DIV / Abteilung Energie

Wärmepumpen Warmwasserboiler

Jörg Marti

Kanton Thurgau, Abteilung Energie

DIV / Energie

2

• Einführung, Funktion Wärmepumpe

• Normen, Gesetze und Förderung

• Auswirkungen, Wärmeströme

• Resultate von Studien

• Zusammenfassung, Empfehlung

Themen

DIV / Energie

3

• Einführung, Funktion Wärmepumpe

• Normen, Gesetze und Förderung

• Auswirkungen, Wärmeströme

• Resultate von Studien

• Zusammenfassung, Empfehlung

Themen

DIV / Energie

4

Verteilung Energieverbrauch Schweiz

DIV / Energie

20

7.24.8

63.8 3

0

5

10

15

20

25

Altbau Neubau

2010

Neubau

ab 2011

MINERGIE-

Sanierung

MINERGIE-

Neubau

MINERGIE-

P

Gewichtete Energiekennzahl Wärme

Lit

er

He

izö

l p

ro m

2

5

Entwicklung Energieverbrauch im Wohnbereich

Warmwasser

DIV / Energie

6

WP-Boiler Typen

Kompaktgerät Splitgerät

DIV / Energie

7

Prinzip Wärmepumpe

Strom

Wärmequelle Wärmenutzung

COP

JAZ

COP = P Wärmenutzung / P Strom

JAZ = E Wärmenutzung / E Strom

DIV / Energie

8

• WP-Boiler mit JAZ 3.0

• BWW Bedarf ab Boiler 3000 kWh/a

• Stromverbrauch pro Jahr?

• Energie von der Wärmequelle pro Jahr?

• Grösse des kontiunierlichen Wärmestroms?

Aufgabe 1

DIV / Energie

9

Aufgabe 1, Lösung

Strom

Wärmequelle Wärmenutzung

COP

JAZ

COP = P Wärmenutzung / P Strom

JAZ = E Wärmenutzung / E Strom

3

3000 kWh

2000 kWh

1000 kWh Primärenergie

2500 kWh

?

230 W

DIV / Energie

10

WP Komponenten

Ventilator

Pumpe

DIV / Energie

11

• Volumen 300 Liter

• Heizleistung 2 kW

• Aufheizzeit 5 bis 10 Stunden

• Warmwassertemperatur 55°C, max. 60°C

• Legionellenschaltung, wöchentlich, 60°C

• Luftmenge 300 bis 500 m3/h (Lüfter ca. 50 W)

• El. Heizstab 1.5 kW

• El. Anschluss 230 V , 10 bis 16 A

• Kondensatablauf

Typisches Gerät

DIV / Energie

12

• Einfacher Ersatz von alten Elektroboilern

• Strom sparen dank der JAZ

• Kostengünstig

Idee

• Gute JAZ

• Genügend Wärme vorhanden

• Davon wenig Wärme von der Raumheizung

Voraussetzung

DIV / Energie

13

• Einführung, Funktion Wärmepumpe

• Normen, Gesetze und Förderung

• Auswirkungen, Wärmströme

• Resultate von Studien

• Zusammenfassung, Empfehlung

Themen

DIV / Energie

14

• Aufheizzeit

• Leistungsaufnahme während Bereitschaftszeit

• COP für Entnahmezyklus

• Temperatur und max. Bezugsmenge Warmwasser

• Min. Temperatur Quelle

• Max. Temperatur Warmwasser

EN 16147 Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern - Prüfungen und Anforderungen an die Kennzeichnung von Geräten zum Erwärmen von Brauchwarmwasser

DIV / Energie

15

• Prüft Geräte nach der EN 16147:

– Aufheizzeit

– Elektrische Verlustleistung

– Max. nutzbare Warmwassermenge

– COP (bei 15°C)

– Leider nicht min. Quellentemperatur

• COP variiert von 2.4 bis 3.4, im Mittel ~ 3.0

• Grundlage für das FWS-Zertifikat, COP > 2.6

• Mit Revision der EnV vom Bund kommt verm. Grenzwert

• www.wpz.ch und www.fws.ch

Wärmepumpen-Testzentrum WPZ in Buchs

DIV / Energie

16

Die effizientesten Geräte auf www.topten.ch

DIV / Energie

17

• BWW Bedarf ab Boiler 3000 kWh/a

• Strompreis 20 Rp./kWh

• Variante A: WP-Boiler mit JAZ 3.4

• Variante B: WP-Boiler mit JAZ 2.4

• Wie gross ist die finanzielle Einsparung über 20 Jahre

wenn der effizientere WP-Boiler eingesetzt wird (verein-

facht gerechnet)?

