Wärmepumpen - eine nachhaltige Energietechnik - SATAG

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Umwelt-Energie Wärmequelle Erdwärme + 2 bis + 12 ° C Wasser + 4 bis + 12 ° C Luft – 14 bis + 20 ° C Heizung + 24 bis + 55 ° C Fussbodenheizung Niedertemperaturradiatoren Wandheizung Bild 3 Wärmepumpe im Waschraum neben den andern Elektrogeräten (von links: Waschmaschine, Tiefkühlschrank, Elektroboiler, Wärmepumpe, Bild SATAG). Bild 4 Grundfunktion der Wärmepumpe. Elektrizität an der Komfortwärme, in Frankreich liegt er bei 33%! Andererseits sollen die nachhaltigen, umweltschonenden Techniken zugunsten der CO 2 -Reduktionsziele noch mehr eingesetzt werden. Die FWS hat im Rahmen von Energie Schweiz folgende Zielwerte definiert: 50% der Neubauten und 10% der Heizungssanierungen sollen mit Wärmepumpen ausgerüstet werden. Dies ergibt ca. 14000 Wärmepumpen pro Jahr, also eine Verdoppelung gegenüber heute. Die Strategie der EHPA geht europäisch das gleiche Ziel an: Verdoppelung der jährlichen Verkäufe. Wärmepumpen sind also in einem soliden Wachstumssektor positioniert. COP: Verhältnis der Heizleistung (P H ) zur effektiven Leistungsaufnahme (P E ) der Wärmepumpe. JAZ: Verhältnis der Heizarbeit (Q H) zur effektiven Energieaufnahme (Q E ) der Wärmepumpe während eines Jahres. Schallleistungspegel (L W ): Zehnmal der Logarithmus zur Basis 10 des Verhältnisses der vorhandenen Schallleistung zur Referenzschallleistung (1 pW = 10 -12 W), angegeben in Dezibel. Bild 5 Definitionen der Kennzahlen nach EN255 (COP und LW) bzw. AWP (JAZ) Bild 6 So holt die Wärmepumpe erneuerbare Energie aus der Natur. Prinzip und Kennzahlen Viele Hausbesitzer kaufen Wärmepumpen, weil diese 1. erneuerbare Energie nutzen 2. verlässliche Elektrogeräte sind 3. zurzeit tiefe Energiekosten im Vergleich zu Öl und Gas haben. Wie erfüllt die Wärmepumpe diese Punkte? Dazu müssen wir die Funktionsweise des Gerätes ansehen. Sie ist prinzipiell dieselbe wie beim Kühlschrank, neben dem sie oft steht (siehe Bild 3). Die Nutzung ist gegengleich: während das Kühlgerät seinem Innern Wärme entzieht, entzieht die Wärmepumpe Wärme der Umgebung. Der Kühlschrank gibt die Abwärme an die Umgebung ab, während die Wärmepumpe diese der Bodenheizung zuführt. Die Funktionsweise der Wärmepumpe ist in Bild 4 schematisch dargestellt. Der Prozess läuft im Innern des Gerätes ab und braucht dem Anwender – wie beim Kühlschrank – nicht im Detail bekannt zu sein. Die Technologien beider Gerätetypen sind sehr zuverlässig und in den Standardgrössen sehr wartungsarm. Der Unterschied bei der Anwendung ist vor allem der, dass der im Haus zu heizende Raum unterschiedlich gebaut ist, nicht jedoch der Kühlraum eines Kühlschrankes. Die notwendige Heizleistung und die Auswahl der Wärmepumpe richten sich nach dem für diesen individuellen Bau errechneten Wärmebedarf. Dies wird im Teil 2 präzisiert. Für die Deklaration der Effizienz des Gerätes werden Kennzahlen zu Vergleichszwecken verwendet. Die wichtigsten sind: Bild 7 Übersicht wichtigste Arbeitsmittel. • COP (Coefficient of performance, Leistungszahl im Heizbetrieb), welcher die Heizleistung dividiert durch den Verbrauch an Elektrizität bei genormten Innen- und Aussentemperaturen darstellt. • Eine weitere wichtige Kennzahl ist der Schallleistungspegel, welcher ein Qualitätsmerkmal für die Bauweise, die Laufruhe des elektrischen Kompressors und die Schalldämmung ist. • Die JAZ (Jahresarbeitszahl) ist die Vergleichsgrösse für die Güte des ganzen Systems über eine Jahresperiode gemittelt. Sie hängt, bei gegebenem COP 2 Separatdruck aus Elektrotechnik Nr. 7-8/01
