwärtiger Energiesysteme, die weltweit steigende Nachfrage nach Energie, die zunehmende Gefahr nach Verteilungskämpfen für das in den Ressourcen knapper werdende Erdöl und insbesondere die zunehmende Belastung unserer Umwelt durch energiebedingte Emissionen sind ausreichende Argumente, die heutige Energieversorgung grundlegend zu überdenken. Das übergeordnete Ziel jeder zukunftsorientierten Energiepolitik muß es sein, ein Energiesystem auf der Basis erneuerbarer bzw. unerschöpflicher Energiequellen mit weitgehender Schonung der Umwelt aufzubauen. Diese Zielvorgaben können nur durch Einsparung an Energie, durch ein umweltbewußteres Verhalten und durch Konsumverzicht sowie durch verstärkten Einsatz erneuerbarer und lokal anfallender erneuerbarer Energiequellen in den heutigen industrialisierten Ländern einerseits und durch den Aufbau eines vorrangig auf Sonnenenergie basierenden Energiesystems in den sonnenreichen Entwicklungsländern andererseits realisiert werden. Der derzeitige Verbrauch von Erdöl, Erdgas und Kohle ist allerdings so gigantisch, daß ein rascher und vollständiger Ersatz dieser nichterneuerbaren Energieträger auch in fernerer Zukunft schwer vorstellbar ist. Um so mehr ist es erforderlich, den Anteil dieser Brennstoffe nicht nur aus Gründen ihres begrenzten Vorkommens, sondern vor allem auch aus Gründen, die mit der Umweltbelastung zusammenhängen, zielbewußt vom Markt mehr und mehr zu verdrängen und vielleicht auch einmal zu ersetzen. Die erneuerbare und lokal anfallende Energiequelle "Umwelrwärme" bietet eine Möglichkeit, diesen Zielvorgaben gerecht zu werden. 2. Umweltwärme und Wärmepumpe Unter Umweltwärme versteht man die in der unmittelbaren Umwelt (Luft, Wasser und Erdreich) in Form von Wärme gespeicherte Sonnenenergie. Umweltwärme ist somit eine erneuerbare und einheimische Energiequelle und weist ein sehr großes Potential auf. Die Bedeutung der Umweltwärme als Energiequelle liegt vor allem darin, daß diese auch in Jahreszeiten mit geringerer Sonneneinstrahlung verfügbar ist. In Ländern mit gemäßigtem Klima könnte die Umweltwärme neben Wasserkraft und Biomasse mit dazu beitragen, den Anteil erneuerbarer und einheimischer Energiequellen bei der Energieaufbringung bemerkenswert zu erhöhen. Die Nutzbarmachung der Umweltwärme ist mit der Wärmepumpe möglich. Die Funktion der Wärmepumpe beruht auf einem thermodynamischen Kreisprozeß, bei dem Wärme der Umwelt entzogen und diese durch Zuführung von Energie (für den Antrieb eines Kompressors) auf ein höheres Temperaturniveau angehoben wird. Die dem Verbraucher zugeführte Wärme (Nutzenergie) beträgt ein Mehrfaches der zum Antrieb der Wärmepumpe aufzuwendenden Energie. Die Möglichkeit zur Nutzbarmachung verschiedener Wärmequellen aus der Umwelt bedingt eine große Zahl verschiedener WärmepumpenHeizungssysteme, wie die
