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.
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