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Wärmepumpen + KälteanlagenEnergiemanager IHK

Dipl.-Ing. Hans-Joachim Lohr

Dipl.-Ing. Markus Sommer

www.LOHRconsult.de

07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 1

Geschichte der Wärmepumpe

1,86 MW 3-stufige Wärmepumpe in Zürich Hersteller: Sulzer Baujahr 1942 Vorlauf 70°C Wärmequelle: Wasser

Energieverbrauch im Haushalt

7 %1%4 %

Heizung Elektrogeräte Beleuchtung Kochen Warmwasser

88% Heizung + Warmwasser

Primärenergiebedarf zurKälteerzeugung

Primärenergie - Nutzenergie

Endenergie StromBei Verbraucher

EnergieflußVergleich Wärmepumpe - Kessel

COP=4,0

fp=2,7

(Erdreich)

Wärmepumpensysteme

Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdsonden

Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdkollektor

Wasser-Wasser-Wärmepumpen mit Saug-und Schluckbrunnen

Luft-Wasser-Wärmepumpen für Außenaufstellung

Anteile nach Wärmequelle 2008

Kleinanlagen bis ca. 50 kW

28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 9

Absatzzahlen 2003 bis 2008

Kleinanlagen bis ca. 50 kW

CO2-Vergleich Wärmepumpe-Kessel

Wärmepumpen reduzieren

Schadstoffemissionen im

Bereich Raumheizung und

Warmwasserbereitung

Vergleich bei

Jahresarbeitszahlen > 4

Spezifische CO2-Emissionen

Quelle: Umweltbundesamt

Braunkohle 400 g/kWh

Heizöl 266 g/kWh

Erdgas 202 g/kWh

Flüssiggas 234 g/kWh

Strom 624 g/kWh

Entwichlung der spez. CO2 Emissionen

Spez. CO2 Emmission 2008ca. 580 g/ kWh

Vergleichsrechnung CO2-EmissionenBasis 2008

Gas-Kessel EWP

Heizlast nach DIN EN 12831 kW 12,00 12,00

Vollbenutzungsstunden einschl. Warmwasserbereitung h/a 2.400 2.400

Jahresheizwärmebedarf kWh 28.800 28.800

Jahresnutzungsgrad / Arbeitszahl (B0/W35) 0,9 4,7

Endenergiebedarf kWh 32.000 6.128

spezifische Emissionen (GEMIS-VDEW Stammdatensatz)

g/kWh 202 580

Gesamtemissionen kg/a 6.464 3.554

Emissionsreduzierung durchElektro-Wärmepumpeneinsatz kg/a 2.910

EEWärmeG Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz

EEWärmeGgültig ab 1. Januar 2009

bei der Nutzung von Geothermie und Umweltwärme ist ein Mindestanteil von 50 % vom Gebäudeeigentümer zu garantieren.

JAZ = Jahresheizarbeit (kWh) Jahresstrombedarf* (kWh)

* für Wärmepumpe mit Hilfsantrieben

Bei Einsatz von Wärmepumpen ist Jahresarbeitszahl zu erreichen:

Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 Blatt 1

Einsatz Wärmepumpe JAZ

Heizen Sole / Wasser ≥ 4,0

Wasser / Wasser ≥ 4,0

Luft / Wasser ≥ 3,5

Heizen

+ WW Sole / Wasser ≥ 3,8

Wasser / Wasser ≥ 3,8

Luft / Wasser ≥ 3,3

EnEV Energiesparverordnung

Neue Perspektiven für die Wärmepumpe

Primärenergiefaktor Strom fürden Einsatz elektrisch betriebener Wärmepumpen

fp = 2,7 (aktuell an 2007)

bereits bei einer Jahresarbeitszahl > 2,7 (Verhältnis 1:1 Primärenergie zu Heiz-energie) ergeben sich energetische Vorteile für die Wärmepumpe.

GUD-Kraftwerk

Gesamt-

wirkungsgrad 51…58 %

Primärenergie-

Faktor (ab 2007)

fp = 2,7

GUD Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk

Kompensation von Kraftwerksverlusten

Primärenergie-

Faktor (ab 2007)

fp = 2,7

EnEV Energiesparverordnung

JAZ* β = 4 *Jahresarbeitszahl

Anlagenaufwandzahl ep = 2,7 / 4 = 0,675

Grundlagen Thermodynamik

0°C-20°C

+20°C

Wärmefluß

Wärmepumpe

Durch den Einsatz von Arbeit W = P x t kann Wärme Q von kalt nach warm verschoben werden.