B B B B GrundwasserWärmepumpe, AußenluftWärmepumpe, ErdreichWärmepumpe, Wärmepumpe mit Energieabsorber. Als Wärmequellen kommen auch Seewasser, Thermalwasser, Fließwasser, wärmebelastetes Abwasser sowie abwärmbelastete Luft in Frage. Die durch Kombination von Wärmepumpe, Wärmequelle und Heizungsanlagen gegebenen vielseitigen Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen bringen naturgemäß Probleme bei der Auswahl des für einen bestimmten Anwendungsfall bestgeeigneten Systems. Wärmepumpen können bei Vorliegen einer über das ganze Jahr für den Wärmepumpenbetrieb geeigneten Wärmequelle (Grundwasser und Erdreich) ohne Zusatzheizung (monovalent) betrieben werden, sofern die maximalen Vorlauftemperaturen des Heizungssystems ca. 53 C nicht übersteigen. Der Einsatz von Wärmepumpen in Verbindung mit Heizkesseln (bivalenter Betrieb) kann sowohl im Parallel als auch im AlternativBetrieb erfolgen. Bei bivalenten WärmepumpenHeizungssystemen wird im allgemeinen die Außenluft als Wärmeentzugsmedium gewählt. Die Auslegung eines WärmepumpenHeizungssystems hat einerseits die Betriebscharakteristik der Wärmepumpe und andererseits die am Standort vorliegenden Randbedingungen (Wärmequelle, Vorlauftemperatur des Heizungssystems) zu berücksichtigen. Die Marktentwicklung der Wärmepumpentechnik in Österreich illustriert TAFEL 1. Im Jahre 1990 wurden in Österreich 6.420 BrauchwasserWärmepumpen und 790 Heizungs Wärmepumpen installiert. Ende 1990 waren in Österreich insgesamt ca. 96.100 Wärmepumpen in Betrieb, davon 79 % zur Warmwasserbereitung. Das bevorzugte WärmepumpenHeizungssystem ist heute die Erdreich/WasserWärmepumpe mit 53 %, gefolgt von der Luft/WasserWärmepumpe mit 32 % und der Wasser/WasserWärmepumpe mit 15 % des Inlandsmarktvolumens. Bei den ErdreichWärmepumpen dominieren heute die Systeme mit DirektVerdampfung. Der größte Einsatz der Heizungswärmepumpe liegt im Heizleistungsbereich 15 bis 30 kw. Ende 1990 betrug die gesamte installierte Heizleistung der in Österreich betriebenen Wärmepumpen ca. 419 MW, welches einem Jahreswärmeertrag von ca. 940 GWh entspricht. Damit werden etwa 177.000 Tonnen Heizöl pro Jahr eingespart. 3. Energetische und ökologische Bewertung von Wärmepumpen 3.1 Allgemeines Für die Einsparung an Brennstoffen bei der Wärmepumpentechnik sind die eingesetzten Energieträger (Dieselöl oder Gas bei Wärmepumpen mit Verbrennungskraftmaschine bzw. Strom bei ElektroWärmepumpen), sowie die mit der Wärmepumpe zu erzielende Jahresarbeitszahl von Bedeutung. Bei Einsatz des Sekundärenergieträgers Strom ist auf die
TAFEL 1 MARKTENTWICKLUNG DER WÄRMEPUMPENTECHNIK IN ÖSTERREICH IN ÖSTERREICH JÄHRLICH INSTALLIERTE WÄRMEPUMPENANLAGEN 1975 1990 ANZAHL In 1000 1976 76 77 78 79 80 81 82 83 84 86 8P BrauohwaaaerWärmep. Sohwimmbad,WRG Heizungen WÄRMEPUMPENANLAGEN IN ÖSTERREICH AUFGLIEDERUNG NACH SYSTEMEN HEIZUNGSWÄRMEPUMPE 60i MARKTANTEIL in % 42 40 20 LUFT/WASSER VWSSER/WASSER ERDREICH/WASSER 1988 M989 1990 ARGE Umweltenergie, BWK ÖFZ Selberedorl
Stromerzeugung Rücksicht zu nehmen: kalorisch, hydraulisch oder nuklear. Bei der Bewertung des Stromes ist es im Hinblick auf die in Österreich jahreszeitlich sehr unterschiedliche elektrische Energieerzeugungsstruktur schwierig, eine zum Vergleich geeignete Bezugsvariante zu wählen. Grundsätzlich bieten sich für energetische und ökologische Vergleiche (lufthygienische Belastung durch Emissionen) die folgenden Bezugsvarianten an: o a o Die gesamte derzeitige kalorische und hydraulische Stromerzeugung. Die gesamte derzeitige kalorische Stromerzeugung. Zukünftige kalorische Kraftwerke, mit den derzeit gültigen Umweltauflagen für Neuanlagen. Energetische und ökologische Bewertung auf der Basis der aktuellen Lieferung bzw. Bezüge elektrischer Energie durch das lokale