grundlagen zu wärmepumpen mit pv.pptx)

Grundlagen zu Wärmepumpen

Aspekte zum Betrieb

der Wärmepumpe

mit einer PV-Anlage

Energiewende ER(H)langen e.V., 12.9.2019

Grundprinzip

Die Wärmepumpe „pumpt“ die Energie von einer Wärmequelle ins Haus.

Wärme-quelle

z.B. 10°C

Wärmepumpe

z.B. 35°C

Energie

Dazu benötigt sie (meistens elektrische) Energie.

Wärmequelle

Quelle: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V.

Luft

Als weitere Wärmequellen kommen Solar-Eisspeicher und Abwasser in Betracht

Grundwasser Erdwärmekollektoren

Erdwärmesonden

Wärmequelle

z.B. 10°C

Wärme-quelle

Wärmequelle:

- Erdreich

- Wasser

- Luft

In der Wärmequellenanlage zirkuliert eine Flüssigkeit, häufig eine Sole, d.h. Wasser, das mit Frostschutzmittel versetzt ist.

Quelle: waermepumpe.de

Die Flüssigkeit nimmt die Umweltwärme, z.B. aus dem Erdreich oder dem Grundwasser, auf und transportiert diese zur Wärmepumpe.

Eine Ausnahme bilden Luft-Wärmepumpen. Diese saugen über einen Ventilator die Außenluft an, die der Wärmepumpe die Umgebungswärme zuführt.

Wärmepumpe

Entspannen

Der Kältemitteldampf wird zu einem Verdichter/Kompressor weitergeleitet und komprimiert.

Dadurch hebt sich das Temperaturniveau des gasförmigen Kältemittels, es wird also heißer.

2.

In einem weiteren Wärmetauscher, dem Verflüssiger, wird das unter hohem Druck stehende, heiße Kältemittelgas kondensiert, wobei es seine Wärme wieder abgibt.

Die Wärme wird an das Heizsystem des Hauses geleitet.

3.

Anschließend wird das verflüssigte Kältemittel zu einer Drossel geleitet. Hier wird der Druck des Kältemittels wieder verringert wird. Das nun flüssige, entspannte Kältemittel wird schließlich zum Verdampfer zurückgeführt.

4.

1.

In der Wärmepumpe befindet sich ein Kreislauf, in dem Kältemittel zirkuliert.

In einem Wärmetauscher, dem Verdampfer, wird die Umweltenergie von dem ersten Kreislauf auf das Kältemittel übertragen, das dadurch verdampft.

VerdampferVerflüssiger

Entspannen

Verdichten

Wärmeabnehmer

Entspannen

Haus mit Speicher, Wärmeverteilsystem(Fußbodenheizung, Heizkörper) und Warmwasserbereitung

Die Wärme aus der Wärmepumpe wird im Haus zur Heizung des Gebäudes und zur Erwärmung des Warmwassers verwendet.

Häufig wird ein Pufferspeicher zur Wärmespeicherung eingesetzt.

Als Heizungssysteme kommen Flächenheizungen (Fußbodenheizung, Wandheizung, Deckenheizung), aber auch Heizkörper in Betracht.

Zur Warmwasserbereitung wird ein Warmwasserspeicher oder eine Frischwasserstation (Wärmetauscher) verwendet.

Gesamtübersicht

Ca. 0° - 15°CCa. 35° - 60°C

Wärme-quelle

Wärmequelle:- Erdreich- Wasser- Luft

Entspannen

Energie

VerdampferVerflüssiger

Entspannen

Verdichten

Haus mit Speicher und Wärmeverteilsystem- Fußbodenheizung- Heizkörper

Die Wärmepumpe entnimmt der Umwelt Energie und transportiert sie auf höherem Temperaturniveau in Haus.

Energetische Bilanz

Der Wärmequelle (Außenluft, Erdboden, Grundwasser, Abwasser oder Abluft, wird Energie (Wärme) durch Einsatz der Wärmepumpe entzogen.

Dazu wird Energie benötigt. Fast immer ist dies elektrische Energie, es kann aber auch Gas sein (Gasmotor).

Ein Vielfaches der für die Wärmepumpe eingesetzten elektrischen Leistung kann der Wärmequelle entzogen werden und auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt werden.

In der Leistungsbilanz wird der Wärmepumpe elektrische Leistung für den Antrieb des Verdichters zugeführt.

Am Austritt der Wärmepumpe steht die zugeführten Energie (Umweltwärme und elektr. Energie) als Wärme auf höherem Niveau zur Verfügung.

