Zukunftsoption Wärmepumpe-Solar-Kombisysteme Die Wärmepumpen-Technik Energie von der Sonne und aus der Umwelt Gerhard Faninger, Alpen-Adria Universität Klagenfurt, Österreich - 1 -
INHALT Zusammenfassung 1. Entwicklung des Wärmepumpen-Marktes in Österreich 2. Aktuelles zur Wärmepumpen-Technik 2.1 Wärmepumpen-Typen und Wärmequellen 2.2 Wärmepumpen und Solarthermie 2.3 Effizienz von Wärmepumpen-Heizungssystemen 2.4 Berechnungsprogramm zur Abschätzung der Effizienz von Wärmepumpen-Heizungssystemen 2.5 Feldtest von Wärmepumpe-Solar-Kombisystemen 2.6 Marktangebote für Wärmepumpe-Kombisysteme 2.7 Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik 2.8 Mit Energie-Effizienz und Erneuerbarer Energie zum Nachhaltigen Gebäude 3. Energetische, Ökologische und Ökonomische Bewertung von Heizungssystemen 3.1 Bewertungskriterien 3.2 Reduktionspotenzial für Primärenergie und CO 2 -Emission von Wärmepumpen-Heizungssystemen im Vergleich zu Heizkessel mit fossilen Energieträgern 3.3 Wirtschaftliche Bewertung von Heizungs-Systemen 3.4 Bewertungsmodell für Heizungssysteme 3.5 Elektro-Wärmepumpen: Strom-Bedarf und Strom-Angebot 4. Die Wärmepumpe in der öffentlichen Wahrnehmung 5. Die Rolle von Wärmepumpen-Solar-Kombisystemen in der Österreichischen Energiestrategie 2050 6. Entwicklungspotenzial der Wärmepumpen-Technik 7. Zukunftsoptionen für die Wärmepumpen-Technik und Anforderungen an Hersteller, Planer und Errichter 8. Ausblick Quellennachweis Impressum: Autor: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. mont. Gerhard Faninger - seit 2007 im Ruhestand - ist weiterhin als außerordentliches Mitglied an der Fakultät für Interdisziplinäre Forschung und Fortbildung (iff) der Alpen-Adria-Universität Klagenfurt, Institut für Interventionsforschung und Kulturelle Nachhaltigkeit (IKN), sowie als Universitätslektor an der TU Wien, Energy Economics Group, EEG, tätig. Mitglied des Wissenschaftlichen Beirates und bis 2013 Vorstandmitglied von AEE INTEC (Institut für Nachhaltige Technologien, Gleisdorf ). gerhard.faninger@uni-klu.ac.at http://www.uni-klu.ac.at/iff/ikn/inhalt/18.htm#energie_und_umwelt - 2 -
Zusammenfassung Die Marktentwicklung der Wärmepumpen-Technik seit Beginn der Markteinführung im Jahre 1976 ist gekennzeichnet durch unterschiedliche Entwicklungs-Perioden. Einer ersten Phase starker Marktdiffusion von Brauchwasserwärmepumpen in den 1980er Jahren folgte ein deutlicher Markteinbruch in den 1990er Jahren, gefolgt von einer starken Marktdiffusion von Heizungswärmepumpen ab dem Jahr 2001. Die Verbreitung von Heizungswärmepumpen fand ab dem Jahr 2001 parallel zur Marktdiffusion von energieeffizienten Gebäuden statt, die durch geringen Heizwärmebedarf und geringe Heizungsvorlauftemperaturen einen energieeffizienten Einsatz dieser Technologie ermöglichen. In den letzten Jahren haben sich die Zuwächse allerdings reduziert und der Markt stagniert. Wirtschaftskrise und geänderte Förderungsmaßnahmen werden als Ursache angesehen. Insbesondere war aber auch ein Rückgang bei der Errichtung neuer Wohnbauten zu verzeichnen. Standen am Beginn der Markteinführung Wärmepumpen noch mit thermischen Solaranlagen in Konkurrenz, so werden heute Wärmepumpen-Solar-Kombisysteme am Markt nachgefragt. Wurde am Beginn der Markteinführung die Wärmepumpen-Technik in der öffentlichen Wahrnehmung als effiziente Stromheizung eingestuft, so wird diese heute als ein wichtiges Instrument zur Nutzbarmachung der lokal anfallenden erneuerbaren Energiequelle Umweltwärme (indirekte Solarenergie und oberflächennahe Geothermie) eingestuft. Damit ergeben sich auch energetische (Primärenergie-Aufwand) und ökologische (kumulierte CO 2 - Emissionen) Vorteile im Vergleich zu Heizkessel mit fossilen Energieträgern. Beispielweise werden mit einer SOLE/Wasser-Wärmepumpe die erforderliche Heizenergie um 80%, der Primärenergie-Aufwand um 77% und die kumulierte CO 2 -Emission um 90% im Vergleich zu einem Öl-Brennwertkessel reduziert. Wärmepumpen erfüllen damit die Kriterien für ein Nachhaltiges Energiesystem. Damit hat sich die Wärmepumpen-Technik als Instrument zum Klimaschutz positioniert. Wärmepumpen-Heizungssysteme konnten sich in den letzten Jahren zu einer am Markt dominierenden Heizungstechnik etablieren. Im Neubau insbesondere Einfamilien- Wohngebäude außerhalb einer Fernwärmeversorgung sind heute Wärmepumpen-Heizungen dominierend. Die Wärmepumpen-Branche hat sich in Österreich zu einem Wirtschaftsfaktor entwickelt - mit positiven Auswirkungen auf inländische Wertschöpfung und Beschäftigung. Wesentliche Argumente für den Einsatz der Wärmepumpen-Technik sind: Hoher technischer Entwicklungsstand. Genormte Methoden zur Sicherstellung des Qualitätsstandards. Betriebserfahrungen zur Planung und Installation von Wärmepumpen-Heizungen mit hoher Effizienz. Hoher Ausbildungsgrad von Installateuren ( zertifizierter Wärmepumpen-Errichter ). Vertrauensbildende Maßnahmen von Seiten der Wärmepumpen-Hersteller und Installateure: Erfolgskontrolle und Service-Leistungen, Beratung nach standortspezifischen Kriterien und Erwartungen der Energiekonsumenten. - 3 -
Für den Energiekonsumenten sind vor allem die folgenden Fakten von Bedeutung: Langjährig erprobte Wärmepumpen-Techniken und Betriebserfahrungen. Kein Lagerraum für Brennstoffe erforderlich. Keine Emissionen am Standort; auch kein Feinstaub. Hoher Heizkomfort. Bessere Kalkulierbarkeit der Betriebskosten (Strom) im Vergleich zu fossilen und biogenen Brennstoffen. Argumente für Energie-Politik und Energie-Wirtschaft sind: Beitrag der erneuerbaren Energiequelle Umweltwärme zum Wärmeaufkommen. Hohes Potenzial zur Reduktion des kumulierten Energieaufwandes (Primärenergie) und der kumulierten CO 2 -Emission in Bezug auf Wärmeerzeuger mit fossilen Energieträgern. Die Wärmepumpen-Technik ist heute eine wichtige Säule zur Realisierung eines Nachhaltigen Energiesystems im Sektor Wärmeversorgung von Gebäuden. Für die Effizienz bzw. Leistungsfähigkeit einer Wärmepumpen-Anlage ist die Auslegung der Wärmeverteilung von besonderer Bedeutung: die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Arbeitstemperatur (Heizwärme und Warmwassertemperatur) ist möglichst gering zu halten ( Wärmesenke ). Neubauten werden heute im Allgemeinen in energieeffizienter Bauweise errichtet und Altbau-Sanierungen lassen sich in Niedrigenergie- Bauweise realisieren. Damit ergeben sich optimale Voraussetzungen für einen energieeffizienten Einsatz von Wärmepumpen. Die Auslegung der Heizwasser-Verteilung sollte unter eine maximale Vorlauftemperatur (Auslegungstemperatur der Wärmeverteilung) von 40 C im Falle der Althaus-Sanierung und unter 33 C bei Neubauten sein. Für die Effizienz von