Aufgabe 2

DIV / Energie

18

• BWW Bedarf ab Boiler 3000 kWh/a

• Strompreis 20 Rp./kWh

• Variante A: WP-Boiler mit JAZ 3.4

• Variante B: WP-Boiler mit JAZ 2.4

• Wie gross ist die finanzielle Einsparung über 20 Jahre wenn der effizientere

WP-Boiler eingesetzt wird?

Aufgabe 2, Lösung

JAZ 3.4 EStrom = 3000 kWh / 3.4 = 882 kWh

JAZ 2.4 EStrom = 3000 kWh / 2.4 = 1250 kWh

Einsparung = (1250 kWh – 882 kWh) * 0.20 CHF * 20 a = 1470.- CHF

DIV / Energie

19

§ 35 und Anhang 4:

Minimale Dämmstärken bei Verteilleitungen der Heizung

sowie bei Warmwasserleitungen

Energieverordnung Thurgau

SH: § 18, Anhang 2

DIV / Energie

20

§ 40 und Anhang 4:

Minimale Dämmstärken bei Luftkanälen, Rohren und

Geräten von Lüftungs- und Klimaanlagen

Energieverordnung Thurgau

SH: § 24a, Anhang 3

DIV / Energie

21

§ 41 Luftgeschwindigkeiten:

Die Luftgeschwindigkeiten dürfen in Apparaten, bezogen

auf die Nettofläche, 2 m/s und im massgebenden Strang

der Kanäle folgende Werte nicht überschreiten:

1. bis 1 000 m³/h 3 m/s;

Energieverordnung Thurgau

SH: § 24

DIV / Energie

22

§ 32 Wassererwärmer und Wärmespeicher:

Der Neueinbau einer direkt-elektrischen Erwärmung des

Brauchwarmwassers ist in Wohnbauten nur erlaubt, wenn

das Brauchwarmwasser:

1. während der Heizperiode mit dem Wärmeerzeuger für

die Raumbeheizung erwärmt beziehungsweise

vorgewärmt wird oder

2. primär mittels erneuerbarer Energie oder nicht anders

nutzbarer Abwärme erwärmt wird.

Energieverordnung Thurgau

SH: § 17a

DIV / Energie

23

§ 16 Verbindliche Normen, Empfehlungen und Richtlinien:

1. SIA-Norm 180 „Wärme- und Feuchteschutz im Hochbau“, 1999

2. SIA-Norm 380/1 „Thermische Energie im Hochbau“, 2009

3. SIA-Norm 380/4 „Elektrische Energie im Hochbau“, 2006

4. SIA-Norm 382/1 „Lüftungs- und Klimaanlagen - Allgemeine Grundlagen und Anforderungen“, 2007;

5. SIA-Empfehlung V382/3 „Bedarfsermittlung für lüftungstechnische Anlagen“, 1992

6. SIA-Norm 384/1 „Heizungsanlagen in Gebäuden - Technische Anforderungen“, 2008

7. SIA-Norm 384.201 „Heizungsanlagen in Gebäuden - Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast“, 2003

8. SIA-Merkblatt 2024 „Standard-Nutzungsbedingungen für Energie- und Gebäudetechnik“, 2007

9. SIA-Merkblatt 2028 „Klimadaten für Bauphysik, Energie- und Gebäudetechnik“, 2008

Energieverordnung Thurgau

SH: § 3, Anhang 6

DIV / Energie

24

Energienachweis

DIV / Energie

25

• Beim Ersatz des Wärmeerzeugers in bestehenden

Bauten mit Wohnnutzung sind diese so auszurüsten,

dass der Anteil an nichterneuerbarer Energie 90% des

massgebenden Bedarfs nicht überschreitet.

