Oberflächennahe Geothermie - Wärmeversorgung für ein Einfamilienhaus

1. Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit Oberflächennahe Geothermie - Wärmeversorgung für ein Einfamilienhaus

2. Ziele • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • Auslegung eines Wärmeerzeugers für ein Einfamilienhaus • Nutzung von oberflächennaher Erdwärme → Wärmepumpe • - Absorbermatten (Sole/Wasser) • - Erdsonde (Sole/Wasser) • - Luft (Wasser) • - Heizkessel (zum Vergleich)

3. Wärmepumpen • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • Funktionsprinzip einer Wärmepumpe • [http://www.werner-kotulla.de/ 03.08.08]

4. Sole/Wasser Wärmepumpe - Kollektoren • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • Funktionsprinzip • [Nibe 08] • Wärme wird dem Erdreich über Absorbermatten entzogen

5. Absorbermatten • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • Tiefe: 20cm unterhalb der örtlichen Frostgrenze • → 1,2m bis 1,5m Tiefe • Low-Flow-Prinzip

6. Sole/Wasser Wärmepumpe - Sonden • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • Funktionsprinzip • [Nibe 08] • Wärme wird dem Erdreich über Erdsonden entzogen

7. Bohrungen • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • Senkrechte Bohrungen in das Erdreich • Doppel-U-Sonden oder Koaxialsonden • nicht tiefer als 150m • ab 50m Tiefe muss 6m Abstand gehalten werden

8. Luft/Wasser Wärmepumpe • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • Funktionsprinzip • [Nibe 08] • Wärme wird der Außenluft entzogen und diese wird zur Verdampfung genutzt

9. Betriebsweisen • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • monovalente Betriebsweise • Wärmebedarf muss zu 100% von der Wärmepumpe gedeckt werden • bivalente Betriebsweise • Es wird ein Bivalenzpunkt festgelegt. Ab dem Bivalenzpunkt wird ein zweiter Wärmerzeuger hinzugeschaltet. Der zweite Wärmeerzeuger ist idR ein elektrischer Heizstab. • bivalenten-parallele Betriebsweise • Ab dem Bivalenzpunkt decken beide Wärmeerzeuger parallel den Wärmebedarf

10. Betriebsweisen • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • bivalenten-alternative Betriebsweise • Ab dem Bivalenzpunkt deckt nur der zweite Wärmeerzeuger den Wärmebedarf (oft Heizkessel; z.B. bei Nachrüstung)

11. Gebäude • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit

12. Gebäude • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit

13. Gebäude • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit

14. Heizlast nach DIN EN 12831 • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • unbeheizter Keller • Dichtigkeitsprüfung erfolgt • Wärmebrückenzuschlag ΔUWB=0,05 W/m²K • U-Werte: • Außenwände: 0,2 W/m²K • Kellerdecke: 0,4 W/m²K • Oberste Geschossdecke: 0,2 W/m²K • Türen: 1,3 W/m²K • Fenster: 1,3 W/m²K • Standort Fulda

15. Heizlast nach DIN EN 12831 • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • Transmissionswärmeverluste: ΦT= 4166 W • Lüftungswärmeverluste: ΦV= 2788 W • Norm-Heizlast: ΦHL,Geb= 6954 W • Heizlast ist 7 kW

16. Auswahl der Wärmeerzeuger • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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]

17. Bodenbeschaffenheit • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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]

18. Heizwärmebedarfnach DIN V 4108-6 • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit

19. Trinkwarmwasserbedarf • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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

20. Wärmebedarf inkl. TWW und Verlusten • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit

21. COP Abhängigkeit von Umgebungstemperatur • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • Erdsonden: Abhängigkeit der Außentemperatur sehr gering, daher als konstant betrachtet • Absorbermatten: Abhängigkeit der Außentemperatur etwas größer • Luft: starke Abhängigkeit von Außentemperatur

22. Außentemperatur Fulda • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit 6. Klimaregion mit Außentemp. gemäß DIN 4108-6

23. COP Luft-WP • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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]

24. COP Luft WP • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit

25. COP Absorbermatten-WP • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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]

26. COP Absorbermatten-WP • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • [Kraft 08] [Nibe 08]

27. COP Erdsonden-WP • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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]

28. Leistung • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • daraus resultieren folgende Jahresleistungszahlen: • Sonde: 5,2 • Absorber: 5,13 • Luft: 3,65

29. Wärmepumpendaten • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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 kW • Qth= 8,2 kW • COP= 4,9 • Bei 3°C/35°C resultiert: • Pel= 1,72 kW • Qth= 8,95 kW • COP= 5,2 • Es werden 7,23 kW aus dem Erdreich benötigt

30. Tiefe der Bohrung • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • LSonde= benötigte Leistung / spez. Entzugsleistung [m] • LSonde= 7230W / 59 W/m = 122m • gewählt: 2 Bohrungen à ~60m

31. Fläche der Absorbermatten • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit Akoll= benötigte Leistung / spez. Entzugsleistung [m²] Akoll= 7230W / 20 W/m² = 360m²

32. Laufzeit Luft-WP • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit Laufzeit: 3892 h/a | Strombedarf: 8172 kWh/a

33. Laufzeit Erdsonde-WP • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit Laufzeit: 3307 h/a | Strombedarf: 5687 kWh/a

34. Laufzeit Absorbermatten-WP • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit Laufzeit: 3394 h/a | Strombedarf: 5775 kWh/a

35. Förderung • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit

36. Preise • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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€

37. Preise • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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€

38. Preise • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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€

39. Preise • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • Vitolaladens 300T 18, 8kW: 5.173,19€ • Kleinmaterial: 660,28€ • 30 Arbeitsstunden: 990€ • Zuzügl. 19% MwSt.: 1.338,26€ • Endbetrag: 8.381,73€

40. Energiekosten • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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]

41. Energiekosten • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit

42. Wirtschaftlichkeit • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • Berechnung nach VDI 2067 – Annuitätenmethode • Kapitalzinssatz 4% • allgemeine Preissteigerung 2 % • Wartung und Instandsetzung nach VDI 2067

43. ErgebnisWirtschaftlichkeit • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit

44. ErgebnisWirtschaftlichkeit • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • Fazit • Annuitäten: • Luft-Wärmepumpe: 3528 €/a • Erdsonden-Wärmepumpe: 3901 €/a • Absorbermatten-Wärmepumpe: 3251 €/a • Heizkessel: 4377 €/a

45. Fazit • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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)

46. Fazit • Einleitung • Wärmepumpen-systeme • Auslegung des Wärmeerzeugers • Wirtschaftliche Betrachtung • 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

47. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!