Lang - die Wärmepumpe
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Die Wärmepumpe Kostenlose Naturenergie auf dem eigenen Grundstück nutzen BUND Stuttgart 28.04.2007 Referent: Jürgen Lang BARTL Wärmepumpen Ablauf: Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Die möglichen Wärmequellen Kostenvergleich WP/Öl/Gas/Pellets Was ist eine Wärmepumpe? Eine Wärmepumpe beheizt Ihr Gebäude und sorgt für warmes Wasser, und zwar das ganze Jahr Es werden keine fossilen Energieträger wie Öl oder Gas benötigt Ca. 75% der benötigten Energie werden aus der direkten Umgebung des Gebäudes geholt Nur ca. 25% Antriebsenergie werden in Form von Strom benötigt Die Wärmepumpe „pumpt“ Energie aus der direkten Umgebung des Gebäudes ins Haus Bei Öl oder Gas muss die Energie viele tausend Kilometer transportiert werden Grundsätzliche Funktion der Wärmepumpe Prinzip des Kühlschrankes Geschlossener, vollhermetischer Kreislauf Auf der „kalten“ Seite wird Energie aufgenommen Auf der „warmen“ Seite wird Energie abgegeben Es ist eine Wärmequelle erforderlich Funktionsablauf: Im Verdichter wird gasförmiges Kältemittel von niedrigem auf hohen Druck verdichtet, dadurch wird das Kältemittel heiß Heißes Kältemittel wird im Verflüssiger abgekühlt und verflüssigt und gibt dabei Wärme ab (Wasser wird warm) Im Drosselorgan wird der Druck des flüssigen warmen Kältemittels reduziert, dadurch wird das flüssige Kältemittel kalt Im Verdampfer wird dem sehr kalten Kältemittel Wärme zugeführt (Erdreich, Grundwasser, Außenluft) und das Kältemittel verdampft Usw., usw., usw. 10°C P: 80°C Hochdruck P0::Niederdruck 0°C 40°C T Ü: Überhitzungstemperatur T: VL Temperatur Heizung T0: Temperatur Wärmequelle Qzu: Entzugsleistung W: Verdichterarbeit Qab: Heizleistung Qzu + W = Qab 75% + 25% = 100% Darstellung gesamter Kältekreislauf Die Bauteile der Wärmepumpe Verdichter Verflüssiger Drosselorgan Verdampfer Kältemittel Der Verdichter Vollhermetische Ausführung Scrollverdichter • • • • Sehr laufruhig Keine Verschleißteile Hohe Effizienz bei geringem Temperaturhub Einsatz bei Sole und Grundwasser WP Hubkolbenverdichter • Werden bei Wärmepumpen fast nicht mehr eingesetzt Der Verflüssiger Edelstahlplatten Wärmetauscher • • • • Mit Kupferfolie verlötete Edelstahlplatten Höchste Effizienz Empfindlich bei Verschmutzung Geringer Platzbedarf Koaxial Wärmetauscher • • Unempfindlicher bei Verschmutzung Deutlich größer Der Verdampfer(I) Edelstahlplatten Wärmetauscher • • • • • Mit Kupferfolie verlötete Edelstahlplatten Höchste Effizienz Empfindlich bei Verschmutzung Geringer Platzbedarf Einsatz bei Sole WP´s (geschlossener Kreislauf) Koaxial Wärmetauscher • • • Unempfindlicher bei Verschmutzung Deutlich größer Verwendung bei Grundwasser WP Der Verdampfer(II) Lamellen Wärmetauscher • • • • Aluminium Lamellen auf Kupferrohr Einsatz bei Luft Wärmepumpen Kondensatablauf beachten Abtauung erforderlich Das Drosselorgan Schnittstelle zwischen Hoch- u. Niederdruck Dosiert die Kältemittelmenge die zum Verdampfer gelangt Schützt Verdichter vor Flüssigkeitsschlägen Ausführung thermostatisch oder elektrisch Überhitzung einstellbar Das Kältemittel Früher gebräuchliche Kältemittel wie R12, R22 u. R502 sind heute in Neuanlagen verboten Heute wird R134a, R407C, R404A, R410A oder Propan eingesetzt Bei Propan muss Aufstellraum entlüftet werden Wichtig: hermetischer Aufbau damit kein KMVerlust auftreten kann Keine weit verzweigten Systeme (Direktverdampfung, Direktkondensation) Die Leistungszahl Setzt die aufgenommene Energie ins Verhältnis zur abgegebenen Energie Ist nicht konstant sondern von sich ständig