Wärmepumpen-Heizungen sind viele Faktoren maßgebend. Diese beziehen sich auf die Auslegung des Heizungssystems, auf die angestrebte Raumtemperatur, auf die für den Einsatz einer Wärmepumpe maßgebenden Einsatzbedingungen, auf die Auslegung der thermischen Solaranlage und auf die Betriebsweise. Für optimale Bedingungen eines effizienten und ökologisch vertretbaren Wärmepumpe-Heizungssystems sind Planung, Auswahl der Komponenten, Ausführung und Benutzerverhalten verantwortlich. In der Praxis treten erfahrungsgemäß zum Teil deutliche Unterschiede in den der Planung zugrunde gelegten (theoretischen) Jahresarbeitszahlen und den im praktischen Betrieb erreichbaren Werten auf. Der Markt verlangt deshalb - zur Verbesserung der Akzeptanz bei Betreibern auf Einsatzort und Anwendung abgestimmte Systeme, welche einfach auszuführen und zu betreiben sind. Dies könnte beispielsweise über Gütezeichen mit Zertifizierung und Abnahme der betriebsbereiten Anlage unter Verwendung einer Checkliste mit Einarbeitung des Betreibers erfolgen. Auch eine einfache Beobachtung der Anlage (messtechnische Begleitung) erscheint sinnvoll. Auch die im Vergleich zu SOLE/Wasser- und WASSER/Wasser-Wärmepumpen in der Effizienz benachteiligten LUFT/Wasser-Wärmepumpen mit Außenluft als Wärmequelle sollten im Hinblick auf einen möglichst breiten Einsatz in Betracht gezogen werden. So kann die Effizienz von Außenluft-Wärmepumpen einerseits durch Luftvorwärmung über Erdreich- Wärmetauscher verbessert werden, oder die Wärmepumpe wird bivalent in Verbindung mit einem zweiten Wärmeversorger (z.b. Heizkessel, Elektro-Direktheizung oder Fernwärme) betrieben, wobei die Wärmepumpe die Wärmeversorgung bis +2 C alleine übernimmt, von +2 C bis 5 C gemeinsam mit dem zweiten Wärmeversorger, und unter - 5 C ist nur der zweite Wärmeversorger in Betrieb. Eine derartige bivalente Wärmeversorgung erfordert - 4 -
zwar höhere Investitionskosten, die Wärmepumpe deckt aber zumindest 80% der jährlichen Wärmeversorgung zu günstigeren Betriebskosten ab, und die Versorgungssicherheit wird erhöht. Eine neue Option bietet die Kombination von Wärmepumpe und solarthermischer Anlage: Wärmepumpe-Solar-Kombisysteme. Damit werden die System-Jahresarbeitszahlen deutlich verbessert. Wärmepumpen sind aber auch in der dringend erforderlichen Althaus-Sanierung von Bedeutung. Für Hersteller und Planer stellt sich die Aufgabe, die für den Einsatz von effizienten Wärmepumpenanlagen erforderlichen Randbedingungen zu schaffen, wie möglichst geringe Auslegungstemperaturen, auch mit Nutzung von Niedertemperatur- Radiatoren. Wärmepumpen lassen sich auch zur Raumklimatisierung heranziehen. Diese Anwendung wird mit heißeren Sommermonaten an Bedeutung gewinnen. Wärmepumpen in Verbindung mit strom-effizienten Haushaltsgeräten und Beleuchtung könnten den Strombedarf für zukünftige Wärmepumpen-Anlagen abfangen. Der ideale Strom für den Betrieb von Wärmepumpen ist natürlich Strom aus Erneuerbarer Energie: Ökostrom. Wärmepumpe-Solar-Kombisysteme werden heute am Markt in verschiedenen Kombinationen angeboten. Grundsätzlich lassen sich diese zwei Konzepten zuzuordnen: - Solaranlage und Wärmepumpe arbeiten unabhängig voneinander - zwar mit gemeinsamer Nutzung des Wärmespeichers, aber ohne Interaktion. - Bei Wärmepumpe-Solar-Kompaktsystemen wird eine Interaktion der Solaranlage und der Wärmepumpe mit Ausnutzung von möglichen Synergieeffekten angestrebt. Die Wärmepumpe nutzt dabei direkt oder indirekt über einen Wärmespeicher die Solarwärme als Wärmequelle. Über ein intelligentes Energiemanagement mit bedarfsgerechter Steuerung - soll der Einsatz von Solarwärme und Umweltwärme für Heizung und Warmwasser auf den tatsächlichen Wärmebedarf abgestimmt werden. Mit einer im Gebäude integrierten Photovoltaikanlage lässt sich der Strom zum Antrieb der Wärmepumpe und auch für Hilfsstrom, Haushaltsgeräte und Beleuchtung teilweise und auch darüber abdecken. Damit lassen sich PLUSEnergie-Gebäude realisieren. Die Vielfalt von Wärmepumpen-Systemen - Wärmequellenanlage, Wärmeverteilung, Hydraulik- und Regelungskonzept bietet die Möglichkeit, ein dem Standort und Einsatzzweck energie-optimiertes Wärmepumpen-Heizungssystem zu planen und auszuführen. Entscheidend für einer energie-effizienten Betrieb ist aber auch die Betriebsweise und das Anforderungsprofil von Seiten des Betreibers: Erwünschte Raumtemperatur, Temperaturabsenkungen, Ein- und Ausschaltzeiten. Die Wärmepumpe in Verbindung mit einer Solarthermischen Anlage hat zusammen mit Biomasse-Heizkessel das Potential, die Vorgaben der Österreichischen Energiestrategie 2050 im Bereich des Gebäudesektors zu realisieren: Substitution fossiler Energieträger durch Erneuerbare Energieträger. Wärmepumpe/Solar- und Biomasse/Solar-Kombiheizungen stehen nicht in Konkurrenz, sondern ergänzen sich. Lokale Gegebenheiten mit Verfügbarkeit von Biomasse und Vorstellungen des Konsumenten (Versorgungssicherheit, Preisentwicklung, Umwelt) werden die Auswahl bestimmen. Biomasse-Heizungen sind nicht an Niedertemperatur-Heizungen gebunden, erfordern aber einen Lagerraum und persönlichen Einsatz. - 5 -
Energie-Effizienz und Erneuerbare Energie im Gebäudebereich Energie-Effizienz im Gebäudesektor und Erneuerbare Energie in Form von Solarwärme, Umweltwärme, Biowärme und PV-Strom sind die Säulen für die Planung und Realisierung von Nachhaltigen Gebäuden. In diesen Gebäuden kann auf fossile Energieträger und Atomstrom (aus dem öffentlichen Netz) bei der Wärme- und Stromversorgung verzichtet werden. Die Wärmepumpen-Technik weist noch hohe Entwicklungspotenziale auf: Steigerung des Wärmeertrages von Kombisystemen mit verbesserten Lösungsansätzen, effiziente Außenluft- Wärmepumpen in Bereich der Altbau-Sanierung auch zum Zweck der Entfeuchtung, Weiterentwicklung von Hybridlösungen für Heizung, Kühlung und Klimatisierung in Wohngebäuden als zusätzliche Komfortmaßnahme, Nutzung neuer Wärmequellenanlagen wie z.b. von Betriebsabwärme in Autobahntunnels oder U-Bahn Schächten, von Großrechenanlagen, Kraft-Wärmekopplungen, von Prozessen aus dem Bereich der Nahrungsmittelindustrie und der chemischen Industrie, aus urbanen Infrastrukturen wie Fernund Nahwärmenetze, Abwasser- und Trinkwasserleitungen sowie von Abwärme aus der Verkehrsinfrastruktur. Weiters Gas-Wärmepumpen zum Beheizen, Kühlen, Klimatisieren und Entfeuchten als Ersatz von Erdgas-Kessel - mit einem höheren Systemwirkungsgrad von 20 bis 30 Prozent, spezielle Hochtemperatur-Wärmepumpen über industrielle Abwärme, dem Rücklauf aus der Fernwärmeversorgung oder aus industriellen Kühlungsprozessen. Wärmepumpen können in zukünftigen Netzen eine Lastausgleichsfunktion und auch eine Speicherfunktion übernehmen: Smart Grids. Eine effiziente Wandlung des Stroms in Wärme und in Verbindung mit Wärmespeicherung kann zu einer deutlichen Steigerung der Eigenbedarfsdeckung führen und damit die Wirtschaftlichkeit der PV-Anlage steigern: Kombination mit Photovoltaik. - 6 -