der Wärmepumpe, von deren Peripherie, auch Einbindung genannt, ab. Die genauen Definitionen sind im Bild 5 angegeben. Für die Wärmepumpen wurde ein internationales Geräte-Gütesiegel geschaffen, welches die Auswahl erleichtern soll. Die Gütesiegel-Liste ist auf der Homepage der FWS einsehbar. Wärmequellen aus erneuerbarer Energie Der Löwenanteil der Heizenergie stammt bei einer Wärmepumpenheizung von einer natürlichen, erneuerbaren Quelle. Diese Quellen sind in unserer direkten Nähe und in der Ergiebigkeit leicht unterschiedlich. In Schweizer Verhältnissen stellen sie sich zurzeit wie folgt dar (siehe Bild 8 Spiralkörper und Aufbau des Compliant Scrollverdichters (Beispiel Copeland). auch schematische Darstellung Bild 6): • Luft: Mit der Aussenluft können 60-70% der Heizenergie gewonnen werden. Aussenluft ist gespeicherte Sonnenwärme, d.h. eine Form der Solarenergienutzung. Luft als Wärmequelle ist in jedem Fall vorhanden und im Gebiet des Mittellandes und der südlichen Alpentäler gut nutzbar. Die Einsatzgrenze liegt bei etwa –15 °C Aussentemperatur. • Erdwärme: Aus vertikalen Erdwärmesonden oder aus einem horizontalen Erdregister können etwa 75% der Heizenergie gewonnen werden. Diese Energie stammt im vertikalen Fall von der kontinuierlich vom Erdinnern nach aussen fliessenden Erdwärme. Deren Nutzung kann man sich in Form einer einzelnen Bohrung mit zwei eingelegten U-Rohren von 50–120 Meter Tiefe bei einem Niedrigenergie-EFH oder in mehreren bis zu 400 Meter tiefen Bohrungen für Geschäfts- oder Mehrfamilienhäuser vorstellen. Beim horizontalen Register, welches ähnlich wie eine Bodenheizung neben dem Gebäude verlegt wird, wird die Erdwärme ergänzt durch die Aufwärmung via Sonne und Regenwasser. • Wasser: Meist aus Grundwasser können bis 80% der Heizenergie gewonnen werden, abhängig von der Wärme des Grundwasserstromes. Wenn die restlichen 20–40% der elektrischen Energie, welche die Wärmepumpe im Kompressor braucht, regenerierbare Elektrizität aus einem Wasserkraftwerk, aus einem mit Biogas betriebenen Blockheizkraftwerk, aus Photovoltaik oder aus einem Windkraftwerk stammt, ist die Wärmepumpe in der Lage, die Heizenergie vollständig aus erneuerbarer Energie zu produzieren. Im Zuge der Liberalisierung wird diese bereits als Ökostrom oder ähnlich benannt angeboten. Meist wird 3400 Volt verwendet, bei Brauchwarmwasser- und Kleinwärmepumpen 1230 Volt. Arbeitsmittel und Kompressorarten Wärmepumpen nutzen im internen Kreis ein Arbeitsmittel wie die Kühlschränke. Wichtig ist, dass moderne Standardwärmepumpen ebenso vollhermetisch gebaut sind wie Kühlschränke und deshalb einen kompakten Kreislauf mit wenig Arbeitsmittel enthalten. Am Ende des Lebenszyklus wird das Arbeitsmittel entsorgt und eventuell rezykliert. Diese Arbeitsmittel werden wie im Kühlschrank Kältemittel genannt. Sie unterstehen strengen nationalen und internationalen Vorschriften und Zulassungen. Im Bild 7 ist eine Übersicht über die wichtigsten Arbeitsmittel für Wärmepumpen dargestellt, wobei heute R407c das gängigste im Markt ist. Die Verdichtung zwecks Temperaturerhöhung erfolgt im elektrisch angetriebenen Kompressor. Im Leistungsbereich bis etwa 50 kW Output werden meist vollhermetische Kompressoren, die als Hubkolben-, Rollkolben- oder Scrollverdichter konstruiert sind, verwendet. Die modernste Form, die man auch als Stand der Technik bezeichnen kann, ist der Scrollverdichter. Er zeichnet sich durch ausgezeichnete Laufruhe aufgrund seiner Kompression zwischen zwei Spiralen aus (siehe Bild 8) und erbringt ebenso gute Leistung wie die herkömmliche Hubkolbenanordnung. Damit eignet er sich insbesondere für Wohngebäude, wo tiefe Schallemissionen gefragt sind. Regelung und Steuerung So automatisch wie ein Kühlgerät funktioniert auch eine moderne Wärmepumpe. Einmal eingegeben, absolviert sie ihr «Programm» wie eine Waschmaschine, mit dem Unterschied, dass sie dies über Jahre hinweg tut und dabei Temperaturschwankungen der Aussenluft anhand Bild 9 Digitaler, BUSfähiger Wärmepumpenregler. Im Bild die Relation der Aussentemperatur zur Vorlauftemperatur der Bodenheizung (Kennlinie Bild SATAG). Separatdruck aus Elektrotechnik Nr. 7-8/01 3
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Seite 11: Hoher technischer Stand der Wärmep

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