0°C = 273 K

Grundlagen Thermodynamik

Um die Wärme auf ein höheres Niveau zu heben muss Arbeitin der Maschine geleistet werden

Q´cPQ´o

Q´o [kWo] + P [kWel] = Q´c [kWth]

Wärmepumpe

Wärmepumpensysteme

1 Verdampfer 3 Kondensator2 Verdichter 4 Expansionsventil

Theorie der Wärmepumpe

Zustandsänderungen

•h, lg p – Diagramm (Carnot Prozess)•Idealer Kreisprozess•Realer Kreisprozess•Bestimmung der Leistungszahl •Bestimmung der Arbeitszahl

Kältekreislauf mit den wesentlichenKomponenten

Kältekreislauf

Q´cPQ´o

EvaporatorVerdampfer

ChillerVerdichter

CondenserVerflüssiger

Liquid

p o p c

Heizleistung der Wärmepumpe

Definition der Heizleistung

einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe

HEIZLEISTUNG KÄLTELEISTUNG LEISTUNGSAUFNAHME(Entzugsleistung) (elektrische Antriebsleistung)

Leistungszahl der Wärmepumpe

Definition der Leistungszahl

COP (ε) = Qh

Bei erdgekoppelten Anlagen 4,5…5,0

je nach Betriebsbedingungen

(Warmwasserbereitung beachten !)

Bilanzgrenzen

LA21: Lokale Agenda 21 Falk Auer

Bestimmung der Arbeitszahl

Jahresarbeitszahlen

Feldtest Elektrowärmepumpen

Grundlagen Kältemittel

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60

Als Kältemittel sind alle flüssigen Stoffe geeignet, die sich beliebig oft kochen und wieder kondensieren lassen, ohne sich dabei chemisch zu zersetzen. Dabei nutzt man die Abhängigkeit der Siedetemperatur T [°C] vom Umgebungsdruck p [bar bzw. MPa]. Wird der Umgebungsdruck erhöht, erhöht sich die Siedetemperatur und umgekehrt!

Das Bild zeigt den Verlauf der Siedetemperatur eines Kältemittels. Bei einem Druck von ca.2,5bar hat dieses eine Siedetemperatur von –20°C. Wird der Druck auf ca.15 bar erhöht, so steigt die Siedetemperatur auf 40°C.

log p – h - Diagramm

log p – h - DiagrammGrundbegriffe der Thermodynamik

Isothermen sind Linien gleicher Temperatur

Isobaren sind Linien gleichen Druckes

Isentropen sind Linien gleicher Entropie

Isochore Zustandsänderung eines Gases bei gleichem Volumen

Enthalpie ist ein Maß für die Energie eines thermodynamischen Systems

log p – h – Diagramm R 410a

Enthalpie h [kJ / kg]

log p – h – Diagramm R 407 c

Optimierung durch Wärmetauscher

Kreislauf ohne internenWärmetauscher

Kreislauf mit internenWärmetauscher

Leistungszahl ε

Carnot Prozess (theoretisch)

Berechnung:

ε = T / T-To (T = 0°C = 273 K)

aus h, lg p – Diagramm

ε = h2 – h3 / h2 – h1

Gemessen:

ε = Qh / Pe

Optimierung der Leistungszahl

Verdampfer

Kondensator

TemperaturdifferenzWärmequelle / Wärmesenkez. B B0/W35Qualität der

Wärmetauscher(Kältekreislauf)

Leistungszahl ε

Sole-Wasser-Wärmepumpen

Kältekreislauf einer Kleinwärmepumpe

Scroll-Wärmepumpen-Verdichter

Standzeiten von Scrollverdichtern ca. 50.000 Betriebsstunden

Funktion des Scrollverdichters

1 ansaugen2 verdichten3 verdichten4 verdichten5 verdichten6 ausstoßen

Plattenverdampfer + Expansionsventil

Plattenverdampfer in gelöteter Ausführung

PlattenwärmetauscherVerdampfer / Kondensator

Plattenwärmetauscher

Geprägte Einzelplatten von geschraubten Wärmetauschern

U-Werte > 4.000 W/m²K

Plattenwärmetauscher für Wärmepumpen

Optimierung von Plattenverdampfern durch Kältemittelverteiler

Platten-WärmetauscherGegenstromprinzip

Rohrbündel-WärmetauscherKreuzstromprinzip

KältekreislaufkomponentenThermostatische Expansionsventil

Expansionsventil ohne Druckausgleich

Kältekreislaufkomponenten

Druckausgleich

Thermostatisches Expansionsventil

Kältekreislaufkomponenten

Trockenmaterial (Silikagel)

