Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Oberflächennahe Geothermie - Wärmeversorgung für ein Einfamilienhaus 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung

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


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




5. Fazit


Wärmepumpen

• Funktionsprinzip einer Wärmepumpe

[http://www.werner-kotulla.de/ 03.08.08]

1. Einleitung




5. Fazit


Sole/Wasser Wärmepumpe - Kollektoren

• Funktionsprinzip

[Nibe 08]

• Wärme wird dem Erdreich über Absorbermatten entzogen

1. Einleitung




5. Fazit


Absorbermatten

1. Einleitung




5. Fazit

• Tiefe: 20cm unterhalb der örtlichen Frostgrenze→ 1,2m bis 1,5m Tiefe

• Low-Flow-Prinzip


Sole/Wasser Wärmepumpe - Sonden


[Nibe 08]

• Wärme wird dem Erdreich über Erdsonden entzogen

1. Einleitung




5. Fazit


Bohrungen

1. Einleitung




5. Fazit

• Senkrechte Bohrungen in das Erdreich

• Doppel-U-Sonden oder Koaxialsonden

• nicht tiefer als 150m

• ab 50m Tiefe muss 6m Abstand gehalten werden


Luft/Wasser Wärmepumpe


[Nibe 08]

• Wärme wird der Außenluft entzogen und diese wird zur Verdampfung genutzt

1. Einleitung




5. Fazit


Betriebsweisen

1. Einleitung




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


Betriebsweisen

1. Einleitung




5. Fazit

• bivalenten-alternative BetriebsweiseAb dem Bivalenzpunkt deckt nur der zweite Wärmeerzeuger den Wärmebedarf (oft Heizkessel; z.B. bei Nachrüstung)


Gebäude

1. Einleitung




5. Fazit


Gebäude

1. Einleitung




5. Fazit


Gebäude

1. Einleitung




5. Fazit


Heizlast nach DIN EN 12831

1. Einleitung




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


Heizlast nach DIN EN 12831

1. Einleitung




5. Fazit

• Transmissionswärmeverluste: ΦT= 4166 W

• Lüftungswärmeverluste: ΦV= 2788 W

• Norm-Heizlast: ΦHL,Geb= 6954 W

• Heizlast ist 7 kW


Auswahl der Wärmeerzeuger

1. Einleitung




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]


Bodenbeschaffenheit

1. Einleitung




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]


Heizwärmebedarf nach DIN V 4108-6

1. Einleitung




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


Trinkwarmwasserbedarf

1. Einleitung




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


Wärmebedarf inkl. TWW und Verlusten

1. Einleitung




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


COP Abhängigkeit von Umgebungstemperatur

1. Einleitung




5. Fazit

• Erdsonden: Abhängigkeit der Außentemperatur sehr gering, daher als konstant betrachtet

• Absorbermatten: Abhängigkeit der Außentemperatur etwas größer

• Luft: starke Abhängigkeit von Außentemperatur


Außentemperatur Fulda

1. Einleitung




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


COP Luft-WP

1. Einleitung




5. Fazit

•Bei 2°C/35°C ergibt sich aus dem Datenblatt:

•el. Leistungsaufnahme: 2,1 kW

•Wärmeleistung: 7,6 kW




• thermisch: 0,22 kW/K | elektrisch: 0,015 kW/K

[Nibe 08]


COP Luft WP

1. Einleitung




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


COP Absorbermatten-WP

1. Einleitung




5. Fazit








[Nibe 08]


COP Absorbermatten-WP

1. Einleitung




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


COP Erdsonden-WP

1. Einleitung




5. Fazit


• Soletemperatur konstant bei ~3 °C

• el. Leistungsaufnahme: 1,72 kW

• Wärmeleistung: 8,95 kW

• COP: 5,2

[Kraft 08] [Nibe 08]


Leistung

1. Einleitung




5. Fazit

• daraus resultieren folgende Jahresleistungszahlen:

Sonde: 5,2

Absorber: 5,13

Luft: 3,65


Wärmepumpendaten

1. Einleitung




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


Tiefe der Bohrung

1. Einleitung




5. Fazit

LSonde= benötigte Leistung / spez. Entzugsleistung [m]

LSonde= 7230W / 59 W/m = 122m

• gewählt: 2 Bohrungen à ~60m


Fläche der Absorbermatten

1. Einleitung




5. Fazit

Akoll= benötigte Leistung / spez. Entzugsleistung [m²]

Akoll= 7230W / 20 W/m² = 360m²


Laufzeit Luft-WP

1. Einleitung




5. Fazit

Laufzeit: 3892 h/a | Strombedarf: 8172 kWh/a


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


Laufzeit Erdsonde-WP

1. Einleitung




5. Fazit




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


Laufzeit Absorbermatten-WP

1. Einleitung




5. Fazit




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


Förderung

1. Einleitung




5. Fazit


Preise

1. Einleitung




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€


Preise

1. Einleitung




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€


Preise

1. Einleitung




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€


Preise

1. Einleitung




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€


Energiekosten

1. Einleitung




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]


Energiekosten

1. Einleitung




5. Fazit

Erzeuger Energiebedarf

[kWh/a]

Energiepreis

[€/a]

Luft-Wärmepumpe 8172 1210

Erdsonden-Wärmepumpe

5687 862

Absorbermatten-Wärmepumpe

5775 875

Heizkessel 29593 (Heizöl) 2575


Wirtschaftlichkeit

1. Einleitung




5. Fazit

• Berechnung nach VDI 2067 – Annuitätenmethode

• Kapitalzinssatz 4%

• allgemeine Preissteigerung 2 %

• Wartung und Instandsetzung nach VDI 2067


Ergebnis Wirtschaftlichkeit

1. Einleitung




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


Ergebnis Wirtschaftlichkeit

1. Einleitung




5. Fazit

• Annuitäten:

Luft-Wärmepumpe: 3528 €/aErdsonden-Wärmepumpe: 3901 €/aAbsorbermatten-Wärmepumpe: 3251 €/aHeizkessel: 4377 €/a


Fazit

1. Einleitung




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)


Fazit

1. Einleitung




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


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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Michael Brähler, Timm Rössel, 07.08.2008 Oberflächennahe Geothermie - Wärmeversorgung für ein Einfamilienhaus 1.Einleitung 2.Wärmepumpen- systeme 3.Auslegung