1. Entwicklung des Wärmepumpen-Marktes in Österreich Die historische Entwicklung des Wärmepumpenmarktes ist von einer ersten Phase starker Marktdiffusion von Brauchwasserwärmepumpen in den 1980er Jahren, einem deutlichen Markteinbruch in den 1990er Jahren und einer starken Marktdiffusion von Heizungswärmepumpen ab dem Jahr 2001 gekennzeichnet. Die Verbreitung von Heizungswärmepumpen fand ab dem Jahr 2001 parallel zur Marktdiffusion von energieeffizienten Gebäuden statt, die durch geringen Heizwärmebedarf und geringe Heizungsvorlauftemperaturen einen energieeffizienten Einsatz dieser Technologie ermöglichen. In den letzten Jahren haben sich die Zuwächse allerdings reduziert und der Markt stagniert. Wirtschaftskrise und geänderte Förderungsmaßnahmen werden als Ursache angesehen. Insbesondere war aber auch ein Rückgang bei der Errichtung neuer Wohnbauten zu verzeichnen /1/. Der Zukunftsmarkt für Wärmepumpen wird trotzdem positiv eingeschätzt, unterstützt durch vertrauensbildende Maßnahmen wie Standardisierung, fachgerechte Planung und Ausführung mit Qualitätssicherung und verbesserte Beratung und Betreuung sowie günstigere Einsatzbedingungen in energie-effizienten Gebäuden als neuer Baustandard. Mit Solar- Kombiheizungen wird die Effizienz von Wärmepumpen-Anlagen und damit der Beitrag Erneuerbarer Energie zur Wärmeversorgung signifikant gesteigert. Wärmepumpen-Markt 2012 Der Gesamtabsatz von Wärmepumpen (Inlandsmarkt plus Exportmarkt) stieg vom Jahr 2011 auf das Jahr 2012 von 25.271 Anlagen um 9,8 % auf 27.754 Anlagen. Dabei war vor allem im Sektor Heizungswärmepumpen bis 20 kw ein deutliches Wachstum der Verkaufszahlen um 14,0 % zu verzeichnen. Es wuchsen in diesem Sektor sowohl Inlandsmarkt (+12,7 %) als auch Exportmarkt (+16,6 %). Sektorale Rückgänge konnten bei Heizungswärmepumpen im großen Leistungssegment (>80 kw), bei Lüftungswärmepumpen und im Inlandsmarkt für Brauchwasserwärmepumpen beobachtet werden. Der Anteil des Exportmarktes am Gesamtabsatz betrug im Jahr 2012 nach Stückzahlen 37,0% und wuchs damit im Vergleich zu 2011 geringfügig. Die österreichische Wärmepumpenbranche (Produktion, Handel und Installation) konnte im Jahr 2012 einen Gesamtumsatz von 212,3 Mio. Euro und einen Beschäftigungseffekt von ca. 1.127 Vollzeitarbeitsplätzen verzeichnen. Aufgrund des in Betrieb befindlichen Wärmepumpenbestandes in Österreich konnten im Jahr 2012 Nettoemissionen von ca. 431.500 Tonnen CO 2 äqu vermieden werden. Derzeitige Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen fokussieren bei Wärmepumpensystemen zurzeit auf Kombinationsanlagen mit anderen Technologien wie z.b. mit solarthermischen Anlagen oder Photovoltaikanlagen, auf die Erschließung von neuen Energiedienstleistungen wie die Raumkühlung- und Klimatisierung oder auch die Gebäudetrockenlegung im Sanierungsbereich. Inkrementelle Verbesserungen der technischen Wirkungsgrade, der Einsatz neuer Antriebsenergien wie Erdgas und der Einsatz der Technologie in smart grids ergänzen das Innovationsspektrum. - 7 -
Anlagen/Jahr 20.000 18.000 16.000 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 Der Wärmepumpen-Markt in Österreich: 1975-2012 Jährlich installierte Anlagen Schwimmbadentfeuchtung Wohnraumlüftung Heizung Brauchwasser Phase 1 Phase 2 Phase 3? 0 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Source: 1975-2006: Gerhard Faninger seit 2007: EEG-TU Wien Quelle: BMVIT 2013 Periode 1975 1986: Beginn Beginn der der Markteinführung. Priorität für für Brauchwasser-Wärmepumpen zur zur Abtrennung der der Warmwasserbereitung von von Heizkesseln. Beginnender Beginnender Markt Markt für für Heizungs-Wärmepumpen im im Rahmen Rahmen von von Pilotprojekten und und mit mit finanzieller Unterstützung durch die die Stromanbieter. Periode 1987 1999: Rückgang in in den den Jahres-Zuwachsraten. Warmwasser: Priorität für für solarthermische Anlagen. Heizung: Preisrückgang bei bei fossilen Brennstoffen. Negative Betriebserfahrungen mit mit überdimensionierten und und nicht nicht fachgerecht geplanten geplanten und und installierten installierten Heizungs-Wärmepumpen. Mangelnde Mangelnde Standardisierung von von Wärmepumpen-Systemen. Periode 2000 2008: Deutliche Zunahme der der jährlichen Zuwachsraten, insbesondere bei bei Heizungs-Wärmepumpen. Ursachen: Fachgerechte Planung und und Ausführung. Günstige Einsatzbedingungen: Energie-effiziente Wärmepumpen in in Niedrigenergie-Gebäuden. Höhere Höhere Akzeptanz Akzeptanz als als Instrument Instrument zum zum Klimaschutz. Förderungsinitiativen von von Bund Bund und und Ländern. Periode 2009 2012: Leichter Rückgang in in den den Jahres-Zuwachsraten. Insbesondere bedingt durch Rückgang bei bei neu neu errichteten Wohngebäuden. - 8 -
Der Wärmepumpen-Markt in Österreich Anlagen 350.000 300.000 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 Der Wärmepumpen-Markt in Österreich: 1975-2012 Installierte Anlagen (kumulierte Werte) 0 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 Source: 1975-2006: Gerhard Faninger seit 2007: EEG-TU Wien Schwimmbadentfeuchtung Wohnraumlüftung Heizung Brauchwasser 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Quelle: BMVIT 2013 2011 2012 Anteil in % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 63,2 Anteile der jährlich installierten Wärmepumpen nach Einsatzbereichen Österreich: 2005-2012 3,6 5,5 3,2 2,6 2,9 3,2 2,7 0,7 64,6 68,6 67,6 64,7 65,4 33,2 29,9 28,1 29,8 32,4 31,3 71,9 77,1 25,5 22,2 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Wohnraumlüftung Heizung Brauchwasser Wärmepumpen-Markt in Österreich 2012 Verkaufszahlen Wärmequellen-Systeme für Heizungswärmepumpen in Österreich 2012 Lüftung 115 Anlagen 1% Brauchwasser 3.884 Anlagen 22% Direktverdampfer 4,8% Wasser/Wasser 7,6% Sole/Wasser 34,7% Heizung 13.495 Anlagen 77% Gesamt: 17.494 Anlagen Luft/Luft 0,8% Luft/Wasser 52,1% Gesamt 2012: 13.610 Heizungswärmepumpen Heizungs-Wärmepumpen in Österreich: 1989-2012 Anteile der Wärmequellen-Anlagen 90 80 70 Anteil in % 60 50 40 30 Luft/Wasser Wasser/Wasser SOLE/Wasser Direktverdampfung Luft/Luft 20 10 0 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Entwicklung der Marktanteile der unterschiedlichen Wärmequellensysteme bei Heizungswärmepumpen im österreichischen Inlandsmarkt. Quellen: bis 2006: Faninger (2007), ab 2007: EEG - 9 -