ändernden Randbedingungen abhängig Temperatur der Wärmequelle und des Wärmeverbrauchers sind entscheidend Leistungszahl = abgegebene Energie/aufgenommene Energie Ziel > 3,5 Die Wärmeverteilung Vorlauftemperatur möglichst niedrig Optimal geeignet Flächenheizsystem, Fußboden- oder Wandheizung Radiatoren müssen auf max. 45°C ausgelegt werden Abschaltzeiten vom Energieversorger beachten Je niedriger die Vorlauftemperatur umso besser ist die Leistungszahl Der Pufferspeicher • Überbrückung der Sperrzeiten, je nach Energieversorger bis zu 3 x 2 Stunden • Sicherstellung von Mindestlaufzeiten der WP, die Leistung der WP von 15 Minuten Laufzeit sollte aufgenommen werden können Die Wärmequellen Erdwärmesonde Erdreichflächenkollektor Grundwasser Außenluft Die Erdwärmesonde Tiefenbohrung bis ca. 150m Durchmesser 12 – 20 cm Doppel U-Sonde (2 x VL, 2 x RL) Kunststoff HD-PE Ø 25 – 40mm Geologie beachten Mindestabstände bei Sondenfeldern beachten Ringraum fachgerecht verfüllen Alle Leistungsbereiche Die Erdwärmesonde, Kosten Ca. € 60.-- - € 90.--/Bohrmeter Beispiel: Neubau, 200m² Wohnfläche, Niedrigenergiehaus erforderlich ca. 160 Bohrmeter ca. € 12.000.— Der Erdreichflächenkollektor Verlegetiefe ca. 1,2 – 1,5m Verlegeabstand ca. 30 – 50cm Kunststoffrohr HD-PE Ø 20 – 25mm Fläche hängt vom Untergrund ab Optimal ist ein feuchter, lehmiger Boden Ca.0,5 - 2-fache Fläche im Garten erforderlich Kostengünstige Wärmequellenerschließung für kleine bis mittlere Leistungen Der Erdreichflächenkollektor Kosten Durch Eigenleistung große Einsparung möglich Beispiel: Neubau, 200m² Wohnfläche, Niedrigenergiehaus erforderlich ca. 200 m² Fläche Materialkosten ca. € 2.000.— Erdarbeiten und Verlegekosten ca. € 1 – 3.000.-- Erdsonde Flächenkollektor Anlagenbeispiel Erdreichflächenkollektor Gesamtschule Adelsried bei Augsburg seit 1982 in Betrieb Heizleistung: 150 kW 3 x WB 16 S 20.000m Rohr im Erdreich verlegt Gesamtschule Adelsried Seit 1982 in Betrieb Heizleistung: 150 kW 3 x WB 16 S 20.000 m Rohr im Erdreich Sole - Wasser Wärmepumpe Eco 0,8 - 10S Heizleistung: ca. 4 - 24 kW Sole - Wasser Wärmepumpe WB 10 - 36S Heizleistung: ca. 23 - 100 kW Das Grundwasser Offenes System Spezielle Wärmetauscher oder Zwischenkreis erforderlich Wasserqualität beachten Förder- und Schluckbrunnen Wasserrechtliche Genehmigung Beste Leistungszahlen Alle Leistungsbereiche Das Grundwasser, Kosten Ca. € 200 – 300.--/ Brunnenmeter Tiefe unabhängig vom Wärmebedarf Beispiel: Neubau, 200m² Wohnfläche, Niedrigenergiehaus Wasserstand bei 5 m Brunnentiefe ca. 8m Gesamtkosten Brunnen ca. € 4.000.-- Die Außenluft (I) Überall einsetzbar und verfügbar Keine aufwändigen Erschließungsarbeiten Unerschöpflich Niedrige Leistungszahlen bei extremen Temperaturbedingungen, im Jahresmittel aber ausgeglichen Kleine und mittlere Leistungen Durch die Nutzung der Abluft einer Lüftungsanlage ist eine Wärmerückgewinnung quasi kostenlos möglich Die Außenluft (II) Wärmebedarf des Gebäudes bei Auslegungstemperatur (-12°C bis -16°C) ermitteln Auslegung Vollbetrieb WP auf AT ca. -7°C (Bivalenzpunkt) Bei tieferen AT Unterstützung durch 2. Wärmeerzeuger (in der Regel E.-Heizstab) Die Außenluft (I), Kosten Keine speziellen Erschließungskosten Beispiel: Neubau, 200m² Wohnfläche, Niedrigenergiehaus Mehrpreis WP gegenüber Sole ca. € 2.000.