Solare Wärmepumpen Geothermie SS 2012 Christoph Drusenbaum Dienstag, 3 Solare Wärmepumpen Geothermie SS 2012 Christoph Drusenbaum Dienstag, 3. Juli 2012

Gliederung Funktionsprinzip der Wärmepumpe Funktionsprinzip einer Solarthermieanlage Synergieeffekte Verschaltungsmöglichkeiten Jahresarbeitszahlen solarer Wärmepumpen Fazit

1. Funktionsprinzip der Wärmepumpe Umgekehrter Kraft-Wärme-Prozess der sich in vier Phasen unterteilen lässt: Kältemittel wird bei niedrigem Druck durch Erdwärme verdampft Dampf wird verdichtet  Temperaturanstieg Kondensation des Dampfes im Kondensator und Wärmeabgabe an Heizungskreislauf Entspannung des verflüssigten Kältemittels  Temperaturabhnahme Um niedriges Temperaturniveau nutzen zu können braucht man Kältemittel mit einer sehr niedrigen Verdampfungstemperatur im Minusbereich Quelle: Quaschning 2009

1. Wichtige Kenngrößen der Wärmepumpe Coefficient of Performance (COP) Theoretisch maximaler COP lässt sich nach Carnot wie folgt bestimmen: COP ist nur eine Momentaufnahme Seasonal Performance Factor (SPF) bzw. Jahresarbeitszahl (JAZ) Der SPF kann als Mittelwert der über das Jahr auftretenden Betriebszustände interpretiert werden. Wichtige Kenngröße für ökologische und ökonomische Bewertung Für die Wärmepumpe Für das komplette Wärmepumpensystem  geringes ∆T zwischen Wärmequelle und –senke von Vorteil Vorteil nur wenn mit Erneuerbaren Energien betrieben Kältemittel (FKW) nicht mehr Ozonschädlich dafür aber hohes Treibhauspotential Q thermal energy E electrical energy HP Heat Pump EH Electrical Heater CP Circulation Pump Vent Ventilator

2. Funktionsweise einer Solarthermieanlage Quelle: Quaschning 2010

2. Wichtige Kenngrößen einer Solarthermieanlage η Kollektorwirkungsgrad q Wärmeleistung in W/m² Gt Globalstrahlung in W/m² τ Transmissionskoeffizient α Absorptionskoeffizient UL Wärmeverlustkoeffizient Tp Absorbertemperatur Ta Umgebungstemperatur Quelle: Jordan 2012

2. Antizyklisches Verhalten von Wärmebedarf und Strahlungsangebot Quelle: Jordan 2012 Große Solaranlagen führen zu ungenutzten Überschüssen im Sommer und geringem zusätzlichen Nutzen im Winter

3. Synergieeffekte für Wärmepumpe und Solarthermie Benötigt in der Regel immer noch eine zusätzliche Nachheizung Niedrigere Temperaturen  höherer Kollektorwirkungsgrad, da Wärmeverluste dadurch reduziert werden können, und längeren Betriebszeiten Schutz vor Überhitzung und Stagnation im Sommer, durch die Nutzung des Erdreichs als Wärmesenke  höhere Lebenserwartung für die Solaranlage Wärmepumpe Solare Anhebung des Temperaturniveaus der Wärmequelle  Steigerung der SPF  Reduzierung des Stromverbrauchs Regeneration des Erdreichs, da durch die Solarthermie eine schleichende Auskühlung vermieden werden kann  langfristig hohen SPF Wärmepumpe wird bei der TWW-Bereitstellung entlastet, die wegen ihren hohen Temperaturniveaus ein sehr ungünstiger Betriebszustand für die WP ist Verringerung der Betriebszeiten und Kompressorstarts  längere Lebenserwartung

4. Verschaltungsmöglichkeiten Es gibt eine Vielzahl an verschiedenen Verschaltungsmöglichkeiten und eine genaue Klassifizierung ist schwierig, dennoch lassen sich vier Hauptgruppen unterscheiden. 1. Parallel Verschaltung 2. Serielle Verschaltung Quelle: Haller 2010