Energieversorgungsunternehmen. Wärmepumpen zur Raumheizung werden sich zeitlich mit den Betriebsperioden der kalorischen Kraftwerke größtenteils decken und sind deshalb aus umwelthygienischer Sicht in bezug auf kalorische Kraftwerke relevanter als auf die gesamte elektrische Energieerzeugungsstruktur inklusive Wasserkraft. Demnach wäre ein Vergleich mit ausschließlich kalorischer Stromerzeugung gerechtfertigt. Auf dieser Basis werden derzeit auch in Österreich Bewertungen vorgenommen. Allerdings sprechen eine Reihe von Argumenten dafür, bei der energetischen und ökologischen Bewertung von Wärmepumpen zur Raumheizung die speziellen Charakteristiken der Stromerzeugung in Österreich und der Wärmepumpentechnik zu berücksichtigen: Die Wärmepumpe ist im Falle der Warmwasserbereitung ganzjährig in Betrieb und partizipiert damit auch von dem heute noch in ausreichender Menge in Österreich produzierten hydraulischen Strom in den Sommermonaten. Da die Warmwasserbereitung im allgemeinen über WarmwasserSpeicher erfolgt, sind Ausschaltzeiten über zwei Stunden möglich, sodaß Spitzenlaststrom im allgemeinen nicht beansprucht wird. H WärmepumpenHeizungsanlagen sind im allgemeinen so ausgelegt, daß auch längere Ausschaltzeiten zulässig sind: Anordnung von Pufferspeichern und/oder Bivalenzbetrieb. B Im Falle eines Stromengpasses werden in Österreich zur Abdeckung von Stromspitzen auch Speicherkraftwerke eingesetzt. Der derzeitige jährliche Stromeinsatz für Wärmepumpen in Österreich liegt noch unter 1 % des Endverbrauches an elektrischer Energie. Auch bei einem verstärkten Einsatz der Wärmepumpentechnik mit Strom als Antriebsenergie kann nicht erwartet werden, daß vor dem Jahre 2000 der jährliche Stromeinsatz für Wärmepumpen über 10 % des Endverbrauches an elektrischer Energie liegen wird. Zu diesem Zeitpunkt sollten alle kalorischen Kraftwerke sowohl energetisch als auch ökologisch im Sinne der für Neuanlagen geltenden gesetzlichen Regelungen in bezug auf Emissionen verbessert worden sein. Es ist deshalb gerechtfertigt, die energetische und ökologische Bewertung von elektrisch angetriebenen Wärmepumpen auf
einerseits moderne Heizkesselanlagen und andererseits moderne kalorische Kraftwerke zu beziehen. Auf dieser Basis werden auch die folgenden Bewertungen vorgenommen. 3.2 Einsparung von Primärenergie bei ElektroWärmepumpen Wird zum Antrieb einer ElektroWärmepumpe nicht Strom aus Wasserkraft, sondern aus kalorischen Kraftwerken verwendet, dann ist die Umwandlungskette von "Primärenergie" (Öl, Gas, Kohle) im Kraftwerk bis zum "Strom aus der Steckdose" zu beachten. TAFEL 2 zeigt den BrennstoffNutzungsgrad bei Heizungen mit Strom aus kalorischen Kraftwerken am Beispiel einer ElektroDirektheizung und einer ElektroWärmepumpenheizung. Demnach beträgt das Verhältnis von eingesetzter Primärenergie zur "Nutzenergie" in Form von Wärme im Falle der Elektroheizung mit Strom aus kalorischen Kraftwerken etwa 0,36 und bei elektrisch betriebenen Wärmepumpen ebenfalls mit Strom aus kalorischen Kraftwerken um etwa 1,1. Bei Nutzung der Abwärme (WärmeKraftKopplung, Heizkraftwerke) verbessert sich der PrimärenergieNutzungsgrad bei Strom aus kalorischen Kraftwerken entscheidend. Bei einem Wärmeversorgungssystem "Blockheizkraftwerk/ElektroWärmepumpe" erzielt man "Heizzahlen" um etwa 1,5. Im Vergleich dazu liegt die "Heizzahl" eines modernen Heizkessels über das Jahr betrachtet bei maximal 0,8 (SystemJahreswirkungsgrad). Erfolgt die Stromerzeugung über Wasserkraft, dann verringert sich der Einsatz von "fossiler" Primärenergie entsprechend um den Anteil der Wasserkraft bei der Stromerzeugung. In Österreich liegt derzeit der Anteil der Wasserkraft bei der Stromerzeugung bei 70% über das gesamte Jahr und um 50% im Winterhalbjahr. 