Oberflächennahe Geothermie Wärmeversorgung für ein Einfamilienhaus Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Oberflächennahe Geothermie - Wärmeversorgung für ein Einfamilienhaus

Ziele Auslegung eines Wärmeerzeugers für ein Einfamilienhaus Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Auslegung eines Wärmeerzeugers für ein Einfamilienhaus Nutzung von oberflächennaher Erdwärme → Wärmepumpe - Absorbermatten (Sole/Wasser) - Erdsonde (Sole/Wasser) - Luft (Wasser) - Heizkessel (zum Vergleich)

Wärmepumpen Funktionsprinzip einer Wärmepumpe Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Funktionsprinzip einer Wärmepumpe [http://www.werner-kotulla.de/ 03.08.08]

Sole/Wasser Wärmepumpe - Kollektoren Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Funktionsprinzip [Nibe 08] Wärme wird dem Erdreich über Absorbermatten entzogen

Absorbermatten Tiefe: 20cm unterhalb der örtlichen Frostgrenze Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Tiefe: 20cm unterhalb der örtlichen Frostgrenze → 1,2m bis 1,5m Tiefe Low-Flow-Prinzip

Sole/Wasser Wärmepumpe - Sonden Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Funktionsprinzip [Nibe 08] Wärme wird dem Erdreich über Erdsonden entzogen

Bohrungen Senkrechte Bohrungen in das Erdreich Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Senkrechte Bohrungen in das Erdreich Doppel-U-Sonden oder Koaxialsonden nicht tiefer als 150m ab 50m Tiefe muss 6m Abstand gehalten werden

Luft/Wasser Wärmepumpe Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Funktionsprinzip [Nibe 08] Wärme wird der Außenluft entzogen und diese wird zur Verdampfung genutzt

Betriebsweisen Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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

Betriebsweisen bivalenten-alternative Betriebsweise Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit bivalenten-alternative Betriebsweise Ab dem Bivalenzpunkt deckt nur der zweite Wärmeerzeuger den Wärmebedarf (oft Heizkessel; z.B. bei Nachrüstung)

Gebäude Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit

Gebäude Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit

Gebäude Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit

Heizlast nach DIN EN 12831 Dichtigkeitsprüfung erfolgt Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit unbeheizter Keller Dichtigkeitsprüfung erfolgt Wärmebrückenzuschlag ΔUWB=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

Heizlast nach DIN EN 12831 Lüftungswärmeverluste: ΦV= 2788 W Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Transmissionswärmeverluste: ΦT= 4166 W Lüftungswärmeverluste: ΦV= 2788 W Norm-Heizlast: ΦHL,Geb= 6954 W Heizlast ist 7 kW

Auswahl der Wärmeerzeuger Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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]

Bodenbeschaffenheit Standort Fulda Erdwärmesonden Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Standort Fulda Erdwärmesonden 0m-16m: Kalkstein 45-60 W/m 16m-137m: Sandstein 55-65 W/m Absorbermatten Trockener Boden 20 W/m² [Kruppa 06] [Rehau 07]

Heizwärmebedarf nach DIN V 4108-6 Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Monat Heizwärmebedarf [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

Trinkwarmwasserbedarf Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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

Wärmebedarf inkl. TWW und Verlusten Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Monat Wärmebedarf [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

COP Abhängigkeit von Umgebungstemperatur Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Erdsonden: Abhängigkeit der Außentemperatur sehr gering, daher als konstant betrachtet Absorbermatten: Abhängigkeit der Außentemperatur etwas größer Luft: starke Abhängigkeit von Außentemperatur

Außentemperatur Fulda Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit 6. Klimaregion mit Außentemp. gemäß DIN 4108-6 Monat T [°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

COP Luft-WP Bei 2°C/35°C ergibt sich aus dem Datenblatt: Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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]

COP Luft WP Monat Pel [kW] Leistung [kW] COP Januar Februar März April Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Monat Pel [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 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

COP Absorbermatten-WP Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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]

COP Absorbermatten-WP Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit [Kraft 08] [Nibe 08] Monat Soletemp. [°C] Pel [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 1,71 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 5,23 5,17 5,14

COP Erdsonden-WP thermisch: 0,25 kW/K | elektrisch: 0,02 kW/K Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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]

Leistung daraus resultieren folgende Jahresleistungszahlen: Sonde: 5,2 Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit daraus resultieren folgende Jahresleistungszahlen: Sonde: 5,2 Absorber: 5,13 Luft: 3,65

Wärmepumpendaten Nach DIN V 18599 T5 ist die Soletemperatur bei Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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

Tiefe der Bohrung Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit LSonde= benötigte Leistung / spez. Entzugsleistung [m] LSonde= 7230W / 59 W/m = 122m gewählt: 2 Bohrungen à ~60m

Fläche der Absorbermatten Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Akoll= benötigte Leistung / spez. Entzugsleistung [m²] Akoll= 7230W / 20 W/m² = 360m²

Laufzeit Luft-WP Laufzeit: 3892 h/a | Strombedarf: 8172 kWh/a Monat Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Laufzeit: 3892 h/a | Strombedarf: 8172 kWh/a Monat Wärmebedarf [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

Laufzeit Erdsonde-WP Laufzeit: 3307 h/a | Strombedarf: 5687 kWh/a Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Laufzeit: 3307 h/a | Strombedarf: 5687 kWh/a Monat Wärmebedarf [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

Laufzeit Absorbermatten-WP Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Laufzeit: 3394 h/a | Strombedarf: 5775 kWh/a Monat Wärmebedarf [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 1068

Förderung Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit

Preise Nibe-Luft-Wärmepumpe 2020/8: 10.840€ Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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€

Preise Nibe-Sole-Wasser-Wärmepumpe 1240/8: 8.500€ Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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€

Preise Nibe-Sole-Wasser-Wärmepumpe 1240/8: 8.500€ Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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€

Preise Vitolaladens 300T 18, 8kW: 5.173,19€ Kleinmaterial: 660,28€ Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Vitolaladens 300T 18, 8kW: 5.173,19€ Kleinmaterial: 660,28€ 30 Arbeitsstunden: 990€ Zuzügl. 19% MwSt.: 1.338,26€ Endbetrag: 8.381,73€

Energiekosten Ölpreis 0,87 €/l [http://www.tecson.de/ 05.08.08] Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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]

Energiekosten Erzeuger Energiebedarf [kWh/a] Energiepreis [€/a] Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Erzeuger Energiebedarf [kWh/a] Energiepreis [€/a] Luft-Wärmepumpe 8172 1210 Erdsonden-Wärmepumpe 5687 862 Absorbermatten-Wärmepumpe 5775 875 Heizkessel 29593 (Heizöl) 2575

Wirtschaftlichkeit Berechnung nach VDI 2067 – Annuitätenmethode Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Berechnung nach VDI 2067 – Annuitätenmethode Kapitalzinssatz 4% allgemeine Preissteigerung 2 % Wartung und Instandsetzung nach VDI 2067

Ergebnis Wirtschaftlichkeit Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit

Ergebnis Wirtschaftlichkeit Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung Fazit Annuitäten: Luft-Wärmepumpe: 3528 €/a Erdsonden-Wärmepumpe: 3901 €/a Absorbermatten-Wärmepumpe: 3251 €/a Heizkessel: 4377 €/a

Fazit Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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)

Fazit Einleitung Wärmepumpen-systeme Auslegung des Wärmeerzeugers Wirtschaftliche Betrachtung 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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

[Kraft 08]