Wärepumpe und Solarthermie – Best Practice im Wohn- und Gewerbebau

Dipl.-Ing. Frank MoosVaillant Deutschland GmbH & Co. KG

Quelle: Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung DIWI, Institut für Energetik, 1995

Endenergieverbrauch in Deutschland

65 % der in privaten Haushalten verbrauchten Energie entfällt auf die Raumheizung, Warmwasser und Strom

Preisexplosionen bei Öl und Gas

CO²-Emission in Mio. t

700

800

900

1000

1990 1995 2000 2005

25 %

Red

uzi

eru

ng

1020

760

Ziel der Bundesregierung Reduzierung des CO2 - Ausstosses um 25%

WSVO 95HeizAnlV

1.BImSchV

EnEV 2002 KWK- Gesetz

EEG

Wirkungs- gradricht- linie 92

Möglicher Ausweg ? Nutzung natürlicher Wärmequellen !

- Direkte Sonnenenergie:

Photovoltaik

Solarthermie

- Gespeicherte Sonnenenergie:

Geothermie

Umgebungsenergie – Umweltwärme

Holz-Pellet

Natürliche Wärmequellen

- Direkte Sonnenenergie

Photovoltaik

Solarthermie

Deutschland, ein Sonnenland?!!

Öl-Äquivalent der

jährlichen solaren Einstrahlung:

1000 kWh/m²

Direkte und diffuse Strahlung nutzbar

2,6 kWh/m²d

Solarsystem

Jahreszeitlicher Verlauf der Globalstrahlung

Ausrichtung von Solaranlagen

Optimale Ausrichtung Optimale Ausrichtung

der Solarkollektoren:der Solarkollektoren:

Himmelsrichtung SüdenHimmelsrichtung Süden

Kollektorneigung 45°Kollektorneigung 45°

Photovoltaik und Solarthermie

Solarthermie erzeugt Wärme

Die bei der Solarthermie durch Sonnenlicht erzeugte Wärme, wird zur Trinkwarmwasserbereitung und zur Heizungsunterstützung genutzt. Eine Überproduktion von Wärme, wird in Warmwasserspeicher eingelagert.

Photovoltaik erzeugt Strom

Bei der Photovoltaik wird aus dem Sonnenlicht elektrischer Strom erzeugt. In den meisten Fällen wird dieser Strom in das Stromnetz eingespeist.

Komponenten einer solarthermischen Anlage -

Trinkwassererwärmung

Randbedingungen einer solarthermischen Anlage -

Trinkwassererwärmung

– Auslegung generell als Substitutionsanlage (A) oder Vorwärmanlage (B) möglich

Komponenten einer solarthermischen Anlage - Solare

Heizungsunterstützung und Trinkwassererwärmung

Randbedingungen einer solarthermischen Anlage - Solare

Heizungsunterstützung und Trinkwassererwärmung

solare Heizungsunterstützung ist in unseren Breiten an folgende

Randbedingungen geknüpft:

1. Gebäudehülle möglichst gut gedämmt -> geringer Heizwärmebedarf

2. Möglichst geringe Heizungsvorlauftemperatur -> Fußbodenheizung

3. Hochleistungssolarkollektoren -> Vakuumröhrenkollektoren

Natürliche Wärmequellen

- Gespeicherte Sonnenenergie

Geothermie

Umgebungsenergie - Umweltwärme

Holz-Pellet

Zukunftsweisende Technologie – Umweltschutz inklusive

– Die zum Heizen erforderliche Energie

bezieht die Wärmepumpe aus der als

Erdwärme gespeicheten, kostenlosen

Sonnenenergie.

– Um die im Erdreich gespeicherte

Sonnenenergie nutzbar zu machen,

wird elektrische Antriebsenergie

benötigt.

Funktionsweise einer Erdwärmepumpe

Der Kreisprozess besteht aus vier Komponenten:

Verdampfer,Verdichter,Verflüssiger,und Entspannungsventil.

Im Kreislauf zirkuliert ein FCKW-freies Arbeitsmittel mit extrem niedrigem Siedepunkt.

Funktionsweise einer Erdwärmepumpe

Schritt 1:

Im Verdampfer wird dem Arbeitsmittel Erdwärme zugeführt. Es wechselt vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand.

Funktionsweise einer Erdwärmepumpe

Schritt 2:

Das gasförmige Arbeitsmittel wird stark verdichtet und damit auf ein hohes Temperaturniveau gebracht. Dieser Vorgang benötigt die 25% Fremdenergie.

Funktionsweise einer Erdwärmepumpe

Schritt 3:

Die Wärmeenergie wird direkt an den Heizkreislauf weitergegeben. Das Arbeitsmittel wird wieder abgekühlt und verflüssigt.

