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

Solare Wärmepumpen

Geothermie SS 2012Christoph Drusenbaum

Dienstag, 3. Juli 2012

Christoph Drusenbaum26.07.2012

Gliederung

1. Funktionsprinzip der Wärmepumpe

2. Funktionsprinzip einer Solarthermieanlage

3. Synergieeffekte

4. Verschaltungsmöglichkeiten

5. Jahresarbeitszahlen solarer Wärmepumpen

6. Fazit

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1. Funktionsprinzip der Wärmepumpe

Umgekehrter Kraft-Wärme-Prozess der sich in vier Phasen unterteilen lässt:

1. Kältemittel wird bei niedrigem Druck durch Erdwärme verdampft

2. Dampf wird verdichtet Temperaturanstieg

3. Kondensation des Dampfes im Kondensator und Wärmeabgabe an Heizungskreislauf

4. Entspannung des verflüssigten Kältemittels TemperaturabhnahmeQuelle: Quaschning 2009

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Coefficient of 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

1. Wichtige Kenngrößen der Wärmepumpe

Q thermal energy

E electrical energy

HP Heat Pump

EH Electrical Heater

CP Circulation Pump

Vent Ventilator

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COP = QሶabP =

abgeführter Wärmstormzugeführten mechanischen Leistung

COPmax = TabTab −Tzu geringes ∆T zwischen Wärmequelle und –senke von Vorteil

SPFHP = 𝑄𝐻𝑃 + 𝑄𝐸𝐻𝐸𝐻𝑃 + 𝐸𝐸𝐻 = jährlich abgegebene Wärmenergiejährlich aufgenommener Antriebsenergie

𝑆𝑃𝐹𝐻𝑃𝑆 = 𝑄𝐻𝑃 + 𝑄𝐸𝐻𝐸𝐻𝑃 + 𝐸𝐸𝐻+ 𝐸𝐶𝑃 + 𝐸𝑉𝑒𝑛𝑡


2. Funktionsweise einer Solarthermieanlage

Quelle: Quaschning 2010

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2. Wichtige Kenngrößen einer Solarthermieanlage

η Kollektorwirkungsgrad

q Wärmeleistung in W/m²

Gt Globalstrahlung in W/m²

τ Transmissionskoeffizient

α Absorptionskoeffizient

UL Wärmeverlustkoeffizient

Tp Absorbertemperatur

Ta Umgebungstemperatur

Quelle: Jordan 2012

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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 Lebenserwartung8/16



• Es gibt eine Vielzahl an verschiedenen Verschaltungsmöglichkeiten und eine

genaue Klassifizierung ist schwierig, dennoch lassen sich vier Hauptgruppen

unterscheiden.

1. Parallel Verschaltung

Quelle: Haller 2010

2. Serielle Verschaltung

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• Es gibt eine Vielzahl an verschiedenen Verschaltungsmöglichkeiten und eine

genaue Klassifizierung ist schwierig, dennoch lassen sich vier Hauptgruppen

unterscheiden.

3. komplexe Verschaltung

Quelle: Sparber, 2011 Quelle: Haller, 2010

4. Regenerative Verschaltung

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5. Jahresarbeitszahl bei Wärmepumpen ohne ST

• In der Studie „Wärmepumpen Effizienz“ durch das Fraunhofer ISE wurden Messdaten von 112 Wärmepumpen zwischen 2007 – 2010 ausgewertet.

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Quelle: Miara, 2011


5. Jahresarbeitszahl solarer Wärmepumpen

Solaren Erträge

Energie für Solarkreispumpe

Akol = 5 m²

Akol = 14,5 m²

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Quelle: Miara, 2011

𝑆𝑃𝐹𝐻𝑃𝑆 = 𝑄𝐻𝑃 +𝑄𝐸𝐻+𝑄𝑠𝑜𝑙𝐸𝐻𝑃 + 𝐸𝐸𝐻+𝐸𝐶𝑃 + 𝐸𝑉𝑒𝑛𝑡 + 𝐸𝐶𝑃,𝑠𝑜𝑙

Solaren Erträge werden wie folgt berücksichtigt


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

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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

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• Haller M., 2010. Kombination von Wärmepumpen mit solarthermischen Kollektoren – 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. Kombination Solarthermie 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.

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