Woher bekommt man einen unabhängigen Preisvergleich von Wärmepumpen 2025 und alle Berechnungen für die Bafa-Förderung. 10.000 Euro bekam der Bauherr bei diesem Beispielprojekt für eine Wärmepumpe im Altbau.
Wer sich nicht auf die Werbung bezahlter Onlineplattformen verlassen möchte, der schaltet am besten ein unabhängiges Ingenieurbüro ein. So tat es auch dieser Bauherr aus dem Kölner Umland und freut sich mittlerweile über eine von der BAFA geförderte Wärmepumpe in seinem Altbau.

Der Bauherr wünschte eine Beratung in Bezug auf den Einbau einer neuen Heizung. Eine Wärmepumpe sollte die alte Gasheizung ersetzen. Wir führten eine Heizlastberechnung, eine Rohrnetzberechnung und einen Hydraulischen Abgleich durch, um schwache Heizkörper für die niedrigeren Vorlauftemperaturen zu finden. Basis der BAFA-Förderung für die Wärmepumpe ist allerdings ein Sanierungsfahrplan den unser Energieberater angefertigt hat. Die Heizflächen wurden optimiert und die bestmögliche Vorlauftemperatur für eine Wärmepumpe berechnet. Alle Dokumente für die Bafa Förderung wurden angefertigt und der Antrag ist mittlerweile bewilligt. Zudem bekam der Bauherr einen Preisvergleich von Wärmepumpen verschiedenster Hersteller, den wir als Planungsbüro der technischen GebäudeAusrüstung über die Jahre angefertigt haben und weiter pflegen.

Inhaltsverzeichnis

1 Altbau mit Wärmepumpen 3

2 Energiepreise 3

2.1 Strom 4

2.1.1 Fossile Strompreise 4

2.1.2 Strom aus erneuerbaren Energien 4

2.2 Gas 5

2.2.1 Gas mit möglicher Preissteigerung 5

2.2.2 Gas mit Preisgarantie für ein Jahr 5

2.3 Pellets 5

3 Heizlast 7

4 Energieverbrauch 7

5 Erneuerbare Energien 8

5.1 Solarenergie 9

5.1.1 Photovoltaik 10

5.1.2 Solarthermie 11

6 Wärmepumpen 11

7 Momentaner Wärmebereiter 11

8 Wärmeübertragen und Effizienz 11

8.1 Heizkörper 11

8.2 Niedertemperaturheizkörper / Wärmeübertrager 11

8.3 Lüftungsgeräte zur ergänzenden Raumbeheizung 13

9 Stromanschluss 13

10 Förderung von Wärmepumpen durch die Bafa 14

11 Fazit 15

11.1 Kostenübersicht 15

11.2 Preisvergleich Wärmepumpen 2025 17

12 Abbildungsverzeichnis 19

13 Disclaimer 19

Altbau mit Wärmepumpen

Das Haus, ein Mittelreihenhaus, stammt aus den 60-ern, wurde jedoch Anfang der 90-er vollständig saniert. Damals wurden die Fenster erneuert (Kunststoff, 2-fach verglast) sowie eine Wärmedämmung von 6,0 cm Stärke auf die Außenwände aufgebracht. Das Dach ist auch gedämmt worden.

Ebenfalls aus den 90-ern stammt auch der Gasheizkessel.

Wir stehen vor der Entscheidung eine Wärmepumpe einzubauen, sind uns aber unsicher welche bzw. vielleicht gibt es auch andere Technologien. Da es ein Reihenhaus ist, würden wir die Wärmepumpe am liebsten im Keller, im Heizungsraum aufstellen. Im Außenbereich kann man die notwendigen Abstände zu den Nachbarn kaum einhalten.

Solar- und Photovoltaik als Ergänzung wären ebenfalls eine Option.

Falls das Budget nicht ausreichen sollte, dann könnte man die ergänzenden Maßnahmen (Photovoltaik z.B.) auch „modular“ zu einem späteren Zeitpunkt nachrüsten.

Wir benötigen von Ihnen keine Ausführungsplanung. Von Ihrer Beratung erwarten wir jedoch konkrete Vorschläge welche Möglichkeiten für uns bestehen. Wie z.B. welche Heizungsart in welcher Kombination für uns gut wäre. Genauso Hinweise welche Heizungen, die auf dem Markt angeboten werden ungeeignet oder schlecht wären. Uns wäre vor solch einer Entscheidung eine unabhängige Beratung wichtig, bevor wir an die Fachfirmen herantreten, damit wir nicht komplett unvorbereitet sind.

Daten

Ca. 120-200 m² Energiebezugsfläche
3 Geschosse UG EG OG DG
Unterkellert Keller Ungeheizt

Energiepreise

Um die berechneten Heizkosten anhand der Jahres-Energie-Bedarfs-Berechnung, werden die lokalen Energiepreise abgefragt und zu einer kleinen Wirtschaftlichkeitsberechnung herangezogen.

Strom Preisvergleich von Wärmepumpen 2025

Bei einem Preisvergleich von Wärmepumpen 2025 ist der Strompreis ein maßgeblicher Faktor für den wirtschaftlichen Betrieb.

Fossile Strompreise

Kerpen Strom Direkt

Für Kurzentschlossene

39,90 Cent / kWh

(Arbeitspreis brutto)

100% Strom aus erneuerbaren Energien

Mindestens ein Drittel der Strommenge kommt aus neu gebauten, umweltschonenden Kraftwerken

Erbringt einen zusätzlichen Umweltnutzen neben der Wirkung staatlicher Fördermaßnahmen

Trägt zu einer schnelleren Energiewende bei

eingeschränkte Preisgarantie bis 31.12.2023

Preisbremse bis 31.12.2023

Erstlaufzeit bis 31.12.2023

Grundpreis 15,00€ /Monat (180,00€/Jahr)

Strom aus erneuerbaren Energien

Kerpen Strom Natur 2021

Kerpen Strom Natur Fix

Umweltschonend und natürlich

47,44 Cent / kWh

(Arbeitspreis brutto)

100% Strom aus erneuerbaren Energien

Mindestens ein Drittel der Strommenge kommt aus neu gebauten, umweltschonenden Kraftwerken

Erbringt einen zusätzlichen Umweltnutzen neben der Wirkung staatlicher Fördermaßnahmen

Trägt zu einer schnelleren Energiewende in Kerpen und der Region bei

Preisbremse bis 31.12.2023

eingeschränkte Preisgarantie bis 31.12.2024

Erstlaufzeit 24 Monate

Grundpreis 15,00€ /Monat

Gas

Gas mit möglicher Preissteigerung

Kerpen Erdgas Direkt

Für Kurzentschlossene und natürlich günstig

13,90 Cent / kWh

(Arbeitspreis brutto)

Preisbremse bis 31.12.2023

eingeschränkte Preisgarantie bis 31.12.2023

Grundpreis 14,61€ / Monat (175,34 € / Jahr)

Gutes Preis-Leistungs-Verhältnis

Ausgewiesen mit der aktuell geltenden MwSt. von 7%

Gas mit Preisgarantie für ein Jahr

Kerpen Erdgas 2021

Kerpen Erdgas Fix

Zuverlässig und garantiert zum Festpreis

16,50 Cent / kWh

(Arbeitspreis brutto)

planbar und zuverlässig

Gutes Preis-Leistungs-Verhältnis

Ausgewiesen mit der aktuell geltenden MwSt. von 7%

eingeschränkte Preisgarantie bis zum 31.12.2024

Preisbremse bis zum 31.12.2023

Erstlaufzeit 24 Monate

Grundpreis 14,61€ / Monat (175,34€ pro Jahr)

Pellets

Ca. 3,7 Tonnen Pellets würden pro Jahr benötigt.

