Übung IV: Energie- und Facility Management in Industrie
Werbung
Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Übung IV: Energie- und Facility Management in Industrie- und Dienstleistungsunternehmen WS 2007 / 2008 1 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Übersicht 1. Was ist eine Wärmepumpe? 1.1 Grundlagen 1.2 Definitionen 1.3 Funktionsweise 2. Arten von Wärmepumpen 2.1 Luft/Wasser-Wärmepumpe 2.2 Wasser/Wasser-Wärmepumpe 2.3 Sole/Wasser-Wärmepumpe 3. Andere Heizsysteme (Überblick) 4. Beispiel: Einfamilienhaus 2 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Vorab: „Eine Wärmepumpe funktioniert quasi wie ein Kühlschrank – nur anders herum.“ 3 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Grundlagen einer Wärmepumpe (1) • • • • • Wärmepumpe ist gehört nicht zu den klassischen Erneuerbaren Energien Technologie der Wärmepumpe wird dem Bereich der „rationellen Energienutzung“ zugeordnet Im Gegensatz zu anderen Erneuerbaren Energien braucht die Wärmepumpe zum Antrieb einen erheblichen Anteil an Fremdenergie (z.B. Elektrizität, Gas Î ca. 25-50%) Zum Großteil aber nutzen Wärmepumpen Energie aus ihrer Umgebung (z.B. Luft oder Erdreich) Î Wärmepumpen sind ein Zwitter zwischen sparsamem, konventionellem Energieeinsatz und erneuerbaren Energien! 4 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Grundlagen einer Wärmepumpe (2) • • Beim Kühlschrank wird die Wärme dem Kühlfach entzogen und im Wärmetauscher auf der Rückseite des Geräts wieder abgegeben Bei der Wärmepumpe wird die Wärme der Umgebung (meist dem Erdreich im Vorgarten) entzogen und an das Heizungssystem des Hauses wieder abgegeben Î Das Funktionsprinzip ist bei beiden Geräten gleich Î FRAGE: Wie viel Umwelt-“Wärme“ (in Grad Celsius) braucht eine Wärmepumpe? Î Der Begriff „Wärme“ darf nicht falsch verstanden werden Î „Wärme“ von 0° Celsius reicht zum effizienten Betrieb einer Wärmepumpe völlig aus 5 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Grundlagen einer Wärmepumpe (3) Weit verbreitet sind so genannte Kompressionswärmepumpen, die grundsätzlich unterschieden werden können nach: • Antrieb durch Elektromotoren – Brauchwassererwärmung und – Heizung von Ein- und Mehrfamilienhäusern • Antrieb durch Gasmotoren (findet jedoch selten Anwendung) – Größere Anlagen (Schwimmbäder, etc.) – Vorteil eines hohen primärenergetischen Wirkungsgrades – Kühlwasser des Motors hebt Heizungstemperatur weiter an Weiterhin gibt es auch noch Sorptionswärmepumpen, die Wärme anstatt mechanischer Energie als Antriebsenergie nutzen (werden in diesem Rahmen nicht weiter behandelt) 6 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Definitionen (1) - Leistungszahl Leistungszahl ε (Epsilon) Heizleistung ε= • Die Leistungszahl ε gibt die abgegebene Heizleistung im Vergleich zur aufgewendeten Antriebsleistung an Eine Leistungszahl von 4 bedeutet daher, dass das Vierfache der eingesetzten elektrischen Leistung in nutzbare Wärmeleistung umgewandelt wird Die Leistungszahl ist ein Momentanwert • • Antriebsleistung = „Umweltenergie“ + Antriebsleistung • Antriebsleistung 7 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Definitionen (2a) - Jahresarbeitszahl Jahresarbeitszahl ß (Beta) • Die im Laufe einer gesamten Heizperiode gelieferte Wärme Qw im Verhältnis zu der zugeführten elektrischen Antriebsenergie Wel ergibt die Jahresarbeitszahl ß • ß sollte nicht unter Vier liegen, was bedeutet, dass die Wärmepumpe mindestens das Vierfache der