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Kriterien, Kennzahlen,
Wirtschaftlichkeit und
Hinweise zur Auswahl von Wärmepumpen
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Beurteilung der Effizienz
von Elektro-Wärmepumpen über Wärmepumpen-Kennzahlen |
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Leistungszahl ε |
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Definition Leistungszahl εN
(DIN EN 255)
Die Leistungszahl ist ein Momentanwert und wird unter
Normbedingungen auf dem Prüfstand ermittelt.
Sie beschreibt das Verhältnis der bei bestimmten
Betriebsbedingungen abgegebenen thermischen Leistung der WP QWP (kW)
bezogen auf die zugeführte elektrische Leistung Pel (kW) für
den Antrieb des Verdichters und der Hilfsantriebe nach DIN EN 255:
εN
= QWP / Pel
(1)
Die Leistungszahl ist mit den Betriebstemperaturen
(Wärmequellenanlage -> Quellentemperatur bzw. Wärmenutzungsanlage ->
Heizungsvorlauftemperatur) in den technischen Daten der Hersteller angegeben
und entsprechend auszuwählen.
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Die Leistungszahl
lässt allerdings die Leistung elektrischer Hilfsaggregate, die nicht
unmittelbar zum Wärmepumpen-Prozess gehören, unberücksichtigt (z. B.
Heizungsumwälzungspumpen, Grundwasser-Förderpumpen).
Elektro-Wärmepumpen
neuerer Bauart erzielen (je nach Wärmequelle) Leistungszahlen zwischen 3,0 und
>5,0.
(d. d. pro 1 kW Strom werden
theoretisch also 3 bis 5 kW Heizenergie erzeugt)
Die Leistungszahl ist um so besser, je kleiner die
Temperaturdifferenz zwischen der Heizwassertemperatur (Vorlauftemperatur) und
der Wärmequellentemperatur ist.
Leistungszahl und Jahresarbeitszahl sind
die wichtigsten Wärmepumpen-Kennzahlen
(in d. R. bei Elektro-WP verwendet).
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COP-Wert |
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Definition COP-Wert
(COP=Coeffizient of Performance)
Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung (kW) zu aufgenommener
elektrischer Antriebsleistung inkl. Hilfsenergie unter Prüfbedingungen
(bestimmte Temperaturverhältnisse, festgelegte Zeitpunkte).
cop = QWP / Pel
(2)
Im COP-Wert ist zusätzlich auch die
Leistungen von Hilfsaggregaten (Abtau-Energie, anteilige
Pumpenleistung für Heizungs-, Sole- bzw. Grundwasser-Förderpumpen) enthalten.
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Damit ist der COP-Wert ein Gütekriterium für
Wärmepumpen.
Prüfinstitute ermitteln diesen Wert nach
einer definierten Messmethode (DIN EN 255).
Leistungszahl und COP-Wert erlauben
allerdings keine energetische Bewertung der Gesamtanlage.
Sie sind nur eine Momentaufnahme eines bestimmten
WP-Typs bei günstigen Betriebsbedingungen (z. B. bei 35°C VL-Temperatur).
Wesentlich aussagefähiger ist die Jahresarbeitszahl.
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Jahresarbeitszahl β und Nutzungsgrad |
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Jahresarbeitszahl β
Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist die tatsächliche
Leistungszahl im Betrieb.
Sie ist das Ergebnis von
Messungen am Stromzähler für die zugeführte elektrische Arbeit
(Verdichter, Wärmequellenpumpe)
und am Wärmemengenzähler (abgegebene
thermische Arbeit der WP) über ein Jahr.
(Strom- und Wärmemengenzähler sind in den Richtlinien des MAP
vorgeschrieben)
Definition:
Verhältnis des Jahresertrages an
Heizarbeit (kWh/a) zur aufgewendeten Antriebs- und Hilfsenergie (kWh/a):
β = WNutz / Wel
(3)
Die wichtigere Wärmepumpen-Kennzahl für
den Wirkungsgrad ist somit die Jahresarbeitszahl ß.
In der Praxis erreichen Wärmepumpen
bzgl. JAZ Werte von 2,0 bis 4,0. Moderne WP sollten also die JAZ von
3,5 übertreffen.
Theoretische
Vorausberechnung der JAZ β
Will man die
Jahresarbeitszahl im Sinne einer
Vorplanung berechnen, nimmt man den Kehrwert der Jahresaufwandszahl:
β = 1 / ewp
(4)
Die Jahresaufwandszahl kann mit Hilfe von Korrekturfaktoren
überschläglich berechnet werden (s. Qualitätsnachweis für WP).
Das gilt allerdings nur im Zusammenhang
mit einer Vorplanung (rein theoretisch). In der Praxis kann die JAZ nicht
berechnet werden, sondern nur über Messungen im praktischen Anlagenbetrieb
ermittelt werden.
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Nutzungsgrad
Wie der COP-Wert
enthält auch die Jahresarbeitszahl anteilig die Leistungen von
Heizungsumwälzpumpen und Grundwasser- bzw. Sole-Förderpumpen.
Die
Jahresarbeitszahl kann somit auch als Anlagennutzungsgrad
verstanden werden. Sie eignet sich damit gut zur energetischen Bewertung
der Gesamtanlage.
Die wichtigste
Wärmepumpen-Kennzahl ist der Nutzungsgrad.
Er ist das Maß für
die in einer Heizperiode tatsächlich verwendete Menge an Energie, die in einem
Energieträger gespeichert ist.
Er wird über einen
längeren Zeitraum bestimmt. Der Wirkungsgrad dagegen wird nur in einem
Betriebspunkt gemessen. Er ist in der Regel höher als der Nutzungsgrad, weil
der Wirkungsgrad aufgrund des optimalen Betriebszustandes bestimmt wird.
So hat ein Ölkessel
z. B. bei Volllast am Prüfstand einen Wirkungsgrad von 85 %.
Unter realen
Nutzungsbedingungen erreicht er über eine Heizperiode möglicherweise lediglich
einen Nutzungsgrad von 60 %, denn er wird fast nie im optimalen
Betriebspunkt betrieben, sondern immer nur im Teillast- oder Taktbetrieb.
Die Beurteilung
einer Wärmepumpe sollte also nicht alleine über deren Wirkungsgrad getroffen
werden, sondern sollte über die Betrachtung des gesamten praxisrelevanten
Betriebsbereiches und aller Wärmepumpen-Kennzahlen erfolgen. |
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Jahresaufwandszahl (Anlagenaufwandszahl) |
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Jahresaufwandszahl (Anlagenaufwandszahl)
ewp
Die Jahresaufwandszahl gibt an, wie groß der energetische
Aufwand im Verhältnis zum Nutzen einer Anlage ist.
Da sowohl die WP als auch die Hilfsantriebe mit
elektrischer Energie betrieben werden, ist die Jahresaufwandszahl der
Kehrwert der Jahresarbeitszahl (VDI 2067, DIN 4701-10):
ewp = 1 / β (5)
Dieses Verhältnis bildet die Grundlage zur
anlagentechnischen Bewertung einer Zentralheizungs-WP nach EnEV.
Der Kehrwert der berechneten Jahresaufwandszahl gilt als
Nachweis zur Erreichung der Mindest-Jahresarbeitszahl.
Jahresaufwandszahl als auch Jahresarbeitszahl sind von
folgenden Faktoren abhängig:
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- Leistungszahl der WP (DIN EN 255)
- Temperatur der Wärmequelle im Auslegungspunkt
- Verlauf der Wärmequellentemperatur während der
Heizperiode
- Temperaturdifferenz zwischen VL und RL der
Wärmequellenanlage
- Max. Heizungsvorlauftemperatur im Auslegungsfall (Wärmesenke)
- Verlauf der Heizungsvorlauftemperatur während der
Heizperiode
- Temperaturdifferenz zwischen VL und RL der Heizung
(Spreizung)
- Temperaturdifferenz zwischen VL und RL der
Wärmequellenanlage
bei der Messung
- Temperaturdifferenz zwischen VL und RL der Heizung
(Spreizung)
bei der Messung
- Im Jahr eingesetzte elektrische Energie der
Wärmequellenpumpe
(bei WQ Grundwasser und Erdreich)
Die Anlagenaufwandszahlen von
Sole-Wasser WP variieren zwischen 0,9 und 1,1.
Wenn zusätzlich eine kontrollierte Wohnungslüftung mit
Wärmerückgewinnung eingesetzt wird, können die Anlagenaufwandszahlen bis
auf 0,7 reduziert werden. |
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Max. Heizungsvorlauftemperatur
bzgl. Trinkwassererwärmung
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Ein wichtiger Punkt für die Auswahl und Effizienz der
WP bzgl. der Trinkwassererwärmung ist die maximal mögliche
Heizungsvorlauftemperatur.
Diese entscheidet, in welchen Umfang Heizung und
Warmwasserbereitung über die WP erfolgen kann und wie viel Energie
noch zur
elektrischen Nachheizung für die Trinkwassererwärmung noch benötigt wird.