Ansprechpartner für Pellets für Kerpen

Thomas Schäfer

Leiter Verkauf

WestPellets GmbH & Co. KG

Prämienstr. 1

52445 Titz-Ameln

Tel.+49 2463 997000

Fax: +49 2463 997001

Mail. thomas.schaefer@westpellets.com

Werk:

Energiepark Ameln

52445 Titz-Ameln

www.westpellets.com

Heizlast

Normaußentemperatur : -8,5°C

Mittlere Außentemperatur : 10,8°C

Baualtersklasse : 1958-1968

Baujahr : 1960

Beheizte Grundfläche : 197m²

Heizlast : 8kW (42 W/m²)

Auslegungsvolumenstrom : 392 l/h

Vorlauftemperatur : 55 °C

Rücklauftemperatur : 38 °C

Trinkwasserreserve : 3-7 kW incl. Puffer

Energieverbrauch

Typische Wärmeverluste eines Gebäudes mit gedämmtem Dach und Doppelverglasung.

Figure Energieausweis von 2013 Effizienzklasse D

	Strom	Gas		Heizwärmebedarf kWh/m*a
2023	2.144	11.630	kWh	59,0
2022	2.406	16.939	kWh	86,0
2021	2.420	16.864	kWh	85,6
2020	2.490	19.588	kWh	99,4
2019	2.500	17.304	kWh	87,8
2018	2.615	18.808	kWh	95,5
2017	2.820	19.879	kWh	100,9
2016	2.490	16.782	kWh	85,2

Figure der Heizwärmebedarf ist kontinuierlich gesunken

Abbildung Diagramm über Energieverbräuche Gas und Strom für ein Einfamilienreihenhaus in der Rheinischen Tiefebene

Erneuerbare Energien

Photovoltaikstrom wird mit 5 Cent/kWh vergütet. Eine Einspeisung in das öffentliche Stromnetz ist somit nicht wirtschaftlich.

Solarenergie

ärme lässt sich effizienter aus Sonnstrahlung wandeln als elektrischer Strom.

• Wirkungsgrad Solarthermie bis zu 60 %
• Wirkungsgrad Photovoltaik bis zu 22 %

Wärme kann low-tech und günstig gespeichert werden. Somit könnte die Spitzenlast im Winter, die Energiekosten reduzieren.

Energiespeicherkosten	Batterien	Wärmespeicher	Wasserstoff
€/kWh	500	0,05	20
Max Zeitinterval Winter in Tagen	120	3	3650
Zyklenzahl	4.000	20 Jahre unbegrenzt	>10.000

Photovoltaik

Abbildung Solare Potential Analyse

Je ca. 30 m² Fläche stehen auf den Dachhälften zu Verfügung. Gemäß Sanierungsfahrplan wird von 50 m² PV ausgegangen

Die West-Süd ausgerichtete Dachfläche empfiehlt sich für die Anwendung von Photovoltaik. Eine 10 kW_peak Anlage sollte auf dem Satteldach mit Dachfenster Platz finden.

Multipliziert man die Sonneneinstrahlung mit dem Wirkungsgrad der PV von ca. 20 % kommt man auf max. 10.000 kWh Strom pro Jahr.

Ohne Batterie werden ca. 30 % des Solarstroms benutzt.

10 % werden netzdienlich abgeschaltet

Bleiben 4.000 kWh zu 5 c/kWh also 200 € Einspeisevergütung

Die Einsparung durch den Eigenverbrauch wird auf 1.100 € geschätzt.

Die Amortisation kann mit 14 Jahren gemäß des detailierungsgrad der Beauftragten Leistungen angenommen werden.

Weitere 10.000 € für eine Batterie erhöhen den Eigennutzungsgrad auf 90 %.

Solarthermie

Vakuumröhrenkollektoren sind richtungsunabhängiger als Photovoltaik und bringen auch bei Außentemperaturen unter 0°C Wasser zum Kochen. Deswegen ist es oft sinvoller für Wärmezwecke Solarthermie mit einem Wirkungsgrad von 60 % als Photovoltaik mit einem Wirkungsgrad von 20%.

Preisvergleich von Wärmepumpen 2025 Zusatz Equipment

Ein Magnetit Abscheider sollte die Wärmepumpe vor Rost aus dem alten Rohrsystemschützen. Es sind einige Reparaturen am Rohrsystem erforderlich.

Ein Budget für die Instandsetzung sollte für das Rohrsystem vorgesehen werden.

Momentaner Wärmebereiter

Gasheizung: für Betriebsanleitungen bitte hier klicken.

Baujahr:1997

Vl:55°C

Wärmeübertragen und Effizienz

Bei der Planung von Wärmepumpen in schwach gedämmten Altbauten ist zu prüfen, ob die Heizflächen genügen und ob die Vorlauftemperatur zugunsten der Effizienz der Wärmepumpe gesenkt werden kann.

Heizkörper

Die meisten Altbauten wie dieser werden mit Heizkörpern beheizt. Diese eignen sich mäßig für den Einsatz von Wärmepumpen. In der Entwurfsphase wird anhand der Heizlastberechnung geschaut, ob die Leistung der Heizkörper bei geringerer Vorlauftemperatur reicht, oder ob Heizflächen ergänzt werden.

Niedertemperaturheizkörper / Wärmeübertrager

Die nötige Wärmeleistung zur Beheizung kann durch Fläche oder gezwungene Konvektion verbessert werden. Dies ist dort notwendig, wo baulich kein Platz für größere Heizkörper ist.

Dazu können die Heizkörper ausgetauscht werden oder Lüfter ergänzt werden. Die meisten Wärmepumpen können auch im Sommer kühlen. Die Ventilatoren verhindern Kondensation und ermöglichen einen fühlbaren kühl Effekt im Sommer.

Abbildung Beispiel Niedertemperaturheizkörper Jaga

Die Kosten wären ca. 800 €/m je Heizkörper. Es folgt eine Auslegung eines beispielhaften Heizkörpers, um die mögliche Vorlauftemperatur abzuschätzen.

1. Schritt: Wärmeleistung Standard-FHK
FHK Therm-x2
Parameter	Eingabe	Wertebereich
Vorlauftemperatur ϑVL	60,0 °C	[45-110 °C]
Rücklauftemperatur ϑRL	40,0 °C	[40-100 °C]
Spreizung ΔT zw. ϑVL und ϑRL	20,0 K	[ΔTmin ≥ 10 K]
Lufttemperatur ϑLuft	20,0 °C	[16-28 °C]
log. Übertemperatur ΔTLN	28,854 K

2. Schritt: Eingabe Randbedingungen für VL/-RL-Suche
Parameter	Eingabe
Erforderliche Wärmeleistung	986 W	Eingabe aus Tabelle oben oder bekannt
Typ	11	Typ 22 oder Typ 33
Bauhöhe Heizkörper	600 mm	für Plan/Line BH+ 5 mm (z.B. 605)
Baulänge Baulänge	1000 mm	für Plan/Line BL+ 5 mm (z.B. 1005)
Spreizung ΔT zw. ϑVL und ϑRL	10,0 K	[ΔTmin ≥ 10 K]
Lufttemperatur	20,0 °C
ΔpHK über Heizkörper	100 mbar	[25-150 mbar]

3. Schritt: Automatische Berechnung der richtigen VL-/RL-Kombination für Wärmeleistungsgleichheit
VL-/RL-Suche für Auslegungswärmeleistung bei Kermi x-flair!
Wärmeleistung Kermi x-flair Profil
Paramter	Ergebnis
Bauhöhe BH	600 mm
Baulänge BL	1000 mm
Typ	11
„Norm“-Wärmeleistung 45/35/20	914 W
Exponent n	1,154
log. Übertemperatur ΔTLN	20,91 K
Vorlauftemperatur ϑVL	46,3 °C
Rücklauftemperatur ϑRL	36,3 °C
Wärmeleistung x-flair	986 W
Durchfluss	85 l/h
V3K-S-Voreinstellung bei 1 K	4

Die Vorlauftemperatur könnte in diesem Beispiel auf 47°C Reduziert werden

Durch die Reduzierung der Vorlauftemperatur und dem höheren COP einer Luft-Wärmepumpe hat ein Kölner Student 17 % Energieeinsparung durch Ventilator gestützte Heizkörper berechnet.

Lüftungsgeräte zur ergänzenden Raumbeheizung

Eine Wohnraumlüftung kann mit einem Heizregister die frische Zuluft erwärmen. Die benötigten Temperaturen sind gering und harmonieren gut mit Wärmepumpen.

Der geregelte Luftwechsel beseitigt im Winter Schimmel und sorgt für eine Trockenere Raumluft.

