michael brähler, timm rössel, 07.08.2008 oberflächennahe geothermie - wärmeversorgung für ein...
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Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Oberflächennahe GeothermieOberflächennahe Geothermie
--
Wärmeversorgung für ein Wärmeversorgung für ein
EinfamilienhausEinfamilienhaus
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Ziele
• Auslegung eines Wärmeerzeugers für ein Einfamilienhaus
• Nutzung von oberflächennaher Erdwärme → Wärmepumpe
- Absorbermatten (Sole/Wasser)
- Erdsonde (Sole/Wasser)
- Luft (Wasser)
- Heizkessel (zum Vergleich)
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Wärmepumpen
• Funktionsprinzip einer Wärmepumpe
[http://www.werner-kotulla.de/ 03.08.08]
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Sole/Wasser Wärmepumpe - Kollektoren
• Funktionsprinzip
[Nibe 08]
• Wärme wird dem Erdreich über Absorbermatten entzogen
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Absorbermatten
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Tiefe: 20cm unterhalb der örtlichen Frostgrenze→ 1,2m bis 1,5m Tiefe
• Low-Flow-Prinzip
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Sole/Wasser Wärmepumpe - Sonden
• Funktionsprinzip
[Nibe 08]
• Wärme wird dem Erdreich über Erdsonden entzogen
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Bohrungen
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Senkrechte Bohrungen in das Erdreich
• Doppel-U-Sonden oder Koaxialsonden
• nicht tiefer als 150m
• ab 50m Tiefe muss 6m Abstand gehalten werden
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Luft/Wasser Wärmepumpe
• Funktionsprinzip
[Nibe 08]
• Wärme wird der Außenluft entzogen und diese wird zur Verdampfung genutzt
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Betriebsweisen
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• monovalente BetriebsweiseWärmebedarf muss zu 100% von der Wärmepumpe gedeckt werden
• bivalente BetriebsweiseEs wird ein Bivalenzpunkt festgelegt. Ab dem Bivalenzpunkt wird ein zweiter Wärmerzeuger hinzugeschaltet. Der zweite Wärmeerzeuger ist idR ein elektrischer Heizstab.
• bivalenten-parallele BetriebsweiseAb dem Bivalenzpunkt decken beide Wärmeerzeuger parallel den Wärmebedarf
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Betriebsweisen
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• bivalenten-alternative BetriebsweiseAb dem Bivalenzpunkt deckt nur der zweite Wärmeerzeuger den Wärmebedarf (oft Heizkessel; z.B. bei Nachrüstung)
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Gebäude
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Gebäude
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Gebäude
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Heizlast nach DIN EN 12831
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• unbeheizter Keller
• Dichtigkeitsprüfung erfolgt
• Wärmebrückenzuschlag ΔUWB=0,05 W/m²K
• U-Werte:Außenwände: 0,2 W/m²KKellerdecke: 0,4 W/m²KOberste Geschossdecke: 0,2 W/m²KTüren: 1,3 W/m²KFenster: 1,3 W/m²K
• Standort Fulda
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Heizlast nach DIN EN 12831
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Transmissionswärmeverluste: ΦT= 4166 W
• Lüftungswärmeverluste: ΦV= 2788 W
• Norm-Heizlast: ΦHL,Geb= 6954 W
• Heizlast ist 7 kW
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Auswahl der Wärmeerzeuger
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Nibe Luft-Wärmepumpe 2020/8 mit integriertem Brauchwassserspeicher; 10.840€
• Nibe Sole-Wasser-Wärmepumpe 1240/8 mit integriertem Brauchwassserspeicher; 8.500€
• Vitolaladens 300-T18; 8kW; 5.173,19€
[Stock 2008]
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Bodenbeschaffenheit
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Standort Fulda
Erdwärmesonden
• 0m-16m: Kalkstein 45-60 W/m• 16m-137m: Sandstein 55-65 W/m
Absorbermatten
• Trockener Boden 20 W/m²
[Kruppa 06][Rehau 07]
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Heizwärmebedarf nach DIN V 4108-6
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Monat Heizwärmebedarf [kWh/m]
Januar
Februar
März
April
Mai
Juni
Juli
August
September
Oktober
November
Dezember
4973.88
3879.44
3068.24
994.36
373.90
43.14
0.01
0.01
247.74
1685.99
3109.80
4413.00
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Trinkwarmwasserbedarf
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• nach EnEV 12,5 kWh/m²a
• ~150 m² Wohnfläche
• 1875 kWh/a
• Trinkwarmwasserbedarf ist konstant:1875kWh/a : 12 = 156 kWh/m
• im Folgenden werden von 20 % Anlagenverluste angenommen
