1. Alte und neue Wärmequellen – mit Grundwasser, Erde, Luft, Eis

Alte und neue Wärmequellen –mit Grundwasser,
Erde, Luft, Eis oder Abwasser effizient heizen
Lechwerke AG 14.07.2011
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Wärmepumpen nutzen Energie der
Sonne, gespeichert…
im Erdreich
Erdsonde
Flächenkollektor
im Grundwasser
in der Luft
sowie aus Abwärme
aus industrieller Produktion
(Milchkühlung)
EDV-Abwärme
Kältemaschinen
Abwasserkanäle und Kläranlagen
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Wärmepumpen zum Heizen
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Grundwasser-Wärmepumpe
Ist Grundwasser vorhanden, eignet es sich ideal als
Wärmequelle. Denn seine Temperatur bleibt während des ganzen
Jahres relativ konstant. Benötigt werden lediglich zwei Brunnen:
ein Förderbrunnen, der das Wasser holt, und ein
Schluckbrunnen, der es zurückleitet.
Vorlauftemperatur Grundwasser: 7 – 12 Grad C
Arbeitszahl bis 4,5
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Wärmepumpe Wärmequelle Grundwasser
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Erdreich-Wärmepumpe
Erschließung der Wärmequelle durch Sonden
Erdsonden werden bis zu 100 m tief in den Boden eingelassen.
Die Sonden bestehen aus zwei U-förmigen Kunststoffrohren, in
denen Wasser, das mit Frostschutzmittel versetzt ist, fließt. Der
Durchmesser einer Erdsonde ist nicht größer als eine gängige
Musik-CD.
Vorlauftemperatur Erdsonde: 5 – 8 Grad C
Arbeitszahl bis 4
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Erdreich-Wärmepumpe
Erschließung der Wärmequelle durch Kollektoren
Erdkollektoren sind ein waagrechtes Rohrschlangensystem, das
etwa 20 cm unter der Frostgrenze verlegt wird und durch das
Wasser, das mit Frostschutzmittel versetzt ist, fließt.
Vorlauftemperatur Erdkollektor: 2 – 6 Grad C
Arbeitszahl bis 4
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Wärmepumpe Wärmequelle Erdreich
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Luft-Wärmepumpe
Luft gibt es als Wärmequelle überall. Ein weiterer Vorteil: Sie
lässt sich ohne großen baulichen Aufwand erschließen.
Ventilatoren führen die Außenluft am Verdampfer der
Wärmepumpe vorbei, der ihr Wärme entzieht. Da mit fallender
Außentemperatur die Leistung der Wärmepumpe nachlässt,
unterstützt sie ein Elektro-Heizstab an den wenigen extrem kalten
Tagen des Jahres mit durchschnittlichen Temperaturen unter 5% Grad C. Der Heizstab übernimmt < 10% der Jahresarbeit.
Arbeitszahl bis 3,3
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Wärmepumpe Wärmequelle Luft
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Abwasser-Wärmepumpe
Abwasserkanäle weisen Temperaturen von 10 bis 20 Grad
Celsius auf. Deswegen eignen sich Kanäle mit einem
Durchmesser ab 80cm und einer auch bei Trockenwetter stetig
durchfließenden Abwassermenge hervorragend als Wärmequelle
Arbeitszahl bis mehr als 5
Quelle: Minergie, Schweiz
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Wärmequelle Abwasser
Q = m * c * ∆T
m = 15kg / s
c = 4,19kJ / kg * Grad
∆T = 3Grad
Q = 188,6kW
Unter Berücksichtigung eines
Verschmutzungsfaktors von 0,7 und
einer JAZ von 4 lassen sich damit
175 kW Heizleistung erzielen
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Spezielle Wärmepumpen
Direktverdampfende Wärmepumpe
Das umweltfreundliche Arbeitsmittel strömt ohne
zusätzliche Antriebsenergie und ohne zusätzlichen
Wärmetauscher durch die Erdkollektorrohre
CO2-Erdsonde
Flüssiges CO2 sinkt in einer Erdsonde nach unten,
nimmt Wärme auf, verdampft und steigt ohne
Hilfsantriebe wieder nach oben
Beide Maßnahmen tragen zur Effizienzsteigerung der
Wärmepumpe bei. Die Arbeitszahl steigt auf Werte
von deutlich über 5.
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Wärmequelle Eis - Latentspeicher
Q = m * c * ∆T
c wasser = 4 ,19 kJ / kg * Grad
Übergang → Eis / Wasser
c Eis = 333 ,5 kJ / kg * Grad
Wenn man einen 5000l-Wasserspeicher von 10 Grad auf 0 Grad
abkühlt, entzieht man 58 kWh
Wärme. Bei der Umwandlung in Eis
bleibt die Temperatur bei 0 Grad
Celsius. Es können weitere 463 kWh
entnommen werden.
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Wärmequelle Eis - Latentspeicher
Quelle: isocal
Bei Aussentemperaturen über 0 Grad wird der Eisspeicher mittels Solarthermie
regeneriert. Wenn die Temperatur hoch genug ist, dann kann der Solarkollektor
direkt zur Warmwasserbereitung verwendet werden.
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Kühlen mit der Wärmepumpe
Neue Wärmepumpen können auch kühlen
Aktive Kühlung durch einen reversiblen Betrieb. Die
Wärmepumpe wird zum Kühlschrank.
Passive Kühlung durch einen zusätzlichen Wärmetauscher. Die
niedrige Erdreichtemperatur wird über einen Wärmetauscher an
die Fußbodenheizung weitergegeben.