Die wichtigste Eigenschaft von Lüftungsgeräten ist die Wärmerückgewinnung und dadurch die Reduzierung der Lüftungswärmeverluste.

Die Lüftungswärmeverluste betragen, je nach Lüftungsverhalten der Bewohner und Dichtigkeit der Gebäudehülle 30 % der Heizkosten und diese können somit um 85 % reduziert werden.

Ein weiterer positiver Effekt von Luftheizung ist die schnellere Aufheizleistung.

Figure Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung zum Wandeinbau ©BlueMartin

Stromanschluss

Abbildung 20 mm Anschlusskabel

Es liegen uns keine Informationen über das Leitungsmaterial vor. Es wird von einem maximalen Strom von 40 A ausgegangen. Viele Wärmepumpen kommen mit einem Anlaufstrombegrenzer.

Der Anlaufstrom der Wärmepumpe für dieses Gebäude wird mit 160 A angenommen. Die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe mit Heizstäben dürfte ungefähr 10 kW_el betragen.

Es wird von ca. 35 kW Anschlussleistung je Kabel ausgegangen.

Für die Wärmepumpe ist voraussichtlich kein neuer Stromanschluss erforderlich

Abbildung Stromstärke von Stromkabeln

Abbildung Stromzähler

Abbildung Sicherungskasten

Abbildung 5 Außendurchmesser von Stromkabeln zur Bestimmung der Hausanschlussleistung https://assets-cdn.helukabel.com/suppliers/Helukabel/documents/db/HELUKABEL_M32001_DE.pdf

[V]

Förderung von Wärmepumpen durch die Bafa

Wärmepumpen werden von der BAFA wegen ihrer hohen Anschaffungskosten gefördert.

Es gibt aber auch Förderungen für innovative Energiesysteme, wie im Kapitel Ausblicke beschrieben wird.

Abbildung Förderung Bafa

https://www.bafa.de/SharedDocs/Downloads/DE/Energie/beg_waermepumpen_pruef_effizienznachweis.pdf?__blob=publicationFile&v=4

Fazit: Kostenprognose Wärmepumpe mit PV und Ladesäule

Es wurden Angebote namhafter Wärmepumpenhersteller eingeholt und verglichen. Die Angebote variieren voneinander bezüglich Leistung, Warmwasserbereitung und Pufferspeichergrößen sowie Zusätzen wie Anlaufstrombegrenzer.

Kostenübersicht aus dem Preisvergleich von Wärmepumpen

	Bemerkung	Herstellerenpfehlung	m²	kWpeak	€ montiert
Wärmepumpe		Remeha		10	25.000 €
Photovoltaik	Module / Wechselrichter	Aleo Solar /SMA, Fronius	50	10	17.500 €
Solarthermie	ohne Puffer	Ritter	5	3	6.000 €
Ladesäule		E3DC	1	22	2.000 €
Förderung					-10.100 €
Batterie	Budgetüberschreitung ohne Förderung	E3DC		10	10.000 €
Puffer		Remeha	1000 l		2.500 €
Förderung					– 2.500 €
					50.400 €

Preisvergleich von Wärmepumpen 2025

Abbildung Preisvergleich Wärmepumpen 2025

In dieser Tabelle über den Preisvergleich von Wärmepumpen 2025 werden Umweltauswirkungen, Investitionskosten und Verbrauchskosten gegenübergestellt.

Ochsner und Stiebel Eltron setzen auf Tischkühler. Diese sind vorteilhaft, wenn Nachbargebäude von Lärm der Wärmepumpen belästigt werden könnten. Die Kompressoreinheit steht dabei im Heizungskeller und der Verdampfer draußen. Bei der Wärmepumpe von Remeha ist der Verdichter in der Außeneinheit und der Rückkühler bläst horizontal aus. Ein Lärmschutzgutachter sollte zur Einschätzung der TA-Luft und der Geräuschemission eingeschaltet werden.

S-Klima bietet Asiatische Ware unter Ihrem Label in Deutschland an. Diese Großwärmepumpe mit 70 kW mit R32 als Kältemittel hat ein geringeres Treibhauspotential, wie die deutschen Wärmepumpen.

Mit 1760 €/kW ist das Asiatische Modell jedoch teurer. Alle zuvor genannten benutzen leise Scroll Verdichter.

Zudem ist die Förderung mit 5 Bonuspunkten für das Kältemittel mit dem kleineren Treibhauseffekt abzuziehen.

Die Wärmepumpen werden in €/kW relativiert und Kosten nach 10 Jahren auf die 15 kW hochgerechnet.

Geothermie kommt bei diesem Projekt nicht in Frage.

In den unteren Zeilen der Wirtschaftlichkeitsberechnungen von Wärmepumpen werden die Investitionskosten und die Verbrauchskosten auf zehn Jahre aufsummiert. Für die Energiepreise wurden aktuelle Versorgeranfragen genutzt. Es werden für die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen zwei Szenarien mit besseren und schlechteren Jahresarbeitszahlen gewählt.

Es wurde in dieser Studie zu aktuellen Wärmepumpen keine günstigere Alternative zu Gasheizung gefunden.

Die kommenden Strompreise sind schwer zu prognostizieren. Jeder Wärmepumpenanbieter hat eine direkte elektrische Zusatzheizung angeboten, um die Spitzenlasten abzudecken. In einer detaillierten Entwurfsplanung können die Betriebsstunden der Heizstäbe anhand der Heizgradstunden des Bivalenz Punktes berechnet werden.

Die Vorlauftemperatur von 60 – 70 °C kann von den angebotenen Wärmepumpen nicht effizient erreicht werden. Heizflächen können ersetzt oder ergänzt werden, um die mangelnde Wärmemenge beim maximalen Volumenstrom auszugleichen.

Mit Ventilatoren kann der konvektive Anteil der Wärmeabgabe erhöht werden. Diese zusätzlichen Kosten verschlechtern die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpen zusätzlich. Die Aufheizzeit kann auch reduziert werden. Die Räume werden jedoch nicht sporadisch geheizt werden, weil die Aufheizzeit erheblich länger wird als bei hohen Vorlauftemperaturen von Verbrennungsheizungen.

Es kann sein, dass die Heizzeiten und Energieverbräuche dadurch steigen.

Der Gaskessel kann theoretisch bestehen bleiben und die Spitzenlastzeiten und die Trinkwarmwasserbereitung übernehmen. Dies würde die Jahresarbeitszahl verbessern. Der Strom wird in Spitzenlastzeiten auch oft mit Gas- und Kohlekraftwerken hergestellt.

An aller erster Stelle sollte jedoch die Dämmung der Gebäudehülle stehen. Dämmen ist die einzige Möglichkeit den Energiebedarf langfristig und krisensicher zu verringern, und somit die Kosten für Wärmepumpenkauf und Betrieb zu reduzieren. Die geminderte Heizlast durch Dämmung, Luftdichtheit, sowie der geringere Heizwärmebedarf kann die Wirtschaftlichkeit nicht fossiler Wärmeerzeuger verbessern.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Luftbild google 3

Abbildung1 Diagramm über Energieverbräuche Gas und Strom für ein Einfamilienreihenhaus in der Rheinischen Tiefebene 8

Abbildung2 Solare Potential Analyse 9

Abbildung3 Stromzähler 12

Abbildung 4 Sicherungskasten 13

Abbildung 5 Preisvergleich Wärmepumpen 2025 15

Disclaimer

Bei den angenommenen Werten handelt es sich um sehr grobe Schätzungen gemäß des detaillierungsgrades des Projektes.

Keiner der geschätzten Berechnungen ist für die Ausführung der Baumaßnahme heranzuziehen und muss gesondert beauftragt werden. Der Ersteller haftet nicht für Abweichungen.

Alle Angaben wurden gewissenhaft nach den anerkannten Regeln der Technik erstellt.

Dieses Dokument dient der Entscheidungsfindung. Die gewählte Variante kann in einem Folgenden Schritt nach VDI 2067 wirtschaftlich betrachtet werden.

Angenommene Preise basieren auf Erfahrungswerte und können Abweichen.

Sparen Sie Heizkosten und optimieren Sie Ihre Wärmepumpe bevor Sie einfach so drauf los bauen. Hier finden Sie in kürze wichtige Informationen zur Wärmepumpenoptimierung mir aussagekräftigen Bildern.