4. Verschaltungsmöglichkeiten Es gibt eine Vielzahl an verschiedenen Verschaltungsmöglichkeiten und eine genaue Klassifizierung ist schwierig, dennoch lassen sich vier Hauptgruppen unterscheiden. 3. komplexe Verschaltung 4. Regenerative Verschaltung Quelle: Sparber, 2011 Quelle: Haller, 2010

5. Jahresarbeitszahl bei Wärmepumpen ohne ST In der Studie „Wärmepumpen Effizienz“ durch das Fraunhofer ISE wurden Messdaten von 112 Wärmepumpen zwischen 2007 – 2010 ausgewertet. Quelle: Miara, 2011

5. Jahresarbeitszahl solarer Wärmepumpen Solaren Erträge werden wie folgt berücksichtigt Solaren Erträge Energie für Solarkreispumpe Akol = 14,5 m² Akol = 5 m² Quelle: Miara, 2011

5. Jahresarbeitszahl solarer Wärmepumpen In Sparber et al 2011 werden sämtliche wissenschaftlichen Veröffentlichungen der letzten Jahre zu solaren Wärmepumpen zusammengefasst Es werden Ergebnisse von 7 Versuchs- und 6 kommerziellen Anlagen verglichen Jahresarbeitszahl für Solar-Erdreichwärmepumpen liegt zwischen 2,11- 6,55 (3,9) Jahresarbeitszahl für Solar-Luftwärmepumpen liegt zwischen 2,8 – 4,3 (2,9) Fazit: Solarthermie muss nicht immer zu einer Verbesserung führen. Abhängig von der hydraulischen Verschaltung, eingesetzten Komponenten und Regelung SPF abhängig vom Klima, geografischen Lage, Gebäudezustand und dem Verbrauchsprofil Es existieren noch keine einheitlichen Testverfahren zur Bewertung von solaren Wärmepumpen Internationale Energieagentur hat Task 44 / HPP Annex 38 eingerichtet um dieses Problem zu lösen

6. Fazit/Schlussfolgerung Von ihren Eigenschaften und ihrem Verhalten ergänzen sich Solarthermie und Wärmepumpen grundsätzlich sehr gut Es existierte sehr viele unterschiedliche Konzepte zur hydraulischen Verschaltung Erste Studien zeigen, dass SPF deutlich gesteigert werden kann, wobei das nicht immer der Fall ist Es existieren noch keine einheitlichen Kenngrößen und Verfahren zur Bewertung von solaren Wärmepumpen Starke Anstrengung von Seiten der Wissenschaft und der IEA dieses Problem zu lösen

Danke für Ihre Aufmerksamkeit Haller M., 2010. Kombination von Wärmepumpen mit solarthermischen Kollektoren – Konzepte und Fragestellungen. 16. Status-Seminar „Forschen und Bauen im Kontext von Energie und Umwelt“, Zürich http://www.brenet.ch/pdfstat_2010/24_p_haller.pdf abgerufen am 25.07.2012 Internationale Energieagentur, 2011. IEA – SHC Task 44 / Annex 38 Solar and Heat Pump Systems. http://www.iea-shc.org/publications/task.aspx?Task=44, abgerufen am 25.07.2012 Jordan U. (2012). Unterlagen zur Vorlesung „Solarthermie“. Universität Kassel. SS 2012 Loose A., 2012. Kombination Solarthermie und Wärmepumpe - Hintergründe, Anlagenbeispiele, Leistungsprüfung in Labor und Praxis. GREES Kolloquium Effiziente Energienutzung, Stuttgart. http://www.grees.uni-stuttgart.de/kolloquium/20120606_Loose.pdf, abgerufen am 20.07.2012 Miara, M., 2011. Wärmepumpen Effizienz. Fraunhofer ISE, Freiburg. http://wp-effizienz.ise. fraunhofer.de/download/wp_effizienz_endbericht_ langfassung.pdf, abgerufen am 25.07.2012 Quaschning, V., 2009. Regenerative Energiesysteme. Hanser Verlag München. ISBN 978-3446-42151-6 Sparber, W., 2011. Overview on solar thermal plus heat pump systems and review of monitoring results. ISES Solar World Congress, Kassel.