eingesetzten Energie liefert • Ferner kann zwischen der Wärmepumpen-Arbeitszahl und der (Gesamt-)Anlagen-Arbeitszahl unterschieden werden 8 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Definitionen (2b) - Jahresarbeitszahl • Zusätzlich zur Antriebsart des Kompressors geht bei der AnlagenArbeitszahl auch der Energieverbrauch zusätzlicher Komponenten (z.B. Steuerung, Solepumpe) ein • Vergleich: – Leistungszahl wird unter vorgegebenen Betriebsbedingungen ermittelt – Jahresarbeitszahl ergibt sich durch den praktischen Betrieb des Systems Î Jahresarbeitszahl ist daher aussagekräftigere Beschreibung der Effizienz von Anlagen zur Nutzung von Umgebungswärme 9 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Definitionen (3a) – Carnot-Prozess • • • • Im Jahr 1824 entdeckte der Franzose Sadi Carnot, dass überall dort, wo es einen Temperaturunterschied gibt, mit Hilfe einer Maschine Energie umgewandelt werden kann Der Carnot-Kreisprozess beschreibt den maximal möglichen Wirkungsgrad einer Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie Es handelt sich hierbei um einen thermodynamisch theoretischen Wert, der in der Realität nicht erreicht werden kann Der Carnot-Prozess wird als idealer Vergleichsprozess zur Beurteilung für den Wärmeprozess herangezogen und beschreibt das Temperatur- und Druckverhältnis im Wärmepumpenbetrieb Quelle: WIB 10 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Definitionen (3b) – Carnot-Prozess Der ideale Vergleichsprozess des Wärmepumpen-Arbeitsprozesses ist der rückwärtslaufende (Kraftwärmemaschine) ideale (verlustfreie) CarnotProzess • Für diesen Prozess ergibt sich der theoretische Wirkungsgrad εc • Damit kann die Leistungszahl auch über die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle (Verdampfer) und Wärmenutzungsanlage (Kondensator) berechnet werden: • εc = – – – – εc Tu T ΔT T (T – TU) T = ∆T = Leistungszahl nach Carnot = Temperatur der Umgebung, aus der die Wärme aufgenommen wird = Temperatur der Umgebung, an die die Wärme abgegeben wird = Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite Quelle: WIB 11 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Definitionen (3c) – Carnot-Prozess • Eine Darstellung der während des Carnot-Prozesses durchlaufenen Werte der Variablen T und S (Entropie) sieht wie folgt aus (Bild): – – – – Von Umwelt aufgenommene Energie: Fläche a Antriebsenergie Kompressor: Fläche b Gesamte abgegebene Energie: Fläche a + b S = Entropie = Energieinhalt Quelle: WIB 12 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Definitionen (3d) – Carnot-Prozess (realistisches) Beispiel: • Für Tu = 0°C = 273 K, T = 50°C = 323 K folgt eine theoretisch größte 6,5 Leistungszahl εc = ?? • Die Leistungszahlen für den tatsächlichen Wärmepumpenprozess – inklusive Verluste – werden geringer sein. Aufgrund der thermischen, mechanischen und elektrischen Verluste sowie des Energiebedarfs der Hilfsantriebe ist die effektiv erreichte Leistungszahl Î ε kleiner als εc • Quelle: WIB 13 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Definitionen (3e) – Carnot-Prozess Vorheriges Beispiel: ε ist = 3,25 ?? (Die Leistungszahl in Abhängigkeit vom Temperaturunterschied) • • Für Überschlagsrechnungen kann ε gleich 0,5 * εc gesetzt werden In jedem Fall ist die reale Leistungszahl von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmeverteilung abhängig: – WICHTIG: Je geringer dieser "Temperaturhub" ausfällt, um so wirtschaftlicher arbeitet jede