Dipl.-Ing. (FH) Matthias Unnath Wärmepumpentechnik Funktionsweise, Systeme und Randbedingungen für den wirtschaftlichen Einsatz Energieforum Handwerkskammer Koblenz 19. Mai 2006 Dipl.-Ing. (FH) Matthias Unnath  

Energiekosten – ein uraltes Problem

Quelle: www.waermepumpe-bwp.de

Quelle: Verbraucherzentrale Rheinland-Pfalz 2006

www.tsb-energie.de Mit Energie für Effizienz und Umwelt Projekte / Beratung für rationelle und regenerative Energienutzung Dezentrale Energiestationen Motoren, Brennstoffzelle, Stirling-Motor Jährlicher Energietag Rheinland-Pfalz mit Ausstellung www.tsb-energie.de Effiziente Energienutzung in Industrieanlagen

Marktentwicklung Wärmepumpen

Heizungen für ein EFH Öl-Kessel  jetzt auch ein Ölbrennwertkessel Gas-Brennwertheizung/ NT-Heizung  mit Erdgas oder Flüssiggas Elektro-Direkt-Heizung Elektro-Wärmepumpe  mit Absorber oder Sonde … Zählen zu den üblichen Heizkesseln Heizen mit Holz ist jetzt wieder modern! Diese Heizen ist nicht mehr mit den „frühen Formen“ zu vergleichen Wichtig CO 2 neutral ! Warum? Scheitholzkessel Holzpelletofen oder -kessel

thermodynamischer Kreisprozess Bei der Elektrowärmepumpe wird ein Großteil der Heizenergie direkt der Umwelt entzogen. ( siehe Pfeil Anergieeinbindung ) Nur ein Viertel der nötigen Heizwärme wird durch elektrische Energie aufgebracht. Drei Viertel der Heizwärme wird der Umwelt entzogen. Die Umweltwärme ist in diesem Fall der Anergielieferant. So wird zum Beispiel die regenerative Umgebungswärme über den Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt und über den Verdichter mit Exergie wieder in thermische Energie aufgewertet. Technisch realisiert wird dieses Prinzip durch einen geschlossenen Kreislauf innerhalb der Wärmepumpe, bei dem ein geeignetes Kältemittel ( z.B. Propan R290 ) ständig bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck verdampft ( KM –8°C/3,65 bar zu –4°C/3,65 bar WQ 0°C auf –4°C ) und anschließend bei hoher Temperatur und hohem Druck ( KM 62°C/13,2 bar zu 33°C/13,2 bar WQ 30°C auf 35°C ) wieder kondensiert. Beim Verdampfen wird Wärme aus der Umgebung aufgenommen, beim Kondensieren wird Wärme an das Heizungssystem abgegeben. Durch ein Drosselorgan ( z.B. Expansionsventil ) tritt das Kältemittel wieder in den Teilkreislauf mit geringem Druck ein und wird wieder dem Verdampfer zugeführt. Thermodynamischer Vergleichsprozeß: Carnot: 1-2 isotherme Verdampfung Wärmeaufnahme 2-3 Isentrope Kompression Antriebsaufwand 3-4 Isotherme Kondensation Wärmeabgabe 4-1 Isentrope Expansion Beim realen Wärmepumpenprozeß läuft vor allem die Expansion nicht isentrop, und die Verdichtung muß bis zu einer Temperatur gehen, die deutlich über derjenigen der isothermen Kondensation liegt. Je größer der isotherme Anteil der Strecke 3-4 wird, desto näher kommt man dem Carnot-Prozeß. Seite 4 Wärmepumpen von Sanner anschreiben T-s-Diagramm Carnot und realer WP-Prozeß