3.3 Lufthygienische Bewertung von Wärmepumpen über Emissionen Ein wichtiges Kriterium für die Bewertung eines Heizungssystems bzw. auch von Maßnahmen zur Energieeinsparung ist die damit verbundene Verminderung der Umweltbelastung, die von Art und Menge der Emissionen bei der Wärmeerzeugung abhängt. Die lufthygienische Bewertung ("Luftbelastung") von Maßnahmen zur Energieeinsparung erfolgt über einen "Emissionskennwert". Mit diesem Kennwert kann die Luftbelastung durch Emissionen bei der Wärmeversorgung eines Gebäudes charakterisiert werden. Änderungen dieser Belastung aufgrund von Maßnahmen zur Energieeinsparung am Baukörper oder an der Heizungsanlage werden über die Änderung des "Emissionskennwertes" ausgedrückt. "Luftbelastung" bzw. "Emissionskennwert" sind somit Maße für die von einer Heizungsanlage verursachte lufthygienische Belastung, wobei die unterschiedliche Wirkung de. Schadstoffe Schwefeldioxid, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Staub, gasförmige Spurenstoffe, Schwermetalle u.a. über eine Gewichtung, welche auf den derzeit bekannten Grenzwertannahmen für Emissionen beruht, berücksichtigt wird. Die "Luftbelastung" einer Wärmeversorgungsanlage entspricht jener Luftmenge, die zur Verdünnung der Emissionen aus der Wärmeversorgungsanlage auf den Emissionsgrenzwert notwendig ist. Obwohl die auf diese Weise ermittelte "Luftbelastung" keine absolute Größe darstellt, da die
TAFEL 2 PRIMÄRENERGIEEINSATZ BEI HEIZUNGEN ELEKTRODIREKT und ELEKTROWÄRMEPUMPENHEIZUNG mit Strom aus kalorischen Kraftwerken PRIMÄR.ENERGIETRÄGER Ol.OAS.KQHtE ABWÄRME IFERNWAHMEI NUIZWARME SEKUNDAR'ENEROIETRAOER EIEKIROHEIZUNO NUTZWARME I RAUMWARME I NUTZENERGIE BLOCKHEIZKRAFTWERK und ELEKTROWARMEPUMPE ÖL (GASL BLOCK HEIZKRAFT WERK STROM NUTZWÄRME.
Bewertung der Auswirkungen von Schadstoffen auf die Umwelt noch nicht eindeutig möglich ist, so ist mit dieser Größe auf alle Fälle eine relative Bewertung von Maßnahmen zur Energieeinsparung nach Schadstoffemissionen zu erreichen. Ein weiterer ökologischer Kennwert für eine Heizungsanlage ist das mit der Heizung verursachte Kohlendioxid, welches als "Treibhausgas" für eine mögliche Klimaänderung in Betracht zu ziehen ist. Der lufthygienischen Bewertung einer Heizungsanlage wird ein überregionaler Betrachtungsrahmen zugeordnet, d.h. es werden auch die Emissionen der Energieerzeugung entfernt vom Standort (wie kalorische Stromerzeugung, FernwärmeHeizwerk) berücksichtigt. TAFEL 3 enthält Emissionswerte und Kohlendioxidemissionen für Zentralheizungsanlagen auf der Basis unterschiedlicher Brennstoffe und Heizungstechniken. TAFEL 4 vergleicht am Beispiel eines Wohnhauses in zwei verschiedenen Ausführungsformen (heutiger Standard und Zukunftsstandard) die Auswirkungen verschiedener Heizungssysteme auf den Einsatz von Brennstoffen und TAFEL 5 auf die Umweltbelastung, ausgedrückt durch die Emissionskennzahl und die Kohlendioxidemission als Jahreswert. Nach den Ergebnissen in TAFEL 4 sind mit Wärmepumpen beachtliche Einsparungen an Brennstoffen bei der Raumheizung zu erzielen: z.b. 76 % bei einer monovalent betriebenen Wärmepumpe im Vergleich zu einer Ölkesselanlage. 