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

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 80335 München werner.schenk@hm.edu Ing.-Büro Prof. W. Schenk 83026 Rosenheim wpeffizienz.de 1

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

Betriebsgebäude Dortmund Beheizte Fläche 1.440 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

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 12.000 kwh/a 2.400 /a 1,66 /m²/a 4

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

Bankgebäude Rosenheim Kompakt-Erdwärmesonden-Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen Gemessene Arbeitszahl: ß =1,9 Arbeitszahl 7 6 5 4 3 2 1 0 16.02.2012 16.03.2012 16.04.2012 16.05.2012 16.06.2012 16.07.2012 16.08.2012 16.09.2012 16.10.2012 16.11.2012 16.12.2012 16.01.2013 16.02.2013 16.03.2013 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: 8.000 kwh von 20.000 kwh 6

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

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 40 6. 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

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

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 12 10 8 6 Maxwerte 4 Minwerte 2 0-2 -4 10

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

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

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 1.210 l/erdwärmesonde 40mm Doppel-U-Rohrsonde, 20 % Monoethylenglycol mindestens 1.510 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 4 3 2 Volumenstrom gesamt m³/h 16,92 22,56 33,83 Volumenstr je EWS m³/h 1,13 1,50 2,26 Reynoldszahl 1848 2465,00 3696,80 Druckverlust EWS Pa 12171 28063,21 57055,44 Druckverlust WP Pa 19100 33955 76379 Druckverlust Summe Pa 31271 62018 133434 mws 3,1 6,2 13,3 Pumpe 50-1,9 65/1-12 50-130 Stratos Stratos IP E P1 kw 0,28 0,70 2,47 dp Verdampfer bei dt 4 K 25 % Monethylenglycol 19100 Pa P1 Kompressor 0,025 25 23,125 22,50 Summe Strom 25,3 23,8 25,0 COP incl. SoleUWP 3,96 4,20 13 4,00

2. Wärmequelle Erdwärmesonde 7. Soleumwälzpumpe: Dimensionierung prüfen und Wirtschaftlichkeit einer Hocheffizienzpumpe prüfen MHI 402-1 Stratos 30/1-8 Förderhöhe mws 9 ideal 4 Fördermenge m³/h 7 ideal 3 P1 W 830 72 Vollbenutzungsstundenh/a 2.500 2.500 elektrische Energie kwh/a 2.075 180 Verbrauchskosten/a 0,20 415 36 Verbrauchskosten/20a 0,30 12.450 1.080 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 - Verbrauchskosten/20a 0,30 /kwh 12.450 1.080 MHI 402-1 Stratos 30/1-8 14

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 18.000kWh/a Gegenstrom Gleichstrom Verdampfungstemperatur 0-3 Kondensationstemperatur 35 38 berechnete Leistungszahl 4,3 3,55 Stromverbrauch Verdichter [kwh/a] 4.186 5.070 5.500 5.000 4.500 4.000 3.500 3.000 Stromverbrauch Verdichter [kwh/a] Gegenstrom 21 % Gleichstrom Stromverbrauch Verdichter [kwh/a] 15

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 250.000 200.000 150.000 100.000 Verbrauchskosten 20 a 0,3 /kwh 213.523 41 % 125.000 50.000 - vor Optimierung nachher 16

4. Hydraulik: Fehlströmung Effizienz der Anlage RLT- Anlage FB-Heizung 2.100 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

4. Hydraulik: Fehlströmung Effizienz der Anlage RLT- Anlage FB-Heizung 2.100 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

4. Hydraulik: Fehlströmung Effizienz der Anlage Motorventile schließen sicherer als Rückschlagventile/-Klappen M M RLT- Anlage FB-Heizung 2.100 m² 93 kw WP 1 WP 2 M M 19

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 3.600 3.400 3.200 3.000 18 % 40 C M 2.800 2.600 Stromverbrauch Verdichter [kwh/a] 2.400 25 C M 2.200 2.000 W10/W35 W10/W40 20

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

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 551 3. Möglichst seltene Freigabe: Komfort 1. Platzierung des Fühlers möglichst oben oder 2. Freigabezeit einschränken 22