Physikalische Grundlagen Kennzahlen Heizenergie Qab Qab = Q + W Q = Umweltenergie W = elektrische Energie Arbeitszahl b b = Qab / W [kWhth / kWhel] Leistungszahl e e = Qab / W [kWth / kWel] Luft-Wasser 2,8 - 3,2 Sole-Wasser 3,5 - 4,8 Wasser-Wasser 3,5 - 4,8 Die insgesamt zu Heizzwecken bereitgestellte Energie Qab setzt sich zusammen aus der Umweltenergie Q und der zugeführten elektrischen Energie. Die Arbeitszahl B ergibt sich aus dem Verhältnis von der abgegebenen Heizenergie Qab zur zugeführten elektrischen Energie W. Sie bezieht sich allgemein auf Arbeit und nicht auf die Leistung. Bei einer Arbeitszahl größer 3 wird bei der Elektrowärmepumpe mehr Wärme erzeugt, als im Kraftwerk an Primärenergie eingesetzt wird. Die Leistungszahl epsilon ergibt sich aus dem Verhältnis von der abgegebenen Heizleistung Qab PUNKT zur zugeführten elektrischen Leistung W PUNKT. Bei der Leistungszahl wird im Gegensatz zur Arbeitszahl lediglich die vom Verdichter aufgenommene Leistung berücksichtigt. Leistungen zum Betrieb von Pumpen, Ventilatoren und sonstigen Hilfsaggregaten bleiben unberücksichtigt. Damit läßt sich die Leistungszahl unmittelbar mit der theoretischen Obergrenze, der Leistungszahl nach Carnot ec, vergleichen. Für Überschlagsrechnungen kann e mit etwa 0,5*ec angesetzt werden. Die Temperaturdifferenz (T-T0) ist ein wichtiges Indiz für grundsätzliche Auslegungsüberlegungen. Danach steigt e : je geringer Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizungsvorlauftemperatur je höher die Wärmequellentemperatur ( Luft->Boden->Grundwasser->Abwärme ) je niedriger die Heizungsvorlauftemperatur ( Fußbodenheizungen, Zuluftaufwärmung der Wohnungslüftung ) Die erforderlichen Mindeststandards nach dem internationalen Wärmepumpen Gütesiegel gemessen nach EN255 liegen bei einer Leistungszahl von 3,0 für Luft-Wasser-WP bei einer Wärmequellentemperatur v. 2°C u. einer VL-Temp. v. 35°C 3,5 für Sole-Wasser-WP bei einer Wärmequellentemperatur v. 0°C u. einer VL-Temp. v. 35°C 4,0 für Wasser-Wasser-WP bei einer Wärmequellentemperatur v. 10°C u. einer VL-Temp. v. 35°C

(ideale) Systemvoraussetzungen großflächige Heizungssysteme Fußbodenheizung, Wandheizung, Plattenheizkörper 35°C bis maximal 45° C Vorlauftemperatur Geringer Heizwärmebedarf Altbau: 70 kWh/m2xa Heizwärmebedarf Neubau: KfW 60 Standard (mind.) Jahresarbeitszahl > 3,5 Die insgesamt zu Heizzwecken bereitgestellte Energie Qab setzt sich zusammen aus der Umweltenergie Q und der zugeführten elektrischen Energie. Die Arbeitszahl B ergibt sich aus dem Verhältnis von der abgegebenen Heizenergie Qab zur zugeführten elektrischen Energie W. Sie bezieht sich allgemein auf Arbeit und nicht auf die Leistung. Bei einer Arbeitszahl größer 3 wird bei der Elektrowärmepumpe mehr Wärme erzeugt, als im Kraftwerk an Primärenergie eingesetzt wird. Die Leistungszahl epsilon ergibt sich aus dem Verhältnis von der abgegebenen Heizleistung Qab PUNKT zur zugeführten elektrischen Leistung W PUNKT. Bei der Leistungszahl wird im Gegensatz zur Arbeitszahl lediglich die vom Verdichter aufgenommene Leistung berücksichtigt. Leistungen zum Betrieb von Pumpen, Ventilatoren und sonstigen Hilfsaggregaten bleiben unberücksichtigt. Damit läßt sich die Leistungszahl unmittelbar mit der theoretischen Obergrenze, der Leistungszahl nach Carnot ec, vergleichen. Für Überschlagsrechnungen kann e mit etwa 0,5*ec angesetzt werden. Die Temperaturdifferenz (T-T0) ist ein wichtiges Indiz für grundsätzliche Auslegungsüberlegungen. Danach steigt e : je geringer Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizungsvorlauftemperatur je höher die Wärmequellentemperatur ( Luft->Boden->Grundwasser->Abwärme ) je niedriger die Heizungsvorlauftemperatur ( Fußbodenheizungen, Zuluftaufwärmung der Wohnungslüftung ) Die erforderlichen Mindeststandards nach dem internationalen Wärmepumpen Gütesiegel gemessen nach EN255 liegen bei einer Leistungszahl von 3,0 für Luft-Wasser-WP bei einer Wärmequellentemperatur v. 2°C u. einer VL-Temp. v. 35°C 3,5 für Sole-Wasser-WP bei einer Wärmequellentemperatur v. 0°C u. einer VL-Temp. v. 35°C 4,0 für Wasser-Wasser-WP bei einer Wärmequellentemperatur v. 10°C u. einer VL-Temp. v. 35°C