(SL 7: WP-Boiler und PV, mind. 5 Wp / m2 EBF)

• Bestehende zentrale Wassererwärmer, die

ausschliesslich direkt elektrisch beheizt werden, sind bei

Wohnnutzungen innerhalb von 15 Jahren nach

Inkraftsetzung dieses Gesetzes zu ersetzen oder zu

ergänzen.

MuKEn 2014, Basismodule

DIV / Energie

26

• Nur für bestehende Gebäude

• Erdwärmesonde, Erdregister, Grundwasser

• Aussenluft, nur wenn Ersatz von Elektroheizung

• www.energie.tg.ch

Förderung Wärmepumpen: Kanton

DIV / Energie

27

• Nur Ersatz eines reinen Elektroboilers

• Installation in unbeheiztem Raum oder Nutzung Aussenluft

• Gerät muss auf Liste sein (FWS Zertifikat, Zusatzanford.)

• www.wpb-jetzt.ch

Förderung WP-Boiler: Energie Zukunft Schweiz

DIV / Energie

28

• Einführung, Funktion Wärmepumpe

• Normen, Gesetze und Förderung

• Auswirkungen, Wärmeströme

• Resultate von Studien

• Zusammenfassung, Empfehlung

Themen

DIV / Energie

29

Aufstellarten

DIV / Energie

30

• Temperaturen

• Wärmeströme

• Luftfeuchtigkeit

• Luftstrom

• Lärm

• Stromverbrauch ggü. Elektroboiler

Was passiert bei Kompaktgerät im Keller

↓

↑

↓

↑

↑

↓

DIV / Energie

31

Wärmeströme

10°C

20°C

Elektrogeräte

Heizkessel WW-Boiler

Elektrogeräte, Personen, etc.

Bereitstellung Endenergie

Primärenergie

Umweltbelastung UBP

DIV / Energie

32

Wärmeströme

8°C

20°C

Elektrogeräte

Heizkessel WW-Boiler

4°C

DIV / Energie

33

Energiebilanz

Abwärme (Kessel, Geräte) WW-Boiler

Heizwärme

Umweltwärme Strom Wärme

?

Wärmeklau

DIV / Energie

34

Beispiel 1

DIV / Energie

35

Beispiel 2

DIV / Energie

36

Beispiel 3

DIV / Energie

37

Beispiel 4

DIV / Energie

38

Beispiel 5

DIV / Energie

39

• Heizwärme 12’000 kWh/a (Keller innerhalb Dämmung )

• BWW 3’000 kWh/a

• Wärmepumpe, JAZ 4.0, EWS 80 kWh/m

• Variante A: BWW über WP mit EWS

• Variante B: BWW über WP-Boiler mit JAZ 3.0

• Abschätzung der Tiefe der EWS für die Variante A und B?

Aufgabe 3

DIV / Energie

40

• Heizwärme 12’000 kWh/a (Keller innerhalb Dämmung )

• BWW 3’000 kWh/a

• Wärmepumpe, JAZ 4.0, EWS 80 kWh/m

• Variante A: BWW über WP mit EWS

• Variante B: BWW über WP-Boiler mit JAZ 3.0

• Tiefe der EWS für die Variante A und B?

Aufgabe 3, Lösung

A: EStrom = (12000 kWh + 3000 kWh) / 4 = 3750 kWh

EKälte = (12000 kWh + 3000 kWh) - 3750 kWh = 11250 kWh

LEWS = 11250 kWh / 80 kWh/m = 141 m

B: EStrom, h = 12000 kWh / 4 = 3000 kWh, EKälte, h = 9000 kWh

EStrom, w = 3000 kWh / 3 = 1000 kWh, EKälte, w = 2000 kWh

LEWS = 11000 kWh / 80 kWh/m = 138 m

DIV / Energie

41

• Interne Wärmequellen vorhanden

• Genügende Raumgrösse

• Genug Wärme von Umwelt

• Wenig Wärme von beheizten Räumen

• Kein Unter- oder Überdruck

• Ggf. Dämmung der Rohre

• Wie würde eine Alternative aussehen?

Checkliste für Einsatz von Kompaktgerät

DIV / Energie

42

• Kein Wärmebezug aus dem Gebäude, keine Temperatur-

absenkungen, nur Umweltwärme

• Aufgrund der tieferen Quellentemperatur schlechtere JAZ

und somit höherer Stromverbrauch als Kompaktgerät

• Trotzdem bessere Energie- und Umweltbilanz als

Kompaktgerät!