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 45 40 35 30 25 20 häufige Einstellung optimal 10 K zu viel t 15-16 0 18 WP 30 C Beispiel: Heizlast 100 kw Wärmeverbrauch 200.000 kwh/a B0/B35 B0/W45 Leistungszahl 4,5 3,4 Stromverbrauch Verdichter [kwh/a] 44.444 58.824 Verbrauchskosten 20 Jahre, 30 Ct/kWh 266.667 352.941 Einsparung 24% 86.275 400.000 350.000 300.000 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 - B0/B35 86.275 B0/W45 Verbrauchskosten 20 Jahre, 30 Ct/kWh 23

9. Kühlung 1. Kompressionskälteerzeugung vermeiden 1. Großflächige direkt durchströmte Kühlregister (Lüftung) 2. Wenn Trennwärmetauscher: obere und untere Grädigkeit max. 2 K 3. 24 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 160.000 Serverkühlung kw 20 Vollbenutzungsstunden h 8.760 Kältebedarf kwh/a 175.200 Summe kwh/a 335.200 freie Kühlung Kaltwasserpuffer ohne mit P1 Pumpen kw 4 4 Betriebsstunden h/a 8.760 2.000 Strombedarf kwh/a 35.040 8.000 Energiekosten /a 7.008 1.600 Arbeitszahl 9,6 41,9 Mit Kaltwasserpuffer steigt die Arbeitszahl von 10 auf 42 24

10. Umwälzpumpen 1. Überprüfung der Einstellung 2. Ggf. Wirtschaftlichkeitsprüfung von Hocheffizienzpumpen UPS 32-80 Magna 32-60 Förderhöhe mws 2,38 2,38 Fördermenge m³/h 4,7 4,7 P1 W 164 72 Vollbenutzungsstunden h/a 6.000 6.000 elektrische Energie kwh/a 984 432 Verbrauchskosten/a 0,20 197 86 Verbrauchskosten/20a 0,30 5.904 2.592 7.000 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 - Verbrauchskosten/20a 0,30 /kwh 5.904 2.592 UPS 32-80 Magna 32-60 25

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 8,00 19.11.2012 20877,0 3686,1 47830,4 3,89 26.11.2012 21125,4 3708,8 47843,1 5,19 5,23 04.12.2012 21636,6 3737,3 47869,6 7,92 5,34 10.12.2012 22137,2 3759,9 47894,5 10,47 5,09 17.12.2012 22633,1 3786,3 47920,2 13,15 5,40 24.12.2012 22965,4 3821,3 47941,0 15,13 5,96 02.01.2013 23404,2 3874,5 47969,5 17,83 6,15 07.01.2013 23645,3 3907,4 47985,6 19,31 6,14 14.01.2013 24177,0 3951,0 48017,7 22,41 284 1293 5,83 21.01.2013 24697,7 3994,3 48049,2 25,45 33 379 1663 5,84 28.01.2013 25202,0 4039,6 48078,6 28,28 32 473 1796 5,61 05.02.2013 25569,0 4087,6 48103,0 30,51 6,08 11.02.2013 25983,9 4125,6 48128,4 32,97 615 2619 5,93 18.02.2013 26414,0 4168,9 48155,6 35,53 694 3045 5,95 25.02.2013 26827,5 4211,2 48182,3 38,00 5,97 04.03.2013 27215,1 4253,5 48207,7 40,34 841 3971 6,04 11.03.2013 27470,3 4295,8 48225,7 41,9 6,11 18.03.2013 27845,2 4338,1 48250,5 44,13 5,95 25.03.2013 28241,6 4380,9 48276,3 46,49 5,95 02.04.2013 28654,4 4426,6 48302,5 48,82 1102 5888 5,64 08.04.2013 28901,5 4465,6 48321,3 50,41 1151 6363 6,43 15.04.2013 29054,4 4505,0 48333,3 51,36 1180 6736 6,21 23.04.2013 29115,9 4545,9 48339,5 51,7 1192 7065 5,53 Arbeitszahl ß 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Datum 26

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