Solare Wärmepumpen Geothermie SS 2012 Christoph Drusenbaum Dienstag, 3. Juli 2012

1. Solare WärmepumpenGeothermie SS 2012Christoph DrusenbaumDienstag, 3. Juli 2012

2. Gliederung • Funktionsprinzip der Wärmepumpe • Funktionsprinzip einer Solarthermieanlage • Synergieeffekte • Verschaltungsmöglichkeiten • Jahresarbeitszahlen solarer Wärmepumpen • Fazit

3. 1. Funktionsprinzip der Wärmepumpe • Umgekehrter Kraft-Wärme-Prozess der sich in vier Phasen unterteilen lässt: • Kältemittel wird bei niedrigem Druck durch Erdwärme verdampft • Dampf wird verdichtet  Temperaturanstieg • Kondensation des Dampfes im Kondensator und Wärmeabgabe an Heizungskreislauf • Entspannung des verflüssigten Kältemittels  Temperaturabhnahme Quelle: Quaschning 2009

4. 1. Wichtige Kenngrößen der Wärmepumpe Coefficientof Performance (COP) • Theoretisch maximaler COP lässt sich nach Carnot wie folgt bestimmen: • COP ist nur eine Momentaufnahme Seasonal Performance Factor (SPF) bzw. Jahresarbeitszahl (JAZ) • Der SPF kann als Mittelwert der über das Jahr auftretenden Betriebszustände interpretiert werden. Wichtige Kenngröße für ökologische und ökonomische Bewertung • Für die Wärmepumpe • Für das komplette Wärmepumpensystem •  geringes ∆T zwischen Wärmequelle und –senke von Vorteil Q thermal energy E electricalenergy HP Heat Pump EH ElectricalHeater CP Circulation Pump Vent Ventilator

5. 2. Funktionsweise einer Solarthermieanlage Quelle: Quaschning 2010

6. 2. Wichtige Kenngrößen einer Solarthermieanlage η Kollektorwirkungsgrad q Wärmeleistung in W/m² Gt Globalstrahlung in W/m² τ Transmissionskoeffizient α Absorptionskoeffizient UL Wärmeverlustkoeffizient TpAbsorbertemperatur Ta Umgebungstemperatur Quelle: Jordan 2012

7. 3. Synergieeffekte für Wärmepumpe und Solarthermie Solarthermie • Benötigt in der Regel immer noch eine zusätzliche Nachheizung • Niedrigere Temperaturen  höherer Kollektorwirkungsgrad, da Wärmeverluste dadurch reduziert werden können, und längeren Betriebszeiten • Schutz vor Überhitzung und Stagnation im Sommer, durch die Nutzung des Erdreichs als Wärmesenke  höhere Lebenserwartung für die Solaranlage Wärmepumpe • Solare Anhebung des Temperaturniveaus der Wärmequelle  Steigerung der SPF  Reduzierung des Stromverbrauchs • Regeneration des Erdreichs, da durch die Solarthermie eine schleichende Auskühlung vermieden werden kann  langfristig hohen SPF • Wärmepumpe wird bei der TWW-Bereitstellung entlastet, die wegen ihren hohen Temperaturniveaus ein sehr ungünstiger Betriebszustand für die WP ist • Verringerung der Betriebszeiten und Kompressorstarts  längere Lebenserwartung

8. 4. Verschaltungsmöglichkeiten • Es gibt eine Vielzahl an verschiedenen Verschaltungsmöglichkeiten und eine genaue Klassifizierung ist schwierig, dennoch lassen sich vier Hauptgruppen unterscheiden. 1. Parallel Verschaltung • 2. Serielle Verschaltung Quelle: Haller 2010

9. 4. Verschaltungsmöglichkeiten • Es gibt eine Vielzahl an verschiedenen Verschaltungsmöglichkeiten und eine genaue Klassifizierung ist schwierig, dennoch lassen sich vier Hauptgruppen unterscheiden. 3. komplexe Verschaltung • 4. Regenerative Verschaltung Quelle: Sparber, 2011 Quelle: Haller, 2010