• Wichtig ist tiefer Bivalenzpunkt von mind. -5°C

Splitgerät

DIV / Energie

43

Kombination mit Holz oder Sonne

DIV / Energie

44

• Einführung, Funktion Wärmepumpe

• Normen, Gesetze und Förderung

• Auswirkungen, Wärmeströme

• Resultate von Studien

• Zusammenfassung, Empfehlung

Themen

DIV / Energie

45

• Wärmepumpenboiler, Studie der Wärmeströme im Gebäude

– Auftraggeber: Abteilung Energie Kanton Thurgau

– Zertifikatsarbeit im Rahmen CAS Energieeffizienz 2014

• Untersuchung von WP-Wassererwärmern in EFH

– Auftraggeber: Bundesamt für Energie BFE

– Auftragnehmer: Hochschule Luzern, ZIG, Horw

Studien

DIV / Energie

46

Temperaturverlauf Raumluft

Raum mit Ölkessel, Grundfläche 8m2, schlecht gedämmt 0.56W/m2K, Klimastation Zürich

Elektroboiler, Verbrennungsluft über Fenster

WP-Boiler, Verbrennungsluft über Fenster

WP-Boiler, Verbrennungsluft über Kanal

8°C 3.5°C

Jahresmin. 2°C

DIV / Energie

47

Temperaturminimum Raumluft

Raum mit Ölkessel, Verbrennungsluft über Fenster, schlecht gedämmt 0.56W/m2K, Klimastation Zürich

DIV / Energie

48

• Wie gross ist der Wärmestrom vom beheizten OG zum

Keller durch die Kellerdecke?

Aufgabe 4

Raum mit Ölkessel, schlecht gedämmt 0.56W/m2K, Klimastation Zürich

DIV / Energie

49

• Wie gross ist der Wärmestrom vom beheizten OG zum Keller durch die

Kellerdecke?

Aufgabe 4, Lösung

Raum mit Ölkessel, schlecht gedämmt 0.56W/m2K, Klimastation Zürich

PWärme = 0.56 W/m2K * 8 m2 * (22°C - 2°C) = 89.6 W

DIV / Energie

50

Temperatur, Decke gut/schlecht gedämmt

Raum mit Ölkessel, Verbrennungsluft über Kanal, Grundfläche 8m2, Klimastation Zürich