— bei Luft Kompakt Wärmepumpe Luft - Kompakt - Wärmepumpe zur Innenaufstellung ECO 3 - 8 LCI Heizleistung: ca. 6 - 15 kW Luft - Split - Wärmepumpe ECO 3 – 6 LS WB 8 - 16LS Heizleistung: ca. 7 - 30 kW Anlagenbeispiel Luft Wärmepumpe Energiezweckverband Wörth/Main Seit 1998 in Betrieb Beheizte Fläche: 980m² WP Typ: WB 16 LS TR zum Heizen und Kühlen Außenteil der Luft Split WP nicht sichtbar auf dem Dach montiert Kriterien für die Auswahl der Wärmequelle Platzverhältnisse auf dem Grundstück Klimatische Lage Situation mit Nachbargebäuden Bodenbeschaffenheit Finanzielle Situation des Bauherrn Wünsche des Bauherrn Emmissionswerte 400 350 300 250 200 150 100 50 0 364 Wärmepumpe 269 Ölkessel 233 163 Emmission in g CO 2 / kWh Wärme Gaskessel Gasbrennwertkessel Primärenergieeinsparung bei der Nutzung einer Wärmepumpe 45% 44% 43% 42% 41% 40% 39% 38% 44% gegenüber Öl 43% gegenüber Gas gegenüber Gasbrennwert 40% Primärenergieeinsparung in % CO 2 Minderung durch den Einsatz einer Wärmepumpe 60% 50% 55% 40% 30% 20% gegenüber Öl 39% gegenüber Gas 30% 10% 0% CO 2 Minderung in % gegenüber Gasbrennwert Wärmepumpen für besondere Anwendungen Zusatznutzen durch freie Kühlung Die Wärmepumpe mit der Heißgasentwärmung für hohe Brauchwassertemperaturen Die Kühlfunktion Bei Sole- u. Grundwasser Wärmepumpe freie Kühlung möglich, dadurch geringste Betriebskosten f. Kühlbetrieb Über Kreislaufumkehrung Kühlung auch bei Luft WP möglich Wärme/Kälteverteilung muss geeignet sein (Flächenheiz-/kühlsystem oder spezielle Truhen) Spezielle Raumthermostate erforderlich Bei Sole WP durch Kühlbetrieb Verbesserung der Leistungszahl auch beim Heizbetrieb Die freie Kühlung Bei Sole- und Wasser- Wärmepumpen Solekreis wird umgeleitet Verschraubte Plattenwärmetauscher bei Wasser-Wasser- Wärmepumpen Hydraulikbeispiel Worauf ist zu achten geschraubter Plattenwärmetauscher bei Wasser-WasserWärmepumpen Frostschutzthermostat im Freikühler Raumthermostat mit Heizen/Kühlen Funktion Bei Einzelraumregelung elektrothermische Ventile (sie erhalten ihr Auf-Kommando vom Raumthermostat) Bei einfacher Ausführung mit Kaltwasserregelthermostat – Vorlauftemperatur kann auf 16-19°C eingestellt werden Aufwändige Regelung ist eine Taupunktregelung – Mischer hält die Temperatur immer oberhalb des Taupunktes Die Heißgasentwärmung Brauchwassererwärmung bis ca. 65°C in Verbindung mit BARTL- Systemspeicher möglich Leistungszahl immer noch zwischen 4 und 5 (z. Bsp. WQ Sole, VL 35°C) Für alle Wärmepumpen Typen lieferbar Entlasteter Betrieb trotz hoher VL Temperaturen, dadurch lange Lebenszeit Einfache Montage durch vorinstallierte Ladepumpe P: Hochdruck P0::Niederdruck T Ü: Überhitzungstemperatur T: VL Temperatur Heizung T0: Temperatur Wärmequelle Qzu: Entzugsleistung W: Verdichterarbeit Qab: Heizleistung Qzu + W = Qab 75% + 25% = 100% Zu beachten: Speicher weder Kalt noch Warm überhöht betreiben Nur tatsächlich benötigte Temperaturen erzeugen Dadurch wird äußerst effektiver Betrieb möglich Keine Nachheizregister mit unnötig hohen VL Temperaturen einsetzen Wärmequelle so gut wie möglich aufbauen Einsatzmöglichkeiten Ein- und Mehrfamilienhäuser Kindergärten, Schulen Rathäuser, Museen Sporthallen, Tennisplätze Campingplätze Überall wo Heizung oder Warmwasser benötigt wird Fazit Der Einsatz einer Wärmepumpe senkt deutlich den CO2 Ausstoß und den Primärenergieverbrauch bei vernünftigen Einsatzbedingungen Moderne Wärmepumpentechnik arbeitet zuverlässig, geräuscharm und kostengünstig Betriebskosten können effektiv um ca. 50 % gesenkt werden Die Wärmepumpe Das Heizsystem der Zukunft Nutzung kostenloser Umweltenergie Einsparung von Primärenergie Kamin u. Brennstofflager entfallen Keine Vorfinanzierung von Brennstoff Komfortable Heiztechnik einfache Bedienung Jederzeit und überall einsetzbar Reduzierung von Schadstoffen und CO2 Ausstoß Vor Ort emissionsfrei Die Wärmepumpe, denn es lohnt sich es besser zu machen!