Wärmepumpe. – Daher ist die optimale Planung der Gesamtanlage so bedeutend Quelle: WIB 14 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Definitionen (4) - Jahresnutzungsgrad • Der Jahresnutzungsgrad ist ein rechnerisch ermittelter ein Wert, der zur Beurteilung der Energieausnutzung eines Heizkessels dient • Der Jahresnutzungsgrad gibt an, welcher Wärmeanteil des über ein Jahr hinweg eingesetzten Brennstoffs tatsächlich ins Heiznetz gelangt und somit zur Hauserwärmung und gegebenenfalls zur Brauchwassererwärmung zur Verfügung steht. Quelle: DENA 15 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Definitionen (5a) – Aufwandszahl ep • • • Bei der EnEV betrachtet der Gesetzgeber die gesamte Heizungs- und Warmwasseranlage als ein System, das gemeinsam bewertet wird (DIN 4701-Teil 10) Das wichtigste Ergebnis dieser Berechnung ist die so genannte Energie-Aufwandzahl ep Diese Energie-Aufwandszahl beschreibt das Verhältnis zwischen dem Aufwand an Primärenergie (Erdöl, Erdgas, Kohle etc.) und der schlussendlich erzeugten Heiz- und Warmwasserwärme – Ist die Energie-Aufwandszahl hoch, so ist das betrachtete HeizungsSystem ineffektiv, also schlecht (hohen Aufwand zur Erreichung eines bestimmten Nutzens) – Eine Energie-Aufwandszahl Ep = 2,0 würde bedeuten, dass man das Doppelte an Primärenergie verbraucht, als man an Nutzwärme benötigt 16 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Definitionen (5b) – Aufwandszahl ep • Bei der Berechung der Energie-Aufwandszahl wird die gesamte Kette von der Gewinnung der Energie berücksichtigt – – – – – – • inklusive Förderung, Veredelung (z. B. Raffinerie), Transport, Energiewandlung, Wärmeverteilung, Regelung usw. Die Energie-Aufwandszahl ist also ein Qualitätsmaßstab für die Heizungsanlage 17 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Funktionsweise einer Wärmepumpe (1) • Die Wärmepumpe wandelt Wärme niedriger Temperatur (auch im Winter bei weit unter 0° C) in Wärme hoher Temperatur um • Dies geschieht durch einen geschlossenen Kreisprozess durch ständiges Ändern des Aggregatzustandes des Arbeitsmittels 1. 2. 3. 4. • Verdampfen Komprimieren Verflüssigen Expandieren 4 Komponenten des Wärmepumpen-Kreislaufs Die Wärmepumpe nutzt eine frostsichere Flüssigkeit (z.B. Tetraflourethan), die bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft 18 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Funktionsweise einer Wärmepumpe (2) • Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung des Hauses (Erdreich, Wasser oder Luft) gespeicherte Sonnenwärme und gibt diese plus der Antriebsenergie in Form von Wärme an den Heiz- und Warmwasserkreislauf ab • Genauso entzieht z. B. auch der Kühlschrank seinem Inneren die Wärme - und gibt diese dann nach außen ab • Moderne Wärmepumpen können im Sommer auch als „Kühlschrank“ funktionieren und entziehen der Wohnung Wärme 19 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Funktionsweise einer Wärmepumpe (3) - Kreislauf Quelle: Wärmepumpen-Initiative in den Bundesländern – WIB e.V. 20 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Der Arbeitsprozess im Detail Im Verdichter wird das gasförmige Arbeitsmittel stark komprimiert und dadurch auf ein für Heizzwecke nutzbares und hohes Temperaturniveau gebracht. Dies ist der Teil des Prozesses, bei dem die von außen zugeführte Fremdenergie nötig ist. Für die Verdichtung wird ein sehr leistungsfähiger und verschleißarmer Scroll-Verdichter eingesetzt. Im Verdampfer wird