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Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Oberflächennahe Geothermie - Wärmeversorgung für ein Einfamilienhaus 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung.

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1 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Oberflächennahe Geothermie - Wärmeversorgung für ein Einfamilienhaus 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit

2 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Ziele Auslegung eines Wärmeerzeugers für ein Einfamilienhaus Nutzung von oberflächennaher Erdwärme Wärmepumpe - Absorbermatten (Sole/Wasser) - Erdsonde (Sole/Wasser) - Luft (Wasser) - Heizkessel (zum Vergleich) 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit

3 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Wärmepumpen Funktionsprinzip einer Wärmepumpe [http://www.werner-kotulla.de/ 03.08.08] 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit

4 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Sole/Wasser Wärmepumpe - Kollektoren Funktionsprinzip [Nibe 08] Wärme wird dem Erdreich über Absorbermatten entzogen 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit

5 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Absorbermatten 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Tiefe: 20cm unterhalb der örtlichen Frostgrenze 1,2m bis 1,5m Tiefe Low-Flow-Prinzip

6 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Sole/Wasser Wärmepumpe - Sonden Funktionsprinzip [Nibe 08] Wärme wird dem Erdreich über Erdsonden entzogen 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit

7 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Bohrungen 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Senkrechte Bohrungen in das Erdreich Doppel-U-Sonden oder Koaxialsonden nicht tiefer als 150m ab 50m Tiefe muss 6m Abstand gehalten werden

8 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Luft/Wasser Wärmepumpe Funktionsprinzip [Nibe 08] Wärme wird der Außenluft entzogen und diese wird zur Verdampfung genutzt 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit

9 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Betriebsweisen 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit monovalente Betriebsweise Wärmebedarf muss zu 100% von der Wärmepumpe gedeckt werden bivalente Betriebsweise Es wird ein Bivalenzpunkt festgelegt. Ab dem Bivalenzpunkt wird ein zweiter Wärmerzeuger hinzugeschaltet. Der zweite Wärmeerzeuger ist idR ein elektrischer Heizstab. bivalenten-parallele Betriebsweise Ab dem Bivalenzpunkt decken beide Wärmeerzeuger parallel den Wärmebedarf

10 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Betriebsweisen 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit bivalenten-alternative Betriebsweise Ab dem Bivalenzpunkt deckt nur der zweite Wärmeerzeuger den Wärmebedarf (oft Heizkessel; z.B. bei Nachrüstung)

11 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Gebäude 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit

12 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Gebäude 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit

13 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Gebäude 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit

14 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Heizlast nach DIN EN 12831 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit unbeheizter Keller Dichtigkeitsprüfung erfolgt Wärmebrückenzuschlag Δ U WB =0,05 W/m²K U-Werte: Außenwände: 0,2 W/m²K Kellerdecke: 0,4 W/m²K Oberste Geschossdecke: 0,2 W/m²K Türen: 1,3 W/m²K Fenster: 1,3 W/m²K Standort Fulda

15 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Heizlast nach DIN EN 12831 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Transmissionswärmeverluste:Φ T = 4166 W Lüftungswärmeverluste: Φ V = 2788 W Norm-Heizlast: Φ HL,Geb = 6954 W Heizlast ist 7 kW

16 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Auswahl der Wärmeerzeuger 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Nibe Luft-Wärmepumpe 2020/8 mit integriertem Brauchwassserspeicher; 10.840 Nibe Sole-Wasser-Wärmepumpe 1240/8 mit integriertem Brauchwassserspeicher; 8.500 Vitolaladens 300-T18; 8kW; 5.173,19 [Stock 2008]

17 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Bodenbeschaffenheit 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Standort Fulda Erdwärmesonden 0m-16m:Kalkstein45-60 W/m 16m-137m:Sandstein55-65 W/m Absorbermatten Trockener Boden 20 W/m² [Kruppa 06] [Rehau 07]

18 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Heizwärmebedarf nach DIN V 4108-6 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit MonatHeizwärmebedarf [kWh/m] Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember 4973.88 3879.44 3068.24 994.36 373.90 43.14 0.01 247.74 1685.99 3109.80 4413.00

19 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Trinkwarmwasserbedarf 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit nach EnEV 12,5 kWh/m²a ~150 m² Wohnfläche 1875 kWh/a Trinkwarmwasserbedarf ist konstant: 1875kWh/a : 12 = 156 kWh/m im Folgenden werden von 20 % Anlagenverluste angenommen

