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Wärmepumpen + KälteanlagenEnergiemanager IHK
Dipl.-Ing. Hans-Joachim Lohr
Dipl.-Ing. Markus Sommer
www.LOHRconsult.de
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 1
Geschichte der Wärmepumpe
1,86 MW 3-stufige Wärmepumpe in Zürich Hersteller: Sulzer Baujahr 1942 Vorlauf 70°C Wärmequelle: Wasser
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 2
Energieverbrauch im Haushalt
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 3
7 %1%4 %
11%
7 7 %
Heizung Elektrogeräte Beleuchtung Kochen Warmwasser
88% Heizung + Warmwasser
Primärenergiebedarf zurKälteerzeugung
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 4
Primärenergie - Nutzenergie
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 5
Endenergie StromBei Verbraucher
EnergieflußVergleich Wärmepumpe - Kessel
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 6
COP=4,0
fp=2,7
(Erdreich)
Wärmepumpensysteme
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 7
Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdsonden
Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdkollektor
Wasser-Wasser-Wärmepumpen mit Saug-und Schluckbrunnen
Luft-Wasser-Wärmepumpen für Außenaufstellung
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 8
Anteile nach Wärmequelle 2008
Kleinanlagen bis ca. 50 kW
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 9
Absatzzahlen 2003 bis 2008
Kleinanlagen bis ca. 50 kW
CO2-Vergleich Wärmepumpe-Kessel
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 10
Wärmepumpen reduzieren
Schadstoffemissionen im
Bereich Raumheizung und
Warmwasserbereitung
Vergleich bei
Jahresarbeitszahlen > 4
Spezifische CO2-Emissionen
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 11
Quelle: Umweltbundesamt
Braunkohle 400 g/kWh
Heizöl 266 g/kWh
Erdgas 202 g/kWh
Flüssiggas 234 g/kWh
Strom 624 g/kWh
Entwichlung der spez. CO2 Emissionen
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 12
Spez. CO2 Emmission 2008ca. 580 g/ kWh
Vergleichsrechnung CO2-EmissionenBasis 2008
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 13
Gas-Kessel EWP
Heizlast nach DIN EN 12831 kW 12,00 12,00
Vollbenutzungsstunden einschl. Warmwasserbereitung h/a 2.400 2.400
Jahresheizwärmebedarf kWh 28.800 28.800
Jahresnutzungsgrad / Arbeitszahl (B0/W35) 0,9 4,7
Endenergiebedarf kWh 32.000 6.128
spezifische Emissionen (GEMIS-VDEW Stammdatensatz)
g/kWh 202 580
Gesamtemissionen kg/a 6.464 3.554
Emissionsreduzierung durchElektro-Wärmepumpeneinsatz kg/a 2.910
EEWärmeG Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz
29. März 2009 Hans-Joachim Lohr 14
EEWärmeGgültig ab 1. Januar 2009
bei der Nutzung von Geothermie und Umweltwärme ist ein Mindestanteil von 50 % vom Gebäudeeigentümer zu garantieren.
JAZ = Jahresheizarbeit (kWh) Jahresstrombedarf* (kWh)
* für Wärmepumpe mit Hilfsantrieben
Bei Einsatz von Wärmepumpen ist Jahresarbeitszahl zu erreichen:
Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 Blatt 1
Einsatz Wärmepumpe JAZ
Heizen Sole / Wasser ≥ 4,0
Wasser / Wasser ≥ 4,0
Luft / Wasser ≥ 3,5
Heizen
+ WW Sole / Wasser ≥ 3,8
Wasser / Wasser ≥ 3,8
Luft / Wasser ≥ 3,3
EnEV Energiesparverordnung
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 15
Neue Perspektiven für die Wärmepumpe
Primärenergiefaktor Strom fürden Einsatz elektrisch betriebener Wärmepumpen
fp = 2,7 (aktuell an 2007)
bereits bei einer Jahresarbeitszahl > 2,7 (Verhältnis 1:1 Primärenergie zu Heiz-energie) ergeben sich energetische Vorteile für die Wärmepumpe.