Wirtschaftsfaktor Wärmepumpe Wirtschaftsfaktor Wärmepumpe Österreich 2012 Primäre Umsätze in Mio Euro Installation und Inbetriebnahme 46,5 Mio Euro; 22% Produktion Wärmepumpen 74,2 Mio Euro; 35% Handel mit Wärmequellensystemen 12,9 Mio Euro; 6% Handel mit Wärmepumpen 52,8 Mio Euro; 25% Gesamt 2012: 212,3 Mio Euro Produktion Wärmequellensysteme 25,9 Mio Euro; 12% Wirtschaftsfaktor Wärmepumpe Österreich 2012 Beschäftigungseffekte: Vollzeit-Äquivalent (VZA) Installation und Inbetriebnahme 223 VZA; 20% Produktion Wärmepumpen 525 VZA; 47% Handel mit Wärmequellensystemen 39 VZA; 3% Handel mit Wärmepumpen 158 VZA; 14% Produktion Wärmequellensysteme 183 VZA; 16% Gesamt 2012: 1.128 VZA - 10 -
2. Aktuelles zur Wärmepumpen-Technik 2.1 Wärmepumpen-Typen und Wärmequellen Man unterscheidet zwischen Kompressions-Wärmepumpen - mit Elektro-Antrieb und Verbrennungskraftmaschine - und Absorptions-Wärmepumpen. Am Markt durchsetzen konnten sich Elektro-Wärmepumpen als Heizungssysteme insbesondere in Einfamilien- Wohngebäuden. Schema einer Kompressions-Wärmepumpe Schema einer Kompressions-Wärmepumpe Schema einer Absorptions-Wärmepumpe Schema einer Absorptions-Wärmepumpe - 11 -
Erneuerbare Energieträger für Kompressions-Wärmepumpen mit Verbrennungskraftmaschine und Absorptions-Wärmepumpen Einsatzbereiche für Groß-Wärmepumpen sind Kompressions-Wärmepumpen mit Verbrennungskraftmaschine und Absorptions-Wärmepumpen sind Gewerbe, Industrie und die Fernwärmeversorgung. Im Rahmen einer Nachhaltigen Energiewirtschaft könnte der Energieträger Erdgas durch Biogas oder Methangas, erzeugt aus erneuerbaren Energieträgern, ersetzt werden. Methangas aus erneuerbaren Energiequellen Methangas aus erneuerbaren Energiequellen Quelle: Montanuniversität Leoben, Institut für Verfahrenstechnik und industrieller Umweltschutz Quellen Speicherung, Transport Speicherung, Transport Verbrauch Wind Sonne H 2 O CO 2 Stromnetz Elektrolyse, H 2 -Tank Tank H 2 CO 2 Methanisierung Ausgleich Gas- Kraftwerke Strom Wärme Atmosphäre, Biomasse, Abfall, Industrie (fossile Brennstoffe) Renewable Power Methane (EE-Methan) Anlage Gasnetz Gasspeicher Verkehr Synthetische Methan-Gas-Produktion (E-Gas) Synthetische Methan-Gas-Produktion (E-Gas) Electrolyse (H 2 ) Biogas-Anlage (CO 2 ) H 2 CO 2 2 + CO 2 Methan Methan E-Gas: Substitut für Erdgas - 12 -
Typen von Elektro-Wärmepumpen Man unterscheidet nach Wärmequelle und Wärmeabgabe zwischen: SOLE/Wasser-Wärmepumpen (mit Erdsonden und Flächen-Wärmetauscher). Wasser/Wasser-Wärmepumpen (mit Grundwasser, Oberflächenwasser, Seenwasser). Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmepumpen (mit Außenluft und Abwärme). Wärmequellen für Wärmepumpen-Heizungen Erdreich (Sonden und Flächen-Kollektoren) Wärmequellen für Wärmepumpen-Heizungen Grundwasser und Luft - 13 -
Außenluft-Wärmepumpe mit Luftvorwärmung im Erdreich Mit Luftvorwärmung über das Erdreich Für den Einsatz von Luft/Wasser-Wärmepumpen wurde in den letzten Jahren eine Luftvorwärmung über Erdreich-Wärmetauscher in Erwägung gezogen. Durch die Luftvorwärmung im Erdreich - über stärker dimensionierte Rohrleitungen kann das Temperaturangebot der Außenluft über etwa +5 C gehalten werden, wodurch die Jahresarbeitszahl erhöht wird. Die Aufstellung der Luft-Ansauggeräte erfordert Maßnahmen zur Schalldämmung. LUFT-Wärmepumpen mit Außenluft als Wärmequelle Maßnahmen zur Schalldämmung der Luft-Ansauggeräte! - 14 -
Wärmepumpen-Heizungen werden heute als effizient und förderungswürdig eingestuft, wenn Arbeitszahlen über 4 zu erreichen sind. Dies lässt sich nur mit Erdreich- und Grundwasser-Wärmepumpen erreichen. Da die Installation von Erdsonden und Erdreich- Flachkollektoren aus baulichen Gründen begrenzt ist und Grundwasser nicht überall auch aus ökologischen Gründen verfügbar ist, wird auch Außenluft für Wärmepumpen- Heizungen bei der Wärmeversorgung von Gebäuden in Betracht zu ziehen sein. In Kombination mit einer solarthermischen Anlage sollten System-Arbeitszahlen von zumindest 3,5 angestrebt werden. Mit heutiger Technik zu erreichen, insbesondere bei Luftvorwärmung über im Erdreich verlegte Wärmetauscher-Rohre. Neu entwickelte Luft/Wasser- Wärmepumpe-Solar-Kompaktsysteme derzeit nur für Einfamilien-Wohnhäuser konzipiert könnten bei einem optimierten Energiemanagement auch System-Arbeitszahlen bis 4 (und vielleicht auch darüber) ermöglichen. An diesem Ziel wird derzeit in Forschung und Entwicklung gearbeitet. Wärmepumpen mit Abwärme-Nutzung Die Nutzung von Umweltwärme in Form von Abwärme aus Lüftungsanlagen und aus Abwasser ist vor allem in größeren Objekten mit Lüftungsanlagen oder bei Anfall von wärmebelastetem Abwasser von Interesse. Ergebnisse aus der Praxis zeigen, dass zumindest 50% der Abwärme wieder in das Wärmeversorgungssystem zurückgeführt werden können. Bevorzugte Einsatzbereiche sind Hallenbäder, Freizeitzentren, Hotelanlagen, Kaufhäuser und auch Verwaltungsgebäude. Wärmepumpen mit Abluft als Wärmequelle bringen im Hinblick auf die höheren Temperaturen der Wärmequelle höhere Arbeitszahlen. Mit Wärmepumpen zur Wohnraumlüftung in Verbindung mit Wärmerückgewinnung wird nicht nur der Einsatz fossiler Energiequellen bei der Raumklimatisierung reduziert, es wird auch wesentlich die Wohnqualität durch bessere Luftqualität verbessert. Wärmepumpen mit Abwärmenutzung Wärmepumpen mit Abwärmenutzung - 15 -
Kontrollierte Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung über LUFT/LUFT-Wärmepumpe Passiv-Haus mit Außenluft-Wärmepumpe in in Verbindung mit kontrollierter Wohnraumlüftung und Wärmerückgewinnung Wärmequelle für Wärmepumpe: Außenluft, im Erdboden vorgewärmt (5 C 10 C) Wärmerückgewinnung: Platten-Wärmetauscher für WRG aus Abluft (85%) drexel und weiss Warmwasser: Über Klein-Wärmepumpe Luft-Heizungssystem - 16 -
Wärmequellen für Wärmepumpen Als Wärmequellen für Wärmepumpen kommen in Frage: Erdreich, Grundwasser, Außenluft und Abwärme. Je höher und konstanter die Temperatur der Wärmequelle, desto höher die Effizienz der Wärmepumpe. Wärmequellen für Wärmepumpen Temperatur-Angebot 25 Temperatur, C 20 15 10 5 0 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8-5 Monat Erdtemperatur in 1 m Tiefe Grundwasser Oberflächenwasser Mittlere Lufttemperatur Temperaturgang im im Erdreich: Erdreich: Temperaturgang Oberflächennahe- und und Tiefen-Geothermie Tiefen-Geothermie Oberflächennahe- 17-9
WÄRMEENTZUG AUS DEM ERDREICH WÄRMEENTZUG AUS DEM ERDREICH Thermische Beeinflussung durch Oberflächenwasser Abstrahlung Sonneneinstrahlung Thermische Beeinflussung durch Oberflächenwasser - 10 m: +10 C Von der Oberfläche nicht mehr direkt beeinflusst, jedoch vom Grundwasser - 50 m: +12 C - 100 m: +14 C Q H = 0,065 W/m² - 200 m: +18 C Thermogradient: 3 4 C/ C/ 100 100 m Erdwärme- Sondenfeld Wärmeentzug aus dem Boden Grundwasser-Leiter - 18 -