Bei älteren WP mit Scrollkompressoren liegt die
VL-Temperatur bei 50 bis
55°C und bei Verwendung von Hubkolbenkompressoren bei ca. 60 bis 65°C.
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Mit
höherer Vorlauftemperatur verschlechtert sich aber die Energieausbeute.
Allerdings kann man mit 50°C Vorlauf kein Warmwasser von 60°C erzeugen, ohne
elektrisch nachzuheizen.
Optimal
für die Heizung ist der Einsatz von WP in Verbindung mit Fußboden-
oder Wandheizung mit max. 35°C VL-Temperatur und für die
Trinkwassererwärmung max. 60°C.
Neuerdings werden auch
Luft/Wasser-WP mit einer max. Vorlauftemperatur von bis zu 65°C angeboten.
Dabei sollte allerdings die JAZ kritisch betrachtet werden. Leider werden hier
generell in der Praxis keine Angaben gemacht.
Ein nicht akzeptabler Mangel ist, dass bis 2008 die Trinkwassererwärmung in
keiner WP-Kennzahl berücksichtigt wurde. Eine Änderung ist ab 2009 zu
erwarten.
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Qualitätsnachweis für erdgekoppelte- und Außenluft-WP über die
Jahresarbeitszahl bzw. Jahresaufwandszahl |
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Die
Vorausberechnung der Jahresaufwandszahl nach VDI 4650 als wichtige Kenngröße erlaubt
Schlussfolgerungen auf die Effizienz einer WP-Anlage.
Die Kenngröße ist
nicht nur als Nachweis für das Marktanreizprogramm (MAP, BAFA) oder das neue
Wärmegesetz wichtig, sondern auch für Betreiber, Energieberater, Planer und
Fachhandwerker.
Der Gesetzgeber
(MAP, Wärmegesetz) fordert zur Bewilligung von Fördergeldern einen schriftlichen Nachweis einer
Mindest-Jahresarbeitszahl per Fachunternehmererklärung.
Die geforderte
Jahresarbeitszahl einer WP wird nach VDI 4650 über den Kehrwert der
Jahresaufwandszahl ermittelt.
Für
erdgekoppelte- und Außenluft-WP gelten bzgl. unterschiedlicher Bedingungen
jeweils auch andere Berechnungsvorschriften und Korrekturfaktoren.
!
Eine
der Schwachstellen dieser Methode besteht z. B. in der Vernachlässigung
der Trinkwassererwärmung, diese soll erst ab 2009 mit einbezogen werden!
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Qualitätsnachweis
für bestehende Anlagen
Zur Ermittlung tatsächlichen
Jahresarbeitszahl ist die zugeführte elektrische Leistung und die
abgeführte thermische Leistung über das gesamte Betriebsjahr zu messen und
ins Verhältnis zu setzen.
Eine Messung ist aber nur bei
bestehenden Anlagen möglich, zur Planung liegen solche Betriebsdaten noch
nicht vor.
Qualitätsnachweis
für geplante Anlagen (Fachunternehmererklärung)
Um über die finanzielle Förderung
möglichst schnell entscheiden zu können, fordert das BAFA einen
unmittelbaren Qualitätsnachweis.
Aus diesem Grund gehen
Korrekturfaktoren in die Berechnung der Jahresaufwandszahl
(Anlagenaufwandszahl) ein,
um unterschiedliche und auch nutzerabhängige Betriebsbedingungen zu
berücksichtigen.
Der Kehrwert der berechneten
Jahresaufwandszahl gilt dann als Nachweis zur Erreichung der geforderten
Mindest-Jahresarbeitszahl.
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1. Erdgekoppelte Wärmepumpen
(Planung Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-WP) |
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Korrekturfaktoren (Tab. VDI 4650)
Bei Erdreich und
Grundwasser als Wärmequelle sind im Vergleich zu Außenluft keine witterungsbedingten
Korrekturen notwendig.
Unterschiedliche
Faktoren müssen jedoch bei einer Sole-Umwälzpumpe und einer
Grundwasser-Förderpumpe angesetzt werden, da die Grundwasser-Förderpumpe in d. R. einen höheren Bedarf an Antriebsleistung beansprucht.
Korrekturfaktoren
FP für die Wärmequellenpumpen
FP für Sole-Umwälzpumpe (z. B. FP=1,075) bzw.
Grundwasser-Förderpumpe (z. B. FP = 1,14)
->
Zur
genauen Berechnung: FP = 1 + (PP / PWP)
(1)
PP
= Antriebsleistung der Wärmequellenpumpe
PWP
= Antriebsleistung der Wärmepumpe bei o. g. Nennbedingungen
Korrekturfaktor FΔθ
für abweichende Temperaturen am Verflüssiger
Ermittlung über
Tabelle mit
- Temperaturdifferenz
(in K) bei Prüfstandmessung ΔθM
(bei B0/W35 für Sole/Wasser bzw. W10/W35 für Wasser/Wasser)
- und
Temperaturdifferenz beim Betrieb im Auslegungspunkt ΔθB.
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Korrekturfaktor Fθ
bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen
Ermittlung über
Tabelle für Sole/Wasser-WP mit max. Heizungs-VL-Temperatur und minimale
Sole-Temperatur.
Für die
Wasser/Wasser-WP mit max. Heizungs-VL-Temperatur und der Wasser-Temperatur
am Eingang.
Leistungszahl εN
Die Leistungszahl ist in den technischen Daten der Hersteller angegeben
und entsprechend auszuwählen.
Es gelten folgende Nennbedingungen, die (wie aus W35 zu
erkennen ist) von einem NT- bzw. Flächenheizsystem ausgehen:
- B0/W35 für Erdreich (Sole/Wasser)
- W10/W35 für Grundwasser
(Wasser/Wasser)
Jahresaufwandszahl
ewp
ewp =
FP
/
εN
*
FΔθ
*
Fθ
(2)
Jahresarbeitszahl
β
als Kehrwert der
Jahresaufwandszahl
ewp
β = 1 / ewp
(3)
Der der berechneten
Jahresaufwandszahl gilt dann als Nachweis zur Erreichung der geforderten
Mindest-Jahresarbeitszahl
βmin.
Dar Nachweis ist erfüllt, wenn
β = 1 / ewp ≥ βmin
(4)
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2. Außenluft-WP (Planung Luft/Wasser-WP, Wärmequelle
Außenluft) |
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Korrekturfaktoren (Tabelle VDI 4650)
Der Anteil der
Hilfsenergie (Hilfsantriebe) wird bei Außenluft-WP weggelassen, da die
Leistungsaufnahme schon in der Leistungszahl (DIN EN 225) berücksichtigt ist.
Für Außenluft als
Wärmequelle sind witterungsbedingte Korrekturen notwendig.
Es gilt die Addition
folgender Bezüge, um die wechselnden Wärmequellentemperaturen realistisch
abbilden zu können (drei Normespunkte nach DIN EN 225):
1.
Luft/Wasser: A -7/W35
2.
Luft/Wasser: A 2/W35
3.
Luft/Wasser: A 10/W35
Korrekturfaktor Fθ1,
Fθ2, Fθ3 für die Luft-WP bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen
Auswahl über Tabelle
für
-
drei verschiedene Heizgrenztemperaturen (15°C, 12°C, 10°C)
-
und fünf verschiedene Standorte in Deutschland
(Essen, München, Hamburg, Berlin und Frankfurt)
-
sowie der max. VL-Temperatur vom Heizsystem
Korrekturfaktor FΔθ
für abweichende Temperaturen am Verflüssiger
Ermittlung über
Tabelle mit
- Temperaturdifferenz bei Prüfstandmessung
(A2/W35)
- und
Temperaturdifferenz beim Betrieb im Auslegungspunkt
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Leistungszahlen εN
bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen
Die Leistungszahlen sind in den technischen Daten der Hersteller angegeben
und entsprechend für die drei Nennbedingungen auszuwählen.
Es gelten folgende Nennbedingungen, die von einem NT- bzw. Flächenheizsystem ausgehen:
1.
Luft/Wasser: A -7/W35 ->
εN1
2.
Luft/Wasser: A 2/W35 ->
εN2
3.
Luft/Wasser: A 10/W35 ->
εN2
Jahresaufwandszahl
ewp
ewp =
1
/
((εN1 *
Fθ1)
+ (εN2 * Fθ2)
+ (εN3 * Fθ3))
*
FΔθ
(5)
Jahresarbeitszahl
β
als Kehrwert der
Jahresaufwandszahl
ewp
β = 1 / ewp (3)
Der der berechneten
Jahresaufwandszahl gilt dann als Nachweis zur Erreichung der geforderten
Mindest-Jahresarbeitszahl
βmin.