GUD-Kraftwerk
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 16
Gesamt-
wirkungsgrad 51…58 %
Primärenergie-
Faktor (ab 2007)
fp = 2,7
GUD Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk
Kompensation von Kraftwerksverlusten
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 17
Primärenergie-
Faktor (ab 2007)
fp = 2,7
EnEV Energiesparverordnung
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 18
JAZ* β = 4 *Jahresarbeitszahl
Anlagenaufwandzahl ep = 2,7 / 4 = 0,675
Grundlagen Thermodynamik
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 19
40K
0
50
100
150
200
250
300
350
0°C-20°C
+20°C
Wärmefluß
Wärmepumpe
Durch den Einsatz von Arbeit W = P x t kann Wärme Q von kalt nach warm verschoben werden.
0°C = 273 K
Grundlagen Thermodynamik
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 20
Um die Wärme auf ein höheres Niveau zu heben muss Arbeitin der Maschine geleistet werden
Q´cPQ´o
Q´o [kWo] + P [kWel] = Q´c [kWth]
Wärmepumpe
Wärmepumpensysteme
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 21
1 Verdampfer 3 Kondensator2 Verdichter 4 Expansionsventil
Theorie der Wärmepumpe
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 22
Zustandsänderungen
•h, lg p – Diagramm (Carnot Prozess)•Idealer Kreisprozess•Realer Kreisprozess•Bestimmung der Leistungszahl •Bestimmung der Arbeitszahl
Kältekreislauf mit den wesentlichenKomponenten
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 23
Kältekreislauf
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 24
p
Q´cPQ´o
EvaporatorVerdampfer
ChillerVerdichter
CondenserVerflüssiger
Gas
Liquid
Gas
Liquid
p o p c
p o p c
p
Heizleistung der Wärmepumpe
29. März 2009 Hans-Joachim Lohr 25
Definition der Heizleistung
einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe
Qh
= Qo
+ Pe
HEIZLEISTUNG KÄLTELEISTUNG LEISTUNGSAUFNAHME(Entzugsleistung) (elektrische Antriebsleistung)
Leistungszahl der Wärmepumpe
29. März 2009 Hans-Joachim Lohr 26
Definition der Leistungszahl
COP (ε) = Qh
/ Pe
Bei erdgekoppelten Anlagen 4,5…5,0
je nach Betriebsbedingungen
(Warmwasserbereitung beachten !)
Bilanzgrenzen
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 27
LA21: Lokale Agenda 21 Falk Auer
Bestimmung der Arbeitszahl
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 28
Jahresarbeitszahlen
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 29
Feldtest Elektrowärmepumpen
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 30
Grundlagen Kältemittel
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 31
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60
°C
ba
r
p
T
Als Kältemittel sind alle flüssigen Stoffe geeignet, die sich beliebig oft kochen und wieder kondensieren lassen, ohne sich dabei chemisch zu zersetzen. Dabei nutzt man die Abhängigkeit der Siedetemperatur T [°C] vom Umgebungsdruck p [bar bzw. MPa]. Wird der Umgebungsdruck erhöht, erhöht sich die Siedetemperatur und umgekehrt!
Das Bild zeigt den Verlauf der Siedetemperatur eines Kältemittels. Bei einem Druck von ca.2,5bar hat dieses eine Siedetemperatur von –20°C. Wird der Druck auf ca.15 bar erhöht, so steigt die Siedetemperatur auf 40°C.