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Wärmepumpen zum Heizen und zum Kühlen
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Wärmepumpen und passive Kühlung
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Großwärmepumpe Wärmequelle Flusswasser
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Funktion Heizkessel
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PE-Einsatz und Jahresnutzungsgrad
66%
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PE-Einsatz und Jahresnutzungsgrad
NTKessel
80 %
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Funktion Brennwertkessel
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PE-Einsatz und Jahresnutzungsgrad
93 %
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PE-Einsatz und Jahresnutzungsgrad
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Funktion motorische Gas-Wärmepumpe
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PE-Einsatz und Jahresnutzungsgrad
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PE-Einsatz und Jahresnutzungsgrad
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Ist die Wärmepumpe umweltfreundlich???
Die Wärmepumpe nutzt Sonnenenergie, aber sie benötigt Strom zum
Antrieb des Verdichters
Strom wird aber immer umweltfreundlicher:
Neue Kraftwerke haben bessere Wirkungsgrade
Immer mehr Strom stammt aus Erneuerbaren Energien
Wärmepumpen benötigen nur 20 bis 40% Stromanteil – die restliche
Energie kommt aus der Wärmequelle
Die Jahresarbeitzahl ist das Verhältnis zwischen abgegebener
Wärme und aufgenommenen Strom
Typische Arbeitszahlen liegen zwischen 2,8 und 5
Schon ab einer JAZ von 2,1 sind Wärmepumpen
umweltfreundlicher als Heizkessel (Gutachten Prof. Wagner TUM)
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Raumwärme Haushalt (2009- JAZ=4)
25000
21785
20000
19928
19140
17640
16000
15000
10400
10000
5400
5000
4700
4000
2248
0
Primärenergie
kWh
Öl-Brennwertkessel
Endenergie
kWh
Heizenergie
kWh
Gas-Brennwertkessel
CO2-Emission
kg/a
El. Wärmepumpe
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Raumwärme Haushalt (2009 - JAZ=2,1)
25000
21785
20000
19928
19810
19140
17640
16000
15000
10000
7619
5400
5000
4700 4282
0
Primärenergie
kWh
Öl-Brennwertkessel
Endenergie
kWh
Heizenergie
kWh
Gas-Brennwertkessel
CO2-Emission
kg/a
El. Wärmepumpe
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Erneuerbare Energien wachsen
Anteile an der Stromerzeugung in Deutschland
Quelle:
BEE e.V.
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EE steigen bis 2020 auf 47%
Quelle: BEE e.V.
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EE steigen bis 2020 auf 35%
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Der Primärenergiefaktor sinkt
3,20
3,00
2,80
2,6
2,60
Faktor
(AGEB)
2,40
Faktor
(BEE)
2,48
2,33
2,20
2,17
2,00
1,80
1,98
Wenn der Anteil Erneuerbarer Energien bis 2020 auf 47% steigt,
dann sinkt der Primärenergiefaktor Strom auf weniger als 1,67 !
1,78
1,60
1990
1,67
1995
2000
2005
2010
2015
2020
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Die CO2-Emissionen sinken
750
700
650
600
572
550
CO2 gr/kWh
500
CO2 gr/kWh /BEE)
535
502
467
450
400
Wenn der Anteil Erneuerbarer Energien bis 2020 auf 47% steigt,
dann sinkt der CO2-Ausstoss Strommix auf weniger als 360 g/kWh
!
427
383
359
350
1990
1995
2000
2005
2010
2015
2020
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Raumwärme Haushalt (2020 JAZ=4)
25000
21785
20000
19928
19140
17640
16000
15000
10000
6680
5400
5000
4700
4000
1436
0
Primärenergie
kWh
Endenergie
kWh
Öl-Brennwertkessel
Heizenergie
kWh
Gas-Brennwertkessel
CO2-Emission
kg/a
El. Wärmepumpe
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Ein unschlagbarer Umweltvorteil (JAZ=4)
Einsparung in % gegenüber
fossilen Brennstoffen
2010
2020
Primärenergieeinsparung
56%
68%
CO2-Einsparung
50%
72%
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Beispiele: Kino Memmingen
Das Cineplex-Center in Memmingen wird mit einer Wärmepumpe geheizt und
mit Grundwasser gekühlt
Jährliche Ersparnis:
55% der Heizkosten
95% der Kühlkosten
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Beispiele: Impuls-Arena Augsburg
Die Impuls-Arena wird mit zwei Grundwasser-Wärmepumpen und einen
Spitzenlast-Bio-Erdgaskessel beheizt und gekühlt. Der Strom wird aus
Wasserkraft erzeugt
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Beispiele: Impuls-Arena Augsburg
Wir errichten die erste CO2-neutrale Fußballarena der Welt
konventionelle
Geothermie +
Technik:
„normaler Strom“
CO2- Emission
CO2- Emission
588.324 kg/a
314.863 kg/a
Geothermie
+
CO2- frei
erzeugter Strom
0 kg/a
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Absatzzahlen Heizungswärmepumpen
Deutschland
60000
50000
40000
Aerothermie
30000
20000
Geothermie
10000
0
2003
2004
2005
Wasser/Wasser
2006
2007
Sole/Wasser
2008
2009
2010
Luft/Wasser
Quelle:BWP e.V.
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Die weitere Entwicklung der Wärmepumpe ist
abhängig von
der Entwicklung der Öl- und
Gaspreise
der Kosten für die Errichtung
einer Wärmepumpenanlage
Vorschriften und Auflagen
der Unterstützung durch die
Politik
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Herzlichen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit
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