3.4 Ökologische Aspekte von ErdreichWärmepumpen mit Sole und Direktverdampfung Der Wärmeentzug aus dem Erdreich kann mit horizontal und vertikal (Erdsonden) verlegten Wärmetauschern erfolgen. Bei der horizontalen Verlegung von Wärmetauscherrohren wird eine Tiefe von 0,8 bis 1,5 m gewählt. Die Kunststroffrohre werden mit einer nicht gefrierenden Flüssigkeit "Sole", wie z.b. lebensmittelechtes WasserGlykolGemisch gefüllt. Wird die Erdwärme durch Direktverdampfung genutzt, dann werden an Stelle von Kunststoffrohren Kupferrohre, welche mit einer Kunststoffhülle vor Korrosion geschützt werden, verwendet. Auf dem Weg durch das Erdreich verdampft das Kältemittel direkt in den Rohren; Wärmetauscher und Umwälzpumpe entfallen. Ist eine flache Verlegung von Wärmetauscherrohren aus Platzgründen nicht möglich, dann bieten sich sogenannte "Grabenkollektoren" als Lösung an: Die Rohre liegen an den Seitenwänden eines etwa 3 m tiefen und rund 25 m langen Erdgrabens. Erdsonden werden bis zu 100 m verlegt. Um eine negative Beeinflussung des Erdreiches durch den Betrieb von Wärmepumpen zu vermeiden, ist dafür Sorge zu tragen, daß der Austritt von Sole bzw. Kältemittel durch beschädigte Wärmetauscher vermieden wird. Weiters sind Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, um bei Leckagen das Austreten des Wärmeträgermediums möglichst gering zu halten. Die Länge der Rohrschleifen sollte 100 m nicht übersteigen und jede einzelne Rohrschleife ist mit einem eigenen Absperrorgan auszurüsten. Da Leckagen bei den Rohrregistern nicht vollständig ausgeschlossen werden können, sollten im SoleKreislauf keine schwermetallhaltigen Korrosionsinhibitoren eingesetzt werden. Bei ErdreichWärmepumpenanlagen mit Direktverdampfung werden kunststoffbeschichtete
TAFEL 3 EMISSIONSKENNWERTE UND KOHLENDIOXIDEMISSIONEN FÜR ^NTRALHEIZÜNGSANLAGEN UND FERNWÄRME (überregionaler Betrachtungsrahmen) EBZ IN 1000 Nmj/kWh (bezogen auf den Nutzenergiebedarf) nach III CojEmissionen in kg/kwh (bezogen auf den BrennstofFbedarf) nach 121 ZENTRALHEIZUNG BRENNSTOFF Steinkohle (0,6 %S) Braunkohle (0,5 %S) Briketts (0,3 %S) Koks (0,6 %S) Heizöl EL (0,1 %S) Heizöl EL (0,2 %S) Erdgas (0,0 %S) Scheitholz (<0,1 %S) Holzhackgut (< 0,1 %S) Strom (kalorisch) EHeizung Wärmepumpe (e= 3) Wärmepumpe (e= 2,5) Steinkohle (0,6 %S) Heizöl L(l,0 %S) Erdgas (0,0 %S) Holzhackgut (<0,1 %S) Heizöl L (0,5 %S) Heizöl EL (0,3 %S) Erdgas (0,0 %S) Braunkohle (0,5 %S) n.u.: nicht umweltrelevant EBZ 204,0 112,0 102,0 52,5 3,1 4,7 1,5 108,0 10,8 10,6 3,5 4,2 GROSSE FERNWÄRME 6,1 1,3 0,4 KLEINE FERNWÄRME 8,4 9,4 6,3 1,2 28,7 E(CO 2 ) 0,338 0,349 0,356 0,374 0,280 0,280 0,187 n.u. n.u. 0,280 0,280 0,280 0,338 0,280 0,187 n.u. 0,280 0,280 0,187 0,349 11/ J. Spitzer: Emissionsbezogne Bewertung von Energieplanungsmaßnahmen. Forschungsgesellschaft Joanneum, Institut für Energieforschung, Graz; 1988 121 Energiebericht 1990 der Österreichischen Bundesregierung, Bundesministerium für Wirtschaftliche Angelegenheiten, Wien; 1990.