log p – h - Diagramm
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 32
log p – h - DiagrammGrundbegriffe der Thermodynamik
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 33
Isothermen sind Linien gleicher Temperatur
Isobaren sind Linien gleichen Druckes
Isentropen sind Linien gleicher Entropie
Isochore Zustandsänderung eines Gases bei gleichem Volumen
Enthalpie ist ein Maß für die Energie eines thermodynamischen Systems
log p – h - Diagramm
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 34
log p – h – Diagramm R 410a
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 35
Enthalpie h [kJ / kg]
log p – h – Diagramm R 407 c
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 36
Optimierung durch Wärmetauscher
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 37
Kreislauf ohne internenWärmetauscher
Kreislauf mit internenWärmetauscher
log p – h - Diagramm
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 38
Leistungszahl ε
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 39
Carnot Prozess (theoretisch)
Berechnung:
ε = T / T-To (T = 0°C = 273 K)
aus h, lg p – Diagramm
ε = h2 – h3 / h2 – h1
Gemessen:
ε = Qh / Pe
Optimierung der Leistungszahl
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 40
2 K
Verdampfer
Kondensator
to
tc
2 K
tR
tv
te
ta
Te
mp
era
turh
ub
TemperaturdifferenzWärmequelle / Wärmesenkez. B B0/W35Qualität der
Wärmetauscher(Kältekreislauf)
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 41
Leistungszahl ε
Sole-Wasser-Wärmepumpen
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 42
Kältekreislauf einer Kleinwärmepumpe
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 43
Scroll-Wärmepumpen-Verdichter
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 44
Standzeiten von Scrollverdichtern ca. 50.000 Betriebsstunden
Funktion des Scrollverdichters
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 45
1 ansaugen2 verdichten3 verdichten4 verdichten5 verdichten6 ausstoßen
Plattenverdampfer + Expansionsventil
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 46
Plattenverdampfer in gelöteter Ausführung
PlattenwärmetauscherVerdampfer / Kondensator
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 47
Plattenwärmetauscher
Geprägte Einzelplatten von geschraubten Wärmetauschern
U-Werte > 4.000 W/m²K
Plattenwärmetauscher für Wärmepumpen
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 48
Optimierung von Plattenverdampfern durch Kältemittelverteiler
Platten-WärmetauscherGegenstromprinzip
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 49
Rohrbündel-WärmetauscherKreuzstromprinzip
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 50
KältekreislaufkomponentenThermostatische Expansionsventil
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 51
Expansionsventil ohne Druckausgleich
Kältekreislaufkomponenten
07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 52
Druckausgleich
Thermostatisches Expansionsventil
Kältekreislaufkomponenten
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 53
Trockenmaterial (Silikagel)
Kältemitteltrockner
Kältekreislaufkomonenten
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 54
Schauglas mit
Indikator
Indikator zurBestimmung der Feuchtigkeit
Wärmepumpe und Solaranlage
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 55
Synergie Wärmepumpe-Solar
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 56
Kombination WP-Solar (Heizen – Kühlen)
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 57
System Heizen-Kühlen
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 58
System Heizen-KühlenSole-Wasser-Wärmepumpe
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 59
Warmwasserspeicher
Pufferspeicher Wärmepumpe
Temperaturmessung im Erdreich
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 60
Anordnung der PT-1000 Messfühler