In der Gesamtleistungsbilanz sind noch die Verluste des Prozesses zu berücksichtigen.

Energetische Bilanz der WP

Wärmepumpe

Energie

Umweltwärme

Wärmeverluste

Nutzbare Wärme

Das Verhältnis von der in den Heizkreis abgegebenen Nutzwärme zur zugeführten elektrischen Energie wird als Leistungszahl (oder auch Coefficient of Performance = COP) bezeichnet.

Der COP ist ein Wert, der auf dem Prüfstand unter definierten Bedingungen für die Wärmepumpe ermittelt wird. Er erlaubt jedoch keine energetische Bewertung der Gesamtanlage.

Energetische Bilanz der WP: COP

Wärmepumpe

Energie: 1 kWh

Umweltwärme: 3,5 kWh bei 10 °C

Wärmeverluste

Nutzbare Wärme: 4,5 kWh bei 50°C

Beispiel: Mit 1 kWh elektrische Energie wird mittels 3,5 kWh Umweltwärme eine nutzbare Wärme

von 4,5 kWh dem Heizsystem zur Verfügung gestellt.

COP = 4,5 kWh / 1 kWh = 4,5

Energetische Bilanz des Heizsystems (JAZ)

Um wirklich reale Aussagen über die Bilanz eines Wärmepumpensystems machen zu können, wird die Jahresarbeitszahl (JAZ) ermittelt.

Die JAZ stellt das Verhältnis von Wärmeenergie zu Elektroenergie pro Jahr dar.

Hierbei gibt es eine berechnete Jahresarbeitszahl und eine gemessene

Jahresarbeitszahl.

Bei der Planung wird die berechnete JAZ verwendet. Dieser Wert wird auch für die Förderung der Wärmepumpe notwendig. Er kann mit entsprechenden Rechnern anhand von etlichen Berechnungsfaktoren errechnet werden.

Die wirkliche, gemessene Jahresarbeitszahl wird vom Nutzer beeinflusst., z.B. Vorlauftemperatur, Menge des Warmwassers etc.

Es ist zu beachten, dass geeichte Zähler erforderlich sind und sämtliche Stromverbraucher inkl. Hilfsantriebe, Regelung und Zusatzheizer erfasstwerden müssen.

Leistungszahl (COP) / Jahresarbeitszahl (JAZ)

Leistungszahl Jahresarbeitszahl

Effizienz der Wärmepumpe unter standardisierten Bedingungen

Effizienz des gesamten Wärmepumpen- und Heizsystems

Theoretischer Wert Berechneter Wert für die Planung bzw. gemessener Wert im Betrieb

Vergleich verschiedener Wärmepumpen

Konkrete Situation

Durchschnittlicher COP im Neubau: Luftwärmepumpe: 3,4Erdwärmepumpe: 4,5Grundwasserwärmepumpe: 5

Durchschnittliche JAZ im Neubau: Luftwärmepumpe: 2,9Erdwärmepumpe: 3,9Grundwasserwärmepumpe: 4,4

Grundlage für die BAfA-Förderung Wichtig für die Wirtschaftlichkeit in der konkreten Anwendung

Energetische Bilanz des Heizsystems

Vielerlei Faktoren beeinflussen die Jahresarbeitszahl :

• Qualität der Hard- und Software, • Arbeit des Fachbetriebes, • Temperatur der Wärmequelle, • Vorlauftemperatur des Heizsystems, • Speichern oder Wärmeverteilsystem

Weiterhin ändern sich die JAZ im Jahresverlauf die Temperaturen, unter denen die Wärmepumpe arbeiten muss.

Die JAZ liegt in Deutschland in der Größenordnung von 2,5 (Luft) bis 4,5 (Sole), bei Grundwassersystemen auch über 5.

Eine Wärmepumpe mit einer hohen JAZ benötigt nur ca. ein Drittel bis ein Viertel der Heizenergie als Antriebsenergie.

Generelle Hinweise zu Wärmepumpen

Generelle Punkte für den Betrieb einer Wärmepumpe:

• Die Vorlauftemperatur des Heizsystem sollte nicht zu hoch sein (möglichst 30°C – 50°C), da ansonsten die Effizienz sinkt und der Stromverbrauch steigt.

• Aus diesem Grund sind Flächenheizungen zu bevorzugen. Bei hohen Vorlauftemperaturen sind ggf. die Heizkörper auszutauschen oder Spezialheizkörper einzusetzen.

• Der Strom, der nicht aus der PV-Anlage kommt, sollte als Ökostrom bezogen werden.