Außenluft Luft-Wasser-Wärmepumpen Wärmequellen Außenluft Luft-Wasser-Wärmepumpen Geringere Jahresarbeitszahl 2,8 – 3,2 Luftmenge: ca. 250 –350 m³/kW Allgemein Bei der Planung muß die für den Standort günstigste Wärmequelle ausgewählt und das Heizsystem sowie die anderen Anlagenteile daran angepaßt werden. Eine gute Kenntnis der Geologie und Hydrogeologie erlaubt Rückschlüsse auf die thermischen und hydraulischen Eigenschaften des Untergrundes und ermöglicht damit die Wahl der geeigneten Entzugstechnik. Hinweise zur Auslegung gibt die VDI 4640 ( thermische Nutzung des Untergrundes ). Außenluft Bei der aufgeführten Beispielanlage handelt es sich um eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, deren Verdampfer außerhalb des Gebäudes und deren Wärmepumpe selbst wettergeschützt im Keller untergebracht ist ( Split-Aufstellung ). Die Luft-Wasser-Wärmepumpe wird an kalten Tagen durch eine Elektrowiderstandsheizung im Wärmespeicher unterstützt. Es handelt sich hier um eine monoenergetische Betriebsweise. In der betrachteten Heizperiode wurde eine Arbeitszahl von 3,77 inkl. elektrischen Energie für den Elektroheizstab erreicht

Wärmequellen Horizontal-Erdkollektoren Sole-Wasser-Wärmepumpen 1...2 m Tiefe schwanken der Erdreichtemperatur zwischen 7°C ( Winter ) und 13°C ( Sommer ) ab 5 m Tiefe konst. 10°C Erdreichtemperatur Jahresarbeitszahl 3,5 – 3,8 Bodentyp spez. Wärmeentzugsleistung [W/m2] Trockener, sandig Boden 10...15 W/m² grundwasserführend 30...35 W/m² Horizontal-Erdkollektoren Die Temperatur in der obersten Erdschicht variiert mit den Jahreszeiten. Sobald aber die Frostgrenze unterschritten wird, sind diese Schwankungen deutlich geringer. Ab einer Tiefe von 5 m kann von einer konstanten Erdreichtemperatur von 10°C ausgegangen werden. Unter Horizontal-Erdkollektoren sind Rohrschlangen zu verstehen, die großflächig in einer Tiefe von etwa 1,2 bis 1,4 m Tiefe und einem Abstand von etwa 80 cm verlegt werden. Wie groß ein Erdkollektor sein muß, hängt vom Wärmebedarf des Gebäudes und von den Speichereigenschaften des Erdreiches ab. Der Boden speichert die Wärme umso besser, je höher der Wassergehalt ist. Mit Hilfe der spezifischen Wärmeentzugsleistung können die Kollektorgrüße und die notwendige Rohrlänge bestimmt werden. Eine großflächige Regenwasserversickerung über den Wärmetauscherrohren erhöht den Feuchtigkeitsgehalt des Bodens. Die Fläche richtet sich einerseits nach der spezifischen Wärmeentzugsleistung des Erdreichs und andererseits nach dem für den Verdampfungsvorgang notwendigen Wärmestrom, der sogenannten Umweltwärmeleistung Q. Die Umweltwärmeleistung Q ergibt sich als Differenz zwischen Heizwärme Qab und elektrischer Energie W. Im folgenden wird ein Auslegungsbeispiel mit Hilfe eines Nomogrammes vorgenommen.

Wärmequellen Auslegung eines Horizontal-Erdkollektor Heizleistung 15 kW Arbeitszahl 3,5 spez. Entzugs- leistung 30 W/m² Verdampfer- leistung 10,7 kW Fläche 360 m² Rohrlänge 895 m Optional Auslegungsbeispiel mit Nomogramm

