Wärme aus Luft und Boden:

Vorteile, Rahmenbedingungen, Vorgehensweise

Gebäudebeheizung mit Wärmepumpen

Inhaltsverzeichnis

• Qualifizierungskampagne „Energie – aber wie?“• Einführung zur Erdwärmenutzung• Wärmequellen für Wärmepumpen:

– Erdwärme, Grundwasser, Außenluft

• Funktion der Wärmepumpe• Rahmenbedingungen• Ausführungsempfehlungen • Genehmigung / Förderung• Kontakt und Information

Energie – aber wie? qualifiziert mit Erneuerbaren Energien

• Plattform zur Wissensvermittlung • Initiiert durch Wirtschaftsministerium Baden-Württ.• Verstärkte und fachgerechte Anwendung der

erneuerbaren Energietechnologien sichern• Kompetenzen an beteiligte Akteure vermitteln• Wissensvermittlung in Seminaren• Veranstaltungen und Aktionen• Umsetzungspakete für Multiplikatoren• Internetplattform www.energie-aber-wie.de

Entwicklung Wärmepumpenmarkt in D

420 527 1.0221.3001.4501.8502.3103.580

4.3704.7195.736

8.2158.3269.745

12.636

18.217

1990

1991

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2004

2005

Wärme-

pumpen-anzahl

(St)

Einführung zur Erdwärmenutzung

• 0,1 % der Erde sind kälter als 100°C• Energie durch Wärmestrom aus dem Erdinneren sowie

radioaktiven Zerfall der Elemente• Tiefer als ca. 10 m gibt es quasi keine jahreszeitlichen

Temperaturschwankungen (Temperatur ungefähr 10 °C) mehr.

• Die Temperatur nimmt alle 30-40m um ca. 1 Grad zu• Wärmeausbeute in Abhängigkeit des geologischen

Schichtenaufbaus

Arten der Geothermie

• Oberflächennahe Geothermiebis 400 m Tiefe / ca. 8 – 25 °CEinsatz von Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung Potenzial etwa 4 Mrd. Kilowattstunden Wärmeenergie pro Jahr aus oberflächennaher Geothermie in BW

• Tiefe Geothermiebis 5.000 m Tiefe / ca. 20 – 200 °CVerschiedene Verfahren zur Strom- und Wärmeerzeugung im Kraftwerk

Arten der Erdwärmenutzung

Que

lle:

LGR

B

Wärmequellen für Wärmepumpen

Unabhängig von der Wärmequelle: Optimierung und Abstimmung zwischen Gebäude, Anlagentechnik und Wärmequelle

Erschließung vom Umweltwärme mit Wärmepumpen

• ¼ Antriebsenergie + ¾ Umweltwärme = 1 Teil Heizwärme Leistungszahl ca. 4

Que

lle:

BW

P

Funktion der Wärmepumpe

• Umweltwärme wird mittels Antriebsenergie auf ein nutzbares Temperaturniveau angehoben

• Kältemittel als verdampfendes Wärmeträgermedium• Einfacher thermodynamischer Prozess und ausgereifte

Technik

WärmeabgabeWärmequelle

Wärmequellen für Wärmepumpen

• Erdwärmesonden (1)• Erdkollektor (=horizontale Rohrschlangen) (2)• Grundwasser über Förder- und Schluckbrunnen (3)• Außenluft (4)

1234

Que

lle:

BW

P

Effizienz des Wärmepumpen-Prozesses

• Leistungszahl: Verhältnis von Heizleistung (kW) zu Antriebsleistung (kW) der Wärmepumpe in einem bestimmten Betriebszustand bzw. Zeitpunkt mit definierten Rahmenbedingungen (Momentanwert)

• Arbeitszahl: Verhältnis zwischen erzeugter Energie in Form von Heizwärme (kWh) und der eingesetzten elektrischen Energie (kWh) inklusive aller Komponenten in einem festgelegten Zeitraum (meist ein Jahr: Jahresarbeitszahl). Sie ist der sinnvollste Maßstab, die energetische Qualität einer Anlage zu bewerten.

