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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 %

11%

7 7 %

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

http://www.waermepumpe.de/javasc

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


40K

0

50

100

150

200

250

300

350

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

QćPQó

Qó [kWo] + P [kWel] = Qć [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


p

Q´cPQ´o

EvaporatorVerdampfer

ChillerVerdichter

CondenserVerflüssiger

Gas

Liquid

Gas

Liquid

p o p c

p o p c

p

Heizleistung der Wärmepumpe


Definition der Heizleistung

einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe

Qh

= Qo

+ Pe

HEIZLEISTUNG KÄLTELEISTUNG LEISTUNGSAUFNAHME(Entzugsleistung) (elektrische Antriebsleistung)

Leistungszahl der Wärmepumpe


Definition der Leistungszahl

COP (ε) = Qh

/ Pe

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


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

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

°C

ba

r

p

T

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

http://de.wikipedia.org/wiki/Energie

http://de.wikipedia.org/wiki/System

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


2 K

Verdampfer

Kondensator

to

tc

2 K

tR

tv

te

ta

Te

mp

era

turh

ub

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


HD HD

ND ND

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)

KÜ

HL

WA

SS

ER

WÄ

RM

ET

AU

SC

HE

R

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

Abgas

Inp

ut

14

5 k

W Rapsöl 10,6 kWh/kg

90°C

85°C

55...75°C

57,8...77,8°C

58,5...78,5°C

550°C

20 kW

80

kW

120°C

1.250 m³/hAbgasgendruck max 5 kPa

ENTWURF V.30Rapsöl Wärmepumpen Modul

Solare Nahwärmeversorgung Crailsheim

01. April 2005

Co

py

rig

ht

by

LO

HR

co

ns

ult

Gm

bH

, N

ach

dru

ck u

nd

We

ite

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be

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Dri

tte

, a

uch

au

szu

gsw

eis

e,

nu

r n

ach

sch

rift

lich

er

Zu

stim

mu

ng

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

Schraube

R 227

* tomax = + 47 °C

tcmax = + 80 °C

ÖLKÜHLER 100 kW

43,5...63,5°C

30

kP

a

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

kalt

2-stufig

HYDRAULIK-MODUL

warm

4-stufig

VERBRAUCHER

VERBRAUCHER

Kälte

Wärme

Vellmar, 25. August 2009

107,3 kW

Wärmetauscher

Rückkühlung

P1

P3

P4

P8

P7

Wasser-Glykol 25 Vol.%

Schnittstelle

Schnittstelle

Sch

nitts

telle

BHKWQ

H = 30 kW

PE = 15 kW

70°C*

50°C*

40°C**

30°C**

P6

14°C

17°C

54,0 kW

Wärmetauscher

Kühlung

16

°C

19

°C

P5

P2

70

°C

50

°C

40

°C

30

°C

Schalt-

schrank

kWh

kWh

kWh

Bezug

Rückspeisung

Netz

Design by

ABSORPTIONS-

KÄLTEMASCHINE

QO= 20,1 kW

16

°C

19

°C

P9

31

°C

27

°C

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

80

°C

75

°C

Sch

nitts

telle

Inp

ut

30

kW

th

Input Erdgas 50 kW

Wärmepumpe mit Nutzung der Überhitzungswärme


Warmwasser

Speicher

Hydraulik

Modul

Wärmepumpe

mit Enthitzer für WWB

Enthitzer

Erdsonden

warm

kalt

Wärmetauscher

Freie Kühlung

AD

Gefäss

AD

Gefäss

Nutzung der Überhitzungswärme zurvorrangigen Brauchwassererwärmung

Reversible Wärmepumpe Heizen-Kühlen


Prozeßumkehr Heizen-Kühlen


Systeme zum Heizen und Kühlen


WÄRMEPUMPEN

HYDRAULIK

MODUL

kaltHYDRAULIK

MODUL

warm

VERBRAUCHER

ERDSONDEN

RückkühlerVERBRAUCHER

55°C

45°C

35°C

30°C

8°C

14°C

17°C

20°C

2storeSystemSYSTEM HEIZEN-KÜHLEN

(vereinfachte Systemzeichnung)

FUNKTION HEIZEN

KALT

WARM

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


10090

107

153

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Heizleistung in %

R22

R290

R407C

R410A

Basis der Gegenüberstellung ist ein konstantes Verdichterhubvolumen

Volumetrische Kälteleistung im Vergleich


100

86 91

148

0

20

40

60

80

100

120

140

160

vol. Kälteleistung in %

R22

R290

R407C

R410A

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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