Wärmequellen Vertikal-Erdkollektoren Sole-Wasser-Wärmepumpen ab 5 m Tiefe konst. 10°C Erdreichtemperatur Sondenlänge senkrecht oder auch schräg 40...100 m Jahresarbeitszahl 3,8 – 4,8 Vertikal-Erdkollektoren Ist die Fläche für einen horizontalen Erdkollektor nicht vorhanden, gibt es die Möglichkeit der senkrechten oder schrägen Anordnung. Der spez. Wärmestrom schwankt zwischen 20 und 100 W/m Sondenlänge je nach Bodenqualität. Diese Sonden werden in Deutschland üblicherweise bis in eine Tiefe von 100 m eingesetzt, da darüber hinaus eine bergrechtliche Genehmigung erforderlich ist. Eine Unterdimensionierung führt bei großem Wärmeentzug zu starker Auskühlung des Untergrundes bis hin zur Frostbildung. Dadurch verringert sich einmal die Effizienz der Wärmepumpe, zum anderen können sich die tieferen Schichten im Sommer wegen des begrenzten Wärmenachflusses nicht mehr vollständig regenerieren. Es handelt sich um Rohrsonden ( Einfach-U-, Doppel-U-... ) meist aus Kunststoff in Bohrlöchern. Zur guten thermischen Anbindung der Rohre an den Untergrund, wird dieses Bohrloch nach Einbau der Sonde mit einem speziellen Material ( Bentonit-Zement-Gemisch ) verfüllt.

Wärmequellen Grundwasser Wasser-Wasser-Wärmepumpen Fördermenge 0,25...0,3 m³/h je kW Verdampferleistung bei einer Temperaturänderung v.3 K Förder- und Schluckbrunnen müssen in Grundwasserfließrichtung in ausreichendem Abstand liegen. Wasserqualität beachten Temperatur, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit Jahresarbeitszahl 3,5 – 4,8 Grundwasser Das Grundwasser wird über einen oder mehrere Förderbrunnen entnommen, deren Förderleistung die Dauerentnahme bei Nenndurchfluß der Wärmepumpe gewährleistet. Allgemein ergibt sich eine Fördermenge von 0,25...0,3 m³/h je kW Verdampferleistung bei einer Temperaturänderung von 3 K. Neben der ausreichenden Wasserförderung muß auch die Rückführung in denselben Aquifer über einen oder mehrere Schluckbrunnen gewährleistet sein. Diese müssen in Grundwasserfließrichtung in ausreichendem Abstand liegen. Die Temperaturänderung des Wassers sollte dabei 6 K nicht überschreiten. Eine weitere wichtige Größe, die die Auslegung der Anlage beeinflusst, ist die Wasserqualität. Dies bezieht sich auf Temperatur, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit und Redoxpotenzial. Daraus können Rückschlüsse auf Korrosionsgefahr für die Werkstoffe sowie die Verockerungsgefahr der Brunnen gezogen werden.

Wärmepumpen Theorie - Übertragungsmöglichkeiten Quelle: Klimaschutzagentur Wiesbaden