• Insbesondere bei Luft-Wärmepumpe ist auf den Geräuschpegel zu achten

Auf diese Punkte wird in diesem Vortrag nicht näher eingegangen, da dies unabhängig vom Betrieb mit einer PV-Anlage gilt und den Rahmen sprengen würde.

Ökologische Bilanz des Heizsystems

Kommt dazu noch die Antriebsenergie aus möglichst emissionsfreien Quellen (PV, Windkraft, Wasserkraft,…) lässt sich mit der Wärmepumpe effiziente und klimaneutrale Heizwärme gewinnen.

Die Umweltverträglichkeit wird somit durch mehrere Faktoren beeinflusst:

• Art der Stromerzeugung (CO2-Bilanz, Schadstoffemission, Verluste bei der Leitung des Stroms)

• Jahresarbeitszahl des gesamten Heizsystems• Treibhauspotenzial des Kältemittels

KraftwerkPrimär-energie

daraus gewonnene elektrische

Energie

Nutzwärme bei JAZ 3,5

Faktor Primärenergie-

einsparung

Kohlekraftwerk 2,4 kWh 1 kWh 3,5 kWh 1,46

GuD-Kraftwerk 1,7 kWh 1 kWh 3,5 kWh 2,05

Wasser-/Windkraft/Photovoltaik 1 kWh 1 kWh 3,5 kWh 3,50

Kernkraftwerk 3 kWh 1 kWh 3,5 kWh 1,16

Kraftwerksmix Deutschland 2,4 kWh 1 kWh 3,5 kWh 1,46

Einfluss der Stromerzeugung: Beispiel für eine JAZ von 3,5

Eingesetzte Mittel, Auswirkungen

Kältemittel:

• wird in allen Wärmepumpen eingesetzt.• Diese Mittel sind klimawirksam. • Die Wirksamkeit wird mit dem GWP – Wert (Global Warming Potential) aufgezeigt.

Die GWP-Werte zeigen die Wirksamkeit im Vergleich zu CO2 • Gängige Kältemittel aktuell u.a.: R404A (GWP 3922), R407C (GWP 1174), R410A (GWP

2088), R134a (GWP 1430)• Künstlich hergestellte Kältemittel wirken sich stark auf die Umwelt aus. • Es gibt jedoch auch klimafreundliche Alternativen wie R744, R290, R600a oder R1270.

Diese haben eine wesentlich geringere Klimawirksamkeit. • Bei nicht sachgerechtem Recycling kann es zur Freisetzung dieser Stoffe und zu

entsprechenden Treibhausgasemissionen kommen.

Durch die sogenannte F-Gase-Verordnung soll in Zukunft die Klimaauswirkung gesenkt werden:• ab 2020 dürfen bei Wärmpumpen nur noch Kältemittel mit einem max. GWP-Wert von

2500 eingesetzt werden• ab 2025 darf der GWP-Wert bei neuen Kältemitteln maximal 750 betragen

Eingesetzte Mittel, Auswirkungen

Sole:

• Wird nur bei Sole-Wasser-Wärmepumpen eingesetzt. • Sie läuft in einem Kreislauf und transportiert die Wärme des Erdreichs zur Wärmpumpe.• Die Sole besteht aus Wasser, Glykol (Frostschutzmittel) und geringe Mengen von

Korrosionsinhibitoren. • Glykol ist ein Alkohol ((Mono-)Ethylenglycol, chemischen Bezeichnung Ethan-1,2-diol)• Glykol gehört zur Wassergefährdungsklasse 1 „schwach wassergefährdend“ und damit

nicht ins Grundwasser. • Gem. WasgefStAnlV (Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden

Stoffen) und §62 WHG (Wasserhaushaltsgesetz) steht sowohl der Betreiber als auch der Erbauer in der Verantwortung.

• Der Erbauer ist für die Einhaltung der Regeln der Technik und der Betreiber für den ordnungsgemäßen Betrieb der Anlagen verantwortlich.

Da die Mengen relativ gering sind, ist die Gefährdung des Grundwassers eher gering einzuschätzen.

Glykol wird auch als Frostschutzmittel in KFZ und als Enteisungsmittel auf Flughäfen eingesetzt .

Betrieb der Wärmepumpe mit Photovoltaik

Wenn eine PV-Anlage vorhanden oder geplant ist, kann die elektr. Energie teilweise von der PV-Anlage verwendet werden.

Da in der Regel im Winter, wenn die Wärme gebraucht wird, weniger Energie von der PV-Anlage zur Verfügung steht, ist dies begrenzt.

