Wärepumpe und Solarthermie – Best Practice im Wohn- und Gewerbebau Dipl.-Ing. Frank Moos Vaillant Deutschland GmbH & Co. KG

Endenergieverbrauch in Deutschland 65 % der in privaten Haushalten verbrauchten Energie entfällt auf die Raumheizung, Warmwasser und Strom Quelle: Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung DIWI, Institut für Energetik, 1995

Preisexplosionen bei Öl und Gas

Ziel der Bundesregierung Reduzierung des CO2 - Ausstosses um 25% 1020 25 % Reduzierung Wirkungs- gradricht- linie 92 WSVO 95 HeizAnlV 1. BImSchV EEG EnEV 2002 KWK- Gesetz 760

Möglicher Ausweg ? Nutzung natürlicher Wärmequellen ! Direkte Sonnenenergie: Photovoltaik Solarthermie Gespeicherte Sonnenenergie: Geothermie Umgebungsenergie – Umweltwärme Holz-Pellet

Natürliche Wärmequellen Direkte Sonnenenergie Photovoltaik Solarthermie

Deutschland, ein Sonnenland?!! Öl-Äquivalent der jährlichen solaren Einstrahlung: 1000 kWh/m²

Direkte und diffuse Strahlung nutzbar

Jahreszeitlicher Verlauf der Globalstrahlung Solarsystem Jahreszeitlicher Verlauf der Globalstrahlung 2,6 kWh/m²d

Ausrichtung von Solaranlagen Optimale Ausrichtung der Solarkollektoren: Himmelsrichtung Süden Kollektorneigung 45°

Photovoltaik und Solarthermie Photovoltaik erzeugt Strom Bei der Photovoltaik wird aus dem Sonnenlicht elektrischer Strom erzeugt. In den meisten Fällen wird dieser Strom in das Stromnetz eingespeist. Solarthermie erzeugt Wärme Die bei der Solarthermie durch Sonnenlicht erzeugte Wärme, wird zur Trinkwarmwasserbereitung und zur Heizungsunterstützung genutzt. Eine Überproduktion von Wärme, wird in Warmwasserspeicher eingelagert.

Komponenten einer solarthermischen Anlage - Trinkwassererwärmung

Randbedingungen einer solarthermischen Anlage - Trinkwassererwärmung Auslegung generell als Substitutionsanlage (A) oder Vorwärmanlage (B) möglich

Komponenten einer solarthermischen Anlage - Solare Heizungsunterstützung und Trinkwassererwärmung

Randbedingungen einer solarthermischen Anlage - Solare Heizungsunterstützung und Trinkwassererwärmung solare Heizungsunterstützung ist in unseren Breiten an folgende Randbedingungen geknüpft: Gebäudehülle möglichst gut gedämmt -> geringer Heizwärmebedarf Möglichst geringe Heizungsvorlauftemperatur -> Fußbodenheizung Hochleistungssolarkollektoren -> Vakuumröhrenkollektoren

Natürliche Wärmequellen Gespeicherte Sonnenenergie Geothermie Umgebungsenergie - Umweltwärme Holz-Pellet

Was ist eine Wärmepumpe überhaupt ? Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die Wärme auf niedrigem Temperaturniveau aufnimmt (kalte Seite) und mittels Energiezufuhr bei höherem Temperatuniveau wieder abgibt (warme Seite). Für diese Maschinen zum Transport von Wärme hat G.Flügel 1920 den Begriff "Wärmepumpen" geprägt. Die gebräuchlichsten Wärmepumpen besitzen elektrisch angetriebene Verdichter. Das Arbeitsmittel ist meist ein HFKW, seltener Propan oder Ammoniak. Bei Nutzung der kalten Seite spricht man von Kühlmaschinen, bei Nutzung der warmen Seite von Wärmepumpen.

Zukunftsweisende Technologie – Umweltschutz inklusive Die zum Heizen erforderliche Energie bezieht die Wärmepumpe aus der als Erdwärme gespeicheten, kostenlosen Sonnenenergie. Um die im Erdreich gespeicherte Sonnenenergie nutzbar zu machen, wird elektrische Antriebsenergie benötigt.

Funktionsweise einer Erdwärmepumpe Der Kreisprozess besteht aus vier Komponenten: Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger, und Entspannungsventil. Im Kreislauf zirkuliert ein FCKW-freies Arbeitsmittel mit extrem niedrigem Siedepunkt.

Funktionsweise einer Erdwärmepumpe Schritt 1: Im Verdampfer wird dem Arbeitsmittel Erdwärme zugeführt. Es wechselt vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand.

Funktionsweise einer Erdwärmepumpe Schritt 2: Das gasförmige Arbeitsmittel wird stark verdichtet und damit auf ein hohes Temperaturniveau gebracht. Dieser Vorgang benötigt die 25% Fremdenergie.

Funktionsweise einer Erdwärmepumpe Schritt 3: Die Wärmeenergie wird direkt an den Heizkreislauf weitergegeben. Das Arbeitsmittel wird wieder abgekühlt und verflüssigt.

Funktionsweise einer Erdwärmepumpe Schritt 4: Durch die Dekomprimierung im Entspannungsventil wird das Arbeitsmittel so stark abgekühlt, dass es wieder Umweltwärme aufnehmen kann.