Wärmepumpen Theorie - Betriebsweise

CO2-Emissionen

Wirtschaftlichkeit Brennstoff Heizöl Erdgas WP Scheitholz Holzpellets   Heizöl Erdgas WP Scheitholz Holzpellets Heizleistung kWth 15 11 20 Nutzungsgrad % 90% 98% 85% Arbeitszahl 3,8 Einheit l m³ kWhel rm kg Brennstoffmenge Einheiten/a 1.770 1.500 3.586 3.741 Brennstoffkosten €/Einheit 0,60 0,06 0,128 40,00 0,15 Investitionen € 8.500 7.800 11.500 9.200 13.400 Kapitalkosten €/a 764,15 701,22 1.033,85 827,08 1.069,81 Betriebskosten 150,00 50,00 180,00 708,18 817,90 459,00 432,78 561,11 Jahreskosten 1.622,33 1.696,12 1.542 1.439,86 1.810,92 Wärmepreis Ct/kWhth 10,41 10,89 11,3 9,24 11,62 Bei der Wärmepumpe ist eine umfassende Wirtschaftlichkeitsrechnung vorzunehmen, da die Investitionskosten vergleichsweise hoch, während die Betriebs- und Verbrauchskosten im allgemeinen günstiger sind als bei anderen Heizungsanlagen. Ein Vergleich mit anderen Heizsystemen ist daher nur sinnvoll bei einer gleichzeitigen Betrachtung von kapital- und betriebsgebundenen Kosten. Dabei sind auch mögliche Förderinstrumente zu berücksichtigen. Wie bereits erwähnt, werden beim Einbau einer monovalenten Wärmepumpe in einem Neubau die Investitionskosten vor allem durch die Erschließungskosten der Wärmequelle geprägt. Da die Kosten für eine Kesselanlage, Schornstein und Brennstofflager bzw. Gasanschluß entfallen, sind bei optimaler Auslegung der Gesamtanlage nur geringe Mehrkosten gegenüber einer Brennstoffheizung zu erwarten, die jedoch durch geringere verbrauchsgebundene Kosten bei entsprechender Amortisationszeit kompensiert werden können. Von Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit sind zusätzlich die tariflichen Sonderabkommen der überregionalen und regionalen Energieversorgungsunternehmen sowie Stadtwerke. So bieten gegenwärtig rund 250 EVUs und Stadtwerke Sondertarife für elektrische Wärmepumpen mit mittleren Strompreisen zwischen 4,5 und 6,5 cent/kWh an. Weitere mögliche Förderungen Ökozulage Der Einbau von Wärmepumpen, Solar- oder Wärmerückgewinnungsanlagen wird weiterhin mit bis zu 256 Euro je Jahr über 8 Jahre gefördert. Zukünftig sollen Elektro Wasser-Wasser-Wärmepumpen mit einer Leistungszahl von mindestens 4,0, elektrische Sole-Wasser-Wärmepumpen mit einer Leistungszahl von mindestens 3,8 gefördert werden. Langfassung siehe Internet: www.bmwi.de Verschiedene Bundesländer wie Bayern, Bremen und Rheinland-Pfalz fördern die Wärmepumpe mit Zuschüssen zu den Investitonskosten. Rheinland-Pfalz Förderung erneuerbarer Energien, Verwaltungsvorschrift des Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr, Landwirtschaft und Weinbau vom 15. Mai 2000. Die Zuwendung beträgt bei Wärmepumpenanlagen mit einer Heizwärmeleistung bis 12 kW 2.000 DM und von mehr als 12 kW 160 DM je kW Heizleistung, höchstens jedoch 20 v. H. der förderfähigen Kosten. KFW Die Kreditanstalt für Wiederaufbau fördert Wärmepumpen mit zinsvergünstigten Darlehen im Rahmen des Programmes zur Förderung erneuerbarer Energien im Moment mit Laufzeiten von 20 a, 3 Tilgungsfreien Jahren und einem effektiven Zins von 4,49 %. EFH: 150 qm; 4 Pers. 13.627 kWhth

Ausblick Passivhaus Nacherwärmung der Zuluft sowie Optional Lüftung und Wärmepumpe im Passivhaus Auf die Grundsätze des Passivhauses eingehen.... Die Lüftungsfunktion mit Wärmerückgewinnung und Wärmepumpe lässt sich folgendermaßen erklären: Außenluft wird von Ventilatoren z.B. aus einem Erdwärmetauscher angesaugt und in ein Zentralgerät geleitet. Dort übernimmt sie in einem Wärmetauscher die Wärme der Abluft, die zuvor aus der Wohnung abgesaugt wurde. Die solchermaßen erwärmte Außenluft wird nun als Zuluft in die Wohnräume (Schlaf- und Wohnzimmer) geleitet. Aus Küche, Bad und WC wird hingegen die verbrauchte Raumluft abgesaugt und als Abluft wieder in den Wärmetauscher eingebracht ohne sich mit der Zuluft zu vermischen. Die abgekühlte Abluft verlässt anschließend als Fortluft das Gebäude. Dieses Prinzip garantiert zum einen bei richtiger Auslegung des Rohrsystems und der Ventilatoren im Zentralgerät die geforderte Luftwechselrate von 0,5 1/h, zum anderen wird durch die hocheffiziente Wärmerückgewinnung in der Tat die Zuluft ausreichend erwärmt, so dass in Passivhäusern auf eine konventionelle Zentralheizung verzichtet werden kann. Der thermische Wärmerückgewinnungsgrad des Wärmetauschers liegt bei 78 %. Zusätzlich kann die Zuluft bei Bedarf durch eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit der Wärmequelle Abluft nacherwärmt werden. Die hohen Kosten für die externe Wärmequelle z.b. im Boden entfallen, was die Wirtschaftlichkeit wesentlich erhöht. Nacherwärmung der Zuluft sowie Warmwasservorwärmung durch eine Wärmepumpe mit der Wärmequelle Abluft

Transferstelle Bingen Berlinstraße 109 55411 Bingen am Rhein Institut für Innovation, Transfer, Beratung GmbH Transferstelle Bingen Berlinstraße 109 55411 Bingen am Rhein Dipl.-Ing. (FH) Matthias Unnath Telefon (06721) 409 135 Telefax (06721) 409 129 Homepage http://www.tsb-energie.de