TAFEL 4 VERGLEICH VON SYSTEMEN ZUR RAUMHEIZUNG: A: ENERGIEEINSATZ und BRENNSTOFFEINSATZ JAHRESWÄRMEBEDARF FÜR RAUMHEIZUNG ANNAHMEN: JAHRESWÄRMEBEDARF kwh/jahr bezogen auf Wohnnutzfläche kwh/m 2, Jahr WOHNHAUS Hl 16.370 125 WOHNHAUS H2 10.250 80 JAHRESENERGIEEINSATZ FÜR RAUMHEIZUNG in kwh/ Jahr (Mengeneinheit/Jahr) BRENNSTOFF/ WÄRMEERZEUGER WOHNHAUS Hl kwh/ Jahr Vergleich mit Öl WOHNHAUS H2 kwh/ Jahr Vergleich mit Öl Ölkessel (15%) l) > 2) 22.800 (2.180 Liter) 100 13.700 (1.370 Liter) 100 Gaskessel (80%) 1)>2) 20.470 (2.150 m 3 ) 90 12.800 (1.345 m 3 ) 93 EDirektheizung( 100 %) 16.370 72 10.250 75 EDurchflußkessel(90%) 18.190 80 11.390 83 Hackschnitzel(60%) l) ' 2) 27.280 (7.105 kg) 120 17.090 (4.450 kg) 125 ElektroWärmepumpe (monovalent,erdreich) 3) 5.460 24 3.420 25 ElektroWärmepumpe (bivalent mit Ölkessel, AußenluftWärmepumpe) 4) 10.100 (5.694 kwh +440 Liter Öl) 44 6.270 (3.565 kwh +270 Liter Öl) 46 HINWEISE: 1) Annahmen betreffend Jahreswirkungsgrad für modenu Wärmeerzeuger 2) Heizwert: Ofenheizöl: 10,00 kwh/liter (Heizöl EL, 0,1 %S) Erdgas: 9,52 kwh/m 3 Hackschnitzel: 3,84 kwh/k» 3) Jahresarbeitszahl der monovalent betriebenen ErdreichWärmepumpe: 3,0 (maximale Vorlauftemperatur: 45 C) 4) Jahresarbeitszahl der bivalent betriebenen AußenluftWärmepumpe: 2,3 (maximale Vorlauftemperatur: 70 C). Anteil der Wärmepumpe an der Heizwärme: 80% 10
TAFEL 5 VERGLEICH VON SYSTEMEN ZUR RAUMHEIZUNG: EMISSIONSBEWERTUNG Emissionskennwert EKW und KohlendioxidEmission WÄRMEERZEUGER WOHNHAUS Hl EKW 1000 NnrVJahr co 2 kg/jahr WOHNHAUS H2 EKW 1000 NnrVJahr CO 2 kg/jahr Ölkessel (75%) 50.750 6.100 31.780 3.840 Gaskessel (80%) 24.560 3.830 15.380 2.400 EDirektheizung (100%) 173.520 (1) 86.760 (2) 4.580 (1) 2.290 (2) 108.650 (1) 53.330 (2) 2.870 (1) 1.440 (2) EDurchflußkessel (90%) 192.810 (1) 96.400 (2) 5.090 (1) 2.550 (2) 120.730 (1) 60.370 (2) 3.190(1) 1.600(2) Holzkessel (60%) 176.800 n.u. (3) 110.700 n.u. (3) ElektroWärmepuinpe (monovalent.erdreich) 57.880 (1) 28.940 (2) 1.530(1) 770 (2) 36.250 (1) 18.130(2) 960 (1) 480 (2) ElektroWärmepumpe (bivalent mit Ölkessel, AußenluftWärmepumpe) 70.506 (1) 40.330 (2) 2.820 (1) 2.030 (2) 44.140(1) 25.250 (2) 1.760 (1) 1.260 (2) HINWEISE: Annahmen betreffend Wärmebedarf und Wärmeerzeuger nach TAFEL 3. Die lufthygienische Bewertung erfolgt über den sogenannten Emissionskennwert EKW in Nm 3 Luft pro Jahr und über die KohlendioxidEmissionen (CO 2 ) in kg Kohlendioxid pro Jahr. (1) und (2): Strom zur Heizung wird kalorisch (1) und mit 50 % hydraulisch (2) bewertet. (3) n.u.: nicht umweltrelevant Berechnung: EDVPogramm "Energetische und ökologische Bewertung von Wohnbauten" G. Faninger und P. Stertz 11
Kupferrohre oder rostfreie Rohre eingesetzt, um die Gefahr eines Kältemittelaustritts in Folge von Undichtheiten durch Korrosion des Verdampfers klein halten zu können. Nach dem Einbau der eigentlichen kritischen Phase für Erdreichverdampfer werden diese Rohre mit Stickstoff abgedrückt und erst nach erfolgreicher Druckprüfung mit dem Kältemittel gefüllt. Im allgemeinen findet heute a.u Kältemittel das FCKW R 22 Verwendung. R 22 liegt bei Atmosphärendruck dampfförmig vor und wird zu den nicht wassergefährdeten Stoffen gezählt. Sollte es trotz aller Vorsichtsmaßnahmen zu einem Kältemittelaustritt im Erdreich kommen, dann wird das Kältemittel als dampfförmige Phase an die Oberfläche diffundieren, da der Dampfdruck von R 22 bei den in Frage kommenden Erdreichtemperaturen (0 bis 20 