Dar Nachweis ist erfüllt, wenn
β = 1 / ewp ≥ βmin
(4)
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Überprüfung der Jahresarbeitszahl für
vorhandene Anlagen durch Messungen |
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Nach dem
EE-Wärme-Gesetz müssen WP über einen Wärmemengen- und Stromzähler verfügen,
deren Messwerte die Berechnung der Jahresarbeitszahl (JAZ) der WP ermöglichen
(Ausnahme: Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-WP mit VL-Temperaturen von max. 35
°C).
Erfassung der
Wärmemengen für Heizung und Warmwasser:
a)
Volumenstrommessung mittels Flügelrad- oder Ultraschalltechnik und Messung der
Temperaturdifferenz im Vor- und Rücklauf.
Für
WP sind die etwas teueren und korrekt ausgelegte (nicht zu klein)
Volumenstromzähler mit Ultraschalltechnik besser geeignet:
-
verschleißfrei
-
geringerer Druckverlust
(relativ großer Volumenstrom in Relation zur Leistung bei WP,
Temperaturspreizung mit 2 bis 5 K relativ klein)
-
Einsatz in mit Wasser befüllten Anlagen
(bei Glykol- oder Solegemischen Abstimmung mit Hersteller)
b)
Temperatur- und Druckermittlung im Kältekreislauf (wird von einigen
WP-Herstellern eingesetzt).
Messzyklus
Die Taktraten
(s. technische Unterlagen der Messgeräte-Hersteller) des Messwerkes sind entscheidend für
die Genauigkeit der Wärmemengenerfassung. Je länger, desto ungenauer die
erfasste Wärmemenge und somit eine geringere JAZ.
Für WP sind sog.
Schnellläufer mit Messzyklen von < 20 s (z. B. 10 bis 16 s) optimal.
Für normale
Heizungsanlagen mit geringeren Temperaturschwankungen in kurzen Zeitabständen
sind Geräte mit einem Messzyklus von z. B. 60 s ausreichend.
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Einflussfaktoren für die Messung von JAZ
- Messung
grundsätzlich über ein Jahr
- Einfluss der
Bautrocknung bei Neubauten
(höhere
JAZ und Stromverbrauch mindestens im ersten Jahr)
-
Bei WP mit direkter Erhitzung des Trinkwarmwassers ist die
Wärmemenge technisch bedingt nur schwer mit herkömmlichen
Zählern zu erfassen.
Messung in den mit
Trinkwarmwasser beaufschlagten Rohrleitungen mit einem für Trink- und
Brauchwasser und für die Vorgaben der KTW und der Trinkwasserverordnung
geeigneten Zähler.
-
Betriebsbedingungen vor Or
-
Nutzerverhalten
Vergleich von messtechnisch und rechnerisch ermittelter JAZ
Die beiden
ermittelten Werte sind nicht ohne Weiteres vergleichbar.
Die rechnerisch
ermittelte JAZ gibt nur einen normativen Vergleichswert für vorgegebene
Betriebsbedingungen wieder.
Die
Betriebsbedingungen vor Ort führen häufig zu Abweichungen der JAZ durch
fehlende Witterungsbereinigung, Einstellung der Thermostat- und Zonenventile,
Reglereinstellungen sowie Laufzeiten der WP.
Erheblich wird die
JAZ auch durch das Nutzerverhalten (Lüftungsverhalten, Raumtemperaturen,
Warmwasserverbrauch etc.) beeinflusst.
Quellen: IKZ-FACHPLANER Mai 2010;
www.giersch.de,
www.molline.de
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Ergebnisse Feldtest Elekto-Wärmepumpen in Ein- und
Zweifamilienhäusern (Teil I und II) |
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In einem 2-jährigen
Feldtest (Okt. 06 bis Sept. 08) wurden von der Lokalen Agenda 21 - Gruppe Energie Lahr, 33 Betreiber von
Luft-, Erdreich- und Grundwasser-Heizungswärmepumpen sowie 5
Warmwasser-WP für Ein- und Zweifamilienhäuser zunächst bzgl.
Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit unter realen Betriebsbedingungen
untersucht.
Zwischen den
Leistungsmessungen auf den Testständen und der Werbung auf der einen
Seite und der Ermittlung von Arbeitszahlen unter realistischen
Betriebsbedingungen auf der anderen Seite gibt es z. T. nicht tolerierbare
Abweichungen.
Bisherige
Felduntersuchungen lassen Zweifel aufkommen, dass alle WP-Systeme geeignet
sind, volkswirtschaftlichen Zielen (Einsparung von Primärenergie und CO) und
privatwirtschaftlichen Zielen (Einsparung von Geld über die Lebensdauer der
Anlage) gerecht zu werden.
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Das Testgebiet am
Oberrhein mit den höchsten Umgebungstemperaturen Deutschland bietet
natürlich gute thermische Voraussetzungen für Luft-WP.
Die hohe
Strömungsgeschwindigkeit des Grundwassers in den mächtigen Kiesschichten des
Rheintals sind aber auch vorteilhaft für Erdreich- und Grundwasser-WP.
Im Mittelpunkt steht die Beantwortungen der folgenden
wichtigen Fragen:
- Energieeffizienz der Kaltquellen (Luft, Erdreich,
Grundwasser)?
- Heizung und Warmwasser trennen oder kombinieren?
- Ist Heizungspuffer notwendig und Einfluss auf
Arbeitszahl (AZ)?
- Sind Heizkörper vertretbar oder ist FBH erforderlich?
Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf den
Testzeitraum von Okt. 06 bis Sept. 07 (Teil I).
Quelle: HEIZUNGSJOURNAL 6/2008
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Vergleich Fußbodenheizung - Radiatoren
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Luft-WP
Bei Nieder- und Mitteltemperatur-Heizkreisen vermindert
sich die Arbeitszahl (AZ) in der Heizperiode um 0,65 AZ-Punkte und
ganzjährig um 0,53 AZ-Punkte.
D. h., Luft-WP mit Radiatoren brauchen wegen des höheren
Temperaturniveaus in der Heizperiode 28 % und ganzjährig 23 % mehr Strom
im Vergleich zu FBH.
Nur 2 von 13 getesteten Luft-WP blieben im Verbund mit FBH
mit den Jahresarbeitszahlen (JAZ) 3,1 und 3,3 oberhalb der angestrebten
3,0 (Verluste von Puffer und WW-Speicher noch nicht berücksichtigt).
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Erdreich-WP
Die mittlere JAZ lag bei FBH mit 3,38, bei Radiatoren mit
3,30 über der erforderlichen Mindest-JAZ von 3,0.
Der Unterschied beträgt hier nur ca. 0,1 AZ-Punkte. Bei einer
höheren Anzahl von getesteten Radiatorenheizungen wäre die Differenz
vermutlich größer.
Somit sind Erdreich-WP gegenüber Heizkörpern etwas
toleranter als Luft-WP.
Grundwasser-WP
Es wurde nur eine Anlage mit FBH getestet (JAZ 3,0).
Überraschender Weise lag hier die JAZ bei Radiatoren mit 3,4 im Mittel
etwas höher (zufällig).
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Vergleich Grundwasser - Erdreich
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JAZ bei
Grundwasser-WP schlechter als bei Erdreich-WP?
Entgegen der Erwartungen schneiden Grundwasser-WP mit FBH (JAZ
3,0) im Vergleich zu Erdreich-WP JAZ 3,3) schlechter ab, trotz der
niedrigeren Kaltquellentemperatur gegenüber Erdreich-WP.
Die Ursachen dafür sind:
Erdreich-WP haben einen geschlossenen
Sole-Kreislauf (Kaltseite) und arbeiten optimal bei konstanten Durchfluss.
Die Sole-Umwälzpumpe hat eine Leistung von nur 80-120 W.
Grundwasser-WP verfügen dagegen über einen offenen
Kreislauf auf der Kaltseite.
Der Durchmesser des Bohrlochs (Brunnen) ist in vielen Fällen
mit 10-15 cm zu klein, so dass bei einem Fördervolumen von 2 m³/h nicht
ausreichend Wasser nachströmt.
Druckhöhe und somit der Durchfluss sind deshalb variabel.
Außerdem setzt sich der Schmutzfänger mit der Dauer zu und wird
in der Praxis nicht regelmäßig gereinigt.
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Die Leistungsaufnahme von 250-350 W einer
Grundwasser-Förderpumpe liegt gegenüber einer Sole-Umwälzpumpe ca. 3x höher.
Schwächen der Systeme
Überraschend ist die große Bandbreite der Einzelwerte von
JAZ 1,9 bis 4,2. Hier ist die Systemoptimierung der Komponenten Kaltquelle
- WP/Regelung - Wärmesenken/hydraulischer Abgleich von Hersteller,
Bohrfirmen und Handwerker noch erheblich zu verbessern.
Bei Berücksichtigung von Puffer- und Brauchwasserspeicher
sinkt die JAZ um ca. 0,30 bis 0,34 AZ-Punkte (System-AZ) nahezu unabhängig
von den Kaltquellen (Erde, Grundwasser, Luft) und den Wärmesenken (FBH,
HK).