10. 5. Jahresarbeitszahl bei Wärmepumpen ohne ST • In der Studie „Wärmepumpen Effizienz“ durch das Fraunhofer ISE wurden Messdaten von 112 Wärmepumpen zwischen 2007 – 2010 ausgewertet. Quelle: Miara, 2011

11. 5. Jahresarbeitszahl solarer Wärmepumpen Solaren Erträge werden wie folgt berücksichtigt Solaren Erträge Energie für Solarkreispumpe Akol= 14,5 m² Akol= 5 m² Quelle: Miara, 2011

12. 5. Jahresarbeitszahl solarer Wärmepumpen In Sparber et al 2011 werden sämtliche wissenschaftlichen Veröffentlichungen der letzten Jahre zu solaren Wärmepumpen zusammengefasst • Es werden Ergebnisse von 7 Versuchs- und 6 kommerziellen Anlagen verglichen • Jahresarbeitszahl für Solar-Erdreichwärmepumpen liegt zwischen 2,11- 6,55 (3,9) • Jahresarbeitszahl für Solar-Luftwärmepumpen liegt zwischen 2,8 – 4,3 (2,9) • Fazit: Solarthermie muss nicht immer zu einer Verbesserung führen. Abhängig von der hydraulischen Verschaltung, eingesetzten Komponenten und Regelung • SPF abhängig vom Klima, geografischen Lage, Gebäudezustand und dem Verbrauchsprofil • Es existieren noch keine einheitlichen Testverfahren zur Bewertung von solaren Wärmepumpen • Internationale Energieagentur hat Task 44 / HPP Annex 38 eingerichtet um dieses Problem zu lösen

13. 6. Fazit/Schlussfolgerung • Von ihren Eigenschaften und ihrem Verhalten ergänzen sich Solarthermie und Wärmepumpen grundsätzlich sehr gut • Es existierte sehr viele unterschiedliche Konzepte zur hydraulischen Verschaltung • Erste Studien zeigen, dass SPF deutlich gesteigert werden kann, wobei das nicht immer der Fall ist • Es existieren noch keine einheitlichen Kenngrößen und Verfahren zur Bewertung von solaren Wärmepumpen • Starke Anstrengung von Seiten der Wissenschaft und der IEA dieses Problem zu lösen

14. Danke für Ihre Aufmerksamkeit • Haller M., 2010. Kombination von WärmepumpenmitsolarthermischenKollektoren – Konzepte und Fragestellungen. 16. Status-Seminar „Forschen und Bauen im Kontext von Energie und Umwelt“, Zürich http://www.brenet.ch/pdfstat_2010/24_p_haller.pdf abgerufen am 25.07.2012 • Internationale Energieagentur, 2011. IEA – SHC Task 44 / Annex 38 Solar and Heat Pump Systems. http://www.iea-shc.org/publications/task.aspx?Task=44, abgerufen am 25.07.2012 • Jordan U. (2012). Unterlagen zur Vorlesung „Solarthermie“. Universität Kassel. SS 2012 • Loose A., 2012. KombinationSolarthermie und Wärmepumpe - Hintergründe, Anlagenbeispiele, Leistungsprüfung in Labor und Praxis. GREES Kolloquium Effiziente Energienutzung, Stuttgart. http://www.grees.uni-stuttgart.de/kolloquium/20120606_Loose.pdf, abgerufen am 20.07.2012 • Miara, M., 2011. Wärmepumpen Effizienz. Fraunhofer ISE, Freiburg. http://wp-effizienz.ise. fraunhofer.de/download/wp_effizienz_endbericht_ langfassung.pdf, abgerufen am 25.07.2012 • Quaschning, V., 2009. Regenerative Energiesysteme. Hanser Verlag München. ISBN 978-3446-42151-6 • Sparber, W., 2011. Overview on solar thermal plus heat pump systems and review of monitoring results. ISES Solar World Congress, Kassel.