Dimensionierung von Erdreich-Wärmetauscher Dimensionierung von Erdreich-Wärmetauscher Dimensionierung von Erdreich-Wärmetauscher Die Auslegung der Wärmetauscherfläche im Erdreich (Erdsonden und Flächen-Wärmetauscher) richtet sich nach der Bodenbeschaffenheit. Die Wärmeentzugsleistung hat auf die vollständige Wärmeregenerierung des Erdreichs in den Sommermonaten Rücksicht zu nehmen. Dimensionierung von Erdreich-Wärmepumpen mit Vertikal-Wärmetauscher (Erdsonden) Maximaler Wärmeentzug in W/m (bezogen auf?t = 10 K, SOW35) Kies, trocken: 30 Kies, wasserführend: 65 Lehm, Schlier (Molasse): 35 45 Kalkstein (massiv): 45 60 Feste Sedimente (z.b. Sandstein): 60 65 Granit: 65-70 Erd-Flächenkollektor Spezifische Entzugsleistung, W/m² Boden W/m² trockener, sandiger Boden 10-15 feuchter, sandiger Boden 15-20 trockener, lehmiger Boden 20-25 feuchter, lehmiger Boden 25-30 Wassser gesättigter Boden 35-40 Wärmeentzugsleistung von Erdsonden Sondenbelastung, W/m 40-50 Wärmeentzug, kwh/m 60-70 Dimensionierung von Erdreich-Wärmepumpen mit Vertikal-Wärmetauscher (Erdsonden) Dimensionierung von Erdreich-Wärmepumpen mit Horizontal-Wärmetauscher Sondentiefe: bis 100 m Sondenabstand: 5 m Sondenlänge: 10 m bis 12 m pro 1 kw Heizlast Jahresarbeitszahl: 3,5 bis 4,5 Wärmeentzugsleistung von Erdsonden Sondenbelastung, W/m 40-50 Wärmeentzug, kwh/m 60-70 Wärmetauscher-Belastung: kleiner kleiner 50 50 W/m² W/m² Verlegungstiefe: 0,8 m bis 1,8 m Rohrabstand: 30 cm bis 50 cm Bodenfläche: 18 m² bis 22 m² pro 1 kw Heizlast Jahresarbeitszahl: 3,0 bis 4,5 Sole und Direkt-Verdampfung Dimensionierung von Erdreich-Wärmepumpen mit Graben-Kollektor Verlegungstiefe: 0,8 m bis 3,0 m Länge pro Graben: bis 25 m Grabenlänge: 1,7 m bis 2,0 m pro 1 kw Heizlast Jahresarbeitszahl: 2,8 bis 3,3 Sole - 19 -
Wärmequellen für Wärmepumpen im Vergleich Erdreich Wärmepumpen Erdreich Wärmepumpen Erdsonde Geringer Platzbedarf. Tiefenbohrung abhängig von von der der Bodenbeschaffenheit: 50 50 m bis bis 150 150 m. m. Sondenbelastung: kleiner 40 40 W/m. Sondenlänge für für Einfamilien-Wohnhaus: um um 150 150 m; m; z. z. B. B. 3 ** 50 50 m. m. Größerer Platzbedarf. Sondenbelastung: kleiner kleiner 40 40 W/m². W/m². Bodenfläche für für Einfamilien-Wohnhaus: 150 150 200 200 m². m². Flächenkollektor Außenluft- und Grundwasser Wärmepumpen Außenluft- und Grundwasser Wärmepumpen Außenluft Erdsonde Uneingeschränkt verwendbar. Schalldämmung bei bei Außenaufstellung des des Ventilators. Enteisung des des Wärmetauschers erforderlich. Erhöhung der der Leistungsfähigkeit mit mit thermischer Solaranlage. Flächenkollektor Grundwasser Vorrang für für Grundwasser-Nutzung! Behördliche Genehmigung (meist (meist nur nur auf auf Zeit) Zeit) erforderlich. Verschmutzungsgefahr für für Grundwasser. Grundwasserfluss Grundwasser kann kann sich sich ändern! - 20 -
2.2 Wärmepumpen und Solarthermie Schon am Beginn der Markteinführung von Wärmepumpen-Heizungssystemen gab es Ansätze, Wärmepumpen-Heizungen mit Vorwärmung der Wärmequelle über Solarwärme in der Effizienz zu steigern. Beispiele sind Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Luftvorwärmung über einfache (nicht abgedeckte) Dachkollektoren ( Energiedach ) oder in späteren Jahren mit der Einführung der Passivhaus-Technik mit Vorwärmung der Außenluft über im Erdreich verlegte Luftkanäle für Außenluft-Wärmepumpen (Luft/Luft- und Luft/Wasser- Wärmepumpen). Wärmepumpe-Solar-Kombiheizungen Nutzung der Solarwärme Nutzung der Solarwärme Möglichkeiten zur Kombination Vorwärmung der Wärmequelle Warmwasserbereitung Außenluft-Wärmepumpe Energiedach, Energiezaun, Massivabsorber Erdreich-Wärmepumpe Wärmeregenerierung des Erdreiches Ziel: Erhöhung der der Wärmequellen-Temperatur. Verbesserung der der Jahresarbeitszahl der der Wärmepumpe um um bis bis zu zu 15% 15% Kombination der Wärmepumpe mit einer thermischen Solaranlage Warmwasserbereitung & Heizung Ziel: Effizienzsteigerung des Heizungssystems durch Verbesserung der System-Jahresarbeitszahl JAZ System :größer 4 Wärmepumpe und Solarthermie System Solarwärme Wärmepumpe System JAZ Wärmepumpe *) Mit Solar Ohne Solar 1 Vorwärmung Außenluft Luft/Wasser-WP "Energiedach" 2,5-2,6 2,3 2 Vorwärmung Außenluft Luft/Luft-WP Wärmetauscherrohr im Erdreich 2,5-2,7 2,3 3 Vorwärmung SOLE (Außenluft) Sole/Wasser-WP "Energiezaun", "Massivabsorber" 3,0-3,2 2,8 4 Wärmeregenerierung Erdreich Erdreich Sole/Wasser-WP Wärmeregenerierung Erdreich 4,1-4,3 4,0 5 Warmwasserbereitung Alle Wärmepumpen Solarunterstützte Wärmepumpen 3,2-4,5 3,5 6 Warmwasser & Heizung Luft/Wasser-WP Solar-Wärmepumpe Kompaktsystem 2,8-3,2 2,3 7 Fernwärme (Nahwärme) Sole/Wasser-WP Solar-Wärmepumpen-Systeme mit saisonaler Speicherung Wasser/Wasser-WP für Fern- und Nahwärme 3,5-3,8 3,5 *) Referenzklima (HGT 3.400), Heizungsauslegung: 33 C/28 C, Raumtemperatur: 20 C - 21 -
Wärmepumpe-Solar-Kombiheizungen Erdreich-Wärmepumpe mit Erdsonden Außenluft-Wärmepumpe mit Luftvorwärmung über das Erdreich Die Nutzung von Solarwärme in den Sommermonaten zur Wärmeregenerierung des Erdreichs bei Erdgekoppelten Wärmepumpen (Flachkollektoren, Erdsonden) hat nach Praxistests nur einen bescheidenen Einfluss auf die Effizienzsteigerung der Wärmepumpe /2/. In den Sommermonaten wird das Erdreich im Allgemeinen über die Sonneneinstrahlung ausreichend wenn auch mit einer Zeitverzögerung wärmeregeneriert. Die aktive Wärmeregenerierung des Erdreiches kann außerdem eine Dehydrierung/das Abtrocknen im Bereich der Wärmetauscherrohre verursachen, was ein Nachteil im Hinblick auf eine zukünftige natürliche Regeneration darstellt. Der Abfluss der gespeicherten Wärme über Grundwasser ist ein weiteres Problem. Andererseits wird mit der Weiterleitung der solar produzierten Wärme in das Erdreich eine Stagnation der Sonnenkollektoren bei hoher Sonneneinstrahlung in den Sommermonaten ohne ausreichende Wärmeabnahme verhindert. Heute werden solarthermische Anlagen in Wärmepumpen-Heizungssystemen insbesondere zur Warmwasserbereitung außerhalb der Heizsaison eingesetzt. Damit wird die Effizienz der Wärmepumpe deutlich erhöht: geringere Arbeitstemperatur für Heizung und Wegfall der Antriebsenergie für Grundwasser- und Sole-Förderpumpen außerhalb der Heizsaison. Außerdem wird - durch den um zu mindest 40 % geringeren Jahreseinsatz der Wärmepumpe - die Lebensdauer des Kompressors deutlich verlängert. Die Kombination von Solarthermie und Wärmepumpe wird schon seit Jahren in Fernwärme- (Nahwärme-) Netzen mit saisonaler (Langzeit-) Speicherung (z.b. in Deutschland, Schweden und Dänemark) mit Erfolg praktiziert. Der Großspeicher wird als Wärmequelle für die Wärmepumpe eingesetzt. Wärmepumpe-Solar-Systeme werden somit heute am Markt in verschiedenen Kombinationen angeboten. Grundsätzlich lassen sich diese zwei Konzepten zuzuordnen. Solaranlage und Wärmepumpe arbeiten unabhängig voneinander - zwar mit gemeinsamer Nutzung des Wärmespeichers, aber ohne Interaktion. Bei Wärmepumpe-Solar-Kombisystemen wird eine Interaktion der Solaranlage und der Wärmepumpe mit Ausnutzung von möglichen - 22 -