Wärmepumpenoptimierung mit COP 10

Ziel ist es eine Wärmepumpe mit einem COP von 10 zu realisieren. Die Einbindung eines Wärmesees dient dazu die Quelltemperatur derart anzuheben, so dass Trinkwarmwassersbereitung und eine hohe Jahresarbeitszahl erreicht werden. Eine Solarthermische Anlage auf dem Dach führt im Sommer überschüssige Energie in das Erdreich unter dem Gebäude. Es soll untersuchtwerden, welche Optimierungen einerseits der Wärmepumpe selbst anderseits des TW-Systems eine positive Auswirkung auf den COP aufweisen. Dabei soll das Bodengutachten und die Erdreichsimulation analysiert werden.

Wärmepumpenoptimierung kurzgefasst

Die Direktverflüssigung ist eine wirksame Möglichkeit die Verdampfungstemperatur zu reduzieren und die Überhitzung im Pufferspeicher zu nutzen. Dadurch wird der COP verbessert und Trinkwarmwasserbereitstellung mit geringem Aufwand ermöglicht. Die Kältemittelmenge und der TEWI ^[1]steigen.

Ebenso die Herabsenkung der Vorlauftemperatur beeinflusst den COP maßgeblich.

Die Überdimensionierung der WP zu Gunsten des Gütegrades rechnet sich zumindest bei den hier betrachteten Verdichtern nicht. (siehe 6.2)

Wie in Abbildung 5 zu erkennen ist sind im Erdreich Temperaturfühler installiert, welche den tatsächlichen Temperaturverlauf im Erdreich über die Jahre aufzeichnen. Sobald sich die Erdreichtemperaturen des Erdreichs eingependelt habe kann also ein Abgleich der Simulation zu den tatsächlichen Temperaturen durchgeführt werden.

Ab Dezember ist unter keiner Annahme der COP von 10 erreichbar, weil die Verluste des Erdreiches an die Umgebung die nötige Quelltemperatur für einen COP von 10 nicht mehr zu Verfügung stellen. Davor kann eventuell der Puffer mit sehr hohen Temperaturen vorsorgen.

Inhaltsverzeichnis

1 Wärmepumpenoptimierung mit COP 10 – 1 –

2 Begriffe und Abkürzungen: – 3 –

3 Wärmepumpenoptimierung mit COP 10 – 4 –

4 Gebäude mit optimierter Wärmepumpe – 4 –

5 Erdwärme für Wärmepumpenoptimierung, Grundlagen – 6 –

5.1 Wärmeüberschuss aus Solarthermie für die Wärmepumpenoptimierung – 10 –

5.2 Erdreichsimulation – 11 –

5.2.1 Bemessungswerte – 11 –

5.2.2 Simulierter Aufbau – 11 –

5.2.3 Randbedingungen – 12 –

5.2.4 Eingespeiste und entnommene Wärmemenge – 12 –

5.2.5 Messpunkte für Temperaturverlauf – 13 –

5.2.6 Ergebnisse – 14 –

6 Wärmepumpenoptimierung, Grundlagen – 15 –

6.1 Der Kältemittelkreislauf – 16 –

6.2 COP – 17 –

6.3 Jahresarbeitszahl – 17 –

6.4 Gütegrad – 19 –

6.5 Nennbedingungen für Kältemittel-Verdichter – 21 –

7 Optimierung der Wärmepumpe – 22 –

7.1 Dimensionierung der Wärmepumpe – 26 –

7.1.1 Heizlast – 26 –

7.1.2 Warmwasserbedarf – 26 –

7.1.3 Auslegungsleistung der Wärmepumpe – 26 –

7.1.4 Wärmepumpenauswahl – 26 –

7.2 Wirtschaftlichkeit der WP – 28 –

8 Optimierung der Trinkwasserverteilung zugunsten der Wärmepumpe – 29 –

8.1 Zentrale TW-Erwärmung – 30 –

8.2 TW-Verteilung – 30 –

8.3 Pufferspeicher – 33 –

8.4 Überhitzung – 34 –

9 Ergebnisse – 34 –

9.1 Lambda von 2 W/m*K – 34 –

9.2 Lambda von 1,5 W/m*K – 36 –

10 Fazit – 38 –

11 Abbildungsverzeichnis – 40 –

12 Formel- und Tabellenverzeichnis – 41 –

13 Literaturverzeichnis – 41 –

14 Selbstständigkeitserklärung – 42 –

Begriffe und Abkürzungen:

Es werden die Begriffe endsprechend folgender Normen verwendet:

DIN EN 255, DIN EN 14511, DIN V 4701, VDI 4640, VDI 4650

COP	Coefficient of performance, Leistungsziffer: gibt das Verhältnis zwischen zugeführtem elektrischen Strom zu gewonnener Wärme an (siehe 5.2)
EG	Erdgeschoss
FWS	Frisch Wasser Station
Gütegrad	[ηi (eta) oder ν (nü)] Verhältnis der gesamten isentropen Kompressionsleistung zur Leistungsaufnahme Anmerkung 1 zum Begriff: Die gesamte isentrope Kompressionsleistung ist die Summe aus dem jeweiligen Produkt des Massenstromes mal der isentropen Enthalpieänderung bei der entsprechenden Kompressionsstufe. (1)
HEAT2	HEAT2 ist ein PC-Programm für zweidimensionale stationäre und instationäre Wärmeleitung. Typische Anwendungen sind die Berechnung von Temperaturen und Wärmeströmen.
TGA-KÖLN	Institut für Bauen und Nachhaltigkeit
PHPP	Passiv Haus-Projektierungs-Paket
PWC	Potable Water Cold (TWK – Trinkwasser kalt)
PWH	Potable Water Hot (TWW – Trinkwasser warm)
TW	Trinkwasser
WE	Wohneinheiten
WP	Wärmepumpe
WW	Warmwasser

Wärmepumpenoptimierung mit COP 10

Ziel ist es eine Wärmepumpe mit einem COP von 10 zu realisieren. Dazu soll ein geeigneter Verdichter gefunden werden. Es soll untersuchtwerden, welche Optimierungen einerseits der Wärmepumpe selbst anderseits des TW-Systems eine positive Auswirkung auf den COP aufweisen. Dabei soll das Bodengutachten und die Erdreichsimulation analysiert werden.

Gebäude mit optimierter Wärmepumpe

Es handelt sich bei dem Projekt „Schmaler Wall“ um den Neubau eines Mehrfamilienhauses geringer Höhe mit 4 Wohneinheiten in Köln Worringen. Die Anforderungen an die thermische Gebäudehülle, die Luftdichtheit, sowie die mechanische Lüftung entsprechen dem Passivhausstandard. Auf energetischer Seite ist es ein Plusenergiehaus.( Ein Haus, welches mehr Energie produziert, wie es benötigt).

Abbildung PHPP Nachweisblatt

In Abbildung 2 wird das gesamte Energiekonzept dargestellt. Die solarthermische Anlage speist zunächst den Pufferspeicher. Hat dieser die max. Temperatur von 90 °C erreicht, kann eine Temperierung des Fundamentes und der Geschossdecke durch thermische Bauteilaktivierung (Betonkerntemperierung) stattfinden.

Abbildung Haustechnik Schema

Das Erdreich unter dem Flächenfundament verfügt in 1 Meter Tiefe über 100 Meter Rohrleitung (d_i=0,0318m), welche in 3 Meter Abstand mäanderförmig verlegt worden sind. Eine solarthermische Anlage aus Röhrenkollektoren sorgt für warmes Wasser. Das System soll komplett Glykolfrei betrieben werden. Ein 2000 Liter Pufferspeicher speichert den Bedarf für Heizung und Warmwasser. Die Trinkwasserversorgung erfolgt über zentrale TW-Erwärmung und eine Frischwasserstation. Überschüsse werden, sobald der Puffer voll ist, in die Rohre im Erdreich gepumpt. Volkstümlich spricht man bei solchen Systemen von einem Wärmesee.

Reicht die Sonnenenergie nicht aus, soll eine Wärmepumpe monovalent den Bedarf decken.