schlecht gedämmt 0.56W/m2K, gut gedämmt 0.30W/m2K

A = Elektroboiler, B = WP-Boiler

DIV / Energie

51

• …

Entscheidung

DIV / Energie

52

Jährliche Einsparung ggü. Elektroboiler

Fensterstellung, Raumgrösse m2,

innere Quellen, ggf. Heizung

schlechte

Dämmung

gute

Dämmung

schlechte

Dämmung

gute

Dämmung

schlechte

Dämmung

gute

Dämmung

1:Splitgerät 1: zu, 2x4, Heizkessel

2: Mix-Betrieb 1: zu, 2x4, Heizkessel 5200 5420 0.77 0.791 -63 -25

1: zu, 2x4, Heizkessel 5121 5337 0.76 0.78 93 132

2: offen, 2x4, Heizkessel 5306 5462 0.78 0.794 119 149

3: zu, 10x10, Heizkessel 5207 5600 0.773 0.811 97 166

4: zu, 2x4, ohne Heizkessel 5036 5202 0.747 0.76 88 124

5: zu, 2x4, Solarthermie 7449 7543 1.079 1.088 -279 -261

4: beheiztem Raum

1: Elektroboiler

2: Elektroboiler, Solarthermie

3: Gasheizung

4: Gasheizung Solarthermie

144

-25

0

-236

4

-235

0.811

0.06

0

0.768

0.81

1.131

5659

3: Kompaktgerät,

Aufstellung in

unbeheiztem Raum

4692

5: Referenzsysteme

ohne

Wärmepumpenboiler

0

5361

4825

7521

Primärenergie kWh/a Mio. UBP/a CHF/a

DIV / Energie

53

Jährliche Einsparung ggü. Elektroboiler

Fensterstellung, Raumgrösse m2,

innere Quellen, ggf. Heizung

schlechte

Dämmung

gute

Dämmung

schlechte

Dämmung

gute

Dämmung

schlechte

Dämmung

gute

Dämmung

1:Splitgerät 1: zu, 2x4, Heizkessel

2: Mix-Betrieb 1: zu, 2x4, Heizkessel 5200 5420 0.77 0.791 -63 -25

1: zu, 2x4, Heizkessel 5121 5337 0.76 0.78 93 132

2: offen, 2x4, Heizkessel 5306 5462 0.78 0.794 119 149

3: zu, 10x10, Heizkessel 5207 5600 0.773 0.811 97 166

4: zu, 2x4, ohne Heizkessel 5036 5202 0.747 0.76 88 124

5: zu, 2x4, Solarthermie 7449 7543 1.079 1.088 -279 -261

4: beheiztem Raum

1: Elektroboiler

2: Elektroboiler, Solarthermie

3: Gasheizung

4: Gasheizung Solarthermie

144

-25

0

-236

4

-235

0.811

0.06

0

0.768

0.81

1.131

5659

3: Kompaktgerät,

Aufstellung in

unbeheiztem Raum

4692

5: Referenzsysteme

ohne

Wärmepumpenboiler

0

5361

4825

7521

DIV / Energie

54

Jährliche Einsparung ggü. Elektroboiler

Fensterstellung, Raumgrösse m2,

innere Quellen, ggf. Heizung

schlechte

Dämmung

gute

Dämmung

schlechte

Dämmung

gute

Dämmung

schlechte

Dämmung

gute

Dämmung

1:Splitgerät 1: zu, 2x4, Heizkessel

2: Mix-Betrieb 1: zu, 2x4, Heizkessel 5200 5420 0.77 0.791 -63 -25

1: zu, 2x4, Heizkessel 5121 5337 0.76 0.78 93 132

2: offen, 2x4, Heizkessel 5306 5462 0.78 0.794 119 149

3: zu, 10x10, Heizkessel 5207 5600 0.773 0.811 97 166

4: zu, 2x4, ohne Heizkessel 5036 5202 0.747 0.76 88 124

5: zu, 2x4, Solarthermie 7449 7543 1.079 1.088 -279 -261

4: beheiztem Raum

1: Elektroboiler

2: Elektroboiler, Solarthermie

3: Gasheizung

4: Gasheizung Solarthermie

144

-25

0

-236

4

-235

0.811

0.06

0

0.768

0.81

1.131

5659

3: Kompaktgerät,

Aufstellung in

unbeheiztem Raum

4692

5: Referenzsysteme

ohne

Wärmepumpenboiler

0

5361

4825

7521

DIV / Energie

55

Jährliche Einsparung ggü. Elektroboiler

Fensterstellung, Raumgrösse m2,

innere Quellen, ggf. Heizung

schlechte

Dämmung

gute

Dämmung

schlechte

Dämmung

gute

Dämmung

schlechte

Dämmung

gute

Dämmung

1:Splitgerät 1: zu, 2x4, Heizkessel

2: Mix-Betrieb 1: zu, 2x4, Heizkessel 5200 5420 0.77 0.791 -63 -25

1: zu, 2x4, Heizkessel 5121 5337 0.76 0.78 93 132

2: offen, 2x4, Heizkessel 5306 5462 0.78 0.794 119 149

3: zu, 10x10, Heizkessel 5207 5600 0.773 0.811 97 166

4: zu, 2x4, ohne Heizkessel 5036 5202 0.747 0.76 88 124

5: zu, 2x4, Solarthermie 7449 7543 1.079 1.088 -279 -261