Synergieeffekten angestrebt. Die Wärmepumpe nutzt dabei direkt oder indirekt über einen Wärmespeicher die Solarwärme als Wärmequelle. Seit kurzem werden am Markt Solar-Wärmepumpe-Kompaktsysteme für Einfamilienhäuser angeboten; z.b. KIOTO-Sonnenheizung /4/. Zum Einsatz kommen Luft/Wasser- Wärmepumpen mit einer Heizleistung bis 9 kw. Über ein intelligentes Energiemanagement mit bedarfsgerechter Steuerung - soll der Einsatz von Solarwärme und Umweltwärme für Heizung und Warmwasser auf den tatsächlichen Wärmebedarf abgestimmt werden. Eine größere Kollektorfläche (z.b. 16 m² anstelle 8 m² für ausschließliche Warmwasserbereitung) wird auch zur Vorwärmung der Außenluft am Verdampfer eingesetzt: Solarbooster. Bisher vorliegende Betriebsdaten bestätigen allerdings (noch) nicht die Planungsvorgaben. Außenluft-Wärmepumpe-Solar-Kompaktsystem Verdampfer Kondensator Pufferspeicher Frischwassermodul Pufferladeventil Multiconnectorventil Solarbooster KIOTO CLEAR ENERGY-Sonnenheizung www.sonnenheizung.at Heizkreisgruppe Ausdehnungsgefäße Systemcontroller Schichten-Pufferspeicher Absperreinheit Solarbooster Frischwassermodul KIOTO CLEAR ENERGY-Sonnenheizung KIOTO CLEAR ENERGY-Sonnenheizung - 23 -
2.3 Effizienz von Wärmepumpen-Heizungssystemen Kenndaten Die Leistungszahl COP einer Wärmepumpe ist das Verhältnis von erzeugter Wärme zur eingesetzten Antriebsenergie und wird aus dem CARNOT-Kreisprozess abgeleitet. COP ist ein Momentanwert und ist abhängig von der Temperatur-Differenz zwischen Wärmequelle und Nutztemperatur (Heizung, Warmwasser). Die Messung erfolgt in einem genormten Prüfverfahren. Für die Effizienz bzw. Leistungsfähigkeit einer Wärmepumpen-Anlage ist die Auslegung der Wärmeverteilung von besonderer Bedeutung: die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Arbeitstemperatur (Heizwärme und Warmwassertemperatur) ist möglichst gering zu halten ( Wärmesenke ). Neubauten werden heute im Allgemeinen in energieeffizienter Bauweise errichtet und Altbau-Sanierungen lassen sich in Niedrigenergie- Bauweise realisieren. Damit ergeben sich optimale Voraussetzungen für einen energieeffizienten Einsatz von Wärmepumpen. Die Auslegung der Warmwasser-Heizung sollte unter eine maximale Vorlauftemperatur (Auslegungstemperatur der Wärmeverteilung) von 40 C im Falle der Althaus-Sanierung und unter 33 C bei Neubauten sein. Die Die Wärmesenke Wärmesenke des des Heizungssystems Heizungssystems bestimmt bestimmt die die Leistungszahl Leistungszahl der der Wärmepumpe: Wärmepumpe: Je Je höher höher die die Temperaturdifferenz zwischen zwischen Verdampfer Verdampferund und Verflüssiger, Verflüssiger, desto desto geringer geringer ist ist die die Leistungszahl. Leistungszahl. Die Die Vorlauf-Temperatur des des Heizungssystems Heizungssystems bestimmt bestimmt im im wesentlichen wesentlichen die die Effizienz Effizienz der der Wärmepumpe. Wärmepumpe. Heizungs-Vorlauftemperaturen unter unter 35 35 C C sollten sollten angestrebt angestrebt werden: werden: Niedertemperatur- Niedertemperatur-Heizungssystem mit mit großflächiger großflächiger Wärmeübertragung: Fußboden- Fußboden-und und Wandheizungen Wandheizungen sowie sowie Niedertemperatur-Radiatoren. Leistungszahl e als Funktion der Temperaturdifferenz?T zwischen Verdampfer und Verflüssiger 70 Temperaturdifferenz? T, K 60 50 40 30 20 10 0? T = 25 K e = 6,0 z.b. 10 C 35 C?T = 40 K e = 4,0 z.b. 10 C 50 C 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 Leistungszahl e Die in den Produktdatenblättern ausgewiesenen COP- und ggf. auch SPF/JAZ-Werte berücksichtigen nicht Wärmeverluste im Heizungssystem (Verteilerleitungen und Speicher) sowie auch Verluste im Betrieb (z.b. bei Ein-/Ausschaltzeiten). Die Kennwerte gelten nur für Heizbetrieb und nicht für eine zusätzliche Warmwasserbereitung auf einem höheren Temperaturniveau. Die in der Praxis erreichbaren COP- und JAZ-Werte liegen deshalb immer unter den im Laborversuch ermittelten Kennwerten. - 24 -
Im günstigen Fall einer Grundwasser- und auch Erdreich-Wärmepumpe sind nach den Datenblättern COP-Werte von 4,2 zu erreichen. In der Praxis liegen die Werte zwischen 3,5 und 4. In einem umfangreichen Wärmepumpen-Feldtest von Sole/Wasser- und Luft/Wasser- Wärmepumpen in Deutschland liegt der Mittelwert (44 bzw. 34 Anlagen) der im Betrieb erreichten Jahresarbeitszahlen bei Sole/Wasser-Wärmepumpen bei 3,8 (Neubau) bzw. 3,3 (Bestand). Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen wurde als Mittelwert von 34 Anlagen eine Jahresarbeitszahl von 2,6 erreicht /6/. COP-Werte von Sole/Wasser- und Luft/Wasser-Wärmepumpen nach Prüfzeugnis (Beispiele) BOW35 BOW45 BOW55 Sole/Wasser-Wärmepumpe Herz Energietechnik 4,2 3,6 2,7 A7/W35 A2W35 A7W45 A-7W35 A-7W55 Luft/Wasser-Wärmepumpe 4,7 2,9 3,6 2,6 Ochsner Wärmepumpen Quelle: Wärmepumpen-Prüfzentrum Buchs, Schweiz www.wpz.ch 2,9 COP von Wärmepumpen Angaben nach zertifizierten Prüfberichten Heizleistung, kw 5-10 kw Wärmepumpen-Typ COP BOW35 BOW50 Sole/Wasser 4,3 2,9 Wasser/Wasser 4,8 3,3 Luft/Luft 3,7 2,5 Normtemperatur, C COP Abluft/Wasser 7 C/50 C 2,61 Ablufttemperatur: 20 C -7 C/35 C 4,03 2 C/35 C 4,03 Die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe SPF bzw. JAZ beschreibt die Effizienz der Wärmepumpe im Jahresbetrieb und die System-Jahresarbeitszahl JAZ System ist kennzeichnend für die Leistungsfähigkeit einer Wärmepumpe-Solar-Kombiheizung: Die mit der Wärmepumpe und der Solaranlage erzeugte Wärme wird in Relation zu dem eingesetzten Strom für die Wärmepumpe und Solaranlage (Umwälzpumpen im Kollektor- und Speicherkreis) gesetzt: (Q WP + Q sol ) / (Strom WP + Strom Sol ). Jahres-Systemarbeitszahlen ab 3,5 werden angestrebt. - 25 -
