wärme aus luft und boden: vorteile, rahmenbedingungen, vorgehensweise gebäudebeheizung mit...
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Wärme aus Luft und Boden:
Vorteile, Rahmenbedingungen, Vorgehensweise
Gebäudebeheizung mit Wärmepumpen
Inhaltsverzeichnis
• Qualifizierungskampagne „Energie – aber wie?“• Einführung zur Erdwärmenutzung• Wärmequellen für Wärmepumpen:
– Erdwärme, Grundwasser, Außenluft
• Funktion der Wärmepumpe• Rahmenbedingungen• Ausführungsempfehlungen • Genehmigung / Förderung• Kontakt und Information
Energie – aber wie? qualifiziert mit Erneuerbaren Energien
• Plattform zur Wissensvermittlung • Initiiert durch Wirtschaftsministerium Baden-Württ.• Verstärkte und fachgerechte Anwendung der
erneuerbaren Energietechnologien sichern• Kompetenzen an beteiligte Akteure vermitteln• Wissensvermittlung in Seminaren• Veranstaltungen und Aktionen• Umsetzungspakete für Multiplikatoren• Internetplattform www.energie-aber-wie.de
Entwicklung Wärmepumpenmarkt in D
420 527 1.0221.3001.4501.8502.3103.580
4.3704.7195.736
8.2158.3269.745
12.636
18.217
1990
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1992
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1994
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2000
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2005
Wärme-
pumpen-anzahl
(St)
Einführung zur Erdwärmenutzung
• 0,1 % der Erde sind kälter als 100°C• Energie durch Wärmestrom aus dem Erdinneren sowie
radioaktiven Zerfall der Elemente• Tiefer als ca. 10 m gibt es quasi keine jahreszeitlichen
Temperaturschwankungen (Temperatur ungefähr 10 °C) mehr.
• Die Temperatur nimmt alle 30-40m um ca. 1 Grad zu• Wärmeausbeute in Abhängigkeit des geologischen
Schichtenaufbaus
Arten der Geothermie
• Oberflächennahe Geothermiebis 400 m Tiefe / ca. 8 – 25 °CEinsatz von Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung Potenzial etwa 4 Mrd. Kilowattstunden Wärmeenergie pro Jahr aus oberflächennaher Geothermie in BW
• Tiefe Geothermiebis 5.000 m Tiefe / ca. 20 – 200 °CVerschiedene Verfahren zur Strom- und Wärmeerzeugung im Kraftwerk
Arten der Erdwärmenutzung
Que
lle:
LGR
B
Wärmequellen für Wärmepumpen
Unabhängig von der Wärmequelle: Optimierung und Abstimmung zwischen Gebäude, Anlagentechnik und Wärmequelle
Erschließung vom Umweltwärme mit Wärmepumpen
• ¼ Antriebsenergie + ¾ Umweltwärme = 1 Teil Heizwärme Leistungszahl ca. 4
Que
lle:
BW
P
Funktion der Wärmepumpe
• Umweltwärme wird mittels Antriebsenergie auf ein nutzbares Temperaturniveau angehoben
• Kältemittel als verdampfendes Wärmeträgermedium• Einfacher thermodynamischer Prozess und ausgereifte
Technik
WärmeabgabeWärmequelle
Wärmequellen für Wärmepumpen
• Erdwärmesonden (1)• Erdkollektor (=horizontale Rohrschlangen) (2)• Grundwasser über Förder- und Schluckbrunnen (3)• Außenluft (4)
1234
Que
lle:
BW
P
Effizienz des Wärmepumpen-Prozesses
• Leistungszahl: Verhältnis von Heizleistung (kW) zu Antriebsleistung (kW) der Wärmepumpe in einem bestimmten Betriebszustand bzw. Zeitpunkt mit definierten Rahmenbedingungen (Momentanwert)
• Arbeitszahl: Verhältnis zwischen erzeugter Energie in Form von Heizwärme (kWh) und der eingesetzten elektrischen Energie (kWh) inklusive aller Komponenten in einem festgelegten Zeitraum (meist ein Jahr: Jahresarbeitszahl). Sie ist der sinnvollste Maßstab, die energetische Qualität einer Anlage zu bewerten.