Fühler 1 -30,0 m
Fühler 2 -50,0 m
Fühler 3 -70,0 m
Fühler 4 -90,0 m
Temperaturfühler PT 1000
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 61
Wärmeeintrag „Freie Kühlung“2 x 90 m Sonden
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 62
Wärmeeintrag
Wärmeentzug „Heizbetrieb“2 x 90 m Sonden
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 63
Fühler 4 (-90 m)
Fühler 3 (-70 m)
Fühler 2 (-50 m)
Luft-Wasser-Wärmepumpefür Innenaufstellung
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 64
Arbeitszahlen vom Luft-Wasser-WP
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 65
Aufstellungsplan einer Luft-Wasser-WP
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 66
Luft-Wasser-Wärmepumpe
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 67
Heißgas-Bypass-Abtauung
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 68
Wärmepumpensysteme im Vergleich
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 69
HD HD
ND ND
KONDENSATOR KONDENSATOR
VERDAMPFER VERDAMPFER
AUSTREIBER
ABSORBER
PUMPE DROSSELDROSSELDROSSEL
KOMPRESSION ABSORPTION
Gas-Absorptions-Wärmepumpe
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 70
Gasabsorptionswärmepumpe
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 71
Zeolith-Gas-Wärmepumpe
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 72
System Vaillant
Gasbetrieb Solarbetrieb
Vergleich von Verdichterbauarten
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 73
Druck-Hubvolumen-Vergleich
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 74
Einsatzgebiete von Verdichternunterschiedlicher Konstruktion
Baugrößen von Wärmepumpenanlagen
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 75
Die Heizleistung ist etwaDas 3 bis 4-fache derAntriebsleistung
Kolben- und Schraubenverdichter
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 76
Kolbenverdichter Schraubenverdichter
Radial-Turboverdichter
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 77
Axial-Turboverdichter (ölfrei)
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 78
Hersteller: opk
Heizleistung ca. 1.000 kW2 Verdichter á 500 kW
Schraubenverdichter-Wärmepumpe
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 79
Heizleistung 500 kW
Hersteller: opk
Vergleich GWP zu EWP
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 80
Gasmotorantrieb gegenüber Elektromotorantrieb
Gas-Motor-Wärmepumpe
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 81
Gas-Motor-WärmepumpeHeizleistungen > 500 kW
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 82
6-Zylinder-Gasmotor Schraubenverdichter
Gasmotor-Wärmepumpe
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 83
Rapsölmotor-Wärmepumpe
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 84
VERDAMPFER*
300 kW (to= +44°C)
KONDENSATOR*
330 kW (tc=78°C)
KÜ
HL
WA
SS
ER
WÄ
RM
ET
AU
SC
HE
R
52...15°C 47...10°C
52 m³/h
40 kPa
VERDICHTER
Pm = 62 kW
3.250 min-1
Getriebe
Intern-WT
40...60°C
55...75°C
24,7 m³/h
RAPSÖL-MOTOR
Pm = 66 kW
be = 220 g/kWh
1500 min-1
Abgaswärmetauscher
Abgas
Inp
ut
14
5 k
W Rapsöl 10,6 kWh/kg
90°C
85°C
55...75°C
57,8...77,8°C
58,5...78,5°C
550°C
20 kW
80
kW
120°C
1.250 m³/hAbgasgendruck max 5 kPa
ENTWURF V.30Rapsöl Wärmepumpen Modul
Solare Nahwärmeversorgung Crailsheim
01. April 2005
Co
py
rig
ht
by
LO
HR
co
ns
ult
Gm
bH
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ach
dru
ck u
nd
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uch
au
szu
gsw
eis
e,
nu
r n
ach
sch
rift
lich
er
Zu
stim
mu
ng
Qhges = 530 kWbei V 52/47 und K 60/78,5
Schraube
R 227
* tomax = + 47 °C
tcmax = + 80 °C
ÖLKÜHLER 100 kW
43,5...63,5°C
30
kP
a
15 kPa
30 kPa
35 kPa
Kraft-Wärme-Kältekopplung
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 85
WÄRMEPUMPEN-KÄLTEMASCHINE
Winter 14/10°C QH= 62,6 kW - Q
O= 49,5 kW - P
E= 13,1 kW
Sommer 17/14°C QH= 64,6 kW - Q
O= 54,0 kW - P