Kennzahlen von Wärmepumpen-Solar-Kombiheizungen Arbeitszahl der Wärmepumpe JAZ bzw. SPF WP = Q WP E WP [ - ] Arbeitszahl des Heizungssystems JAZ System Q Nutzwärme = [ - ] System-Jahresarbeitszahl bzw. SPF System E SWP Q WP : Nutzwärme der Wärmepumpen-Heizung (Raumwärme & Warmwasser) Q Nutzwärme : Nutzwärme des Heizungssystemd (Wärmepumpe & Solarthermie) E WP : Stromeinsatz für Wärmepumpen-Heizung (Raumwärme & Warmwasser) E SWP : Stromeinsatz für Wärmepumpen und Solaranlage Mit der Kombination von Wärmepumpe und Solaranlage wurde der Weg geebnet, die erneuerbaren Energieträger Solarwärme und Umweltwärme gemeinsam in die Wärmeversorgung von Gebäuden einzubringen. Derzeit befasst sich ein Forschungsprojekt der Internationalen Energieagentur im Rahmen des IEA Solar Heating and Cooling Programms mit dieser Thematik: Projekt Solar and Heat Pump Systems, IEA SHC Task 44: Analyse des Marktangebotes und Ausarbeitung von Verbesserungsmöglichkeiten /5, 6, 7/. Zur Bewertung und Analyse der energetischen, ökologischen und ökonomischen Vorteile von Wärmepumpe-Solar-Kombisystemen werden derzeit von diversen Herstellern und Forschungseinrichtungen Feldtests durchgeführt /6/, /7/. Aktuelle Ergebnisse der Feldtests zeigen, dass eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse auch bei ähnlichen Einsatzbedingungen nur begrenzt möglich ist. Wesentliche Einflussgrößen auf die System-Effizienz ausgedrückt durch die System-Jahresarbeitszahl sind einerseits die temperatursensible Interaktion von Wärmepumpe, Speicher und Solaranlage und andererseits die Strategie der Enteisung/Abtauung des Wärmetauschers (Heißgas-Bypass oder Kreislauf-Umtrieb), die erforderliche Hilfsenergie für Umwälzpumpen, Ventilator und Steuerung, Größe der Kollektorfläche und des Speichervolumens, Vorlauftemperatur des Heizungssystems und Temperaturbegrenzung der Warmwasserbereitung, sowie auch der Anteil von Warmwasser an der Wärmeversorgung. Auch die Qualität der Installation und ganz besonders der Inbetriebnahme und Betriebsführung hat einen massiven Einfluss auf die Systemeffizienz. Bei Solar-Kombisystemen mit Erdreich-Wärmepumpen wurden System-Jahresarbeitszahlen von 4,9 bis 5,8 ermittelt und bei Außenluft-Wärmepumpen von 2,7 bis 2,9. Ohne Koppelung mit einer Solaranlage liegen die Jahresarbeitszahlen von Erdreich-Wärmepumpen bei 3,9 und von Luft-Wärmepumpen bei 2,5. - 26 -
Jahres-Arbeitszahlen von Wärmepumpen-Heizungssystemen Berechnet mit JAZcalc Objekt Einfamilien-Wohnhaus Standort Dornbirn, Vorarlberg Heizwärmebedarf 39 kwh/(m², a) Transmissions-Wärmeverlust 45 kwh/(m², a) Lüftungs-Wärmeverlust 23 kwh/(m², a) Warmwassebedarf 2.600 kwh/a Erdsonde Erdsonde Außenluft Jahres-Arbeitszahlen JAZ [ - ] Erdreich-Wärmepumpe (Erdsonden) Heizungsauslegung 35 C / 29 C 46 C / 33 C 35 C / 29 C 46 C / 33 C Ohne Solaranlage Mit Solaranlage Heizung 4,50 3,44 5,65 4,31 Warmwasser 2,41 2,41 8,03 8,03 JAZ Gesamt 3,71 3,11 6,10 4,87 Jahres-Arbeitszahlen JAZ [ - ] Luft-Wärmepumpe (Außenluft) Heizungsauslegung 35 C / 29 C 46 C / 33 C 35 C / 29 C 46 C / 33 C Ohne Solaranlage Mit Solaranlage Heizung 2,43 1,76 3,05 2,21 Warmwasser 1,90 1,90 6,34 6,34 JAZ Gesamt 2,27 1,79 3,49 2,63-27 -
Jahresarbeitszahlen für Heizungs-Wärmepumpen Aktuelle Betriebsdaten 5,0 Leistungsfähigkeit von Heizungs-Wärmepumpen in Österreich Abhängigkeit von Wärmequelle und Heizungsauslegung Jahres-Arbeitszahl 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 Grundwasser Erdreich Außenluft 35 40 45 50 55 Maximale Temperatur der Heizungsauslegung, C Die Die mittleren Jahresarbeitszahlen von von Wärmepumpen-Heizungen zeigen bis bis 2005 2005 eine eine deutlich deutlich Verbesserung, bedingt bedingt durch durch die die geringeren Vorlauf-Temperaturen in in energie-effizienten Gebäuden. Gebäuden. Entwicklung der mittleren Jahresarbeitszahlen (JAZ) von Heizungs-Wärmepumpen in Österreich 5,0 4,5 JAZ ( - ) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Sole/Wasser 3,0 3,2 3,8 3,8 3,8 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,4 4,4 Direktverdampfung 3,3 3,5 4,2 4,2 4,2 4,3 4,4 4,4 4,6 4,6 4,6 4,6 Wasser/Wasser 3,3 3,5 4,0 4,0 4,0 4,2 4,3 4,3 4,4 4,4 4,5 4,5 Luft/Wasser 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,8 2,8 2,8 2,8 2,8 2,8-28 -
Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen Wärmepumpe (Erdreich) Jahres-Arbeitszahl (35 C / 28 C) Heizung 4,0 Warmwasser, Sommer 3,0 Heizung & Warmwasser 3,5 Wärmepumpe (Grundwasser) Jahres-Arbeitszahl (35 C / 28 C) Heizung 4,2 Warmwasser, Sommer 3,0 Heizung & Warmwasser 4,0 Wärmepumpe (Außenluft) Jahres-Arbeitszahl (35 C / 28 C) Heizung 2,8 Warmwasser, Sommer 3,0 Heizung & Warmwasser 2,8 Nach Betriebsdaten aus Österreich Jahresarbeitszahlen JAZ von Wärmepumpen-Heizungssystemen Sole/Wasser-Wärmepumpen 4,5 4,0 3,5 3,0 3,7 3,7 3,8 3,8 3,2 3,3 3,3 3,4 Neubau Bestand 3,3 3,3 3,2 3,2 3,2 3,1 3,0 3,0 3,8 3,6 3,9 3,7 4,1 3,5 3,9 3,3 3,8 3,3 JAZ, ( - ) 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Monat Hans-Martin Henning, Marek Miara: Wärmepumpen-Feldtest 2008. Fraunhoferinstitut für Solare Energiesysteme. Freiburg/Deutschland Untersucht wurden 44 (Neubau) und 34 (Bestand) Anlagen Jahreswert 3,5 Jahresarbeitszahlen JAZ von Wärmepumpen-Heizungssystemen Luft/Wasser-Wärmepumpen 3,0 2,5 2,5 2,5 2,5 2,7 2,9 2,8 2,8 2,8 2,9 2,7 2,6 2,3 2,6 JAZ ( - ) 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Monat Hans-Martin Henning, Marek Miara: Wärmepumpen-Feldtest 2008. Fraunhoferinstitut für Solare Energiesysteme. Freiburg/Deutschland Untersucht wurden 34 (Bestand) Anlagen Jahreswert - 29 -
Einflussfaktoren auf die Effizienz von Wärmepumpe-Solar-Systemen Für die Effizienz von Wärmepumpen-Heizungen sind viele Faktoren maßgebend. Diese beziehen sich auf die Auslegung des Heizungssystems, auf die angestrebte Raumtemperatur, auf die für den Einsatz einer Wärmepumpe maßgebenden Einsatzbedingungen, auf die Auslegung der thermischen Solaranlage und auf die Betriebsweise. Für optimale Bedingungen eines effizienten und ökologisch vertretbaren Wärmepumpe-Heizungssystems sind Planung, Auswahl der Komponenten, Ausführung und Benutzerverhalten verantwortlich. Einflussfaktoren auf die Effizienz von Wärmepumpe-Solar-Kombisystemen Einflussfaktoren auf die Effizienz von Wärmepumpe-Solar-Kombisystemen Auslegung des Heizungssystems: Vorlauf- und Rücklauf-Temperatur Gewünschte Raumtemperatur: 20 C oder höher Einsatzbedingungen: - Hohe und möglichst konstante Quellentemperatur - Geringer Heizwärme- und Warmwasser-Bedarf - Niedrige Speicher- und Verteilverluste - Effizientes Wärmepumpen-Aggregat - Temperaturerhöhung der Wärmepumpe bei Normbedingungen - Differenz Speichertemperatur und Vorlauftemperatur Heizung - Garantierte Warmwassertemperatur (ohne und mit Elektro-Heizstab) Auslegung der thermischen Solaranlage - Nur für Warmwasser oder für Warmwasser und Heizung Betriebsweise und Systemauslegung - Heizung, Heizung und Warmwasser - Heizungs- und Warmwasserspeicher - Elektrische Zusatzheizung (Warmwasser, Heizung) - Garantierte Warmwassertemperatur mit Elektro-Heizstab - Steuerungs- und Regelungskonzept (Energiemanagement, Ein- und Ausschaltzeiten). Eine Wärmepumpe-Heizung kann nur dann als effizient und ökologisch bewertet werden, wenn die CO 2 -Bilanz im Vergleich zu einem modernen Öl- oder Gas-Kessel (Brennwertgeräte) signifikante Emissionsvorteile erreicht. Eine hohe Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems (JAZ System ) ist die Bedingung, um Energieeffizienz und Klimaschutzziele durch Nutzung der erneuerbaren (und lokal anfallenden) Umweltwärme zu erreichen. Für den Konsumenten sichert eine hohe System- Arbeitszahl nachhaltig niedrigere Betriebskosten. Für die Ökobilanz des Wärmepumpe-Heizungssystems ist auch der eingesetzte Strom mit entscheidend. Mit Strom aus Erneuerbarer Energie (Wasserkraft, PV- und Wind-Strom) lässt sich eine CO 2 -freie Wärmeversorgung erreichen; siehe Abschnitt 3. - 30 -