Erdwärme für Wärmepumpenoptimierung, Grundlagen

Der Untergrund kann als Wärmequelle, Kältequelle und thermischer Energiespeicher genutzt werden. Er ist wegen des großen erschließbaren Volumens und des gleichmäßigen Temperaturniveaus für viele Anwendungen im Niedertemperaturbereich gut geeignet. (1)

Abbildung Bodengutachten, Schichtenaufbau (2)

Das Rohr des Wärmesees verläuft also in Auenlehm, Schluff, schwach sandig, schwach tonig und erdfeucht mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,9-2,3 W/(m*K) (Abbildung 4).Aus dem geologischen Gutachten mittels Rammkernsondierung geht ein Grundwasserstand von 3,6 m Tiefe hervor. Das Gebäude befindet sich in unmittelbarer Nähe des Rheins. Die Hochwasserstände des Grundwassers ab 1969 wurden analysiert. „Aufgrund der Ergebnisse der Sickerversuche kann dem Auenlehm ein Durchlässigkeitsbeiwert k_f = 10^-6 m/s zugewiesen werden“ (2). Die Versickerungsgeschwindigkeit von Lehmboden ist so gering das selbst bei oberflächlicher Überflutung es etwa 1 Jahr dauern würde bis das Rohr des Wärmesees von unten umspült würde. Dies würde für den Wärmesee den vollständigen Verlust der gespeicherten Wärme bedeuten.

Abbildung Thermische Stoffdaten verschiedener Böden (3)

Abbildung Rohrschlangen im Erdreich

Die orangefarbenen Rohre (Abbildung 5) liegen 1 m Tiefe unter dem Fundament und bilden mit dem Randdämmstreifen den Wärmesee. Die Geschwindigkeit mit der das Wasser durch die Rohre im Wärmesee strömt wurde auf 0,2 m/s optimiert. Das weiße Rohr befindet sich in der Bodenplatte, dient als zusätzlicher Speicher, wird aber für die Berechnung nicht beachtet. Zur Kühlung im Sommer sind die blauen Rohre im Erdreich um das Gebäude herum verlegt. (Gelb – Dränage) In der Mitte der Bodenplatte befinden sich die Temperaturmessfühler.

Zum Abgleich mit der Erdreichsimulation wurde die thermische Solaranlage mit dem Programm T*SOL® von Valentin Software simuliert.

Abbildung Anlagenschema nach T*Sol Simulationsprogramm

Stellvertretend für den Wärmesee wird in dieser Darstellung ein überdachtes Schwimmbad verwendet.

Um die Überschüsse an das Erdreich einzuschätzen zu können, wurde eine dynamische Simulation durchgeführt. Die Simulation (Abbildung 6) wurde so optimiert, dass das Schwimmbad zeitlich so betrieben wird, dass die solaren Überschüsse bestmöglich eingesetzt werden können (Betriebszeiten von März bis September). Zudem wurden die thermischen Verluste des Schwimmbads verringert.

Wärmeüberschuss aus Solarthermie für die Wärmepumpenoptimierung

Die Solaranlage zum Simulationszeitpunkt bestand aus 6 Röhrenkollektoren (15,72 m² Bruttofläche). Tatsächlich sollen 40 m² Solarthermie installiert werden.

Der Wärmeüberschuss entspricht ungefähr der „Solarenergie an Schwimmbad“. Dementsprechend ca. 3897 kWh/a (Abbildung 7 Energiebilanz T*SolAbbildung 7). Interpoliert man linear 40 m²/16 m²*3900 kWh/a kommt man auf ungefähr 15600 kWh/a die dem Erdreich eingespeist werden. (Siehe 4.2.4 Eingespeiste und entnommene Wärmemenge)

Abbildung Energiebilanz T*Sol

Erdreichsimulation

Um festzustellen, welche Wärmequellentemperatur der zu untersuchenden Wärmepumpe im Projekt Schmaler Wall zur Verfügung steht, wurde die Erdreichtemperatur durch die nachfolgende dynamische Simulation von Herrn Ullrich Dewald (4) ermittelt:

„Simulation Schmaler Wall – Version 2 vom 13. Mai 2014

Bemessungswerte

	Lambda in W/(mK)	spezifische Wärme in MJ/(m3K)	Stärke in m
Lehmboden	1,45 / 2 / 2,5	4,2
Tragschicht aus Kiessand (0/45)	2	1,3	0,30
Beton einschließlich Sauberkeitsschicht	2,5	2,4	0,30
Multipor	0,045	0,143	0,30
Porenbeton	0,120	0,400	0,20
Fußbodenaufbau gesamt	0,0495	0,14	0,205
Schaumglasschotter	0,110	0,1445

Simulierter Aufbau

Simuliert wurde ein Gebäudeschnitt durch die Längsseite des Gebäudes. Im Querschnitt unten blickt man also auf die 14 Meter breite Schmalseite. Simuliert wurde eine 4,5 Meter breite und 0,2m starke Dämmschürze aus Schaumglasschotter.

Randbedingungen

Außentemperatur: stündliche Temperaturdaten aus Projekt LVR Düren^[2], Wärmeübergangswiderstand Außenluft zum Erdreich und Außenluft zu Außenwand 0,04 m²K/W

Innentemperatur: 21 Grad Celsius, Wärmeübergangswiderstand Innenluft zur Wand 0,13 m²K/W, Innenluft zum Boden 0,17 m²K/W

Mesh-Werte für die Simulation 280 in x-Richtung, 280 in y-Richtung.

Starttemperatur bei der ersten Simulation 21 Grad Celsius, so ist das System in den relevanten Bereichen nahe der Bodenplatte bereits nach zwei bis drei Jahren gut eingeschwungen. Ausgegangen wird dennoch von einem über 10-Jahre eingeschwungenen Temperaturprofil, das für alle ausgewerteten Simulationen als Ausgangsituation verwendet wird.

Simulation über weitere 5 Jahre, ausgewertet wird das letzte Simulationsjahr.

Eingespeiste und entnommene Wärmemenge

Einspeisung ca. 15.000 kWh/a

Diese Wärmemenge wird gemäß Schätzung wie folgt verteilt:

Mai 1500 (1,49144 Bemessungswert für Simulation)

Juni 3375 (3,46760)

Juli 3375 (3,35574)

August 3375 (3,35574)

September 2250 (2,31173)

Oktober 1125 (1,11858)

——————————–

Summe 15000

Entnahme 15 x 500 kWh/a + 1000 kWh/a (TWW) = 8500 kWh/a

Diese Wärmemenge wird gemäß Schätzung wie folgt verteilt:

November 1000 (-1,02744 Bemessungswert für Simulation)

Dezember 2400 (-2,38630)

Januar 2400 (-2,38630)

Februar 2000 (-2,20165)

März 700 (-0,69600)

————————————

Summe 8500

Die Einspeisung und Entnahme erfolgt in der Fläche direkt unter der gesamten Tragschicht (Überstand ca. 0,5m auf jeder Seite) unter dem Gebäude, also auf einer Fläche von 15m x 22,53m = 337,95m² .

Messpunkte für Temperaturverlauf

Erfassung Tageswerte entlang der gesamten Unterkante Dämmung Fußboden.

Koordinaten

10,14 26,687

10,86 26,687

11,58 26,687

12,31 26,687

13,03 26,687

13,75 26,687

14,47 26,687

15,20 26,687

15,92 26,687

16,64 26,687

Erfassung Tageswerte der Erdreichtemperatur in der Einspeiseebene.

Koordinaten

10,14 26,082

10,86 26,082

11,58 26,082

12,31 26,082

13,03 26,082

13,75 26,082

14,47 26,082

15,20 26,082

15,92 26,082

16,64 26,082

Erfassung Tageswerte im Außenstreifen unter der Dämmschürze ausgehend von der Außenkante Bodenplatte bis drei Meter nach außen

9,64 26,57

8,64 26,57

7,64 26,57

6,64 26,57

Von allen Temperaturwerten wird für die Auswertung ein Monatsmittelwert gebildet.