E= 10,6 kW
HYDRAULIK-MODUL
kalt
2-stufig
HYDRAULIK-MODUL
warm
4-stufig
VERBRAUCHER
VERBRAUCHER
Kälte
Wärme
Vellmar, 25. August 2009
107,3 kW
Wärmetauscher
Rückkühlung
P1
P3
P4
P8
P7
Wasser-Glykol 25 Vol.%
Schnittstelle
Schnittstelle
Sch
nitts
telle
BHKWQ
H = 30 kW
PE = 15 kW
70°C*
50°C*
40°C**
30°C**
P6
14°C
17°C
54,0 kW
Wärmetauscher
Kühlung
16
°C
19
°C
P5
P2
70
°C
50
°C
40
°C
30
°C
Schalt-
schrank
kWh
kWh
kWh
Bezug
Rückspeisung
Netz
Design by
ABSORPTIONS-
KÄLTEMASCHINE
QO= 20,1 kW
16
°C
19
°C
P9
31
°C
27
°C
2StoreSystemGas
SYSTEM HEIZEN-KÜHLEN(vereinfachte Systemzeichnung)
FUNKTION heizen
HEIZLEISTUNG ges. 92,6 kW
Heizzahl 1,852
KÄLTELEISTUNG ges. 74,1 kW
Kältezahl 1,482
Abwasserkanal mit Wärmetauscher
Wärmeeintrag 107,3 kW - Wärmeentzug 49,6 kW
*Sommer 80/75°C
** Rückkühlbetrieb 30/25°C
80
°C
75
°C
Sch
nitts
telle
Inp
ut
30
kW
th
Input Erdgas 50 kW
Wärmepumpe mit Nutzung der Überhitzungswärme
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 86
Warmwasser
Speicher
Hydraulik
Modul
Wärmepumpe
mit Enthitzer für WWB
Enthitzer
Erdsonden
warm
kalt
Wärmetauscher
Freie Kühlung
AD
Gefäss
AD
Gefäss
Nutzung der Überhitzungswärme zurvorrangigen Brauchwassererwärmung
Reversible Wärmepumpe Heizen-Kühlen
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 87
Prozeßumkehr Heizen-Kühlen
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 88
Systeme zum Heizen und Kühlen
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 89
WÄRMEPUMPEN
HYDRAULIK
MODUL
kaltHYDRAULIK
MODUL
warm
VERBRAUCHER
ERDSONDEN
RückkühlerVERBRAUCHER
55°C
45°C
35°C
30°C
8°C
14°C
17°C
20°C
2storeSystemSYSTEM HEIZEN-KÜHLEN
(vereinfachte Systemzeichnung)
FUNKTION HEIZEN
KALT
WARM
Wärmetauscher
Rückkühlung
Wärmetauscher
Freie Kühlung
Wärmetauscher
Aktive Kühlung
Kältemittelvergleich
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 90
Kältemittelvergleich
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 91
ODP Ozone Depletion Potential
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 92
Natürliche Kältemittel
CO2 / NH3 / R290
Ozon Abbau Potential
Kältemittel
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 93
Bestimmung TEWI
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 94
TEWI = (m KMK x GWP KMK ) + (α x E a x L a )
m = Masse [kg]Ea = jährlicher Energiebedarf [kWh/a]α = Umrechnungsfaktor [kg CO2 / kWh]La = erwartete Lebensdauer [a]KMK = Kältemittel im Kreislauf
Gesamt Treibhausbelastung - CO2 bezogener Vergleichswert-
CO2-Emissionen der Klimakälteerzeugung
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 95
Heizleistungen im Vergleich
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 96
10090
107
153
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Heizleistung in %
R22
R290
R407C
R410A
Basis der Gegenüberstellung ist ein konstantes Verdichterhubvolumen
Volumetrische Kälteleistung im Vergleich
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 97
100
86 91
148
0
20
40
60
80
100
120
140
160
vol. Kälteleistung in %
R22
R290
R407C
R410A
Volumetrische Kälteleitung in kJ /m³
LITERATUR ZUM THEMA GEOTHERMIE
ISBN: 3-342-00685-4 (Auflage 1999)
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 98
ISBN: 978-3-89554-167-4 (Auflage 2008)
LITERATUR ZUM THEMA GEOTHERMIE
VBI-Leitfaden (1. Auflage Oktober 2008)
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 99
ISBN: 978-3-934681-95-08 (Auflage 2009)
LITERATUR ZU DEN THEMEN WÄRMEPUMPEN + GEOTHEMIE
Handbuch Wärmepumpen
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 100
ISBN: 978-3-7880-7704-2 (9. Auflage)
LITERATUR ZUM THEMA GEOTHERMIE
ISBN: 978-3-7880-7811-9 (2. Auflage)
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 101
ISBN: 978-3-7880-7843-0
LITERATUR ZUM THEMA GEOTHERMIE
ISBN: 3-908483-58-1 (SIA D 0190)
28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 102
ISBN: 3-8249-0118-8 (2. Auflage)