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Wärmebedarf inkl. TWW und Verlusten
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Monat Wärmebedarf [kWh/m]
Januar
Februar
März
April
Mai
Juni
Juli
August
September
Oktober
November
Dezember
6156
4842
3869
1380
636
239
187
187
485
2210
3919
5483
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COP Abhängigkeit von Umgebungstemperatur
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Erdsonden: Abhängigkeit der Außentemperatur sehr gering, daher als konstant betrachtet
• Absorbermatten: Abhängigkeit der Außentemperatur etwas größer
• Luft: starke Abhängigkeit von Außentemperatur
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Außentemperatur Fulda
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
6. Klimaregion mit Außentemp. gemäß DIN 4108-6
Monat T [°C]
Januar
Februar
März
April
Mai
Juni
Juli
August
September
Oktober
November
Dezember
-1,2
-0,1
3
7,1
11,4
15,1
16,8
16,6
13,4
8,9
3,5
0,2
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COP Luft-WP
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
•Bei 2°C/35°C ergibt sich aus dem Datenblatt:
•el. Leistungsaufnahme: 2,1 kW
•Wärmeleistung: 7,6 kW
•Bei 7°C/35°C ergibt sich aus dem Datenblatt:
•el. Leistungsaufnahme: 2,18 kW
•Wärmeleistung: 8,7 kW
• thermisch: 0,22 kW/K | elektrisch: 0,015 kW/K
[Nibe 08]
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COP Luft WP
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Monat Pel [kW] Leistung [kW] COP
Januar
Februar
März
April
Mai
Juni
Juli
August
September
Oktober
November
Dezember
2,05
2,07
2,12
2,18
2,24
2,30
2,32
2,32
2,27
2,20
2,12
2,07
6,9
7,14
7,82
8,72
9,67
10,48
10,86
10,81
10,11
9,12
7,93
7,2
3,37
3,45
3,69
4,00
4,32
4,56
4,68
4,66
4,45
4,15
3,74
3,49
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
COP Absorbermatten-WP
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
•Bei 0°C/35°C ergibt sich aus dem Datenblatt:
•el. Leistungsaufnahme: 1,66 kW
•Wärmeleistung: 8,2 kW
•Bei 2°C/35°C ergibt sich aus dem Datenblatt:
•el. Leistungsaufnahme: 1,70 kW
•Wärmeleistung: 8,73 kW
• thermisch: 0,25 kW/K | elektrisch: 0,02 kW/K
[Nibe 08]
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COP Absorbermatten-WP
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
[Kraft 08] [Nibe 08]
Monat Soletemp. [°C]
Pel [kW] Leistung [kW]
COP
Januar
Februar
März
April
Mai
Juni
Juli
August
September
Oktober
November
Dezember
1,15
1,49
1,83
2,83
3,56
4,17
4,89
3,83
4,10
3,36
2,64
2,21
1,68
1,69
1,70
1,72
1,73
1,74
1,76
1,74
1,74
1,73
1,71
1,70
8,49
8,57
8,66
8,91
9,09
9,24
9,42
9,16
9,23
9,04
8,86
8,75
5,04
5,07
5,10
5,19
5,25
5,30
5,36
5,27
5,30
5,23
5,17
5,14
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
COP Erdsonden-WP
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• thermisch: 0,25 kW/K | elektrisch: 0,02 kW/K
• Soletemperatur konstant bei ~3 °C
• el. Leistungsaufnahme: 1,72 kW
• Wärmeleistung: 8,95 kW
• COP: 5,2
[Kraft 08] [Nibe 08]
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Leistung
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• daraus resultieren folgende Jahresleistungszahlen:
Sonde: 5,2
Absorber: 5,13
Luft: 3,65
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Wärmepumpendaten
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Nach DIN V 18599 T5 ist die Soletemperatur bei Ta=-10°C Ts=0°C
• Bei 0°C/35°C ergibt sich aus dem Datenblatt:Pel= 1,66 kWQth= 8,2 kWCOP= 4,9
• Bei 3°C/35°C resultiert:Pel= 1,72 kWQth= 8,95 kWCOP= 5,2
• Es werden 7,23 kW aus dem Erdreich benötigt
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Tiefe der Bohrung
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
LSonde= benötigte Leistung / spez. Entzugsleistung [m]
LSonde= 7230W / 59 W/m = 122m
• gewählt: 2 Bohrungen à ~60m
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Fläche der Absorbermatten
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Akoll= benötigte Leistung / spez. Entzugsleistung [m²]
Akoll= 7230W / 20 W/m² = 360m²
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Laufzeit Luft-WP
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Laufzeit: 3892 h/a | Strombedarf: 8172 kWh/a
Monat Wärmebedarf [kWh/m]
Laufzeit [h/m] Strombedarf [kWh/m]
Januar
Februar
März
April
Mai
Juni
Juli
August
September
Oktober
November
Dezember
6156
4842
3869
1380
636
239
187
187
485
2210
3919
5483
892
678
495
158
66
23
17
17
48
242
494
762
1829
1403
1049
344
148
53
39
39
109
532
1047
1577
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Laufzeit Erdsonde-WP
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Laufzeit: 3307 h/a | Strombedarf: 5687 kWh/a
Monat Wärmebedarf [kWh/m]