dem Arbeitsmittel die Umweltwärme zugeführt. Dadurch wechselt dies vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand Im Entspannungsventil wird das Arbeitsmedium dekomprimiert und dadurch stark abgekühlt. Es kann dann wieder dem Verdampfer zugeführt werden, wo durch erneute Zufuhr von Umweltwärme der Kreislauf von vorne beginnt. Als Arbeitsmittel kommt FCKWfreies Kältemittel zum Einsatz. Aufgrund dessen extrem niedrigen Siedepunktes kann der Kreisprozess auch noch stattfinden, wenn die zugeführte „Wärme“ unterhalb von 0° C liegt Im Verflüssiger (Kondensator) wird Wärmeenergie des hochtemperierten Arbeitsmediums direkt an den Heizkreislauf abgegeben. Hierdurch erfolg eine Abkühlung des Arbeitsmediums. Quelle: WIB e.V. 21 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Im Vergleich: Funktionsweise eines Kühlschranks 22 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Energiebilanz von Wärmepumpen (1) ?? Quelle: Stiebel Eltron 23 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Energiebilanz von Wärmepumpen (2) Energieflüsse und Nutzungsgrade verschiedener Wärmesysteme Elektrizität für die WP muss in fossilen Kraftwerken „erzeugt“ werden – dabei entstehen Verluste. Energiebilanz der WP verschlechtert sich entsprechend. (Elektro-Wärmepumpe hat hier Jahresarbeitszahl von ungefähr 4) Quelle: BMU 2006 24 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Übersicht 1. Was ist eine Wärmepumpe? 1.1 Grundlagen 1.2 Definitionen 1.3 Funktionsweise 2. Arten von Wärmepumpen 2.1 Luft/Wasser-Wärmepumpe 2.2 Wasser/Wasser-Wärmepumpe 2.3 Sole/Wasser-Wärmepumpe 3. Andere Heizsysteme (Überblick) 4. Beispiel: Einfamilienhaus 25 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Arten von Wärmepumpen (1) • • • • Wärmepumpen lassen sich sowohl nach dem Verwendungszweck (z. B. Heizungswärmepumpen, Warmwasser-Wärmepumpen) als auch nach der Art der verwendeten Medien klassifizieren Hierbei folgt die Benennung der Art der Wärmequelle und der Art der Wärmesenke (Heizkreis) Dabei steht an erster Stelle das Medium, dem Energie entzogen wird (z.B. Luft), an zweiter Stelle folgt das Medium, auf das die Wärme übertragen wird (z.B. Wasser) Frage: Wie heißt eine Wärmepumpe, die der Luft Wärme entzieht, um mit Wasser gefüllte Heizkreise zu erwärmen? – "Luft-Wasser-Wärmepumpe" 26 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Arten von Wärmepumpen (2a) – Wärmequelle Luft Luft/Wasser-Wärmepumpe Ansaugstation außen Ansaugstation innen 27 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Arten von Wärmepumpen (2b) – Wärmequelle Luft • • • • • • Dem Medium Luft wird die Wärmeenergie entzogen Nachteil von relativ starken Temperaturschwankungen Bei niedrigen Lufttemperaturen - gerade an kalten Tagen im Winter – mit deutlich unter 0° C ist diese WP-Art wenig effizient Luft hat geringe spezifische Wärmekapazität und Dichte Î Fördervolumen von ca. 400m3/h je kW Heizleistung sind nötig Eventuell ist neben der Wärmepumpe noch eine weitere Wärmebereitstellung im Alternativ-, Parallel- oder Mischbetrieb (bivalent) nötig Sie erreichen nur Jahresarbeitszahlen unter 3,0 und sind deshalb von der Förderung durch die KfW-Bank ausgeschlossen 28 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Arten von Wärmepumpen (2c) – Wärmequelle Luft • • • Luftwärmepumpen sind in der Anschaffung günstiger Ansaugstationen können im Haus oder außerhalb des Wohngebäudes aufgestellt werden Bei dichter Bebauung ist die Luftwärmepumpe wegen ihres