Effizienz des Wärmepumpen-Prozesses

• Endenergie: Energiemenge, die der Wärmeerzeuger für die Beheizung und Warmwasserbereitung bereitstellt inkl. Verluste (Rohre, Armaturen, Anlage, …) und Gewinne z.B. durch regenerative Energien

• Primärenergie: berücksichtigt werden das gesamte Anlagenkonzept des Wärmeerzeugungssystems sowie Energieträger bzw. Brennstoff inkl. Transportwege (Erfassung der gesamten Versorgungskette durch Primärenergiefaktor / Anlagenaufwandszahl)

Energiebilanz der Wärmepumpe: Systemvergleich

• Zur Bewertung der Energiebilanz ist das Verhältnis Primärenergieeinsatz / Endenergie entscheidend(hier: Strom x Prim.E-faktor / Wärme aus WP)

Que

lle:

BW

P

Rahmenbedingungen

• Möglichst niedrige Heizwassertemperatur: Je geringer die Vorlauftemperatur, desto höher die Effizienz der Anlage Fußboden- oder Wandheizung optimal

• Optimaler Einsatz im Neubaubereich• Nachrüstung bei bestehenden gut wärmegedämmten

Gebäuden in der Regel möglich Energiediagnose Heizlastberechnung Überprüfung der Heizkörperauslegung

Betrieb Wärmepumpe

• Spezielle Stromtarife• Mindestlaufzeiten nötig Pufferspeicher• Abschaltzeiten des Energieversorgers werden

abgepuffert / garantiert Mindestlaufzeit

Vorteile Wärmepumpe

– Umweltwärme ist praktisch unbegrenzt verfügbar– Keine Freisetzung von CO2-Emissionen vor Ort– Kein Brennstoff-Vorratsraum erforderlich– Kein Kamin erforderlich– Weniger abhängig von Importen aus instabilen

Regionen– Nur ein Energieträger im Haus nötig– Geringe Energiekosten, geringere Wartungskosten– Öffentliche Förderprogramme

Vorteile der Erdwärmenutzung

• Weitestgehend konstante Wärmequellentemperatur: Erdwärme ist unabhängig von Tages- und Jahreszeit

• Während der Heizperiode kann ein höheres Temperatur-niveau als bei Luftwärmepumpen genutzt werden

• Es werden höhere Jahresarbeitszahlen als bei Luftwärmepumpen erreicht.

• Bessere Energiebilanz als bei Luftwärmepumpen

Auslegung Erdwärmesonden

• Ca. 50 Watt Entzugsleistung pro Meter Sonde• Ca.80-150 kWh / a Wärmemenge / m Bohrtiefe• Max. auf 1.800 Betriebsstunden pro Jahr auslegen• Erhebliche Schwankungen je nach hydrogeologischen

Verhältnissen Klärung für Sondenauslegung

Erdwärmesonden

• Soledurchflossene vertikale Erdsonden: Doppel-U-Rohr• Sondentiefe abhängig von geologischen und wasser-

rechtlichen Rahmenbedingungen: meist 70 bis 150 m• Bohrlöcher inkl. Einbringung der Sonde, Verfüllung und

Dichtigkeitsprüfung durch speziell ausgerüstete Bohrfirmen: Zertifiziert nach DVGW W 120 – Kategorie G1 (über 100 m Bohrtiefe oder G2 (bis 100 m Bohrtiefe)

• Die erforderliche Bohrtiefe und die Anzahl der Sonden wird von der Bohrfirma vor Ort anhand der hydrogeologischen Verhältnisse (optimalerweise mittels einer Probebohrung) ermittelt.

Empfehlungen für Erdwärmesonden

• Nicht an den Bohrmetern sparen• Doppel-U-Rohr-Sonden einsetzen• Vollflächige Verfüllung der Erdwärmesonden• Auf Gütesiegel achten • Wärmemengenzähler einbauen

und regelmäßig Verbrauch erfassen• Warmwasserbereitung beachten• Möglichkeit der Kühlung klären• Nicht zur Bautrocknung verwenden

Que

lle:

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Genehmigungsverfahren

• Bis 100 m Anzeige bei unterer Wasserbehörde (Landratsamt oder Umweltamt)

• Ab 100 m oder bei Grundstücksüberschreitung bzw. schwierigen Verhältnissen: Genehmigung durch Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau, LGRB (Regierungspräsidium Freiburg)