Bei den getrennten WP-Systemen für Heizung und WW mit einem
E-Standspeicher sinkt die System-AZ beträchtlich um 0,8 AZ-Punkte
(ökologisch schlechteste Lösung).
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Kombination Heizung / Warmwasserbereitung
ist die bessere Lösung
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Beim Ersatz des E-Speichers durch eine Warmwasser-Klein-WP
(Luft/Wasser-WP) sinkt die System-AZ zwar nur um 0,3 AZ-Punkte. Das Ergebnis
entsprich damit den kombinierten WP-System.
Fazit: Eine getrennte WW-Versorgung (Trinkwarmwasser) bringt
selbst bei einer Warmwasser-WP keine Vorteile.
Sonderfall Warmwasser-WP
Diese Klein-WP stehen oft im Keller, wo sie in d. R.
Vorratsräume gleichzeitig abkühlen sollen (im Heizraum sollten sie nicht
stehen, Wärmekurzschluss).
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Die besten JAZ lagen bei 2,2 bis 2,5. Hier lag ein relativ
hoher WW-Verbrauch von ca. 4 m³/Monat vor und der Nutzung von Abluft aus
Küche, Bad Heizungsraum (Wärmekurzschluss).
Die schlechtesten JAZ lagen bei 1,2 bis 1,5 mit einem
WW-Verbrauch von nur 2 m³/Monat.
Das Klimaschutzziel (JAZ 3,0) wurde bei allen WW-WP nicht
erreicht.
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Zusammenfassung der ersten Ergebnisse
(Teil I)
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Die Messwerte des ersten Jahres (Okt. 06 bis Sept. 07) machen
erhebliche Unterschiede zwischen den Ergebnissen von Leistungszahlen auf den
Testständen und Werbeaussagen auf der einen Seite und den unter realen
Bedingungen ermittelten JAZ auf der anderen Seite sichtbar.
Die unter günstigen Rahmenbedingungen ermittelten
Leistungszahlen sind in der Praxis kaum erreichbar.
Negative Einflüsse auf die JAZ
In der installierten Praxis sind folgende Punkte zu
berücksichtigen:
- Optimale Abstimmung von Kaltquellen, WP und Wärmesenken
- Variable Wasserdurchsätze auf der Kaltseite
- Instationäre Betriebsweise: Teillasten und Takten
- Höhere Nutztemperaturen für WW (bei Kombination FBH-WW)
- Strom für Pumpen, Lüfter, Notheizstäbe
- Heizungspuffer (200-1000 l) vermindern die JAZ
um ca. 0,1 AZ-Punkte
- Hydraulischer Abgleich des Heizkreises
(vorgeschrieben aber selten durchgeführt)
- Fehlende oder mangelhafte Wartung und Einstellung
Erdreich-WP mit den höchsten und Luft-WP mit
den niedrigsten JAZ
In Verbindung mit FBH wurden im Mittel JAZ von 3,4 erreicht,
zwei von 13 WP lagen sogar bei 4,0 und erreichten damit auch das Werbeziel.
Unerwartet schlechter lagen die JAZ bei Grundwasser-WP mit FBH
im Mittel bei 3,0 (Ursachen s. Vergleich Grundwasser - Erdreich).
Das Schlusslicht bilden die Luft-WP. Bei FBH beträgt die
Erzeuger-JAZ im Mittel 2,8.
Deutlich abgeschlagen sind auch die Klein-Warmwasser-WP mit
mittleren JAZ=1,9 (Bandbreite 1,2 bis 2,5).
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Auf Wärmesenkenseite Fußbodenheizung
eindeutig besser
Besonders bei den Luft-WP ist die JAZ mit Radiatoren ca. 0,5
AZ-Punkte niedriger gegenüber FBH.
Von Herstellern, Handwerkern und EVUs wird die Luft-WP in
Verbindung mit Radiatoren gerne zur Altbausanierung propagiert.
Man sollte den Bauherren dabei auch ehrlich sagen, dass sie
dann 20 bis 25 % mehr Strom verbrauchen.
Wichtige Schlussfolgerungen und Empfehlungen
Die Lokale Agenda 21 empfiehlt anhand der Jahresergebnisse der
getesteten Anlagen:
Erdreich-WP in Verbindung mit FBH.
Notwendig ist eine berechnete JAZ von > 4,0 (ermittelte JAZ
3,4)
Verzicht auf Heizungspuffer bei FBH -> Gewinn +0,1 AZ-Punkte
und geringere Investkosten.
Dabei ist die FBH mit max. 30 °C statt 35 °C auszulegen, die
Heizungskurve nicht zu hoch einzustellen und der hydraulische Abgleich
durchzuführen.
Kombinierte WP-Systeme für Heizung und WW. Getrennte
WW-Versorgung mit ineffizienten E-Speichern und auch mit Warmwasser-WP bringt
keine Vorteile.
Luft-WP sind dann ein Gewinn für die Umwelt, wenn der
Antriebsstrom aus der Kraft-Wärme-Kopplung (z. B. BHKWs) oder erneuerbaren
Energien stammt.
Auf Grund der vielen im Bau befindlichen Kohlekraftwerke in
Deutschland ist der Einsatz von Luft-WP kritisch zu beurteilen.
Der Feldtest dauerte bis Ende 2008 und untersucht noch das
Leistungsverhalten von WP bei tiefen Umgebungstemperaturen.
Die Praxisuntersuchung wird mit einer betriebswirtschaftlichen
Analyse und einen Vergleich mit anderen Heizsystemen abschließen (Teil II).
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Abschlussbericht
(Teil II)
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Betriebswirtschaftlichen Analyse
Zur Beurteilung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit wurden
zwei verschiedene JAZ herangezogen:
1. Erzeuger-Jahresarbeitszahl (E-JAZ)
Verhältnis der abgelesenen Wärme am Ausgang der WP zum
aufgenommenen Strom am Eingang der WP.
2. System-Jahresarbeitszahl (S-JAZ)
zusätzlich zur E-JAZ wurden die Verluste durch den
Pufferspeicher und die Trinkwassererwärmung berücksichtigt.
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Bauart der Heizungs-WP |
durchschnittliche
Jahresarbeitszahlen |
Streubreite JAZ |
|
E-JAZ |
S-JAZ |
|
Sole/Wasser-WP |
3,4 |
3,1 |
2,0 bis 4,4 (13 Anlagen) |
|
Wasser/Wasser-WP |
3,2 |
2,9 |
2,0 bis 4,2 |
|
Luft/Wasser-WP
7 Anlagen mit FBH
6 Anlagen mit Radiatoren |
.
2,8
2,4 |
.
2,4
2,2 |
- |
Vergleich mit anderen Heizsystemen
(Preis-Klima-Faktor)
Wer wesentlich auf die Kosten schaut, wählt beim
sanierten Altbau eine Erdreich-WP und beim Neubau einen
Erdgas-Brennwertkessel.
Aus ökologischer Sicht (Emissionen) ist im Alt- und
Neubau der Pelletkessel die bessere Lösung, ist aber relativ teuer.
Bei einer ausgewogenen Entscheidung zwischen Kosten und
Ökologie ist sowohl für den sanierten Altbau als auch den Neubau die
Erdreich-WP zu empfehlen.
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Fallbeispiel/Platz |
1 |
2 |
3 |
4 |
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1. Sanierter Altbau |
|
Kostengruppe
18 ct/kWh-thermisch
(praktisch gleich) |
Erdreich-
WP |
Erdgas-
BW-Kessel |
Luft-WP |
Erdgas
BWW-Solar |
|
CO2-Emission
t/a
(nach rechts zunehmend) |
Holzpellet-
kessel |
Erdreich
WP |
Erdgas
BW-Kessel
und Solar |
Luft-
WP |
|
- |
- |
günstigster
Preis/Klima-
Faktor |
- |
- |
|
2. Neubau |
|
Kostengruppe
in ct/kWh-thermisch
(nach rechts zunehmend) |
Erdgas-
BW-Kessel |
Erdreich
WP |
Erdgas
BW-Kessel
und Solar |
Luft-
WP |
|
CO2-Emission
t/a
(nach rechts zunehmend) |
Holzpellet-
kessel |
Erdreich
WP |
Erdgas
BW-Kessel
und Solar |
Luft-
WP |
|
- |
- |
günstigster
Preis/Klima-
Faktor |
- |
- |
-> ausführlicher Schlussbericht >
hier
Bemerkungen:
Wie nicht anders zu erwarten gab es auch heftige Kritik, in der
der Schlussbericht als kontraproduktiv und im hohen Maße schädlich für die
Akzeptanz der WP-Technik dargestellt wird >
mehr (www.cci-promotor.de)
(der Verbraucher sollte sich immer die altbewährte Frage
stellen: "Wem nützt es"!)