Kältemitteltrockner

Kältekreislaufkomonenten

Schauglas mit

Indikator

Indikator zurBestimmung der Feuchtigkeit

Wärmepumpe und Solaranlage

Synergie Wärmepumpe-Solar

Kombination WP-Solar (Heizen – Kühlen)

System Heizen-Kühlen

System Heizen-KühlenSole-Wasser-Wärmepumpe

Warmwasserspeicher

Pufferspeicher Wärmepumpe

Temperaturmessung im Erdreich

Anordnung der PT-1000 Messfühler

Fühler 1 -30,0 m

Fühler 2 -50,0 m

Fühler 3 -70,0 m

Fühler 4 -90,0 m

Temperaturfühler PT 1000

Wärmeeintrag „Freie Kühlung“2 x 90 m Sonden

Wärmeeintrag

Wärmeentzug „Heizbetrieb“2 x 90 m Sonden

Fühler 4 (-90 m)

Fühler 3 (-70 m)

Fühler 2 (-50 m)

Luft-Wasser-Wärmepumpefür Innenaufstellung

Arbeitszahlen vom Luft-Wasser-WP

Aufstellungsplan einer Luft-Wasser-WP

Luft-Wasser-Wärmepumpe

Heißgas-Bypass-Abtauung

Wärmepumpensysteme im Vergleich

KONDENSATOR KONDENSATOR

VERDAMPFER VERDAMPFER

AUSTREIBER

ABSORBER

PUMPE DROSSELDROSSELDROSSEL

KOMPRESSION ABSORPTION

Gas-Absorptions-Wärmepumpe

Gasabsorptionswärmepumpe

Zeolith-Gas-Wärmepumpe

System Vaillant

Gasbetrieb Solarbetrieb

Vergleich von Verdichterbauarten

Druck-Hubvolumen-Vergleich

Einsatzgebiete von Verdichternunterschiedlicher Konstruktion

Baugrößen von Wärmepumpenanlagen

Die Heizleistung ist etwaDas 3 bis 4-fache derAntriebsleistung

Kolben- und Schraubenverdichter

Kolbenverdichter Schraubenverdichter

Radial-Turboverdichter

Axial-Turboverdichter (ölfrei)

Hersteller: opk

Heizleistung ca. 1.000 kW2 Verdichter á 500 kW

Schraubenverdichter-Wärmepumpe

Heizleistung 500 kW

Hersteller: opk

Vergleich GWP zu EWP

Gasmotorantrieb gegenüber Elektromotorantrieb

Gas-Motor-Wärmepumpe

Gas-Motor-WärmepumpeHeizleistungen > 500 kW

6-Zylinder-Gasmotor Schraubenverdichter

Gasmotor-Wärmepumpe

Rapsölmotor-Wärmepumpe

VERDAMPFER*

300 kW (to= +44°C)

KONDENSATOR*

330 kW (tc=78°C)