Effizienz des Wärmepumpen-Prozesses
• Endenergie: Energiemenge, die der Wärmeerzeuger für die Beheizung und Warmwasserbereitung bereitstellt inkl. Verluste (Rohre, Armaturen, Anlage, …) und Gewinne z.B. durch regenerative Energien
• Primärenergie: berücksichtigt werden das gesamte Anlagenkonzept des Wärmeerzeugungssystems sowie Energieträger bzw. Brennstoff inkl. Transportwege (Erfassung der gesamten Versorgungskette durch Primärenergiefaktor / Anlagenaufwandszahl)
Energiebilanz der Wärmepumpe: Systemvergleich
• Zur Bewertung der Energiebilanz ist das Verhältnis Primärenergieeinsatz / Endenergie entscheidend(hier: Strom x Prim.E-faktor / Wärme aus WP)
Que
lle:
BW
P
Rahmenbedingungen
• Möglichst niedrige Heizwassertemperatur: Je geringer die Vorlauftemperatur, desto höher die Effizienz der Anlage Fußboden- oder Wandheizung optimal
• Optimaler Einsatz im Neubaubereich• Nachrüstung bei bestehenden gut wärmegedämmten
Gebäuden in der Regel möglich Energiediagnose Heizlastberechnung Überprüfung der Heizkörperauslegung
Betrieb Wärmepumpe
• Spezielle Stromtarife• Mindestlaufzeiten nötig Pufferspeicher• Abschaltzeiten des Energieversorgers werden
abgepuffert / garantiert Mindestlaufzeit
Vorteile Wärmepumpe
– Umweltwärme ist praktisch unbegrenzt verfügbar– Keine Freisetzung von CO2-Emissionen vor Ort– Kein Brennstoff-Vorratsraum erforderlich– Kein Kamin erforderlich– Weniger abhängig von Importen aus instabilen
Regionen– Nur ein Energieträger im Haus nötig– Geringe Energiekosten, geringere Wartungskosten– Öffentliche Förderprogramme
Vorteile der Erdwärmenutzung
• Weitestgehend konstante Wärmequellentemperatur: Erdwärme ist unabhängig von Tages- und Jahreszeit
• Während der Heizperiode kann ein höheres Temperatur-niveau als bei Luftwärmepumpen genutzt werden
• Es werden höhere Jahresarbeitszahlen als bei Luftwärmepumpen erreicht.
• Bessere Energiebilanz als bei Luftwärmepumpen
Auslegung Erdwärmesonden
• Ca. 50 Watt Entzugsleistung pro Meter Sonde• Ca.80-150 kWh / a Wärmemenge / m Bohrtiefe• Max. auf 1.800 Betriebsstunden pro Jahr auslegen• Erhebliche Schwankungen je nach hydrogeologischen
Verhältnissen Klärung für Sondenauslegung
Erdwärmesonden
• Soledurchflossene vertikale Erdsonden: Doppel-U-Rohr• Sondentiefe abhängig von geologischen und wasser-
rechtlichen Rahmenbedingungen: meist 70 bis 150 m• Bohrlöcher inkl. Einbringung der Sonde, Verfüllung und
Dichtigkeitsprüfung durch speziell ausgerüstete Bohrfirmen: Zertifiziert nach DVGW W 120 – Kategorie G1 (über 100 m Bohrtiefe oder G2 (bis 100 m Bohrtiefe)
• Die erforderliche Bohrtiefe und die Anzahl der Sonden wird von der Bohrfirma vor Ort anhand der hydrogeologischen Verhältnisse (optimalerweise mittels einer Probebohrung) ermittelt.