Funktionsweise einer Erdwärmepumpe

Schritt 4:

Durch die Dekomprimierung im Entspannungsventil wird das Arbeitsmittel so stark abgekühlt, dass es wieder Umweltwärme aufnehmen kann.

Wärmeaufnahme

Antriebsaufwand

Wärmeabgabe

Expansion

Einsatzgrenzen einer Wärmepumpe – Der Carnot Prozess

Wärmeaufnahme

Antriebsaufwand

Wärmeabgabe

Expansion

Einsatzgrenzen einer Wärmepumpe – Der Carnot Prozess mit unterschiedlichen Wärmequellentemperaturen

8 oC Quell.-Temp

2 oC Quell.-Temp

Niedrige Quelltemperaturen, schlechte Wärmequelle:

Deutlich höhere Stromkosten durch erhöhten Antriebsaufwand.

Wärmeaufnahme

Antriebsaufwand

Wärmeabgabe

Expansion

38 oC FB-Hz.

70 oC Fl.-Hzk.

Ohne Fussbodenheizung:

Deutlich höhere Stromkosten durch erhöhten Antriebsaufwand.

Einsatzgrenzen einer Wärmepumpe – Der Carnot Prozess mit unterschiedlichen Wärmeabgabetemperaturen

Hohe Quellentemperaturen und niedrigen Heizwassertemperaturen - bis zu 75% der benötigten Energie kommen aus der Umwelt

Anforderung an eine Wärmequelle

- Möglichst konstante Temperaturen auf einem

entsprechend hohen Niveau .

- In unmittelbarer Umgebung mit geringem

Erschließungsaufwand.

- geringer Bereitstellungsaufwand

Auswahl der Wärmequelle für eine Wärmepumpe

Erdreich:

– Erdkollektor

– Erdsonde

– Kompaktkollektor

Wasser:

– Grundwasser

erschlossen über

Brunnenanlage

Luft:

– Abluft

– Außenluft

– Absorber

Planung einer Erdsonde

Für die Gewinnung der

Erdwärme haben sich die

Erdsonden als ausgereifte und

zuverlässige Lösung bewährt.

Dieser Kollektor ist besonders

für kleine Grundstücksflächen

geeignet.

Planung eines Erdkollektors

Dieser Kollektor eignet sich

besonders für Häuser mit

einer ausreichend großen

Grundstücksfläche.

Die Wärmeentzugsleistung

ist abhängig von der

Bodenbeschaffenheit.

Je feuchter der Boden,

desto höher ist die Wärme-

entzugsleistung.

Planung eines Kompaktkollektors

Der Kompaktkollektor ist eine

Variante des Flächenkollektors.

Er ist besonders für kleine

Grundstücksgrößen und kleinere, gut

gedämmte Gebäude geeignet.

Gegenüber dem Flachkollektor hat er

folgende Vorteile:

– Geringe Grundfläche

– Weniger Erdbewegungen

– Geringere Kosten für die

gesamte Anlage

Planung der Wärmequelle Grundwasser

Grundwasser ist die

ergiebigste Wärmequelle.

Im Vergleich aller Systeme

kann sie die höchsten

Wärmeentzugsleistungen

erzielen.

Über einen Saugbrunnen wird

das Grundwasser mit Hilfe

einer Förderpumpe der

Wärmepumpe zugeführt und

über einen Schluckbrunnen

wieder in den Boden

eingebracht.

Planung der Wärmequelle Luft

Die erwärmte Außenluft steht überall und in

unbegrenzter Menge zur Verfügung.

Ihre Erschließung erfordert den geringsten

Aufwand (Wirtschaftlichkeit). Sie kann

direkt über ein Zuluft/Abluft-System oder

indirekt über Absorber nutzbar gemacht

werden.

Außenluft unterliegt jedoch jahreszeitlich

bedingt hohen Temperaturschwankungen.

Bei einer Erdwärmepumpe liegen die verbrauchsgebundenen Kosten pro m² bis

zu 52% unter denen einer Gasheizung, bzw. 43% unter denen einer Ölheizung.

Deutliche Vorteile bei den verbrauchsgebundenen Kosten

Quelle: BWP e.V.

- Nutzung der Sonne als unerschöpfliche Energiequelle auch in unseren Breiten möglich.

- Die Abhängigkeit von fossilenEnergieträgern und deren Preisschwankungen sinkt.

- Senkung der Betriebskosten bei Einsatz einer Wärmepumpe um bis zu 60%

- Geringe Wartungskosten

- Entlastung der Umwelt von Schadstoffen und CO2-Emission

- Umfangreiche staatliche Förderung

- Gebäudewertsteigerung durch ein innovatives Heiz- und Warmwassersystem.

Denn die Sonne schickt uns keine Rechnung – Nutzung erneuerbarer Energien

Viel Dank für Ihre Aufmerksamkeit.