20 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Wärmebedarf inkl. TWW und Verlusten 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit MonatWärmebedarf [kWh/m] Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember 6156 4842 3869 1380 636 239 187 485 2210 3919 5483

21 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 COP Abhängigkeit von Umgebungstemperatur 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Erdsonden: Abhängigkeit der Außentemperatur sehr gering, daher als konstant betrachtet Absorbermatten: Abhängigkeit der Außentemperatur etwas größer Luft: starke Abhängigkeit von Außentemperatur

22 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Außentemperatur Fulda 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit 6. Klimaregion mit Außentemp. gemäß DIN 4108-6 MonatT [°C] Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember -1,2 -0,1 3 7,1 11,4 15,1 16,8 16,6 13,4 8,9 3,5 0,2

23 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 COP Luft-WP 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Bei 2°C/35°C ergibt sich aus dem Datenblatt: el. Leistungsaufnahme: 2,1 kW Wärmeleistung: 7,6 kW Bei 7°C/35°C ergibt sich aus dem Datenblatt: el. Leistungsaufnahme: 2,18 kW Wärmeleistung: 8,7 kW thermisch: 0,22 kW/K | elektrisch: 0,015 kW/K [Nibe 08]

24 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 COP Luft WP 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit MonatP el [kW]Leistung [kW]COP Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember 2,05 2,07 2,12 2,18 2,24 2,30 2,32 2,27 2,20 2,12 2,07 6,9 7,14 7,82 8,72 9,67 10,48 10,86 10,81 10,11 9,12 7,93 7,2 3,37 3,45 3,69 4,00 4,32 4,56 4,68 4,66 4,45 4,15 3,74 3,49

25 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 COP Absorbermatten-WP 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Bei 0°C/35°C ergibt sich aus dem Datenblatt: el. Leistungsaufnahme: 1,66 kW Wärmeleistung: 8,2 kW Bei 2°C/35°C ergibt sich aus dem Datenblatt: el. Leistungsaufnahme: 1,70 kW Wärmeleistung: 8,73 kW thermisch: 0,25 kW/K | elektrisch: 0,02 kW/K [Nibe 08]

26 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 COP Absorbermatten-WP 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit [Kraft 08] [Nibe 08] Monat Soletemp. [°C] P el [kW]Leistung [kW] COP Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember 1,15 1,49 1,83 2,83 3,56 4,17 4,89 3,83 4,10 3,36 2,64 2,21 1,68 1,69 1,70 1,72 1,73 1,74 1,76 1,74 1,73 1,71 1,70 8,49 8,57 8,66 8,91 9,09 9,24 9,42 9,16 9,23 9,04 8,86 8,75 5,04 5,07 5,10 5,19 5,25 5,30 5,36 5,27 5,30 5,23 5,17 5,14

27 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 COP Erdsonden-WP 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit thermisch: 0,25 kW/K | elektrisch: 0,02 kW/K Soletemperatur konstant bei ~3 °C el. Leistungsaufnahme: 1,72 kW Wärmeleistung: 8,95 kW COP: 5,2 [Kraft 08] [Nibe 08]

28 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Leistung 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit daraus resultieren folgende Jahresleistungszahlen: Sonde: 5,2 Absorber:5,13 Luft: 3,65

29 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Wärmepumpendaten 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Nach DIN V 18599 T5 ist die Soletemperatur bei Ta=-10°C Ts=0°C Bei 0°C/35°C ergibt sich aus dem Datenblatt: Pel= 1,66 kW Qth= 8,2 kW COP= 4,9 Bei 3°C/35°C resultiert: Pel= 1,72 kW Qth= 8,95 kW COP= 5,2 Es werden 7,23 kW aus dem Erdreich benötigt

30 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Tiefe der Bohrung 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit L Sonde = benötigte Leistung / spez. Entzugsleistung [m] L Sonde = 7230W / 59 W/m = 122m gewählt: 2 Bohrungen à ~60m

31 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Fläche der Absorbermatten 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit A koll = benötigte Leistung / spez. Entzugsleistung [m²] A koll = 7230W / 20 W/m² = 360m²

32 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Laufzeit Luft-WP 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Laufzeit: 3892 h/a | Strombedarf: 8172 kWh/a MonatWärmebedarf [kWh/m] Laufzeit [h/m]Strombedarf [kWh/m] Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember 6156 4842 3869 1380 636 239 187 485 2210 3919 5483 892 678 495 158 66 23 17 48 242 494 762 1829 1403 1049 344 148 53 39 109 532 1047 1577