Laufzeit [h/m] Strombedarf [kWh/m]
Januar
Februar
März
April
Mai
Juni
Juli
August
September
Oktober
November
Dezember
6156
4842
3869
1380
636
239
187
187
485
2210
3919
5483
688
541
432
154
71
27
21
21
54
247
438
631
1183
931
744
265
122
46
36
36
93
425
753
1054
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Laufzeit Absorbermatten-WP
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Laufzeit: 3394 h/a | Strombedarf: 5775 kWh/a
Monat Wärmebedarf [kWh/m]
Laufzeit [h/m] Strombedarf [kWh/m]
Januar
Februar
März
April
Mai
Juni
Juli
August
September
Oktober
November
Dezember
6156
4842
3869
1380
636
239
187
187
485
2210
3919
5483
725
565
447
155
70
26
20
20
53
244
442
626
1221
954
758
266
121
45
35
35
92
422
758
1068
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Förderung
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Preise
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Nibe-Luft-Wärmepumpe 2020/8: 10.840€• Hydraulisches Anschluß-Set: 830€• Kleinmaterial: 850€• 45 Arbeitsstunden: 1.485€
• Zuzügl. 19% MwSt.: 2.660,95€
• Endbetrag: 16.665,95€
• Förderung: 750€
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Preise
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Nibe-Sole-Wasser-Wärmepumpe 1240/8: 8.500€• Tiefenbohrung: 10.450€• Kleinmaterial: 650€• 32 Arbeitsstunden: 1.056€
• Zuzügl. 19% MwSt.: 3.924,64€
• Endbetrag: 24.580,64€
• Förderung: 1.500€
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Preise
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Nibe-Sole-Wasser-Wärmepumpe 1240/8: 8.500€• Absorbermatten: 4.800€• Kleinmaterial: 650€• 60 Arbeitsstunden: 1.980€
• Zuzügl. 19% MwSt.: 3.026,7€
• Endbetrag: 18.956,7€
• Förderung: 1.500€
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Preise
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Vitolaladens 300T 18, 8kW: 5.173,19€• Kleinmaterial: 660,28€• 30 Arbeitsstunden: 990€
• Zuzügl. 19% MwSt.: 1.338,26€
• Endbetrag: 8.381,73€
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Energiekosten
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Ölpreis 0,87 €/l [http://www.tecson.de/ 05.08.08]
• Strompreis 0,18 €/kWh [ÜWAG] + 96 €/Jahr
• Wärmepumpen-Strompreis 0,14 €/kWh [ÜWAG]+ 66 €/Jahr
• Energiepreissteigerung:
Strom: 4,2 %Öl: 4,2 %[Hamburgisches Weltwirtschaftsarchiv (HWWA), Stand Januar 2007; Entwicklung der Energierohstoffpreise seit 2000]
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Energiekosten
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Erzeuger Energiebedarf
[kWh/a]
Energiepreis
[€/a]
Luft-Wärmepumpe 8172 1210
Erdsonden-Wärmepumpe
5687 862
Absorbermatten-Wärmepumpe
5775 875
Heizkessel 29593 (Heizöl) 2575
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Wirtschaftlichkeit
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Berechnung nach VDI 2067 – Annuitätenmethode
• Kapitalzinssatz 4%
• allgemeine Preissteigerung 2 %
• Wartung und Instandsetzung nach VDI 2067
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Ergebnis Wirtschaftlichkeit
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
Jahresannuitäten
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Luft-Wärmepumpe Erdsonden-Wärmepumpe Absorberm.-Wärmepumpe Heizkessel
[€/a
]
kapitalgebundenen Zahlungen verbrauchsgebundenen Zahlungen
betriebsgebundenen Zahlungen
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Ergebnis Wirtschaftlichkeit
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Annuitäten:
Luft-Wärmepumpe: 3528 €/aErdsonden-Wärmepumpe: 3901 €/aAbsorbermatten-Wärmepumpe: 3251 €/aHeizkessel: 4377 €/a
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Fazit
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• generell sehr hohe Leistungszahlen, bedingt durch geringe Vorlauftemperatur des Heizkreises und effizienten Wärmepumpen (Herstellerangaben)
• durch diese hohen Leistungszahlen sind die Jahresannuitäten der Wärmepumpen sehr gering
• Erdsonden teuer, evtl. bedingt durch regional teure Bohrungen ( 85 €/m ; Angaben aus Vorlesung ~40-60 €/m)
• Absorbermatten trotz großer Fläche recht günstig (Firmenangebot)
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Fazit
1. Einleitung
2. Wärmepumpen-systeme
3. Auslegung des Wärmeerzeugers
4. Wirtschaftliche Betrachtung
5. Fazit
• Hoher Heizölpreis; daraus resultieren die hohen Annuitäten des Heizkessels
• die gute Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpen hängt mit dem vergünstigten Stromtarif für Wärmepumpen zusammen
• durch unterschiedliche Bodenbeschaffenheiten kann eine Wärmepumpenauslegung nicht verallgemeinert werden
Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!