Geräuschpegels problematisch Außenaufstellung Innenaufstellung Ansicht/Durchsicht 29 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Arten von Wärmepumpen (3a) – Wärmequelle Wasser Wasser/Wasser-Wärmepumpe 30 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Arten von Wärmepumpen (3b) – Wärmequelle Wasser • • • • Als Wärmeträgermedium fungiert auf der Wärmequellenseite meist Grundwasser, das in einem Saugbrunnen bei konstant 8-12 °C gefördert wird Möglichkeiten zur Erschließung von Grundwasser ist Voraussetzung Wasser-Wasser-Wärmepumpen arbeiten wegen der ganzjährig ausreichend vorhandenen (Grund-)Wasserwärme monovalent (also ohne weiteren Wärmeerzeuger) Diese Pumpen erreichen die besten Leistungszahlen aller Wärmepumpen-Arten – Bei Heizleistungen von 35°C können Wasser/Wasser-WP je nach Wärmequellentemperatur Leistungszahlen zwischen 5 und 7,5 erreichen 31 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Arten von Wärmepumpen (3c) – Wärmequelle Wasser • Das abgekühlte Wasser verlässt am Ende das System über einen Schluckbrunnen • Prüfung der Wasserqualität wichtig für Lebensdauer der Anlage (Verrockung, Ausfällungen, etc.) • Darüber hinaus sind auch wasserrechtliche Bestimmungen zu beachten • Eventuell hohe Kosten durch Brunnenbohrung 32 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Arten von Wärmepumpen (4a) – Wärmequelle Erde Sole/Wasser-Wärmepumpe Flächenkollektor Tiefbohrung (ca. 80-100 Meter) 33 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Arten von Wärmepumpen (4b) – Wärmequelle Erde • • • Am weitesten verbreitete Art der Wärmepumpe Dem Medium Erde wird die nötige Umweltenergie entzogen Mehrere Varianten, u.a.: – Horizontalkollektor (Flächenkollektor) – Vertikalkollektor (Tiefbohrung, Erdspieße, Erdwärmesonden) – AquaGeo-Kollektor (Nutzung von Regenwasserversickerungsmodulen zur Unterstützung der eingegrabenen Flächenkollektoren, Anstieg der Entzugsleistung von 25 W/m2 auf ca. 40 W/m2) • • Als Wärmeträgermedium fungiert auf der Wärmequellenseite ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch (Sole) Monovalenter Betrieb 34 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Arten von Wärmepumpen (4c) – Wärmequelle Erde Flächenkollektor • Die genutzte Erdfläche sollte etwa das 1,5- bis 2-fache der zu beheizenden Fläche betragen • Je nach Bodenbeschaffenheit schwanken die entzogenen Wärmeleistungen zwischen 10 und 40 W/m2 Vertikalbohrung • Bohrungen bis zu 100 Meter in die Tiefe • Platzsparend - aber kostenintensiver (Seismik, Proben, Bohrung, …) • Regeneration des Erdreichs ist zu beachten (ansonsten zu starke Abkühlung möglich und somit Effizienzverluste der WP) • Um langfristiges Gleichgewicht zu halten, sollte je nach Untergrundeigenschaften die jährlich entzogenen Wärmemenge zwischen 50 und 180 kWh/(m*a) nicht überschritten werden 35 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Arten von Wärmepumpen (5) • In der Grafik lässt sich ablesen, in welchem Verhältnis die unterschiedlichen Wärmequellen genutzt werden Wärmequellenverteilung Deutschland 2004 (ohne WW-Wärmepumpen) 36 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Übersicht 1. Was ist eine Wärmepumpe? 