Quellen OKW Journal;
http://www.agenda-energie-lahr.de/index.html
|
|
Pufferspeicher in WP-Anlagen |
|
Aufgaben von Pufferspeicher
bei Wärmepumpen
- Überbrückung von Sperrzeiten
- Erhöhung der Mindestlaufzeit bei Anlagen mit geringen
Wasserinhalt
- Garantieren Mindestwasserumlaufmenge bei Puffer als
Trennspeicher
- puffern bei Luft/Wasser-WP Wärmeenergie für Abtauvorgang
des
Verdampfers
!
Pufferspeicher verhindern das Takten des Kompressors und verlängern damit seine Lebensdauer!
Allerdings sinkt damit auch die JAZ um ca. 0,1
JAZ-Punkte.
Größe
Kleinere Pufferspeicher
dienen zur Überbrückung der Abschaltzeiten
der EV.
Das ist allerdings bei Fußbodenheizungen mit
Speichereffekt (bei Massivdecken!) nicht unbedingt notwendig. |
Größere Pufferspeicher
auch als Schichtenspeicher dienen der
vollhygienischen Trinkwassererwärmung mittels externen
Plattenwärmetauscher und zur Kombination mit anderen Wärmeerzeugern
(Solar, Holz, Öl etc.).
s. a. >
Hydraulische
Besonderheiten bei Kombination von WP, Pufferspeicher und solarthermischer
Anlage
Damit ist die
Trinkwassererwärmung energetisch sehr effektiv, weil sich die
Leistungszahl der Wärmepumpe in Verbindung mit einem Heißgaswärmetauscher
nicht verschlechtert.
Hydraulik (Beispiel)
>
Multi-Solar Speichersystem, Wärmepumpe mit Puffer und externen
Plattenwärmetauscher für die Warmwasserbereitung >
Schema 1,
und zusätzlich in Verbindung mit einer Solaranlage >
Schema 2
Quelle IDM
|
|
Auswahl nach den örtlichen u. a. Gegebenheiten |
Planung |
|
Welches System optimal ist, hängt z. B. ab ab
und kann in einer > Fachberatung ermittelt werden.
-
von den örtlichen Voraussetzungen
(Bodenverhältnisse,
Wasserqualität)
-
Gebäudewärmebedarf (Alt- oder Neubau etc.),
- Warmwasserbedarf,
Wasserqualität,
-
örtlichen Stromtarifen
- Wärmeabgabesystem (Heizkörper, Fußbodenheizung etc.)
-
Randbedingungen
(nutzerbedingte, konzeptbedingte
Abweichungen und Abweichungen in der
Gebäudehülle
Es ist sehr zu empfehlen, die Entscheidung über ein Wärmepumpensystem nicht
nur über die Preise in Angeboten zu entscheiden!!!
Wenn großer Wert auf hohe Effizienz gelegt wird, erfordern diese Lösungen Fachkompetenz und Erfahrung bei der Planung
der gesamten Heizungsanlage.
Wir bieten hierzu sehr preiswerte Beratungsleistungen an.
|
Für eine genaue Auslegung ist unbedingt eine Planung/
Projektierung, bzw. vorab eine Fachberatung zu empfehlen. Nachträglich können
kaum Änderungen vorgenommen werden.
Alles was die Wärmepumpe nicht bringt, wird in d. R. direkt mit der
eingebauten Heizpatrone elektrisch nachgeheizt!!!
Dimensionierung
1. Ermittlung der Normheizlast nach DIN EN 12831
2. Festlegung des Warmwasserbedarfs nach DIN 4708
3. Auswahl der WP nach der Heizleistung
4. Ermittlung von Zuschlägen (Sperrzeiten EV etc.)
5. Festlegung der Heizflächentemperaturen
6. Wahl der Wärmequelle (WQ)
7. Dimensionierung der WQA
(es ist zu empfehlen, die WQA immer um 3 bis 4 kW
reichlicher auszulegen,
die Leistung der WP dabei aber nicht zu
vergrößern)
Bei Luft-WP muss zusätzlich der Bivalenzpunkt* bestimmt werden.
*) Der Bivalenzpunkt beschreibt
die Außentemperatur, bis zu der die Heizlast ausschließlich mit der WP gedeckt
werden kann.
Bei tieferer Temperatur wird ein zweiter Wärmeerzeuger
benötigt.
|
|
Wirtschaftlichkeit
|
|
Unterschiedliche Betrachtungsweise nach
Wirtschaftlichkeit oder Energiekosteneinsparung
In der Praxis
wird zweckdienlich häufig die nachgewiesene Energiekosteneinsparung mit
einer guten Wirtschaftlichkeit gleichgesetzt, weil damit viel schönere
Argumente für den Verkauf der Anlagen möglich sind.
Bei
Vergleichen werden häufig nur die Energiekosten betrachtet.
Das ist auch
die Ursache für viele Missverständnisse und kontroverse
Diskussionen beim Verbraucher.
Bei der
Betrachtung der Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu den reinen
Energiekosten, werden wesentlich mehr Daten einbezogen und die
Gesamtkosten bzw. Vollkosten (also nicht nur die Energiekosten) berechnet.
|
Gesamtkostenvergleich nach VDI 2067
Einbezogen werden außer den Energiekosten auch die Invest-, Betriebs-,
Wartungskosten, Annuität etc. >
Beispiel).
Damit lässt
sich die wichtige Aussage treffen, wie schnell sich die Anlage
amortisiert.
Je schneller,
desto besser die Wirtschaftlichkeit für den Verbraucher.
Was schnell
ist (z. B. 10 oder 30 Jahre), muss der Verbraucher entscheiden (je nach
dem, ob auf Energiekosteneinsparung oder Wirtschaftlichkeit mehr Wert
gelegt wird).
Besonders bei
Anlagen mit relativ hohen Investkosten, kann trotz deutlicher
Energieeinsparung die Aussage über die Wirtschaftlichkeit negativ sein. Damit wird
ein wesentlich längerer Zeitraum für die Amortisation benötigt oder auch
keine Amortisation erreicht.
> mehr...
|
|
Kosten der Wärmepumpenanlage
(Beispiel EFH, Stand 2009) |
|
Je
nach Größe der Anlage können die Kosten für eine Wärmepumpe stark schwanken.
1. Kosten für Erdwärmepumpen
Erdwärmepumpen erfordern zunächst Bohrungen für Erdsonden bzw. verursachen
Kosten für die Installation eines Erdkollektors.
1.1. Bohrkosten
Die Bohrkosten sind von der jeweiligen lokalen Geologie abhängig. Die
Bohrkosten pro Meter liegen zwischen 38 und 80 €.
Bezogen auf die Leistung der Wärmepumpe sind das ca. 700 bis 1.000 €/kW für die Erschließung der Wärmequelle.
1.2. Kosten der WP
Erdwärmepumpen zur Deckung des Wärmebedarfs eines durchschnittlichen
EFH
(ca. 12 kW Leistung) kosten ca. 8.000 bis 12.000 €.
1.3. Zubehör
Kosten für Puffer-/ Trinkwarmwasserspeicher ca.
2.000 €, für Montage und
evtl. für Einbau einer Fußbodenheizung ca. 7.000 €.
1.4. Kosten der komplette Heizanlage mit WP
Eine komplette Heizanlage mit Erdwärmepumpe und Erdsonde ca. 18.000 bis ca. 26.000 €,
mit Einbau einer Fußbodenheizung ca. 24.000 bis 32.000 €.
Beim Einsatz von Erdkollektoren können die Investkosten etwas
geringeren sein (ca. 13.000 €, u. U. sind Erdarbeiten weniger
aufwändig).
Bei Neubauten
können die Kosten für den Schornstein eingespart
werden, sofern eine zusätzliche Feuerstelle z. B. mit Holz nicht vorgesehen
ist.
2.
Kosten für
Luft-Wärmepumpen
WP, die auf die Wärmequelle der Umgebungsluft zurückgreifen, sind zwar ca. 25 % teurer, verursachen
jedoch keinerlei Bohrkosten oder Erdarbeiten.
3. Fördermittel
Die
Bundesregierung unterstützt z. Z. (MAP) die Anschaffung von Luft-WP (WQ: Umgebungsluft) in Altbauten mit maximal 1.500 €; im Neubau mit
maximal 637,50 €.
|
Erd- und
Wasser-WP werden in
Altbauten mit maximal 3.000 € gefördert. Im Neubau mit maximal 1.500 €.
In gut gedämmten
Gebäuden und/oder bei hohen Jahresarbeitszahlen kann sich die jeweilige
Förderung verdoppeln.
4. Betriebskosten
Neben den
Anschaffungskosten verursacht eine WP vor allem durch den
Stromverbrauch regelmäßige Betriebskosten.
Entscheidend ist
hier das Verhältnis von eingesetztem Strom zur bereitgestellten Wärmemenge. Es
sollte mindestens bei 1 : 3, besser jedoch bei 1 : 4 und höher
liegen.