33 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Laufzeit Erdsonde-WP 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Laufzeit: 3307 h/a | Strombedarf: 5687 kWh/a MonatWärmebedarf [kWh/m] Laufzeit [h/m]Strombedarf [kWh/m] Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember 6156 4842 3869 1380 636 239 187 485 2210 3919 5483 688 541 432 154 71 27 21 54 247 438 631 1183 931 744 265 122 46 36 93 425 753 1054

34 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Laufzeit Absorbermatten-WP 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Laufzeit: 3394 h/a | Strombedarf: 5775 kWh/a MonatWärmebedarf [kWh/m] Laufzeit [h/m]Strombedarf [kWh/m] Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember 6156 4842 3869 1380 636 239 187 485 2210 3919 5483 725 565 447 155 70 26 20 53 244 442 626 1221 954 758 266 121 45 35 92 422 758 1068

35 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Förderung 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit

36 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Preise 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Nibe-Luft-Wärmepumpe 2020/8:10.840 Hydraulisches Anschluß-Set:830 Kleinmaterial:850 45 Arbeitsstunden:1.485 Zuzügl. 19% MwSt.:2.660,95 Endbetrag:16.665,95 Förderung: 750

37 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Preise 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Nibe-Sole-Wasser-Wärmepumpe 1240/8:8.500 Tiefenbohrung:10.450 Kleinmaterial:650 32 Arbeitsstunden:1.056 Zuzügl. 19% MwSt.:3.924,64 Endbetrag:24.580,64 Förderung: 1.500

38 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Preise 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Nibe-Sole-Wasser-Wärmepumpe 1240/8:8.500 Absorbermatten:4.800 Kleinmaterial:650 60 Arbeitsstunden:1.980 Zuzügl. 19% MwSt.:3.026,7 Endbetrag:18.956,7 Förderung: 1.500

39 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Preise 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Vitolaladens 300T 18, 8kW:5.173,19 Kleinmaterial:660,28 30 Arbeitsstunden:990 Zuzügl. 19% MwSt.:1.338,26 Endbetrag:8.381,73

40 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Energiekosten 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Ölpreis 0,87 /l [http://www.tecson.de/ 05.08.08] Strompreis 0,18 /kWh [ÜWAG] + 96 /Jahr Wärmepumpen-Strompreis 0,14 /kWh [ÜWAG] + 66 /Jahr Energiepreissteigerung: Strom: 4,2 % Öl: 4,2 % [Hamburgisches Weltwirtschaftsarchiv (HWWA), Stand Januar 2007; Entwicklung der Energierohstoffpreise seit 2000]

41 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Energiekosten 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit ErzeugerEnergiebedarf [kWh/a] Energiepreis [/a] Luft-Wärmepumpe81721210 Erdsonden- Wärmepumpe 5687862 Absorbermatten- Wärmepumpe 5775875 Heizkessel29593 (Heizöl)2575

42 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Wirtschaftlichkeit 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Berechnung nach VDI 2067 – Annuitätenmethode Kapitalzinssatz 4% allgemeine Preissteigerung 2 % Wartung und Instandsetzung nach VDI 2067

43 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Ergebnis Wirtschaftlichkeit 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit

44 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Ergebnis Wirtschaftlichkeit 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Annuitäten: Luft-Wärmepumpe:3528 /a Erdsonden-Wärmepumpe:3901 /a Absorbermatten-Wärmepumpe:3251 /a Heizkessel:4377 /a

45 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Fazit 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit generell sehr hohe Leistungszahlen, bedingt durch geringe Vorlauftemperatur des Heizkreises und effizienten Wärmepumpen (Herstellerangaben) durch diese hohen Leistungszahlen sind die Jahresannuitäten der Wärmepumpen sehr gering Erdsonden teuer, evtl. bedingt durch regional teure Bohrungen ( 85 /m ; Angaben aus Vorlesung ~40-60 /m) Absorbermatten trotz großer Fläche recht günstig (Firmenangebot)

46 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Fazit 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Hoher Heizölpreis; daraus resultieren die hohen Annuitäten des Heizkessels die gute Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpen hängt mit dem vergünstigten Stromtarif für Wärmepumpen zusammen durch unterschiedliche Bodenbeschaffenheiten kann eine Wärmepumpenauslegung nicht verallgemeinert werden

47 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

48 Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 [Kraft 08]


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