52...15°C 47...10°C

52 m³/h

40 kPa

VERDICHTER

Pm = 62 kW

3.250 min-1

Getriebe

Intern-WT

40...60°C

55...75°C

24,7 m³/h

RAPSÖL-MOTOR

Pm = 66 kW

be = 220 g/kWh

1500 min-1

Abgaswärmetauscher

W Rapsöl 10,6 kWh/kg

55...75°C

57,8...77,8°C

58,5...78,5°C

550°C

120°C

1.250 m³/hAbgasgendruck max 5 kPa

ENTWURF V.30Rapsöl Wärmepumpen Modul

Solare Nahwärmeversorgung Crailsheim

01. April 2005

Qhges = 530 kWbei V 52/47 und K 60/78,5

Schraube

* tomax = + 47 °C

tcmax = + 80 °C

ÖLKÜHLER 100 kW

43,5...63,5°C

15 kPa

30 kPa

35 kPa

Kraft-Wärme-Kältekopplung

WÄRMEPUMPEN-KÄLTEMASCHINE

Winter 14/10°C QH= 62,6 kW - Q

O= 49,5 kW - P

E= 13,1 kW

Sommer 17/14°C QH= 64,6 kW - Q

O= 54,0 kW - P

E= 10,6 kW

HYDRAULIK-MODUL

2-stufig

HYDRAULIK-MODUL

4-stufig

VERBRAUCHER

Kälte

Wärme

Vellmar, 25. August 2009

107,3 kW

Wärmetauscher

Rückkühlung

Wasser-Glykol 25 Vol.%

Schnittstelle

H = 30 kW

PE = 15 kW

70°C*

50°C*

40°C**

30°C**

54,0 kW

Wärmetauscher

Kühlung

Schalt-

schrank

Rückspeisung

Design by

ABSORPTIONS-

KÄLTEMASCHINE

QO= 20,1 kW

2StoreSystemGas

SYSTEM HEIZEN-KÜHLEN(vereinfachte Systemzeichnung)

FUNKTION heizen

HEIZLEISTUNG ges. 92,6 kW

Heizzahl 1,852

KÄLTELEISTUNG ges. 74,1 kW

Kältezahl 1,482

Abwasserkanal mit Wärmetauscher

Wärmeeintrag 107,3 kW - Wärmeentzug 49,6 kW

*Sommer 80/75°C

** Rückkühlbetrieb 30/25°C

Input Erdgas 50 kW

Wärmepumpe mit Nutzung der Überhitzungswärme

Warmwasser

Speicher

Hydraulik

Wärmepumpe

mit Enthitzer für WWB

Enthitzer

Erdsonden

Wärmetauscher

Freie Kühlung

Gefäss

Nutzung der Überhitzungswärme zurvorrangigen Brauchwassererwärmung

Reversible Wärmepumpe Heizen-Kühlen

Prozeßumkehr Heizen-Kühlen

Systeme zum Heizen und Kühlen

WÄRMEPUMPEN

HYDRAULIK

kaltHYDRAULIK

VERBRAUCHER

ERDSONDEN

RückkühlerVERBRAUCHER

2storeSystemSYSTEM HEIZEN-KÜHLEN

(vereinfachte Systemzeichnung)

FUNKTION HEIZEN

Wärmetauscher

Rückkühlung

Wärmetauscher

Freie Kühlung

Wärmetauscher

Aktive Kühlung

Kältemittelvergleich

ODP Ozone Depletion Potential

Natürliche Kältemittel

CO2 / NH3 / R290

Ozon Abbau Potential

Kältemittel

Bestimmung TEWI

TEWI = (m KMK x GWP KMK ) + (α x E a x L a )

m = Masse [kg]Ea = jährlicher Energiebedarf [kWh/a]α = Umrechnungsfaktor [kg CO2 / kWh]La = erwartete Lebensdauer [a]KMK = Kältemittel im Kreislauf

Gesamt Treibhausbelastung - CO2 bezogener Vergleichswert-

CO2-Emissionen der Klimakälteerzeugung

Heizleistungen im Vergleich

Heizleistung in %

Basis der Gegenüberstellung ist ein konstantes Verdichterhubvolumen

Volumetrische Kälteleistung im Vergleich

vol. Kälteleistung in %

Volumetrische Kälteleitung in kJ /m³

LITERATUR ZUM THEMA GEOTHERMIE

ISBN: 3-342-00685-4 (Auflage 1999)

ISBN: 978-3-89554-167-4 (Auflage 2008)

VBI-Leitfaden (1. Auflage Oktober 2008)

ISBN: 978-3-934681-95-08 (Auflage 2009)

LITERATUR ZU DEN THEMEN WÄRMEPUMPEN + GEOTHEMIE

Handbuch Wärmepumpen

ISBN: 978-3-7880-7704-2 (9. Auflage)

ISBN: 978-3-7880-7811-9 (2. Auflage)

ISBN: 978-3-7880-7843-0

ISBN: 3-908483-58-1 (SIA D 0190)

ISBN: 3-8249-0118-8 (2. Auflage)

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