C) wesentlich höher ist als der Atmosphärendruck. Die Löslichkeit von R 22 im Wasser ist sehr gering, sodaß R 22 als unbedenklich für das Grundwasser einzustufen ist. Auch bildet R 22 in Verbindung mit Grundwasser keine giftigen Zerfalls bzw. Folgeprodukte und hat somit auch keinen toxischen Einfluß auf das Grundwasser. Bei der Planung von Wärmepumpenanlagen ist für eine ausgeglichene Wärmebilanz des Erdbodens als Wärmespeicher und Wärmequelle zu achten: Die entnommene Wärme muß durch natürliche Wärmeflüsse ausgeglichen werden (Sonneneinstrahlung, fließendes Grundwasser, Wärmefluß aus tieferen Schichten) oder über Solarkollektoren bzw. Abwärme sichergestellt werden. Im allgemeinen werden die natürlichen Wärmeflüsse zu einer ausreichenden Wärmeregenerierung des Erdreiches führen, wenn die in TAFEL 6 angegebenen Werte für die maximale Wärmeentzugsleistung in Abhängigkeit vom Boden nicht überschritten werden. 4. Betriebserfahrungen mit Wärmepumpen in Österreich Die Praxiserprobung von WärmepumpenHeizungssystemen erfolgt in Österreich im Rahmen eines Forschungsprogrammes "Österreichisches Meßnetz zur praktischen Nutzung der Sonnenenergie", welches seit dem Jahre 1976 im Auftrag des Bundesministeriums für Wissenschaft und Forschung durchgeführt wird. Zielsetzung dieses Forschungsprogrammes ist es, Betriebsdaten und Betriebserfahrungen im praktischen Betrieb zu gewinnen, um einen möglichst effizienten Einsatz von WärmepumpenAnlagen unter besonderer Berücksichtigung ökologischer Aspekte in Österreich zu fördern. Betriebsergebnissen aus der Praxis kommt insbesondere deshalb eine besondere Bedeutung zu, da die durch Kombination von Wärmepumpe, Wärmequelle und Heizungsanlage gegebenen vielseitigen Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen naturgemäß Probleme bei der Auswahl des für einen bestimmten Anwendungsfall bestgeeigneten Systems bringen. Die auf der Basis von Betriebsdaten erreichbaren Jahresarbeitszahlen bei Wärmepumpen Heizungssystemen sind TAFEL 7 zu entnehmen. Entscheidend für die erreichbare Arbeitszahl ist insbesondere die maximale Vorlauftemperatur. 12
TAFEL 6 WÄRMEENTZUG AUS DEM ERDREICH MIT VERTIKALWÄRMETAUSCHERN (SONDEN) Richtwerte Bodenbeschaffenheit Kies, trocken Kies, wasserführend Lehm, Schlier (Molasse) Kalkstein (massiv) feste Sedimente (z.b. Sandstein) Granit max. Wärmeentzug in W/m (bezogen auf AT=10 K, S0W35) 30 65 3545 4560 6065 6570 TAFEL 7 DERZEIT ERREICHBARE JAHRESARBEITSZAHLEN BEI WÄRMEPÜMPENHEIZÜNGSSYSTEMEN WÄRMEPUMPENSYSTEM MAXIMALE VORLAUFTEMPERATUR 45 C 50 C 70 C WASSER/WASSERWÄRMEPUMPE monovalent 3.3 2,8 bivalent 2,8 SOLE/WASSERWÄRMEPUMPE (Eidreich) monovalent 3,0 2,5 bivalent 2,5 SOLE/WASSERWÄRMEPUMPE (Erdreich mit DirektVerdampfung) monovalent 3,5 3.3 bivalent 2,8 LUFT/WASSERWÄRMEPUMPE monovalent (2,2?) bivalent 2,5 2.3 2,1 Die JahresArbeitszahl der Wärmepumpe gibt das Verhältnis von Wäi meabgabe und Sti'omaufhahme der elektrisch angetrieljenen Wärmepumpe an. Eine JahresArbeitszahl von 3 bedeutet, daß während eines Jahres im Durchs>chnitt mit 1 kwh Strom 3 k\ Nh Wärme erzeugt \ verden. 13