Aber insbesondere in der Übergangsjahreszeit kann die PV-Anlage je nach Leistung und sonstiger Stromverbrauch erheblich dazu beitragen, die Wärmepumpe mit Strom vom eigenen Dach zu versorgen.

Die Wärmepumpe sollte mit einem Pufferspeicher betrieben werden um den Stromüberschuss an einem Tag thermisch zu speichern.

Insbesondere wenn die PV-Anlage ohne Batteriespeicher betrieben wird, sollte dieser Pufferspeicher durchaus ein Volumen von 600 bis 800 Liter haben.

Sinnvoll können auch ein 300 Liter Speicher für Warmwasser (höhere Temperaturen von ca. 60° C) und ein zweiter Speicher mit 300 bis 400 Liter Volumen für die Flächenheizung (niedrigere Temperaturen von ca. 30° C) sein.


Eine Inverter-Wärmepumpe ist für den Betrieb mit PV besser geeignet, da sie drehzahlgeregelt betrieben wird und sich besser an die Sonneneinstrahlung anpasst.

Sinnvoll ist es, die Wärmepumpe über ein Energiemanagement von der PV-Anlage steuern zu lassen. Hierzu muss eine entsprechende Schnittstelle vorhanden sein.

Dann kann die Wärmeerzeugung bevorzugt in der Zeit stattfinden, in der genügend PV-Ertrag vorhanden ist. Eventuell kann dadurch auch eine Wirkleistungsbegrenzung auf 70% vermieden werden.

Wieviel Energie für den Betrieb der Wärmepumpe von der PV-Anlage geliefert werden kann, hängt von mehreren Parametern ab:

• Leistung / Ausrichtung der PV-Anlage max. zur Verfügung stehende elektr. Energie• Stromverbrauch im Haushalt• Optimierung des Eigenverbrauchs durch Ansteuerung der Wärmepumpe (SG ready) mittels

Energiemanager• Volumen des Pufferspeichers• Nutzung eines Batteriespeichers• Wärmebedarf des Hauses

Betrieb der Wärmepumpe mit PhotovoltaikAus diesem Grund gibt es keine generellen Aussagen, wie hoch der Anteil des PV-Stroms ist, der für die Wärmepumpe genutzt wird.

PV Anlage 6 kWp 5.000 kWh/aStromverbrauch im Haushalt 4.000 kWh/aEnergie f. Heizung / WW: 12.000 kWh/a

Heizenergie mit Wärmepumpe:Jahresarbeitszahl WP 3Strombedarf für WP gesamt 4.000 kWh/a

Ohne Wärmepumpe: 1,5 kWp/MWhEigenverbrauch 1.250 kWh/a (25%)Einspeisung 3.750 kWh/a (75%)

Mit Wärmepumpe: 0,75 kWp/MWhEigenverbrauch 1.750 kWh/a (35%)Einspeisung 3.250 kWh/a (65%)Strom Wärmepumpe aus PV 500 kWh/a

Autarkiegrad WP 13 %

Fazit:• In diesem Beispiel wird 13% der Heizenergie durch die PV-Anlage geliefert. • Besser wäre eine PV-Anlage mit höherer Leistung (z.B. 10 kWp), um einen höheren Anteil des

Heizenergiebedarfes zu decken. • Bei Nutzung einer Wärmepumpe zur Gebäudeheizung die Dachfläche möglichst

voll belegen.


Parallelschaltung

Üblicherweise wird eine Wärmepumpe über einen separaten Stromzähler parallel zum Haushaltszähler an das Netz angeschlossen. Damit wird ermöglicht, dass ein spezieller Wärmepumpentarif, der in der Regel günstiger ist als der Haushaltstarif, genutzt werden kann.

Eine Photovoltaikanlage kann hier entweder die Hausverbraucher oder die Wärmepumpe speisen, aber nicht beide.

Zh

Verbraucher

Zwp

WPPV


Wärmepumpenkaskade

Zg

WP

Zh

VerbraucherPV

Will man sowohl die Hausverbraucher, als auch die Wärmepumpe mit Solarstrom versorgen und trotzdem einen Wärmepumpentarif nutzen, braucht man eine Wärmepumpenkaskade.

Die beiden Zähler werden nun hintereinander geschaltet. Der Wärmepumpenverbrauch wird nun rechnerisch ermittelt:

Strombezug: Bh = ZhBBwp = ZgB – ZhB

Eigenverbrauch: EVh = PV – ZhLEVwp = ZhL – ZgL

Einspeisung: ZgL

Die Hausverbraucher werden vorrangig mit Solarstrom versorgt. Nur das was übrig bleibt steht der Wärmepumpe zur Verfügung.