D. h., dass
eine WP mit 1 kWh Strom dann 3 bzw. 4 kWh
Wärme bereitstellen kann. Das Verhältnis von
eingesetztem Strom zur bereitgestellten Wärmemenge wird auch als
Jahresarbeitszahl (JAZ) bezeichnet.
Ist die
JAZ zu niedrig, wird eine unverhältnismäßig große Menge Strom
eingesetzt, um eine zu geringe Menge Wärme bereitzustellen.
Bei zu niedriger
JAZ verliert eine Wärmepumpe evtl. auch den Anspruch auf
staatliche Fördermittel.
Beispielrechnung
für
ein Einfamilienhaus, jährlicher Wärmebedarf 22.500 kWh/a
|
jährlicher
Wärmebedarf |
JAZ |
Energie-
bedarf der WP
|
Strom-
preis |
jährliche
Stromkosten
der WP
|
Wertung
Effizienz/
Umweltnutzen |
|
kWh/a |
z. B.: |
kWh/a |
€/kWh |
€/a |
- |
|
22.500 |
2,5 |
9.000 |
0,13 |
1.170 |
ineffizient/schlecht |
|
22.500 |
3 |
7.500 |
0,13 |
975 |
±0 |
|
22.500 |
3,5 |
6.429 |
0,13 |
836 |
effizient/gut |
|
22.500 |
4 |
5.625 |
0,13 |
731 |
effizient/gut |
|
22.500 |
4,5 |
5.000 |
0,13 |
650 |
effizient/gut |
Gesamtkosten
Unter Berücksichtigung der Anschaffungskosten und aller Betriebskosten
inkl. steigender Strompreise verursacht eine Erdwärmepumpe über einen
Zeitraum von 20 Jahren insgesamt ca. 62.000 € Gesamtkosten (alte Erdgasheizung
ca. 125.000 €,
Ölheizung bis zu 200.000
€).
Quelle:
www.waermewechsel.de
|
|
Vergleich Primärenergieeinsatz bei
unterschiedlichen Heizsystemen
(ohne Trinkwassererwärmung) |
|
|
Erzeuger
Umwandlung von Primärenergie in
Sekundärenergie |
Nutzer
Umwandlung
von Sekundärenergie in Wärme |
|
Heizsystem |
Primärenergie-
einsatz |
Erzeuger-
wirkungsgrad |
Verluste beim
Erzeuger |
Heizenergie-Einsatz
Sekundärenergie |
Nutzungsgrad/
Leistungszahl
bei Umwandlung in Heizenergie |
Heizenergie
An Nutzer
abgegebene Endenergie |
|
Elektroheizung |
278% |
Kraftwerk η=0,36 |
178% Abwärme u.
Verteilverluste |
100% |
Elektroheizung η=1 |
100% |
|
Öl-Niedertemperatur-Heizung |
117 % |
Raffinerie η=0,94 |
7% stoffliche Verluste |
110% |
Ölkessel η=91%,
10% Abgasverlust |
100% |
|
Erdgas-Brennwert-Heizung |
109% |
Gasversorgung η=0,94 |
7% stoffliche Verluste |
102% |
Erdgaskessel η=98%,
2% Abgasverlust |
100% |
|
Stromwärmepumpe
(Kompressions-WP) |
84% |
Kraftwerk η=0,36 |
54% Abwärme u. Verteilverluste |
30% |
Stromwärmepumpe
ε=3,3; 70% aus Umgebungswärme |
100% |
|
Gasabsorptions-wärmepumpe |
80% |
Gasversorgung η=0,94 |
5% stoffliche Verluste |
75% |
Absorptionswärmepumpe
ξ = 1,5 / ηAus = 0,9; 25% aus Umgebungswärme
|
100% |
|
Gasmotorwärmepumpe |
67% |
Gasversorgung η=0,94 |
4% stoffliche Verluste |
63% |
Gaswärmepumpe
10%
Abwärme
ε = 3,5 / ηm = 0,3; 47% aus Umgebungswärme
|
100%
34% Motorwärme
66% Wärmepumpe |
Hoher Primärenergieeinsatz bedeutet große
CO2-Emissionen. Die Werte in der Tabelle machen deutlich, wie
schwierig es für den Verbraucher ist, zwischen einem guten
Umweltgewissen oder Vorteil für eigenen Geldbeutel (=
Kosteneinsparung beim Energieverbrauch) zu entscheiden.
Quelle: ASUE e. V. (www.asue.de) |
|
Häufige Fehlerquellen aus
Theorie und Praxis |
|
1. Hinweise |
|
Vor
Auftragserteilung
ist eine
unabhängige Fachberatung und ein Wirtschaftlichkeitsnachweis
unbedingt zu empfehlen
Auswahl von
bekannten Herstellerbetrieben
Vorsicht bei reinen Vertriebsgesellschaften mit unbekannten Marken und
unseriösen Einsparungsversprechungen in Verbindung mit Werbung durch
Postwurfsendungen etc.
Auswahl von
qualifizierten Installationsbetrieben
vermeidet schon viele Fehler, Ärger und unnötige spätere Kosten.
Geräuschpegel beachten
Zwischen einzelnen Herstellern gibt es Unterschiede, Aufstellungsort
beachten.
Wärmequellenerschließung (Bohrungen, Kollektoren)
einschließlich Leitungsführung mit Verteiler zum Haus gemeinsam
nur von einer Firma ausführen lassen.
Auswahl eine Bohrfachbetriebes der nach DVGW Arbeitsblatt W 120
qualifiziert sein sollte.
Genehmigungen für Erd- und
Wasser-Wärmepumpen
durch die untere Wasserbehörde einholen |
Einbindematerial in das Heizungssystem
mit Sicherheitseinrichtungen etc. wird vom Wärmepumpenhersteller
u. U. nicht automatisch mitgeliefert (bei Angeboten beachten!)
Geprüfte Qualität mit Qualitätssiegel
Für Wärmepumpen gibt es ein internationales Qualitätssiegel.
Nicht jeder Hersteller unterzieht sich dieser aufwendigen Prüfung.
Planungs- und Projektierungsunterlagen
für das Gesamtsystem vom Installationsbetrieb fordern
Staatliche Fördermittel (MAP)
werden generell nach der Montage schriftlich beantragt und
danach gezahlt. Grundlage ist die vom Fachbetrieb ausgestellte Rechnung.
Nicht akzeptabel und unseriös ist, wenn die
Fördermittel bei Vertragsabschluss durch den Verkäufer vom Verkaufspreis
der Anlage gleich abgezogen werden!
u. v. m. |
|
2. Fehlerquellen bei Planung/
Montage |
|
Die aufgeführten
Fehlerquellen sind nur die Spitze des Eisberges! Mehr in unseren
Fachberatungen.
-
Bauaustrocknung mit Erdreich-WP
Zur Bauaustrocknung sind moderne Erd-WP nicht geeignet.
Bei einer täglichen (24 h) Beheizung würde die WP im Dauerbetrieb
arbeiten, was zu einer Überlastung der der Erdsondenanlage (WQA) führt.
Dabei kann sich das Erdreich soweit abkühlen, dass sich mittelfristig ein
Eispanzer um die Sonde bildet.
Bei Rückkehr in den Normalbetrieb nach der Austrocknungsphase taut die
Eisschicht um die Sonden zwar wieder ab, aber es kann um die Sonde ein
Luftraum verbleiben (Isolierschicht). Das führt zu einer dauerhaften
Absenkung der Heizleistung der WP.
Die Lösung bilden mobile E-Heizgeräte (Heizmobile oder
E-Heizstationen), mit denen bei Bedarf zusätzlich auch das Trinkwasser
erwärmt werden kann.
Für die Geräte (36 kW) ist nur ein Stromanschluss von 400 V/32 A
erforderlich.
Info >
www.heizkurier.de
-
Zu geringe Verlegetiefe und Verlegeabstände
bei
Flächenkollektoren vermindert die Leistung der WP, im Extremfall
Einfriergefahr und Totalabschaltung bis zum Frühjahr.
|
-
Nicht sachgemäßes Spülen
und Abdrücken der Soleleitungen (Luft in den Leitungen)
-
Nicht zugängliche Soleverteiler
- Badezimmer mit Fußbodenheizung wird nicht warm genug
durch fehlerhafte Auslegung der FBH werden keine 24°C
Raumtemperatur erreicht
-
Strömungsgeräusche
z. B. durch fehlenden wasserseitigen Druckabgleich im
Rohrnetz
(hydraulischer Abgleich mit Strangregulierventilen)
- Geringe
Energieeinsparung
z. B. durch fehlerhafte oder keine vorherige Planung/
Projektierung, geändertes Verbraucherverhalten etc.