5. Zusammenfassung Mit Wärmepumpen ist es möglich, die einheimische und erneuerbare Energiequelle "Umweltwärme" bei der Wärmeerzeugung zu nutzen. Die dem Verbraucher zugeführte Nutzwärme beträgt ein Mehrfaches der zum Antrieb der Wärmepumpe aufzuwendenden Primär bzw. Sekundärenergie (bei Kompressionswärmepumpen Strom im Falle von Elektromotoren und Gas bzw. Öl bei Wärmepumpen mit Verbrennungskraftmaschine). Die WärmepumpenTechnik erfüllt somit die Ziele zukunftsorientierter Energiekonzepte in bezug auf: Substitution von insbesondere fossilen Brennstoffen, " Erhöhung der Versorgungssicherheit durch Nutzung einer einheimischen Energiequelle, Einsatz einer erneuerbaren und umweltfreundlichen Energiequelle. Die WärmepumpenTechnik ist eine in der Praxis bereits vielfach bewährte und anerkannte Heizungstechnik. In zunehmendem Maße wird das Erdreich als Wärmequelle für die Wärmepumpe herangezogen. Umfangreiche Betriebsdaten und Betriebserfahrungen an ausgeführten und im Rahmen von Forschungsprogrammen untersuchten Erdreich Wärmepumpen zeigen, daß ein effizienter und ökologisch akzeptabler Betrieb möglich ist. Es fehlen aber noch eindeutige Aussagen bzw. Richtlinien für eine ökologisch unbedenkliche Wärmeentnahme, mögliche Leistungsverbesserungen, insbesondere in der Systemtechnik, und für den Einsatz von neuen Kältemitteln. Die Bedeutung der Umweltwärme als einheimische und erneuerbare Energiequelle liegt vor allem darin, daß diese auch in Zeiten mit geringerer Sonneneinstrahlung verfügbar ist und damit einen wesentlichen Beitrag zur Energieaufbringung in Ländern mit gemäßigtem Klima leisten könnte. Das Potential an Umweltwärme ist sehr groß und könnte z.b. in Österreich neben Wasserkraft und Biomasse dazu beitragen, den Anteil erneuerbarer und einheimischer Energiequellen in Österreich bei der Energieaufbringung bemerkenswert zu erhöhen. Wesentliche Aufgaben der Forschung und Entwicklung wird es sein, die Effizienz der ErdreichWärmepumpen sowohl durch Verbesserung von Komponenten als auch von Systemen zu erhöhen und die Umweltbelastung weitgehend auszuschalten bzw. zu minimieren. Insbesondere die Umwelteinflüsse sind zu identifizieren, zu analysieren und darauf aufbauend Richtlinien für die fachgerechte Planung, Ausführung und Betriebsführung von ErdreichWärmepumpen auszuarbeiten. Literatur: 1. FANINGER.G. (1987):Die Bedeutung der WärmepumpenTechnik für die österreichische Energie und Umweltpolitik. Österreichische Zeitschrift für Elektrizitätswirtschaft, ÖZE, Jg. 40, Heft 10 2. FANINGER, G. & GARTNER J. (1987): WärmepumpenAnlagen in Österreich. Österreichische Zeitschrift für Elektrizitätswirtschaft, ÖZE, Jg. 40, Heft 10 14
3. FANINGER, G. (1988): Der derzeitige Beitrag der UmweltenergieTechnik zur Energieversorgung in Österreich. Österreichische Zeitschrift für Elektrizitätswirtschaft, ÖZE, Jg. 41, Heft 7, Juli 1988 4. FANINGER, G. (1989): Bewertung der Umweltrelevanz von FCKWArbeitsmitteln in Wärmepumpen. Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf, OEFZSA 1521, NU111/89; Oktober 1989 5. FANINGER, G. (1991): Die Marktentwicklung der Wärmepumpentechnik in Österreich 1990. Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf, OEFZSMärz 1991 6. FANINGER G. (1991): Praxiserprobung neuer Energietechniken: Teil 2: WärmepumpenHeizungssysteme. Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf, OEFZSOktober 1990 7. FANINGER G., HAAS R. & RITTER W. (1989): Austrian Experiences in Heat Pumps with Ground Coupled Storages. Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf, OEFZSA1390, NU99/89, Februar 1989 15
OEFZSBerichte Herausgeber, Verleger, Redaktion und Hersteller: österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf Ges.m.b.H. A2444 Seibersdorf, Tel. (02254) 80, Telex 014353 Alle Rechte vorbehalten.
F O R S C H U N G S Z E N T R U M S E I B C R S D O R F