Ergebnisse

Lambda Boden in W/(mK)		UK Dämmung	Einspeiseebene	Dämmschürze
1,45	Jan	16,5	16,1	10,0
	Feb	14,6	14,1	10,2
	Mär	15,1	14,8	11,1
	Apr	16,5	16,3	11,6
	Mai	19,1	19,3	13,5
	Jun	23,6	24,3	16,0
	Jul	27,0	27,7	17,6
	Aug	29,1	29,9	19,2
	Sep	29,5	30,2	18,7
	Okt	28,1	28,6	17,9
	Nov	24,6	24,6	15,8
	Dez	20,0	19,7	12,7
2	Jan	16,3	15,9	10,4
	Feb	14,6	14,1	10,5
	Mär	15,0	14,8	11,3
	Apr	16,3	16,1	11,7
	Mai	18,6	18,7	13,5
	Jun	22,6	23,1	15,8
	Jul	25,5	26,1	17,3
	Aug	27,4	28,0	18,8
	Sep	27,7	28,2	18,4
	Okt	26,5	26,8	17,7
	Nov	23,4	23,3	15,8
	Dez	19,3	19,0	12,9
2,5	Jan	16,1	15,7	10,6
	Feb	14,6	14,1	10,6
	Mär	14,9	14,6	11,4
	Apr	16,0	15,8	11,8
	Mai	18,2	18,3	13,4
	Jun	21,8	22,2	15,7
	Jul	24,5	24,9	17,1
	Aug	26,2	26,7	18,5
	Sep	26,5	26,9	18,2
	Okt	25,3	25,6	17,5
	Nov	22,5	22,4	15,7
	Dez	18,8	18,4	13,0

„ (4) Zitat Ende, Dipl.-Phys. Ulrich Dewald

Redaktionsbüro, Wissenschaft – Technik – Energie

Beutenlaystraße 22, 72525 Münsingen

Telefon +49 173 99 42 968 Ulrich.Dewald@t-online.de<mailto:Ulrich.Dewald@t-online.de

Abbildung Temperatur des Wärmesees bei unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit des Bodens.

Entgegen der Erwartung zeigt sich, dass ein Boden aus wassergesättigtem Ton/Schluff oder wie hier angegeben ein Lehmboden mit einer Wärmeleitfähigkeit von 2 W/(m*K) nach HEAT2 die besten Wärmespeichereigenschaften aufweist. Da unbekannt ist wie feucht der Boden unter dem Gebäude seien wird, werden die Temperaturen für ein Lambda von 1,5 weiter berücksichtigt.

Wärmepumpenoptimierung, Grundlagen

In diesem Kapitel werden die Formeln zur Berechnung des COP vorgestellt.

Die beeinflussbaren Größen, bei der Auslegung einer WP mit maximalem COP sind:

• Die zu erreichende Vorlauftemperatur (möglichst niedrig, 35-45 °C)
• Der Gütegrad des Verdichters (0,5-0,6)
• Auswahl des Kältemittels
• Die Quelltemperatur (Erdreichsimulation)
• Verringerung der Verluste bei der Wärmeübertragung (Direktverflüssigung)

Der Kältemittelkreislauf

Das gasförmige Kältemittel wir von 1 nach 2 (Abbildung 9) durch Scroll-, Turbo-, oder Hubkolbenverdichter (A) komprimiert. Elektrische Leistung P_el wird zugeführt und das Temperaturniveau des Kältemittels erhöht. Von 2 bis 5 kann die Wärme an ein anderes Medium übergeben werden, bis die gesamte Enthalpie verbraucht ist und das Kältemittel wieder flüssig wird. Bei gewöhnlichen Wärmepumpen geschieht dies in Plattenwärmetauschern (B), wodurch sich eine Mischtemperatur zwischen überhitzten Dampf 2 und Fluid 5 für das zu übertragende Medium ergibt. Nach Punkt 5 wird das Fluid durch ein Expansionsventil (C) entspannt. Das erkaltete Fluid kann nun wieder verdampfen (D) bis es annähernd Quelltemperatur erreicht hat. Die Überhitzung von 6 nach 1 wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass wenig Flüssigkeit den Verdichter erreicht. „In der Praxis erweist sich eine Überhitzung von 5 bis 10 Kelvin in Abhängigkeit vom Regelprinzip als ausreichend, wenn auch dann noch mit Resttröpfchen gerechnet werden muss.“ (5) Bei zu starker Überhitzung verschlechtert sich der Liefergrad^[3].

Totraum/Schadraum

Abbildung Kältemittel Kreislauf (6)

COP

Die Leistungszahl bei Wärmepumpen gibt an, wieviel Nutzenergie (Wärme/Kälte) man aus der edlen Energieform Strom umwandeln kann.

Formel COP

[K]

[K]

Jahresarbeitszahl

Formel Jahresarbeitszahl VDI 4650 Blatt 1 / Part 1, S. 10

Die VDI lässt sich für das hiesige System nicht Anwenden da die Wärmequellentemperatur nicht größer 5 °C sein kann. (keine endsprechen Korrekturfaktoren)

Gütegrad

Der Gütegrad ist der Wirkungsgrad eines Verdichters. Er beschreibt die Abweichung zur isentropen Verdichtung. Bei Verdichtern endstehen Verluste durch Undichtigkeiten, mechanische Reibung und durch den sogenannten Totraum oder Schadraum. Dieser Raum entsteht durch die nötige Bewegungsfreiheit der Ventile oberhalb des Kolbenendpunktes.

Formel Gütegrad

Formel isentrope, Verdichterleistung bei tatsächlichen Prüfbedingungen

Vereinfacht ist die tatsächliche Leistung des Verdichters P_ia

Formel vereinfachte Verdichterleistung

Anmerkung:

m₇ ist bei einstufiger Verdichtung = 0

Indize a – tatsächlich

Indize i – grundlegend/isentrop

Überschlagsmäßig kann man mit einem Gütegrad von 0,5 rechnen. Um einen guten Überblick zu bekommen werden hier die besten Komplettwärmepumpen vorgestellt.

Laut dem Bericht des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (7) ist der beste Gütegrad anhand des COP nach DIN EN 14511:

Für elektrisch betriebene Sole / Wasser Wärmepumpen von:

Hersteller	Typ	COP [B0 / W35]	Nennwärmeleistung [kW]	Gütegrad
Waterkotte	EcoTouchAi1 5010.5	5,08	10,59	0,577

Für Direktverdampfungs / Wasser-Wärmepumpen (elektr. betrieben)

Heliotherm

HP08E-M-WEB

5,04

8,24

0,572

Für Wasser / Wasser-WP (elektr. betrieben)

		COP [W10 / W35]
Hautec	HCW-PN-42 R410a	6,5	10,7	0,545
König WP	KWEA 17 T10	6,46	18,05	0,542
Waterkotte	Ai1 QE 5010,5	6,73	13,55	0,564
Waterkotte	Ecotouch DS 5015,5 Ai RC	6,89	13,87	0,575
Waterkotte	Ecotouch DS 5017,5 Ai RC	6,96	17,98	0,584

Es zeigt sich, dass der Gütegrad mit zunehmender Nennleistung steigt.

Nennbedingungen für Kältemittel-Verdichter

Jedes Kältemittel hat einen Einsatzbereich, der durch Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur dargestellt wird. Der Wärmesee bietet ein schwankendes Spektrum an Quelltemperaturen. Deshalb muss ein passendes Kältemittel gewählt werden.

Abbildung t_e / t_c Diagramm (8)

Tabelle Kältemittel, GWP, Verdampfungstemperatur

Kältemittel	Name	GWP Treibhauspotential	Verdampfungstemp. [°C]
R22	Chlordifluormethan	1500	12,5
R404a	Gemisch	3260	7,5
R134a	Tetrafluorethan	1300	25
R407c	Gemisch	1520	12,5
R290	Propan	3	-5

Optimierung der Wärmepumpe

Abbildung R410A spez. WP-Prozess

Abbildung R410A Anwendungsbereich, GEA

In dem Log p h Diagramm (Abbildung 11) ist zunächst nicht ersichtlich das sich dieses Kältemittel für die hiesige Anwendung nicht eignen.

Aus Abbildung 12 geht hervor, dass dieses Kältemittel ungeeignet ist, da es bei der Verdampfungstemperatur von ca. 20 °C nicht anwendbar ist.