-
Bei Frost Vereisung der Aufstellfläche bei
Luft/Wasser-WP
z. B. unsachgemäße Fundamentausführung bei Aufstellung im
Freien
(fachgerechtes Fundament kostet mindestens 700 €)
-
Zugerscheinungen und Luftgeräusche
bei Luft-WP zur Trinkwassererwärmung in Verbindung
mit Entlüftungssystemen u. v. m. |
|
3. Sonstige
Fehlerquellen |
|
Anlaufschwierigkeiten mit Störabschaltung bei Erdreich-WP nach längerem
Stillstand durch Kohlendioxiddiffusion
Sole/Wasser-WP,
die ausschließlich zum Heizen dienen, werden oftmals nach der Heizperiode
abgeschaltet.
In seltenen
Fällen kann es vorkommen, dass die WP dann in der folgenden Heizperiode
beim Einschalten nach einigen Minuten auf Störung geht (Störabschaltung)
und erst nach kompletter Entlüftung und Spülung des Sole-Kreislaufes
wieder in Betrieb genommen werden kann.
Ursache
Im Beispiel (EFH
in der Eifel, Sole/Wasser-WP, 75 m Erd-Sonde) war die Ursache, dass im
Sole-Kreislauf CO2
(Kohlendioxid) nachgewiesen wurde.
In der Region
Eifel und Hunsrück befinden sich zahlreiche natürliche CO2-Quellen. die
aus dem Erdinneren reichlich mit CO2 versorgt werden.
Erdsonden
bestehen aus nicht diffusionsdichten PE-Rohr. Bei PE-Rohr ist die
Diffusionsrate von CO2 ca.
doppelt so hoch wie die von O2.
Das CO2
diffundiert also im Erdreich von außen durch die Rohrwandung und kann die
Sole bis zur Sättigung mit CO2
anreichern (wirkt auch korrosiv).
Wenn die Sole
nicht mehr zirkuliert, steht sie in einer Tiefe von 75 m unter einen
Überdruck von > 7,5 bar.
|
Das im Erdreich vorhandene CO2
kann bei höheren Drücken besonders gut einfiffundieren bzw. sich in der
Sole lösen (wie bei einer Seltersflasche).
Wirkung
Bei Wiederinbetriebnahme zu Beginn der Heizperiode fördert
die Umwälzpumpe nun die am Ende der Erdsonde unter Überdruck stehende, mit
CO2 weitgehend gesättigte Sole
an die Oberfläche.
Hier steht die Sole nur noch unter dem Vordruck des AGs
(ca. 0,5 bar). Da somit die Löslichkeit viel geringer ist, erfolgt eine
mit starker Schaumbildung verbundene Entgasung der Sole.
Verstärkend wirken noch die Strömungsvorgänge im Rohnetz.
Der im Aufstellraum der WP installierte Luftabscheider kann
die ausgasende CO2-Menge nicht
mehr abscheiden.
Der Schaum gelangt somit zu Verdampfer der WP und die
Entzugsleistung wird drastisch reduziert.
Nach kurzer Zeit erfolgt eine Störabschaltung.
Maßnahmen
Neben einigen mehr oder weniger erfolgreichen Maßnahmen ist
das Problem zukünftig evt. nur mit der Verwendung von diffusionsdichten
Rohren zu lösen. Hierzu fehlen z. Z. aber noch die geeigneten
Kunststoffrohre aus der Industrie.
Quellen: HEIZUNGSJOURNAL-SPECIAL 4/5 2009;
Onium Technic, Luxemburg, Prof. W. Ameling, Trier
|
|
Neuheiten, Innovationen,
Entwicklungstrends etc. bei WP und WP-Systemen |
|
Wesentliche Neuerungen
im Kältekreislauf der WP |
|
1. Leistungsgeregelte
Digital-Scroll-Verdichter
|
|
Die Verdichtung des Kältemittels erfolgt bei einem Spiral
(Scroll)-Verdichter über zwei archimedische Spiralen, die durch einen
Ölfilm abgedichtet werden.
Eine Leistungsregelung war damit bisher nur mit der
Invertertechnologie (frequenzgesteuerte Drehzahlregelung des Verdichters) möglich.
Besonders bei ungeregelten Luft/Wasser-WP ohne
Pufferspeicher führte das bisher bei steigender Außentemperatur zu einem
wenig effizienten Taktbetrieb der WP (Wärmeleistung steigt mit zunehmender
Temperatur der WQ).
Bei einem Digital-Scroll-Verdichter wird jetzt zur
Leistungsmodulation von einem elektronisch angesteuerten Magnetventil
ein Bypass am Digital-Scroll-Verdichter geöffnet, wodurch kurzzeitig die
obere Spirale um ca. 1 mm angehoben wird.
|
Die dadurch entstehenden Spalten führen zu zu einer
sofortigen Druckentlastung, der Verdichter arbeitet im Leerlauf bei
konstanter Drehzahl und somit auch weiterer Schmierung.
In dieser Phase wird entsprechend auch nur Leerlaufstrom
benötigt.
Die Leistungsabgabe des Verdichters wird durch
Pulsweitenmodulation (Dauer der Leerlaufphase) bestimmt.
Quellen: HEIZUNGSJOURNAL 12 2008;
|
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2. Elektronisches Expansionsventil
|
|
Expansionsventile haben primär die Aufgabe, nach der
Übergabe der Wärme an das Heizsystem das flüssige und noch unter hohen
Druck stehende Kältemittel zu entspannen.
Es regelt aber auch die Kältemittelmenge, so dass nur
soviel in den Verdampfer gelangt, wie dort vollständig verdampfen kann.
Die Kältemittelmenge wird dabei so dosiert, dass absolut
trockener (überhitzter) Dampf den Verdampfer verlässt (-> Schutz des
Verdichters vor Flüssigkeitseinträgen)
Bei thermostatisch geregelten Expansionsventilen steigt im
Teillastbetrieb die Überhitzung des Kältemittels an.
Je höher die Überhitzung, desto höher ist aber auch die zu
erbringende Verdichterarbeit
-> mehr Stromaufnahme -> sinkender Wirkungsgrad.
|
Elektronische Expansionsventile besitzen ein
exakteres und feinfühligeres Regelverhalten.
Angetrieben von einem Schrittmotor regeln sie den
Massenstrom proportional in einem großen Regelbereich zwischen ca. 10 und
100% mit sehr kurzen Öffnungs-/Schließzeiten.
Das sorgt für eine konstante Temperatur am
Verdampfer-Austritt bzw. eine gleichbleibende Überhitzung des Kältemittels
unabhängig vom Betriebszustand der WP.
So kann der Verdichter stets mit höchstem Wirkungsgrad
arbeiten -> hohe Leistungszahl der WP in allen Betriebszuständen.
Im Vergleich zu WP mit thermostatischen Expansionsventilen
werden um bis zu 5% höhere JAZ erreicht.
Quellen: HEIZUNGSJOURNAL 12 2008;
|
|
3. Regelung und Überwachung des Kältekreises
|
|
Elektronische Expansionsventile an sich sind reine
Stellglieder, die zu ihrer Funktion Sensoren und eine entsprechende
Regelung benötigen.
Im Zusammenhang mit dem elektronischen Expansionsventil
überwacht eine spezielle Regelung jetzt alle relevanten Parameter
für ein optimiertes Regelverhalten -> hohe Effizienz -> niedrige
Betriebskosten der WP.
Gleichzeitig überwacht und speichert es als
Kältekreis-Diagnosesystem ständig Temperaturen und Drücke an allen
wesentlichen Stellen des Kältemittelkreislaufes.
|
Dabei wird auch die Energieaufnahme aus dem Stromnetz
und die Wärmeabgabe an das Heizungssystem bilanziert (-> Einbau von 2
Wärmezählern kann hier somit entfallen).
Zusammenfassung
Mit allen drei Maßnahmen erreichen moderne Luft/Wasser-WP
Leistungszahlen bis 3,8 und Sole/Wasser-WP fast 5 und entsprechend höher
fallen auch die JAZ aus.
Quellen: HEIZUNGSJOURNAL 12 2008;
|
|
Hybrid-Systeme
(effiziente Kombination von WP und Solarthermie) |
|
Klassische Kombinationen
von solarthermischen Anlagen
mit WP, auf deren Speicher zusätzlich die Wärmeenergie der Solaranlage
gepuffert wird, haben den Nachteil, dass Solarwärme mit geringer
Temperatur oftmals ungenutzt bleibt oder mehr zur Verfügung steht als
benötigt wird.
Die RL-Temperaturanhebung führt hier zu einer Verschlechterung
der JAZ der WP oder zu einer Zerstörung der Temperaturschichtung im
Solarspeicher.
Hybrid-Systeme
binden effizient Solarthermie in das Wärmequellen-Systeme
der WP ein und nutzen die Sonnenstrahlung direkt oder zur Anhebung der
WQ-Temperatur (-> Regenerierung) für die WP.
|
Die Effizienz der WP kann damit wesentlich erhöht werden
(z. B. bei Luft/Wasser-WP Leistungszahlen bis 5,0).
Inzwischen bietet der Markt verschiedene Lösungsansätze (z.
B mit Erd- oder Luft-WP, statt WP auch Brennwert-Gerät etc.).