Einsatzgrenzen einer Wärmepumpe – Der Carnot Prozess Wärmeabgabe Antriebsaufwand Expansion Wärmeaufnahme

Einsatzgrenzen einer Wärmepumpe – Der Carnot Prozess mit unterschiedlichen Wärmequellentemperaturen Wärmeabgabe Expansion Antriebsaufwand 8 oC Quell.-Temp 2 oC Quell.-Temp Wärmeaufnahme Niedrige Quelltemperaturen, schlechte Wärmequelle:  Deutlich höhere Stromkosten durch erhöhten Antriebsaufwand.

Einsatzgrenzen einer Wärmepumpe – Der Carnot Prozess mit unterschiedlichen Wärmeabgabetemperaturen 70 oC Fl.-Hzk. 38 oC FB-Hz. Antriebsaufwand Expansion Wärmeaufnahme Ohne Fussbodenheizung:  Deutlich höhere Stromkosten durch erhöhten Antriebsaufwand.

Hohe Quellentemperaturen und niedrigen Heizwassertemperaturen - bis zu 75% der benötigten Energie kommen aus der Umwelt

Anforderung an eine Wärmequelle Möglichst konstante Temperaturen auf einem entsprechend hohen Niveau . In unmittelbarer Umgebung mit geringem Erschließungsaufwand. geringer Bereitstellungsaufwand

Auswahl der Wärmequelle für eine Wärmepumpe Erdreich: Erdkollektor Erdsonde Kompaktkollektor Wasser: Grundwasser erschlossen über Brunnenanlage Luft: Abluft Außenluft Absorber

Planung einer Erdsonde Für die Gewinnung der Erdwärme haben sich die Erdsonden als ausgereifte und zuverlässige Lösung bewährt. Dieser Kollektor ist besonders für kleine Grundstücksflächen geeignet. PLI S.148

Planung eines Erdkollektors Dieser Kollektor eignet sich besonders für Häuser mit einer ausreichend großen Grundstücksfläche. Die Wärmeentzugsleistung ist abhängig von der Bodenbeschaffenheit. Je feuchter der Boden, desto höher ist die Wärme-entzugsleistung. PLI S. 154

Planung eines Kompaktkollektors Der Kompaktkollektor ist eine Variante des Flächenkollektors. Er ist besonders für kleine Grundstücksgrößen und kleinere, gut gedämmte Gebäude geeignet. Gegenüber dem Flachkollektor hat er folgende Vorteile: Geringe Grundfläche Weniger Erdbewegungen Geringere Kosten für die gesamte Anlage PLI S. 159

Planung der Wärmequelle Grundwasser Grundwasser ist die ergiebigste Wärmequelle. Im Vergleich aller Systeme kann sie die höchsten Wärmeentzugsleistungen erzielen. Über einen Saugbrunnen wird das Grundwasser mit Hilfe einer Förderpumpe der Wärmepumpe zugeführt und über einen Schluckbrunnen wieder in den Boden eingebracht. PLI S. 163

Planung der Wärmequelle Luft Die erwärmte Außenluft steht überall und in unbegrenzter Menge zur Verfügung. Ihre Erschließung erfordert den geringsten Aufwand (Wirtschaftlichkeit). Sie kann direkt über ein Zuluft/Abluft-System oder indirekt über Absorber nutzbar gemacht werden. Außenluft unterliegt jedoch jahreszeitlich bedingt hohen Temperaturschwankungen. PLI ab S. 170

Deutliche Vorteile bei den verbrauchsgebundenen Kosten Quelle: BWP e.V. Bei einer Erdwärmepumpe liegen die verbrauchsgebundenen Kosten pro m² bis zu 52% unter denen einer Gasheizung, bzw. 43% unter denen einer Ölheizung.

Staatliche Förderung der Wärmepumpentechnik im Jahre 2008 Bundesförderung : Marktanreizprogramm für erneuerbare Energien im Wärmemarkt 2008 Abschnitt 11.3 „Effiziente Wärmepumpen“ - Basisförderung Neubauten S/W-WP und W/W-WP 10€/m²; höchstens 2.000€ je Wohneinheit L/W-WP 5€/m²; höchstens 850€ je Wohneinheit - Basisförderung Gebäudebestand S/W-WP und W/W-WP 20€/m²; höchstens 3.000€ je Wohneinheit L/W-WP 10€/m²; höchstens 1.500€ je Wohneinheit

Staatliche Förderung der Wärmepumpentechnik im Jahre 2008 Bundesförderung : Marktanreizprogramm für erneuerbare Energien im Wärmemarkt 2008 Abschnitt 11.3 „Effiziente Wärmepumpen“ - Bonusförderung  Kombination mit förderfähiger Solarkollektoranlage - Innovationsförderung  Jahresarbeitszahl mind. 4,7  Erhöhung Fördersätze und Fördergrenzen um 50% (Neubauten)  Jahresarbeitszahl mind. 4,5  Erhöhung Fördersätze und Fördergrenzen um 50% (Gebäudebestand)

Denn die Sonne schickt uns keine Rechnung – Nutzung erneuerbarer Energien Nutzung der Sonne als unerschöpfliche Energiequelle auch in unseren Breiten möglich. Die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern und deren Preisschwankungen sinkt. Senkung der Betriebskosten bei Einsatz einer Wärmepumpe um bis zu 60% Geringe Wartungskosten Entlastung der Umwelt von Schadstoffen und CO2-Emission Umfangreiche staatliche Förderung Gebäudewertsteigerung durch ein innovatives Heiz- und Warmwassersystem.

Viel Dank für Ihre Aufmerksamkeit.