1.1 Grundlagen 1.2 Definitionen 1.3 Funktionsweise 2. Arten von Wärmepumpen 2.1 Luft/Wasser-Wärmepumpe 2.2 Wasser/Wasser-Wärmepumpe 2.3 Sole/Wasser-Wärmepumpe 3. Andere Heizsysteme (Überblick) 4. Beispiel: Einfamilienhaus 37 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Alternative Heizsysteme • • • • • • • Holzkessel Ölkessel Gaskessel Gas-Brennwertkessel Fernwärme Elektro-Nachtspeicherheizung Elektrodirektheizung 38 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Andere Heizsysteme • Wichtig sind: Richtwerte für den Jahresnutzungsgrad unterschiedlicher Heizsysteme • • D.h. wie viel Wärme wird je zugeführter Wärmeeinheit genutzt Angenommen werden hierbei – Kessel neueren Datums – der Heizlast angemessene Kesseldimensionierung (keine Überdimensionierung – Zentralheizung mit automatischer Regelung sowie – gedämmte Verteilleitungen 39 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Jahresnutzungsgrade verschiedener Heizsysteme • • • • • • • • Holzkessel ca. 0,51 bis 0,8 (Gebläsekessel oder Retortenfeuerung auch bis etwa 0,7) Ölheizung 0,77 Gaskessel 0,77 (Gasthermen 0,81) Gas-Brennwertkessel 0,89 bis 0,96 (abhängig von der Vorlauftemperatur) Fernwärme 0,88 Elektro-Nachtspeicherheizung (Nachtstrom) 0,89 Elektro-Direktheizung (Tagstrom) 1,0 Wärmepumpen (Erdreich, monovalent) 3 bis 4,5 40 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Kosten moderner Heizungssysteme • Parameter: – – – – – • • • 1744 Vollbenutzungsstunden Heizlast = 7,0 kW Spezifischer Wärmebedarf = 50 W/m2 (Fußbodenheizung mit 35/30° C) 4 Personenhaushalt Energieverbrauch Warmwasser = 2,0 kWh/Person und Tag Holzkessel Ölheizung Gas-Brennwertkessel bis zu 18.300,- € bis zu 15.300,- € bis zu 15.100,- € Quelle: Stiebel Eltron / Viessmann (WP-Katalog (!)) 41 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Übersicht 1. Was ist eine Wärmepumpe? 1.1 Grundlagen 1.2 Definitionen 1.3 Funktionsweise 2. Arten von Wärmepumpen 2.1 Luft/Wasser-Wärmepumpe 2.2 Wasser/Wasser-Wärmepumpe 2.3 Sole/Wasser-Wärmepumpe 3. Andere Heizsysteme 4. Beispiel: Einfamilienhaus 42 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Wiederholung (1): Ergebnisreport Beispielhaus Vor Sanierung: • Heizwärmebedarf – 278,40 kWh / (m2a) • Warmwasserbedarf – 12,50 kWh / (m2a) • Addieren und mit 2,2 multiplizieren Gesamtaufwandszahl eP – 2,20 • Primärenergiebedarf vorhanden – 639,98 kWh / (m2a) • Primärenergiebedarf zulässig (nach EnEV, bei Umbau > 50%) – 121,53 kWh / (m2a) 43 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Wiederholung (2): Ergebnisreport Beispielhaus Nach Sanierung: • Heizwärmebedarf ¾ 56,27 (278,40) kWh / (m2a) • Warmwasserbedarf ¾ 12,50 kWh / (m2a) • Gesamtaufwandszahl eP ¾ 2,20 • Primärenergiebedarf vorhanden ¾ 151,29 (639,98) kWh / (m2a) • Primärenergiebedarf zulässig (vom Berechnungsverfahren festgelegt) – Abhängig vom AV-Verhältnis ¾ 121,53 kWh / (m2a) 44 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Wiederholung (3) – Nach Sanierung (EnEV-Standard) • • • Vorgaben durch die EnEV werden immer noch nicht erfüllt Gilt nur, falls Neubau oder Veränderungen > 50% der Bausubstanz Ansonsten nur Pflicht zur Erfüllung Mindestwärmeschutz (hier erfüllt) 151,29 kWh / (m2a) 45 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Wiederholung (4): Voraussichtliche Kosten – Reine Dämm-Maßnahmen • • • • • • Dachdämmung (kein Ausbau des Daches mit modernen Dachpfannen, Gauben, Balken, Folien etc.) Fassade (Wärmedämmverbundsystem) Wärmedämmung Sole / Deckenstück Außenluft Fenster Inklusive Ein- und Umbau Blower-Door-Test (Luftdichtheitstest Î siehe Bild) • KOSTEN: Ca. 45.000 € (Schätzung Architekturbüro) • • Sinnvoll wäre aber zeitgleicher Neubau des Daches (ca. 20.000 €) Installation einer Heizanlage mit höherem Wirkungsgrad 46 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber FRAGE 1. Ist der Einbau einer WP in das Beispielhaus sinnvoll? 