• Alle Erdwärmebohrungen sind anzeigepflichtig beim Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (im Nachgang durch die Bohrfirma)

Wasserschutzgebiet

• Keine Bohrung im Wasserschutzgebiet der Zonen I, II• Ausnahmen im Einzelfall bei III/III A, wenn Bohrung

außerhalb des Grundwasserleiters• Bohrungen grundsätzlich möglich in III B, jedoch mit

Auflagen, z.B. Art des Wärmeträgermediums• Frühzeitig bei der Unteren Wasserbehörde nachfragen

Wärmequelle Erdkollektor

• Soledurchflossene, horizontale Rohrschlangen aus Kunststoff (PE)

• Verlegung frostfrei in ca. 1,2 bis 1,5 m Tiefe im Erdreich• Flächenbedarf ca. 2,5x Wohnfläche außerhalb Gebäude• Wärme ist vor allem gespeicherte Sonnenenergie sowie

aus Luft und Regen

Wärmequelle Erdkollektor

• Wärmeentzugsleistung pro m² Erdkollektor: Min. 10 W/m² (trockener Boden.) Max. 40 W/m² (feuchter Boden.)

• Mindestabstand der Rohrschlangen 50 cm• Max. Rohrlänge 100 m (alle gleich lang)• Keine unzugänglichen Verbindungen, gute Entlüftung• Verteilerschacht außerhalb des Gebäudes• Dämmung gegen Schwitzwasser im Gebäude• Variante „Direktverdampfer“: Das Kältemittel der

Wärmepumpe zirkuliert direkt im Erdkollektor.

Grundwasser

• Über eine Tauchpumpe wird aus dem Förderbrunnen Grundwasser entnommen.

• Das Grundwasser wird über den Verdampfer der Wärmepumpe geleitet und abgekühlt.

• Über den Schluckbrunnen wird es wieder zurückgeführt.• Genehmigung durch Landratsamt erforderlich.

Auslegung bei Grundwasser

• Pro 1 m³/h Grundwasser ca. 5-6 kW (ca. 200 l/h pro kW )• Temperaturabsenkung max. 4 Grad• Grundwasser nicht zu tief (Bohrtiefe 10m bis max. 15m)

sonst zu hoher Aufwand für Pumpen• Abstand zwischen Förder- und Schluckbrunnen

mindestens 10m (Vermeidung von Kurzschlüssen, Grundwasserfließrichtung beachten)

• Zu- und Ableitungen frostsicher und mit Gefälle verlegen• Die Ergiebigkeit und Wasserqualität des Brunnens ist im

Vorfeld durch einen 3-tägigen Pumpversuch zu ermitteln

Außenluft

• Außenluft wird mit Hilfe eines Ventilators über den Verdampfer gesaugt.

• Dabei wird ihr die erforderliche Wärme entzogen und auf das Kältemittel übertragen.

• Die abgekühlte Luft wird danach ins Freie gefördert.

Auslegung bei Außenluft

• Einsatzgrenze der WP beachten:üblich: Außentemperaturen von -15 °C bis +35°C

• Bei Auslegungstemp. unter -12°C kritisch prüfen• WP als monoenergetische Anlage auslegen,

Bivalenzpunkt bestimmen• 2. Wärmeerzeuger vorsehen (E-Heizstab oder Kessel)• Pro 1000 m³/h Außenluft ca. 3 bis 4 kW bzw.

pro kW ca. 330m³/h bzw. Erforderliche Luftmenge ca. 2000 – 3000 m³/h für EFH

• Achtung: Mindestlaufzeiten müssen auch bei hohen Lufttemperaturen gewährleistet werden Pufferspeichergröße beachten

Aufstellungsarten mit Außenluft

• Innenaufstellung: komplette Wärmepumpe im Haus (1)• Außenaufstellung: komplette Wärmepumpe im Freien (2)• Splitaufstellung: Verdampfer im Freien (3)

2 13

Wärmequelle Außenluft / Abluft

• Luftwärmepumpe kann mit einer kontrollierten Wohnungslüftung kombiniert werden (Lüftungskompakt-gerät) Einsatz überwiegend im Passivhaus

• Wärmeentnahme bei Lüftungskompaktgeräten alternativ aus Abluft der Wohnung, Außenluft oder Kombination Abluft und Außenluft