Die Systeme eignen sich für Neubauten oder auch für gut
gedämmte Altbauten und für Kunden, die sich nicht nur nach
wirtschaftlichen Gesichtspunkten für eine Anlage entscheiden.
Inwieweit sich die Technik, auch bzgl. der etwas höheren
Investkosten, am Markt durchsetzt, bleibt abzuwarten.
Sinnvoll dürfe es vor allem für Luft-WP sein, um hier
die relativ niedrigen Leistungszahlen anzuheben.
Quellen:
IKZ-FACHPLANER 7/2008; IKZ-HAUSTECHNIK 18/2008;
|
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Bauarten von Hybrid-Systemen
|
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1. Geo-Solarthermische Systeme
Mit einer in den Erdwärmekreis eingebundenen Solaranlage
wird überschüssige Solarenergie im Untergrund gespeichert und damit die
WQ-Temperatur angehoben.
Der Energieentzug aus dem Untergrund (Sole/Wasser-WP) im
Winter kann mit dem überschüssigen Solarenergieeintrag im Sommer
kompensiert werden.
2. Hybrid-Verdampfer
Außeneinheit mit Splitverdampfer (Luft/Wasser-WP), bei der
mit herkömmlichen Solaranlagen die Quellentemperatur (Außenluft)
angehoben wird.
Bei Kollektortemperaturen < 40 °C wird die
Solarwärme direkt auf den Verdampfer der WP geleitet und wärmt somit
Außenluft für die WP vor.
Bei Kollektortemperaturen > 40 °C wird die
Solarwärme direkt auf den Schichtenspeicher geleitet, der die Heizung und
die WW-Bereitung versorgt.
Das Außenteil der WP kann so die Solarenergie direkt auf den
Kältekreis übertragen -> Anhebung der WQ-Temperatur.
Die Nutzung von NT-Wärme des herkömmlichen Solarkreises (-5
bis 40°C) erlauben in Verbindung mit einer entsprechenden Regelung eine
Steigerung des Kollektorertrages von ca. 350 auf 550 kWh/m² a.
|
Weiterhin können Solarerträge bei Kollektortemperaturen
>40°C zur Direktbeladung eines Schichtenspeichers/Heizsystem genutzt
werden (Lösung -> Ratiotherm).
3. Hybrid-Kollektor
Kombinierter Flach- und Luftkollektor mit
drehzahlgeregelten Gebläse (ca. 300 m³/h), der
sowohl der Umgebungsluft Wärme entziehen kann als auch Strahlung in Wärme
umwandeln kann (alleinige WQ der WP).
Benötigt wird eine Kollektorfläche von mindestens 16 m².
Consolar, Westfa u. a haben innovative Systeme zusätzlich mit einem
Latent-Wärmespeicher (Wasser/Eis) und einen Kombi-Schichtenspeicher
entwickelt.
Der Kollektor gibt die Wärmeenergie der Umgebung durch den
Luftwärmetauscher an die Solarflüssigkeit ab und nutzt sie zur Versorgung
der WP oder zur Beladung des Latentspeichers.
Die System-JAZ liegt bei 5,1 und die
Primärenergieeinsparung bei 50% (Consolar).
Feldtests bis 2007/08, Serienreife ist für 2009 geplant.
Quelle:
IKZ-FACHPLANER 7/2008
|
|
Leistungsregelung bei
WP und Umwälzpumpen |
|
Klassisch wird bei WP die Leistung einfach und mit geringem
Kostenaufwand nur durch Ein-/Ausschalten geregelt.
Die Drehzahlregelung ist wesentlich aufwendiger und auch
teuer.
Bei den WP-Herstellern ist man noch sehr unterschiedlicher
Meinung, ob sich diese durchsetzen wird.
Luft/Wasser-WP
Die Leistungsregelung wird bei größeren Anlagen meistens über den Einsatz von
zwei Verdichtern bei gleichgroßen Verdichtern oder in 3 Stufen bei
zwei Verdichtern unterschiedlicher Leistung realisiert.
Bei kleineren Anlagen werden neuerdings auch
Inverterverdichter mit variabler Drehzahl angewendet.
Die Drehzahlregelung wird durch einen Frequenz-Umrichter
erreicht, der natürlich auch zusätzlich Energie verbraucht.
Ziel ist, die Abnahme der Heizleistung mit abnehmender
Außentemperatur (AT) zu kompensieren.
Vorteile im Vergleich zu WP ohne Leistungsregelung:
- Vergleichmäßigung der Heizleistung über die AT
- Kleinere Kältekomponenten mit gleicher Heizleistung bei
tiefer
AT möglich
- Geringere Heizleistung bei hohen AT und damit weniger
WT-Fläche zur WW-Bereitung erforderlich
Sole/Wasser-WP
Die kontinuierliche Leistungsregelung wird aktuell durch
den Einsatz von Inverterverdichtern mit variabler Drehzahl
(Frequenzsteuerung)
realisiert.
|
Hierbei soll die Heizleistung kontinuierlich der Heizlast
des Gebäudes angepasst werden und das Takten verhindern.
Hier ist bzgl.
der Vor- und Nachteile eine differenzierte Betrachtung angebracht.
Vorteile der Drehzahlregelung
-
Reduzierung der
Takthäufigkeit, dadurch Betrieb von wasserarmen
Radiatorensysteme ohne
Pufferspeicher möglich, sofern keine
Abschaltzeiten der EVU
überbrückt werden müssen
- Reduzierung der der Heizleistung
gegen Ende einer WW-Ladung
ermöglicht kleinere
Wärmetauscher (WT) für die Trinkwarmwasser-
bereitung oder bei bei
unveränderten WT höhere
WW-Temperaturen
Nachteile der Drehzahlregelung
- Verringerung der Effizienz des Kompressors und damit der
Leistungszahl der WP im Teillastbetrieb
- Geringere Kompressor-Effizienz im
Vergleich zu WP ohne
Leistungsregelung bei
Volllast
- Gegenüber WP ohne
Leistungsregelung tendenziell geringere JAZ
Drehzahlgeregelte Umwälzpumpen bei WP
Positiv ist die Entwicklung der Drehzahlregelung mit
kommutierten Gleichstrommotoren bei den Umwälzpumpen.
Sie Verbessern die Leistungszahl der WP.
Quelle: FEE HEIZUNGSJOURNAL SPEZIAL 3/2008,
Dr. Schiefelbein, Stiebel Eltron
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Luft/Wasser-WP mit
Kältemitteleinspritzung |
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Anwendung
Mit der Kältemitteleinspritzung in den Kältekreis
können Luft/Wasser-WP auch bei sehr tiefen Außentemperaturen (ca. -15 bis 20°C) der
Luft noch Wärme entziehen und gleichzeitig hohe Heizwassertemperaturen
(max. 60°C) erreichen.
Das geht natürlich bei tiefen Temperaturen auf Kosten der
Leistungszahl.
Leistungszahlen (Beispiel)
Heizbetrieb COP 3,0 (A-7/W35) und 4,6 (A10/W35)
Kühlbetrieb EER 2,1 (A35/W7) und 3,0 (A35/W29)
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Funktion
Durch die Einspritzung von flüssigen, nur leicht
überhitzten oder dampfförmigen Kältemittel (R407 C) direkt in den
Verdichter lässt sich die Druckgastemperatur reduzieren und gleichzeitig
die Heizleistung erhöhen.
Die Einspritzung erfolg auf mittleren Druckniveau ab
einer bestimmten Außentemperatur während der
Verdichtung.
Quelle: FEE HEIZUNGSJOURNAL SPEZIAL 3/2008,
Dr. Schiefelbein, Stiebel Eltron
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Sole/Wasser-WP mit
integrierten Warmwasserspeicher |
Direktverdampfungssysteme
mit Kühlfunktion |
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WP mit integrierten Warmwasserspeicher werden vermehrt auch
in Deutschland angeboten.
Eine wesentliche Neuerung bei integrierten
Warmwasserspeicher ist der Einsatz von Glattrohr-WT innerhalb des
Speichers anstatt der bisher üblichen Doppelmantelspeicher mit kleiner
WT-Fläche.
Mit Glattrohr-WT lassen sich höhere WW-Temperaturen
erreichen und die Warmwasserbereitung geht deutlich schneller vonstatten.
Außer Platzeinsparung und einfache Montage ist
herstellerseitig eine optimale Abstimmung mit der WP garantiert (z. B.
Vermeidung zu
kleiner Wärmetauscher im Speicher etc.)
Quelle: FEE HEIZUNGSJOURNAL SPEZIAL 3/2008,
Dr. Schiefelbein, Stiebel Eltron
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Direktverdampfungssysteme im Zusammenhang mit
Erdkollektoren oder auch Erdsonden arbeiten mit einem ca. 10 bis
15% höheren Wirkungsgrad.
Durch Umkehr des Kältekreises (reversible WP) kann man
damit im Sommer auch aktiv kühlen.
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Für
wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen
Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung. |
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