Empfehlungen für Erdwärmesonden
• Nicht an den Bohrmetern sparen• Doppel-U-Rohr-Sonden einsetzen• Vollflächige Verfüllung der Erdwärmesonden• Auf Gütesiegel achten • Wärmemengenzähler einbauen
und regelmäßig Verbrauch erfassen• Warmwasserbereitung beachten• Möglichkeit der Kühlung klären• Nicht zur Bautrocknung verwenden
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herm
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Genehmigungsverfahren
• Bis 100 m Anzeige bei unterer Wasserbehörde (Landratsamt oder Umweltamt)
• Ab 100 m oder bei Grundstücksüberschreitung bzw. schwierigen Verhältnissen: Genehmigung durch Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau, LGRB (Regierungspräsidium Freiburg)
• Alle Erdwärmebohrungen sind anzeigepflichtig beim Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (im Nachgang durch die Bohrfirma)
Wasserschutzgebiet
• Keine Bohrung im Wasserschutzgebiet der Zonen I, II• Ausnahmen im Einzelfall bei III/III A, wenn Bohrung
außerhalb des Grundwasserleiters• Bohrungen grundsätzlich möglich in III B, jedoch mit
Auflagen, z.B. Art des Wärmeträgermediums• Frühzeitig bei der Unteren Wasserbehörde nachfragen
Wärmequelle Erdkollektor
• Soledurchflossene, horizontale Rohrschlangen aus Kunststoff (PE)
• Verlegung frostfrei in ca. 1,2 bis 1,5 m Tiefe im Erdreich• Flächenbedarf ca. 2,5x Wohnfläche außerhalb Gebäude• Wärme ist vor allem gespeicherte Sonnenenergie sowie
aus Luft und Regen
Wärmequelle Erdkollektor
• Wärmeentzugsleistung pro m² Erdkollektor: Min. 10 W/m² (trockener Boden.) Max. 40 W/m² (feuchter Boden.)
• Mindestabstand der Rohrschlangen 50 cm• Max. Rohrlänge 100 m (alle gleich lang)• Keine unzugänglichen Verbindungen, gute Entlüftung• Verteilerschacht außerhalb des Gebäudes• Dämmung gegen Schwitzwasser im Gebäude• Variante „Direktverdampfer“: Das Kältemittel der
Wärmepumpe zirkuliert direkt im Erdkollektor.
Grundwasser
• Über eine Tauchpumpe wird aus dem Förderbrunnen Grundwasser entnommen.
• Das Grundwasser wird über den Verdampfer der Wärmepumpe geleitet und abgekühlt.
• Über den Schluckbrunnen wird es wieder zurückgeführt.• Genehmigung durch Landratsamt erforderlich.
Auslegung bei Grundwasser
• Pro 1 m³/h Grundwasser ca. 5-6 kW (ca. 200 l/h pro kW )• Temperaturabsenkung max. 4 Grad• Grundwasser nicht zu tief (Bohrtiefe 10m bis max. 15m)
sonst zu hoher Aufwand für Pumpen• Abstand zwischen Förder- und Schluckbrunnen
mindestens 10m (Vermeidung von Kurzschlüssen, Grundwasserfließrichtung beachten)
• Zu- und Ableitungen frostsicher und mit Gefälle verlegen• Die Ergiebigkeit und Wasserqualität des Brunnens ist im
Vorfeld durch einen 3-tägigen Pumpversuch zu ermitteln
Außenluft
• Außenluft wird mit Hilfe eines Ventilators über den Verdampfer gesaugt.
• Dabei wird ihr die erforderliche Wärme entzogen und auf das Kältemittel übertragen.
• Die abgekühlte Luft wird danach ins Freie gefördert.
Auslegung bei Außenluft
• Einsatzgrenze der WP beachten:üblich: Außentemperaturen von -15 °C bis +35°C
• Bei Auslegungstemp. unter -12°C kritisch prüfen• WP als monoenergetische Anlage auslegen,
Bivalenzpunkt bestimmen• 2. Wärmeerzeuger vorsehen (E-Heizstab oder Kessel)• Pro 1000 m³/h Außenluft ca. 3 bis 4 kW bzw.