47 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Antwort: • • Grundvoraussetzung für die Elektrowärmepumpe sollte im Wohnungsbau stets ein überdurchschnittlich gedämmtes Gebäude sein (hier nach Sanierungsmaßnahmen vorhanden) Desto weniger Energie benötigt es und desto effizienter kann die Wärmepumpe die erforderliche Heizwärme bereitstellen – Wie gut eine WP arbeitet, hängt ganz entscheidend vom Temperaturniveau ab, auf das sie das Heizwasser von der Temperatur des genutzten Umweltmediums (z. B. +8 °C) „hinaufpumpen“ muss – Je kleiner der Unterschied, desto besser ist der Wirkungsgrad • Unsinnig, Elektrowärmepumpen in ungedämmte Altbauten ohne Fußbodenheizung einzubauen Î Jahresarbeitszahl wäre zu schlecht Fazit: Im Falle des Beispielhauses ist Einbau einer Elektro-WP sinnvoll !! 48 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Einbau einer Wärmepumpe in das Beispielhaus • • • Austausch der alten Heizung Einbau einer Wärmepumpe mit hoher Leistungszahl Frage: Welche Wärmepumpenart soll für das Beispielhaus verwendet werden? – Luft/Wasser – Wasser/Wasser – Sole/Wasser ? Zusätzlich: Einbau einer Fußbodenheizung • Geringe Vorlauftemperaturen von 35° Celsius reichen aus – siehe Carnot-Prozess – geringe Temperaturunterschiede zwischen „Sole“ und „Wasser“ – WP kann effizienter arbeiten 49 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Einbau einer Sole/Wasser-Wärmepumpe • Sole/Wasser-WP ratsam, da: – – – – genügend Fläche für den Kollektor zur Verfügung steht die Sole/Wasser-WP eine gute Leistungszahl bietet Keine wasserschutzrechtlichen Bedenken keine Brunnen- oder Tiefbohrung nötig Im Falle des Beispielhauses weitere durchgeführte Maßnahmen: – Gleichzeitiger Einbau einer Bodenheizung (verringert Vorlauftemperaturen der Heizung) – Installation WP in Kombination einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung (ermöglicht weitere Energieeinsparung, verursacht aber entsprechend weitere Kosten) 50 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Wieso ist Einbau einer Bodenheizung ratsam? • Bodenheizung ermöglicht ein Beheizen mit relativ niedrigen Temperaturen (es wird große Fläche beheizt im Gegensatz zu „kleinen“ Radiatoren) • Möglich ist Niedertemperaturheizsystem mit 35 °C Vorlauf- und 28 °C Rücklauftemperatur • Flächenheizungen (empfehlenswert in Kombination mit Fliesen) eignen sich besonders gut zum Einsatz in Verbindung mit Wärmepumpen – energetische Effizienz einer Wärmepumpe ist umso höher ist, je niedriger die Vorlauftemperatur ausfällt 51 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Dimensionierung der Wärmepumpe (1) • EnEV-Programm berechnet die Leistung der verwendeten Wärmepumpe – Wichtige Parameter: • Transmissionswärmeverluste (HT) • Lüftungswärmeverlust (HV) • Temperaturunterschied innen und außen – Formel: • Nach den Sanierungsmaßnahmen errechnet das Programm eine Gebäudeheizlast (DIN 4108-6) von: – 9,71 kW • FRAGE: – Wie groß muss der Flächenkollektor im Garten sein, wenn pro m2 25 Watt Wärme abgezogen werden können und die Sole/Wasser-WP eine Leistungszahl von 4,5 hat? 52 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Dimensionierung der Wärmepumpe (2) • Leistungszahl von 4,5 bedeutet: – Die Wärmpumpe erzeugt das 4,5-fache an Wärme im Verhältnis zu der elektrischen Energie, mit der die WP betrieben wird – Wärme = 4,5 – Elektrische Energie (Input) = 1 – Umweltwärme = 3,5 • Rechnung: – 9,7 / 4,5 * 3,5 Î von der Umwelt benötigte Energie Î 7,54 kW – Pro m2 können 25 Watt Umweltwärme abgezogen werden – 7544 Watt / 25 Watt = 302 m2 • Zum effizienten Betrieb der WP sollte der Kollektor im Garten eine Fläche von ca. 300 m2 haben 53 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber FRAGE Lässt sich der Primärenergiebedarf des Beispielhauses durch den Einbau einer modernen Wärmepumpe noch verringern? 