Trotz des Bestrebens ein Kältemittel mit niedrigem Ozon-Abbaupotenzial zu finden, ist R 134a ein Kältemittel mit einem sehr weiten Anwendungsbereich.

Abbildung R134a spez. WP-Prozess

Abbildung R134a Anwendungsbereich, GEA

R 134 a hingegen ist geeignet, daher wird es für nachfolgenden Berechnungen zugrunde gelegt.

Tabelle Enthalpie Berechnung für R 134 a

h1 = 418,5 kJ/kg	h2i = 431 kJ/kg	h3 = 418 kJ/kg
h4 = 253 kJ/kg	h5 = 241,5 kJ/kg	h6 = 408 kJ/kg

Formel Berechnung des tatsächlichen Verdichtungszustandes

Dimensionierung der Wärmepumpe

Heizlast

Warmwasserbedarf

„Bei der Warmwasserversorgung durch die Wärmepumpe ist bei ganzjähriger Nutzung ein Zuschlag „…“von 0,25 kW pro Person zu veranschlagen.“ (9)

Auslegungsleistung der Wärmepumpe

Durch den großen Pufferspeicher können Sperrzeiten vernachlässigt werden.

Die Auslegungswärmepumpenleistung beträgt demnach 6,173 kW.

Wärmepumpenauswahl

Es werden zwei Wärmepumpen gegenübergestellt, um herauszufinden, welche Auswirkungen der Gütegrad und die damit einhergehende Überdimensionierung auf die Wirtschaftlichkeit hat.

Tabelle Bruttopreise für Verdichter

Typ	Gütegrad bei 50 Hz	Bruttopreis
HGX 12P/60[4]-4S	0,5	1393,-
HGX 12P/90-4S	0,55	1486,-
HGX 12P/110-4S	0,56	1554,-
HGX 22P/125-4S	0,63	2181,-
Frequenzumformer EFC[5]		2700,-

WP 12 kW, Gütegrad: 0,63

Es wird ein Hubkolbenverdichter von GEA gewählt. Dieser ist stufenlos regelbar, überdimensioniert, arbeitet aber in Abhängigkeit der Frequenz mit einem Gütegrad von 0,63.

Abbildung Leistungsdaten WP 12 kW (10)

WP 6 kW, Gütegrad: 0,5

Abbildung Leistungsdaten WP 6 kW (10)

Wirtschaftlichkeit der WP

Da die Wärmepumpe wegen des Gütegrades stark überdimensioniert ist stellt sich die Frage, ob sich die Mehrinvestition für den größeren Verdichter amortisiert. Der Energieverbrauch der Verdichter sollte dank dem Frequenzumrichter annähernd gleich sein. Der COP bei einem Gütegrad von 0,5 liegt bei 7,93, bei einem Gütegrad von 0,63 bei ca. 8,8.

Die Gesamtwärmenachfrage durch WW-Bedarf und WW-Verteilung endspricht 4257 kWh/a.

Der Jahresheizenergiebedarf liegt bei ca. 4670 kWh/a.

Die Mehrinvestition durch den größeren Verdichter endspricht nach Tabelle 2 Bruttopreise für Verdichter:

2180 €-1400 € = 780 €

Somit liegt der Gesamtenergiebedarf der Wärmepumpe bei:

(4257+4670) kWh/a = 8927 kWh/a.

Die Mehrinvestition würde sich nach 23 Jahren statisch rentieren. Bei einer rechnerischen Nutzungsdauer einer Wärmepumpe von 20 Jahren nach VDI 2067 lohnt sich die Mehrinvestition nicht.

Optimierung der Trinkwasserverteilung zugunsten der Wärmepumpe

Die Optimierung soll ein System hervorbringen, das bei höchsten hygienischen und gesundheitlichen Ansprüchen mit den niedrigen Temperaturen der WP funktioniert.

In den 2 WE zum Technikraum (s. rote Markierung in Abbildung 17) wird auf FWS verzichtet (linker Gebäudeteil). Stattdessen wird Zentrale TW-Erwärmung im Puffer benutzt. Dies verringert die Druckverluste in Plattenwärmetauschern. Die Leitungen können kleiner dimensioniert werden, wodurch weite Strecken mit einem Wasserinhalt kleiner 3 Liter versorgt werden können.

Abbildung Grundriss EG

Die rechte WE wird weiterhin mit einer FWS versorgt.

Zentrale TW-Erwärmung

Angestrebt wird eine zentrale TW-Erwärmung im Puffer. Die Verteilung findet mittels Ringleitung, inkl. rückschlagfreier Zirkulation statt. Die Verflüssigung des Kältemittels soll im Puffer realisiert werden. Eventuell wird die Kälte auch genutzt.

TW-Verteilung

Diese neuartige Idee der Trinkwasserverteilung wurde schon 2007 veröffentlicht. Entwickler und Realisatoren sind Robert Krämer und Joachim Zeeh.

Es handelt sich um eine Kombination aus Ringleitung und Zirkulation. Dadurch können über zwei minimal dimensionierte Rohrleitungen mit wenig Wasserinhalt große Entfernungen mit zirkuliertem WW versorgen. Vereinfacht gesagt halbieren sich die Volumenströme über beide Leitungswege.

In der Praxis geht das natürlich nicht so symmetrisch, weil reale Gebäude individuellen Ansprüchen entsprechen. Doch ist es TGA-KÖLN gelungen das Konzept auf das MFH anzuwenden. Dabei wurden, um die Druckverluste zu minimieren:

• Der anliegende Versorgungsdruck gemessen
• Der Zähler, Filter und die Enthärtungsanlage verbessert

Abbildung Ringleitungsprinzip MFH mit Zeeh Speicher

& genauestens berechnet

• Die Formteile minimiert & meist flexible Rohrleitungen aus Pe X Al verwendet.

Die Zirkulationspumpe wird rückschlagfrei ausgeführt und kann in beide Richtungen durchströmt werden. Diese Zirkulationspumpe verhindert die Stagnation des WW in der Ringleitung und verringert die Ausstoßzeiten der Verbraucher. Bei Anlagenstillstand (keine Entnahme) muss diese im Minutenbereich pumpen, d.h. nach 59.9 min. Somit bleiben die Energiekosten zur Umwälzung gering.

Abbildung DIN 1988-200

Abbildung Ringleitung, linker Gebäudeteil

Abbildung TW, FWS, rechter Gebäudeteil

In Abbildung 20 sind deutlich die beiden parallel verlaufenden Rohleitungen zu sehen, welche die Ringleitung bilden. Der Wasserinhalt jeder Stichleitung inklusive der Ringleitung ist kleiner 3 Liter. Da bei jeder Zapfung die ganze Ringleitung zirkuliert­, ist dieses System hygienisch empfehlenswert.

Pufferspeicher

Der Pufferspeicher beinhaltet 2000 l Warmwasser. Der Puffer kann bis zu 90 °C WW speichern, womit 8 Tage TWW-Bedarf gedeckt werden können. Im äußeren Bereich des Pufferspeichers befindet sich eine Rohspirale in der das überhitze Kältemittel von oben nach unten kondensiert. Dieser Kreislauf kann von einem qualifizierten Kältetechniker direkt an die Wärmepumpe angeschlossen werden, bevor diese befüllt wird. Somit kann in der oberen Schicht die Überhitzung zu 100 % genutzt werden. Die Vormischung mittels Dreiwegeventil des Speichers sorgt dafür, dass die Kunststoff-Rohre im Sommer bei Speichertemperaturen von 90 °C bis max. 70 °C belastet werden.

Abbildung Pufferschnitt

Das wenig abgekühlte Zirkulationswasser aus der Ringleitung wird durch ein „Rohr in Rohr-System“ bei geringer Spreizung wieder erwärmt. Dadurch wird ein effizienter Wärmeübergang im Gegenstromprinzip realisiert.

Zusätzlich werden noch eine Rohrspirale für den Heizkreis im mittleren Bereich und eine solare Einspeisung mit Temperaturschichtung von unten eingebaut. Spezielle Leitbleche und eine Trennscheibe sorgen für gute Schichtung.

Überhitzung

Formel Berechnung der Überhitzungsenthalpie und endsprechender TW-Menge

Das entspricht 63,3 l/h. Somit würden in 4,3 Stunden 270 Liter 60 grädiges WW hergestellt.