pro kW ca. 330m³/h bzw. Erforderliche Luftmenge ca. 2000 – 3000 m³/h für EFH
• Achtung: Mindestlaufzeiten müssen auch bei hohen Lufttemperaturen gewährleistet werden Pufferspeichergröße beachten
Aufstellungsarten mit Außenluft
• Innenaufstellung: komplette Wärmepumpe im Haus (1)• Außenaufstellung: komplette Wärmepumpe im Freien (2)• Splitaufstellung: Verdampfer im Freien (3)
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Wärmequelle Außenluft / Abluft
• Luftwärmepumpe kann mit einer kontrollierten Wohnungslüftung kombiniert werden (Lüftungskompakt-gerät) Einsatz überwiegend im Passivhaus
• Wärmeentnahme bei Lüftungskompaktgeräten alternativ aus Abluft der Wohnung, Außenluft oder Kombination Abluft und Außenluft
Wärmequelle Außenluft / Abluft
• Der Abluft aus Küche und Bad wird am Verdampfer der Wärmepumpe die Wärme entzogendabei Abkühlung der Abluft auf ca. 4°C
• Temperatur der Wärmequelle entspricht dem Verlauf der Raumtemperatur relativ gleichförmig
• Pro 100 m³/h ca. 0,6 kW bzw.Pro kW ca. 160 m³/h
Vorteile Luft-Wärmepumpe
• Kein Eingriff in Außenanlagen• Keine Erdsondenbohrungen• Wärmepumpenanlage deutlich günstiger• Keine Problematik mit Wasserschutz• Schnellere Umsetzung möglich• Keine Genehmigung notwendig
Nachteile Luft-Wärmepumpe
• Temperaturniveau der Wärmequelle abhängig vom Verlauf der AußentemperaturMittelwert Heizperiode ca. 6°C, (Jahresmittel ca. 12°C)
• Geringste Heizleistung wenn Bedarf maximal • Geringere Leistungszahl• Einsatz elektrischer Heizpatrone bei sehr tiefer
Außentemperatur• Lärmbelästigung prüfen
Schritt für Schritt zum optimalen Konzept
• Wärmebedarf klären, im Altbau Energiediagnose inkl. Prüfung Heizkörper, Vorlauftemperatur, Warmwasser Entscheidung, ob WP-Einsatz möglich / sinnvoll
• Wärmequelle prüfen, Wasserschutz abklären, Lärm Entscheidung der Wärmequelle
• Planung und Auslegung • Angebote: mehrere und für komplettes System• Bohranzeige bzw. Genehmigungsverfahren• Fördermöglichkeiten prüfen Anträge stellen
Schritt für Schritt zum optimalen Konzept
• Plausibilitätsprüfungen der Auslegung: ca. 15 Bohrmeter pro kW Wärmepumpen-Heizleistungbzw. ca. 50 W Entzugsleistung pro Bohrmeter
• Überdimensionierung von Umwälzpumpen vermeiden• Minimierung der Vorlauftemperatur im Heizsystem,
soweit wie möglich• Freischaltung Elektroheizstab prüfen (erst ab ca. -5°C)
Schritt für Schritt zum optimalen Konzept
• Nachbarschaft über Bohraktion informieren• Bohranzeige über tatsächliche Erdwärmenutzung an
LGRB schicken (durch Bohrunternehmen)• Monatlich Wärmemengen- und Stromzähler ablesen
Wenn die Jahresarbeitszahl (= Jahreswärme-erzeugung / Jahresstromverbrauch) unter 3-3,5 liegt, bestehen wahrscheinlich Verbesserungsmöglichkeiten
Größenordnung der Kosten (netto)
• Wärmepumpe: ca. 10.000-12.000 EUR ca. 1.000 EUR / kW
• Erdwärmesonden: ca. 7.000 – 10.000 EUR ca. 55-60 EUR / minkl. Anbindung, Verteiler ca. 70-80 EUR / m
• WP + Wärmequelle:ca. 20.000 – 25.000 EUR
• spezifischer Ansatz über Wohnflächeca. 10.000 EUR+75 EUR/m²
• Betriebskosten EFH ca. 500 - 600 EUR / a
Förderung
• Altbau: im Rahmen der zinsverbilligten Darlehensprogramme des Bundes (KfW)
• Neubau: im Rahmen des Darlehensprogramms „Ökologisch Bauen“ (KfW)
• Evtl. Zuschüsse durch Energieversorger• Spezielle Wärmepumpentarife
Informationsmaterial
• Faltblatt „Wärme aus Luft und Boden“Wirtschaftsministerium BW
• Broschüre „Energiesparen durch Wärmepumpenanlagen“ Wirtschaftsministerium BW
• „Leitfaden zur Nutzung von Erdwärme“ Umweltministerium BW
Kontakt
• Wirtschaftsministerium Baden-WürttembergInformationszentrum EnergieTheodor-Heuss-Str. 470174 Stuttgart
• Tel.: 0711 / 123-2588Fax: 0711 / 123-2377E-Mail: [email protected]: www.energie-aber-wie.de