4: beheiztem Raum

1: Elektroboiler

2: Elektroboiler, Solarthermie

3: Gasheizung

4: Gasheizung Solarthermie

144

-25

0

-236

4

-235

0.811

0.06

0

0.768

0.81

1.131

5659

3: Kompaktgerät,

Aufstellung in

unbeheiztem Raum

4692

5: Referenzsysteme

ohne

Wärmepumpenboiler

0

5361

4825

7521

DIV / Energie

56

Solar mit Wärmepumpenboiler oder Gasheizung

• Grösste Einsparung Primärenergie und UBP

• 7500 kWh von 9700 kWh Primärenergie eingespart

• Am teuersten, nicht amortisierbare Mehrkosten

• Solaranlage mit Elektroboiler energetisch

gleichauf mit Wärmepumpenboiler

Strom

Gas

Heizwärme

Solarwärme

Umweltwärme

DIV / Energie

57

Wärmepumpenboiler Splitgerät

• Gute Einsparung Primärenergie und UBP

• 5700 kWh von 9700 kWh Primärenergie eingespart

• Höhere Investitionskosten, jährliche Einsparung Fr. 144.-

• Tiefer Bivalenzpunkt -5 °C wichtig

Strom

Gas

Heizwärme

Solarwärme

Umweltwärme

DIV / Energie

58

Anschluss an Gasheizung

• Primärenergie vergleichbar mit Kompaktgerät, jedoch

weniger UBP

• 4800 kWh von 9700 kWh

• Tiefe Investitionskosten

• Nur wenn Heizung in gutem Zustand ist

Strom

Gas

Heizwärme

Solarwärme

Umweltwärme

DIV / Energie

59

Wärmepumpenboiler Kompaktgerät

• Einsparung Primärenergie und UBP

• 5300 kWh von 9700 kWh Primärenergie eingespart

• Jährliche Einsparung Fr. 120.-

• Raumgrösse, Wärmequellen, Dämmung beachten

Strom

Gas

Heizwärme

Solarwärme

Umweltwärme

DIV / Energie

60

• Einführung, Funktion Wärmepumpe

• Normen, Gesetze und Förderung

• Auswirkungen, Wärmeströme

• Resultate von Studien

• Zusammenfassung, Empfehlung

Themen

DIV / Energie

61

• Nur Dämmung der Kellerdecke (10m x 9m) bringt eine grössere

Einsparung als Splitgerät ggü. Elektroboiler

• Bei Kompaktgeräten im Keller ist die Differenz bezüglich Dämmung

der Decke gering

• Resultate der Systeme mit Kompaktgeräten liegen sehr nahe

beieinander

• Die effektive JAZ fällt deutlich tiefer aus als der COP

• Anschluss an Heizung besser als Splitgerät

• Splitgerät besser als Kompaktgerät

• Alle Varianten wirtschaftlicher als Elektroboiler (ohne Solar)

Unterschiede der Varianten

DIV / Energie

62

• Warmwasser macht einen grossen Teil des Energieverbrauchs aus

• COP bestimmt Effizienz des Gerätes, je grösser je besser

• Beste Geräte auf www.topten.ch aufgelistet (FWS-Zertifikat, COP > 2.8)

• Dämmung von Leitungen und Lüftungskanälen gem. ENV beachten

• Neueinbau Elektroboiler nicht mehr erlaubt

• Mit der neuen MuKEn voraussichtlich weitere Verschärfung

• Förderung über www.wpb-jetzt.ch mit CHF 600.-

• Kompaktgeräte beziehen Wärme aus dem Gebäude und der Umwelt

• Die räumliche Situation (Dämmung, Wärmequellen, Nebenräume) prüfen

• Die Raumtemperatur senkt sich deutlich ab

• Alternativen sind zu prüfen

Zusammenfassung

DIV / Energie

63

1. Nur als Ersatz eines Elektroboilers einsetzen

2. Nur wenn Anschluss an Heizung kein Sinn macht

3. Splitgerät ist dem Kompaktgerät vorzuziehen

4. Kompaktgerät nur wenn interne Wärmequellen vorhanden,

genügend Wärme nachfliessen kann und der Raum grösser

als 20 m3 ist

5. Falls der Heizkessel mit fossilem Brennstoff betrieben wird,

ist der Keller gegen beheizte Räume zu dämmen

6. Splitgerät muss mind. bis -5°C mit WP laufen

7. COP gemessen nach EN 16147 mindestens

3.0 für Kompaktgerät und 2.8 für Splitgerät

Empfehlungen für den Einsatz von WP-Boiler

DIV / Energie

64

Fragen

?

DIV / Energie

65

Vielen Dank

Wenn ich das

bloss vorher ge-

wusst hätte...