54 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Ergebnisreport Beispielhaus mit Wärmepumpe, Fußbodenheizung und solarer WW-Aufbereitung (1) • Heizwärmebedarf ¾ 56,27 kWh / (m2a) (unverändert) • Warmwasserbedarf ¾ 12,50 kWh / (m2a) (unverändert) • Gesamtaufwandszahl eP ¾ 0,98 (Verbesserung durch moderne WP-Anlage Î vorher: 2,20) • Primärenergiebedarf vorhanden ¾ 67,39 (vorher 151,29) kWh / (m2a) • Primärenergiebedarf zulässig (vom Berechnungsverfahren festgelegt) – Abhängig vom AV-Verhältnis ¾ 121,53 kWh / (m2a) 55 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Ergebnisreport Beispielhaus mit Wärmepumpe, Fußbodenheizung und solarer WW-Aufbereitung (2) • Primärenergiebedarf um mehr als die Hälfte gesunken • FRAGE: Zu welchem Preis? – Kosten für die komplette WP-Anlage inklusive Flächenkollektor, Solarwärmekollektor, Bodenheizung sowie Ein- und Umbau Î ca. 30.000 € (Schätzung Architekturbüro) 56 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Kosten moderner Heizungssysteme im Vergleich zu WP • Parameter: – – – – – • • • • • • 1744 Vollbenutzungsstunden Heizlast = 7,0 kW Spezifischer Wärmebedarf = 50 W/m2 (Fußbodenheizung mit 35/30° C) 4 Personenhaushalt Energieverbrauch Warmwasser = 2,0 kWh/Person und Tag Holzkessel Ölheizung Gas-Brennwertkessel Luft/Wasser-WP Wasser/Wasser-WP Sole/Wasser-WP bis zu 18.300,- € bis zu 15.300,- € bis zu 15.100,- € bis zu 19.200,- € bis zu 20.600,- € bis zu 23.000,- € Quelle: Stiebel Eltron / Viessmann (WP-Katalog (!)) 57 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Nach Sanierung (EnEV-Standard) • • Vorgaben durch die EnEV werden erfüllt Nahe am KfW-60-Haus saniert + WP saniert 67,39 151,29 2 kWh / (m a) alt 639,98 58 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Vorteile einer (Elektro-)Wärmepumpe • • • • • • • • • • • Kein Gasanschluss Kein Öllagerraum Nutzung kostenloser Umweltwärme Keine Verbrennungsreste Keine Überprüfung nach Luftreinhaltegesetz Keine Kamingebühr Nachrüstbar und kompatibel Keine Wartung erforderlich (?) Ca. 60% der Betriebskosten gegenüber Gas (?) Einfache, effiziente Bedienung (?) Hohe Betriebssicherheit (?) Quelle: Stiebel Eltron (!) 59 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Fazit • • • • • Wärmepumpen sind in der Anschaffung teurer als vergleichbare Heizsysteme Kapitalgebundene Kosten (Kapitalkosten, Instandhaltung) sind höher als bei vergleichbaren Heizsystemen Betriebsgebundene Kosten sind Null (Schornsteinfeger, Wartung (?)) Verbrauchsgebundene Kosten sind wesentlich niedriger als bei vergleichbaren Heizsystemen Schadstoffanfall an CO2 ist geringer als bei vergleichbaren Heizsystemen (mit Ausnahme der Holzheizung) – Zu beachten ist allerdings, dass der Strommix (verwendete Primärenergie bzw. welcher Kraftwerkstyp zur Bereitstellung von Elektrizität verwendet wurde) von zentraler Bedeutung für die Bewertung von WärmepumpenSystemen ist 60 Lehrstuhl für Energiewirtschaft Prof. Dr. Christoph Weber Wachstumsprognose für Wärmepumpen 61
