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

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

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

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

14 Michael Brähler, Timm Rössel, Heizlast nach DIN EN 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, Heizlast nach DIN EN 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, 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; Nibe Sole-Wasser-Wärmepumpe 1240/8 mit integriertem Brauchwassserspeicher; Vitolaladens 300-T18; 8kW; 5.173,19 [Stock 2008]

17 Michael Brähler, Timm Rössel, 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, Heizwärmebedarf nach DIN V 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

19 Michael Brähler, Timm Rössel, 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, 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

21 Michael Brähler, Timm Rössel, 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, Außentemperatur Fulda 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit 6. Klimaregion mit Außentemp. gemäß DIN 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, 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, 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, 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, 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, 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, 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, Wärmepumpendaten 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Nach DIN V 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, 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, 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, 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

33 Michael Brähler, Timm Rössel, 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

34 Michael Brähler, Timm Rössel, 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

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

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

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

38 Michael Brähler, Timm Rössel, 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: Arbeitsstunden:1.980 Zuzügl. 19% MwSt.:3.026,7 Endbetrag:18.956,7 Förderung: 1.500

39 Michael Brähler, Timm Rössel, 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, Energiekosten 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit Ölpreis 0,87 /l [http://www.tecson.de/ ] 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, Energiekosten 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung des Wärmeerzeugers 4.Wirtschaftliche Betrachtung 5.Fazit ErzeugerEnergiebedarf [kWh/a] Energiepreis [/a] Luft-Wärmepumpe Erdsonden- Wärmepumpe Absorbermatten- Wärmepumpe Heizkessel29593 (Heizöl)2575

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

44 Michael Brähler, Timm Rössel, 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, 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, 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, Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

48 Michael Brähler, Timm Rössel, [Kraft 08]


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