Wärmequelle Außenluft / Abluft

• Der Abluft aus Küche und Bad wird am Verdampfer der Wärmepumpe die Wärme entzogendabei Abkühlung der Abluft auf ca. 4°C

• Temperatur der Wärmequelle entspricht dem Verlauf der Raumtemperatur relativ gleichförmig

• Pro 100 m³/h ca. 0,6 kW bzw.Pro kW ca. 160 m³/h

Vorteile Luft-Wärmepumpe

• Kein Eingriff in Außenanlagen• Keine Erdsondenbohrungen• Wärmepumpenanlage deutlich günstiger• Keine Problematik mit Wasserschutz• Schnellere Umsetzung möglich• Keine Genehmigung notwendig

Nachteile Luft-Wärmepumpe

• Temperaturniveau der Wärmequelle abhängig vom Verlauf der AußentemperaturMittelwert Heizperiode ca. 6°C, (Jahresmittel ca. 12°C)

• Geringste Heizleistung wenn Bedarf maximal • Geringere Leistungszahl• Einsatz elektrischer Heizpatrone bei sehr tiefer

Außentemperatur• Lärmbelästigung prüfen

Schritt für Schritt zum optimalen Konzept

• Wärmebedarf klären, im Altbau Energiediagnose inkl. Prüfung Heizkörper, Vorlauftemperatur, Warmwasser Entscheidung, ob WP-Einsatz möglich / sinnvoll

• Wärmequelle prüfen, Wasserschutz abklären, Lärm Entscheidung der Wärmequelle

• Planung und Auslegung • Angebote: mehrere und für komplettes System• Bohranzeige bzw. Genehmigungsverfahren• Fördermöglichkeiten prüfen Anträge stellen

Schritt für Schritt zum optimalen Konzept

• Plausibilitätsprüfungen der Auslegung: ca. 15 Bohrmeter pro kW Wärmepumpen-Heizleistungbzw. ca. 50 W Entzugsleistung pro Bohrmeter

• Überdimensionierung von Umwälzpumpen vermeiden• Minimierung der Vorlauftemperatur im Heizsystem,

soweit wie möglich• Freischaltung Elektroheizstab prüfen (erst ab ca. -5°C)

Schritt für Schritt zum optimalen Konzept

• Nachbarschaft über Bohraktion informieren• Bohranzeige über tatsächliche Erdwärmenutzung an

LGRB schicken (durch Bohrunternehmen)• Monatlich Wärmemengen- und Stromzähler ablesen

Wenn die Jahresarbeitszahl (= Jahreswärme-erzeugung / Jahresstromverbrauch) unter 3-3,5 liegt, bestehen wahrscheinlich Verbesserungsmöglichkeiten

Größenordnung der Kosten (netto)

• Wärmepumpe: ca. 10.000-12.000 EUR ca. 1.000 EUR / kW

• Erdwärmesonden: ca. 7.000 – 10.000 EUR ca. 55-60 EUR / minkl. Anbindung, Verteiler ca. 70-80 EUR / m

• WP + Wärmequelle:ca. 20.000 – 25.000 EUR

• spezifischer Ansatz über Wohnflächeca. 10.000 EUR+75 EUR/m²

• Betriebskosten EFH ca. 500 - 600 EUR / a

Förderung

• Altbau: im Rahmen der zinsverbilligten Darlehensprogramme des Bundes (KfW)

• Neubau: im Rahmen des Darlehensprogramms „Ökologisch Bauen“ (KfW)

• Evtl. Zuschüsse durch Energieversorger• Spezielle Wärmepumpentarife

Informationsmaterial

• Faltblatt „Wärme aus Luft und Boden“Wirtschaftsministerium BW

• Broschüre „Energiesparen durch Wärmepumpenanlagen“ Wirtschaftsministerium BW

• „Leitfaden zur Nutzung von Erdwärme“ Umweltministerium BW

Kontakt

• Wirtschaftsministerium Baden-WürttembergInformationszentrum EnergieTheodor-Heuss-Str. 470174 Stuttgart

• Tel.: 0711 / 123-2588Fax: 0711 / 123-2377E-Mail: info@energie-aber-wie.deWeb: www.energie-aber-wie.de