ZhL

ZhB

ZgL

ZgB

Netz


Betrieb der Wärmepumpe mit Haushaltsstrom

Man kann natürlich auch auf den Wärmepumpentarif verzichten und die Wärmepumpe mit (teueren) Haushaltsstrom versorgen.

Dann werden Hausverbraucher und Wärmepumpe gleichberechtigt mit Solarstrom versorgt. Man kann nun den Eigenverbrauchsanteil der Wärmepumpe nicht mehr aus der Zählerablesung ermitteln.

Zh

VerbraucherWPPV

Bei dieser Lösung spart man einen Zähler samt der zugehörigen Grundgebühr. Deshalb lohnt sich das immer dann, wenn die Wärmepumpe einen niedrigen Netzbezug hat.

Beim ESTW-Wärmepumpentarif ist dies der Fall, wenn der Netzbezug für die Wärmepumpe < 1.200 kWh pro Jahr ist.


Beispiel: KaskadenschaltungPV-Anlage: 9,60 kWpBatteriespeicher: 13,2 kWhBewohner: 3 Personen

berufstätig / KindergartenKantinen-Esser

Spülm, Waschm, Trockner, Kühlschr GFWohnfläche: ~ 200 m²

Hausform: EG+OG+DG; kompaktDämmung: sehr gut

Fasaden: PU 16 cmDach: Mineralfaser 20 cm Keller: oberirdisch

Fenster: 3fach ThermoStromverbrauch: 2.300 kWh/a

Heizung: L/W Wärmepumpe

Verbrauch: 3.100 kWh/aWP-Kaskade

JAZ: > 3,5thermisch: 10.900 kWh/a

Warmwasser: WärmepumpePufferspeicher: Hydrotower 300 lEnergiekennwert: 55 kWh/m²a

Energieverbrauch (ext): 5.400 kWh/a


Beispiel: Wärmepumpenkaskade

Verbrauch nach Tarifen Autarkiegrade

Haus: 71 %WP: 38 %Gesamt: 52 %

Der Netzbezug der Wärmepumpe liegt bei rund 1.900 kWhpro Jahr: Wärmepumpen-kaskade ist günstiger

kWh

PV-Anlage: 7,68 kWpBatteriespeicher: 2,0 kWhBewohner: 1 Personen

berufstätigKantinen-Esser

Spülm, Kühlschr, GefriertrWohnfläche: ~ 100 m²Hausform: EG+DG; kompaktDämmung: sehr gut

Fassaden: PU 18 cmDach: Zellulose 26 cmKeller: Außenwand

Fenster: 3fach ThermoSüden: groß & unverschattet

Stromverbrauch: 1.200 kWh/aHeizung: L/W Wärmepumpe

Verbrauch: 1.200 kWh/aHaushaltsstrom

JAZ: > 3,5thermisch: 4.200 kWh/a

Zusatzheizung: PelletofenVerbrauch: 200 kg/athermisch: 1.000 kWh/a

Warmwasser: WärmepumpePufferspeicher: WW 300 l

Heizen 800 lEnergiekennwert: 52 kWh/m²aEnergieverbrauch (ext): 3.400 kWh/a


Beispiel: Haushaltsstom


Beispiele: Haushaltsstrom (links) und Kaskadenschaltung (rechts)

Im linken Beispiel (Wärmepumpe über Haushaltsstrom) kann der Anteil Eigenverbrauchsanteil nicht aus den Zählerablesungen ermittelt werden. Der Autarkiegrad der Wärmepumpe dürfte wegen des kleinen Speichers aber etwas niedriger liegen als beim Beispiel mit Wärmepumpenkaskade.

Im linken Beispiel liegt der Netzbezug der Wärmepumpe sicher unter 1.200 kWh pro Jahr:Haushaltsstrom ist günstiger

Der Batteriespeicher wurde beim rechten Beispiel im März in Betreib genommen. In diesem Monat erfolgte noch keine Aufteilung des Eigenverbrauchs auf Direktverbrauch und Batterieentladung.

kWh

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

MW

Netzbezug Batterieentladung Direktverbrauch

0

200

400

600

800

1000

1200

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

MW

Direktverbrauch Batterieladung Netzeinspeisung

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

MW

Netzbezug Nb Batterieentladung Se Direktverbrauch

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

16001 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

MW

Direktverbrauch Batterieladung Sl Netzeinspeisung Ne

0% 20% 40% 60% 80% 100% 0% 20% 40% 60% 80% 100%

Verbrauch

Erzeugung

grundlagen zu wärmepumpen mit pv.pptx)

Documents