2.4 Berechnungsprogramm zur Abschätzung der Effizienz von Wärmepumpen-Heizungssystemen Eine Abschätzung der Effizienz von Wärmepumpe-Heizungssystemen kann über das in der Praxis erprobte und mit Betriebsdaten verifizierte Berechnungsverfahren JAZcalc vorgenommen werden; aktuelle Version V 8.0.9, Jänner 2014 /3/. Im Rechentool JAZcalc werden der Wärmebedarf des Gebäudes und die Wärmeabgabe der Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Außentemperatur ermittelt und mit der Summenhäufigkeit gewichtet. Dabei sind nur solche Eingabedaten erforderlich, die bei einer Baueingabe normalerweise auch verfügbar sind. Die Gebäudecharakteristik wird dabei mit dem Heizwärmebedarf und den Transmissions- und Lüftungswärmeverlusten erfasst. Für die Beschreibung des Wärmepumpenverhaltens ist ausschließlich der Norm-Messpunkt erforderlich. Für Wärmeverluste im Heizungssystem, Auslegung des Heizwärmeverteilung, COP der Wärmepumpe, Wärmeentzugsleistung von Erdreich-Flächenkollektoren und Erdsonden sowie Leistung von Förderpumpen werden Vorgaben (Defaults) empfohlen. Das in der Schweiz entwickelte Rechenprogramm wurde für österreichische Verhältnisse adaptiert (Energieinstitut Vorarlberg) und wird von der Österreichischen Qualitätsgemeinschaft Wärmepumpe an Interessenten kostenlos weitergegeben. Anmeldung zum freien Download: info@guetesiegel-erdwaerme.at. Wärmepumpen - Berechnungsblatt 2014 JAZcalc Version 8.0.9 Rechenmodell / Wärmepumpentool WPesti / JAZcalc EWZ / Energieinstitut Vorarlberg / AWEL / FWS / Verein MINERGIE JAZcalc: Version 8.0.9 (Jänner 2014) Anmelden zum freien Download: www.guetesiegel-erdwaerme.at Klima und Lastprofil: Energiebedarf: Bedarfsdeckung und Arbeitszahlen: Wetterstation: Dornbirn Heizwärmebedarf: 3.770 kwh Deckungsgrad solar (Heizung) 0,0% Heizwärmebedarf: 3.770 kwh Verteilung Heizung: 566 kwh Deckungsgrad solar (WW) 70,0% freie Wärme: 4.290 kwh Warmwasserbedarf: 1.661 kwh Deckungsgrad WP (Heizung) 100,0% "Solaranteil:" 53% Verteilung WW: 249 kwh Deckungsgrad WP (WW) 27,0% Bedarf WW: 0,22 kw Bedarf total: 6.245 kwh JAZ Wärmepumpe (Heizung) 2,59 Laufzeit WP: 1.034 h/a JAZ Wärmepumpe (WW) 1,90 Strombedarf WP 1.945 kwh JAZ total (ohne Solar, inkl. E-Zusatz) 2,48 Heizleistungsbedarf (ohne WW) JAZ (Heizung) mit Solar 2,59 Energiekosten: Vorschlag bei -12 C 2,9 kw JAZ (WW) mit Solar 6,34 Wärmepumpe 272 Euro Rechenwert bei -12 C 2,9 kw JAZ total (mit Solar u. Elektrozusatz) 3,16 Heizstab WW 8 Euro Rechenwert bei -8 C: 2,6 kw Zusatzheizung Heizung: -3 Zusatzheizung 0 Euro Verluste: 6.236 Energie total 280 Euro Bedarfsdeckung: 6.245-31 -
JAZcalc Version 8.0.9 Projekt: Name (Bauherr/GU): Strasse: Ort: Berechnungsbeispiel für eine Erdsonden-Wärmepumpe-Solar-Kombianlage Wärmepumpen - Berechnungsblatt 2014 Installateur / Planer: Name: Strasse: Ort: Tel : Tel : Gebäudedaten Energieausweis Nr: Bundesland: Klimastation Gebäudekategorie Musterhaus (Einfamilien-Wohnhaus) Dornbirn WP Datenbank Vers. 03.Jan.2014 Vorarlberg Dornbirn Einfamilienhäuser Brutto Grundfläche BGF (gemäß Energieausweis) A E 2 m 130 Heizwärmebedarf (gemäß Energieausweis) Qh,eff kwh/m2 a 29 Transmissionswärmeverluste (gemäß Energieausweis) QT kwh/m 2 a 40 Lüftungswärmeverluste (gemäß Energieausweis) Q V kwh/m 2 a 22 Heizung: Zusätzliche Verteilverluste % 15% Sperrzeiten für Wärmepumpe h/d 2 Heizleistungsbedarf ohne Warmwasser bei -12 C Vorschlagswert: 2,9 kw 2,9 Warmwasserbedarf Q ww manuelle Eingabe? nein 20 kwh/m 2 a 14,7 Warmwasser: Zusätzliche Speicher- und Verteilverluste % 15% Wärmepumpen-Anlage WP Daten von: Eigene Werte unten Eigene Werte oder Blatt Spez Typ und Name der Wärmepumpe: Wärmequelle und Art der Wärmepumpe Einsatz (Heizung oder Warmwasser): #BEZUG! S/W Erdsonden-Wärmepumpe einstufig Heizung + Warmwasser Heizungsspeicher #BEZUG! mit Heizungs - Speicher Betriebsweise der Wärmepumpen-Anlage: #BEZUG! mit elektrischer Notheizung Steuerung des Elektro-Heizeinsatzes #BEZUG! Elektro-Einsatz im Speicher Quellentemperatur: C -15-7 2 7 0 Rechenwerte bei TVL=35 C (Qh / COP): - 6,0kW / 4,7 Heizleistung bei Vorlauftemperatur 35 C kw 6 COP bei Vorlauftemperatur 35 C - 4,7 Heizleistung bei Vorlauftemperatur 55 C kw 10 COP bei Vorlauftemperatur 55 C - 2,8 Elektrische Leistungsaufnahme Solepumpe: (Sondenbelastung = 10,5 W/m bzw. 4,4 kwh/m) W 150 Erdwärmesonden: Anzahl: 3 Länge: m 150 Auslegungs-Sondentemperatur manuelle Eingabe? nein C 6,0 Grösse Heizungsspeicher Liter 500 Solltemperatur wärmster Raum (z.b. Badezimmer) Ti,soll C 24 Vorlauftemperatur der Heizung: manuelle Eingabe? nein 46 T VL [ C] 32 Rücklauftemperatur der Heizung: manuelle Eingabe? nein 33 T RL [ C] 27 Differenz Speichertemperatur - Vorlauftemperatur Heizung dt Speicher C 5 Wichtig: Werte können von der tatsächlichen Jahresarbeitszahl abweichen! elektrische Zusatzheizung Warmwasser: garantierte Warmwassertemperatur ohne Elektroheizstab: C 55 Warmwassertemperatur mit Elektro - Nachwärmer Qww : C 60 Warmwasser-Zirkulation / Begleitheizband Nicht vorhanden Länge: m Solaranlage Elektroeinsatz zur Nachwärmung Warmwasser + Heizung (externe Berechnung) Absorberfläche m2 16,0 Kollektorausrichtung Azimut [ ]: 0 Neigung [ ]: 45 Nettoertrag pro m2 Absorberfläche Vorschlagswert: 191,2 kwh/m2a 250 Höhe über Meer des Standortes m.ü.m. 1500 Solarer Deckungsgrad Warmwasser e = % 70,0% Solarer Deckungsgrad Heizung e = % 50,0% Für den Fördernachweis darf keine Solaranlage angewählt sein Resultate Anlage ist förderfähig! Elektro-Direkt-Anteil für die Heizung e = 0,0% kwh = 0 Elektro-Direkt-Anteil für das Warmwasser e = 3,0% kwh = 61 Laufzeit der Wärmepumpe h / a 442 JAZ der Heizung mit Solaranlage JAZHzgSolar = 9,45 JAZ für Warmwasser mit Solaranlage JAZWWSolar = 8,03 JAZ Gesamt für Heizung und Warmwasser mit Solaranlage inkl. Elektrozusatz JAZGesamtSolar = 8,97 Anteil und JAZ der Heizung e = 50,0% JAZHeizung = 4,73 Anteil und JAZ für Warmwasser e = 27,0% JAZWarmwasser = 2,41 JAZ (ohne Elektrozusatz) für Heizung + Warmwasser ohne Solaranlage: - 4,20 Jahresarbeitszahl JAZ (inkl. Elektrozusatz) für Heizung und Warmwasser JAZ Gesamt = 3,94-32 -