Ergebnisse

Nachfolgend wird das Ergebnis der monatlichen COP-Berechnung für 8 unterschiedliche Kombinationen von Randbedingungen in Diagrammen dargestellt. Angenommen wird die in Kapitel 4.2.6 simulierte Quelltemperatur in der Einspeiseebene, einmal für die Variante „Wärmeleitfähigkeit Erdreich = Lambda von 2 W/m*K“ und einmal für die Variante Lambda = 1,5 W/m*K. Die Vorlauf-Auslegungstemperatur liegt zwischen 40 °C und 48 °C. Der Gütegrad wird mit 0,5 oder 0,6 angenommen.

Lambda von 2 W/m*K

Lambda von 1,5 W/m*K

Abbildung COP-Diagramme

Mit dem Gütegrad der in Abschnitt 6.1.4.1 gewählten Wärmepumpe von 0,63. Aus dem Kapitel 7.4 Überhitzung geht eine optimierte VL-Temperatur von 40 °C hervor. Die Nutzung des überhitzten Dampfes sorgt trotzdem für genügend TWW und thermische Desinfektion. Daraus ergibt sich für die zwei Erdreichvarianten folgendes Ergebnis:

Abbildung max. COP, VL-Temp=40 °C

Für die in Abschnitt 6.1.4.2 gewählte WP ergibt sich ein COP für die Heizperiode von ca.6.

Abbildung COP bei einem Gütegrad von 0,5

Fazit

Die Direktverflüssigung ist hingegen eine wirksame Möglichkeit die Verdampfungstemperatur zu reduzieren und die Überhitzung im Pufferspeicher zu nutzen. Dadurch wird der COP verbessert und Trinkwarmwasserbereitstellung mit geringem Aufwand ermöglicht. Die Kältemittelmenge und der TEWI ^[6]steigen.

Ebenso die Herabsenkung der Vorlauftemperatur beeinflusst den COP maßgeblich.

Die Überdimensionierung der WP zu Gunsten des Gütegrades rechnet sich zumindest bei den hier betrachteten Verdichtern nicht. (siehe 6.2)

Wie in Abbildung 5 zu erkennen ist sind im Erdreich Temperaturfühler installiert, welche den tatsächlichen Temperaturverlauf im Erdreich über die Jahre aufzeichnen. Sobald sich die Erdreichtemperaturen der Erdreichs eingependelt habe kann also ein Abgleich der Simulation zu den tatsächlichen Temperaturen durchgeführt werden.

Ab Dezember ist unter keiner Annahme der COP von 10 erreichbar, weil die Verluste des Erdreiches an die Umgebung die nötige Quelltemperatur für einen COP von 10 nicht mehr zu Verfügung stellen. Davor kann eventuell der Puffer mit sehr hohen Temperaturen vorsorgen. (ca. 9 Tage) Realistisch ist ein COP von 6-8. Im Vergleich zu herkömmlichen Systeme namhafter Hersteller mit ein COP von ca. 4 ist das immer noch ein sehr gutes Ergebnis.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 PHPP Nachweisblatt – 5 –

Abbildung 2 Haustechnik Schema – 6 –

Abbildung 3 Bodengutachten, Schichtenaufbau (2) – 7 –

Abbildung 4 Thermische Stoffdaten verschiedener Böden (3) – 8 –

Abbildung 5 Rohrschlangen im Erdreich – 9 –

Abbildung 6 Anlagenschema nach T*Sol Simulationsprogramm – 10 –

Abbildung 7 Energiebilanz T*Sol – 11 –

Abbildung 8 Temperatur des Wärmesees bei unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit des Bodens. – 16 –

Abbildung 9 Kältemittel Kreislauf (6) – 17 –

Abbildung 10 t_e / t_c Diagramm (8) – 21 –

Abbildung 11 R410A spez. WP-Prozess – 22 –

Abbildung 12 R410A Anwendungsbereich, GEA 23

Abbildung 13 R134a spez. WP-Prozess 24

Abbildung 14 R134a Anwendungsbereich, GEA – 25 –

Abbildung 15 Leistungsdaten WP 12 kW (10) – 27 –

Abbildung 16 Leistungsdaten WP 6 kW (10) – 28 –

Abbildung 17 Grundriss EG – 30 –

Abbildung 18 Ringleitungsprinzip MFH mit Zeeh Speicher – 31 –

Abbildung 19 DIN 1988-200 – 31 –

Abbildung 20 Ringleitung, linker Gebäudeteil – 32 –

Abbildung 21 TW, FWS, rechter Gebäudeteil – 32 –

Abbildung 22 Pufferschnitt – 33 –

Abbildung 23 COP-Diagramme – 37 –

Abbildung 24 max. COP, VL-Temp=40 °C – 37 –

Abbildung 25 COP bei einem Gütegrad von 0,5 – 38 –

Formel- und Tabellenverzeichnis

Formel 1 COP – 18 –

Formel 2 Gütegrad – 19 –

Formel 3 isentrope, Verdichterleistung bei tatsächlichen Prüfbedingungen – 19 –

Formel 4 vereinfachte Verdichterleistung – 19 –

Formel 5 Berechnung des tatsächlichen Verdichtungszustandes – 25 –

Formel 6 Berechnung der Überhitzungsenthalpie und endsprechender TW-Menge – 34 –

Tabelle 1 Enthalpie Berechnung für R 134 a – 25 –

Tabelle 2 Bruttopreise für Verdichter – 26 –

Literaturverzeichnis

1. Ingenieure, Verein Deutscher. VDI 4640, Thermische Nutzung des Untergrundes. Düsseldorf : s.n., 2004. VDI 4640.

2. Grimmer, Dipl.-Ing. M. Baugrunduntersuchung mittels Rammkernsondierung. Overrath : GEO Consult, 2014.

3. VDI. 4640, Thermische Nutzung des Untergrundes. Düsseldorf : s.n., 2004. 4640.

4. Dewald, Ulrich. Berechnung Wärmesee. Münsingen : s.n., 2014.

5. Jungnickel, Agsten, Kraus. Grundlagen der Kältetechnik. s.l. : Verlag Technik (1990), 1990. ISBN-10: 3341008063.

6. DIN_EN_13771-1. Kältemittel-Verdichter und Verflüssigungssätze für die Kälteanwendung – Leistungsprüfung und Prüfverfahren – Teil 1: Kältemittel-Verdichter. Berlin : Deutsches Institut für Normung, 2015.

7. Bundesamt, für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle. Wärmepumpen mit Prüfzertifikat des COP-Wertes. Eschborn : s.n., 2014.

8. DIN_EN_12900. Kältemittel-Verdichter – Nennbedingungen, Toleranzen und Darstellung von Leistungsdaten des Herstellers. Berlin : Deutsches Institut für Normung, 2013.

9. Sobotta, Stefan. Praxis Wärmepumpen. Berlin : Solarpraxis AG, 2008. ISBN 978-3-934595-80-4.

10. GEA Bock GmbH. GEA Bock Compressors. [Online] 01. 06 2014. http://vap.gea.com/stationaryapplication/.

11. DIN, Normenausschuss Kältetechnik (FNKä) im. DIN EN 378-1, Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen – Teil 1: Grundlegende Anforderungen, Begriffe, Klassifikationen und Auswahlkriterien. Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin : DIN Deutsches Institut für Normung e. V, August 2012.

1. Total equivalent warming impact, umfasst die gesamte Treibhauswirksamkeit eines Stoffes bei

   der Produktion, im Betrieb und bei der Entsorgung (11) ↑

2. Vergleichbares Projekt ↑

3. der Liefergrad λ ist das Verhältnis des tatsächlich vom Verdichter angesaugten Volumenstroms zum theoretischen Fördervolumenstrom ↑

4. Diese Zahl entspricht ungefähr der Leistung z.B. 60 entspricht 6 kW, 125 ca. 12,5 kW usw. ↑

5. Der Frequenzumrichter ist für jeden Verdichter erforderlich ↑

6. Total equivalent warming impact, umfasst die gesamte Treibhauswirksamkeit eines Stoffes bei

   der Produktion, im Betrieb und bei der Entsorgung (11) ↑