Regenerative/Alternative Energien
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Elektrotechnik
Wärmepumpen - ein Überblick
ep11/1999, 5 Seiten
Wärmepumpen (WP) nutzen die in der Umwelt gespeicherte Energie [1]. Je nach Anlagentyp wird die Energie der Luft, dem Wasser oder dem Erdboden entzogen. Die Wärmepumpe hebt die Temperatur dieser Wärmequellen auf eine Temperatur, die für Heizzwecke geeignet ist. Diese Energiequellen sind zwar prinzipiell unerschöpflich (Sonneneinstrahlung, Erdwärme), es muß aber sichergestellt sein, daß die entnommene Wärmemenge über die Systemgrenze nachgeliefert wird. Anlagetypen Je nach Art der primären Energiezufuhr (Wärmequelle) und der sekundären Energieabführung von der Wärmepumpe werden folgende WP-Anlagetypen unterschieden: · Sole/Wasser-WP · Wasser/Wasser-WP · Luft/Wasser-WP · Luft/Luft-WP. Diese Anlagetypen sind im Bild zusammenfassend dargestellt. Im geschlossenen Schlauch- bzw. Rohrleitungssystem der Sole/Wasser-WP-Anlagen wird ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Sole) umgepumpt. Die zugehörigen Wärmepumpen werden sowohl innerhalb (Bild ) als auch außerhalb von Gebäuden aufgestellt. Die Geräte für die Außenmontage sind mit einem Schutzgehäuse ausgestattet (Bild ). Luft/Wasser-WP werden als Kompaktgeräte für Innen- oder Außenmontage (Bild ) sowie als Splitgerät (Verdampfer außen, Pumpe und Verflüssiger innen) angeboten. Während die ersten drei Typen in Hei-Elektropraktiker, Berlin 53 (1999) 11 1045 Alternative Energien Wärmepumpen - ein Überblick H. Klein Berlin Der Einsatz von Wärmepumpen kann für das Elektrohandwerk zu einem lukrativen Teilbereich des Wärmemarktes werden. Aufgrund steigender Ölpreise und sinkender Strompreise wird die Wärmepumpe zur ökologisch und ökonomisch sinnvollen Alternative zu herkömmlichen Heizanlagen mit fossilen Brennstoffen. In einer Übersicht werden Wärmepumpen verschiedener Hersteller gegenübergestellt. Wärmepumpenkreislauf primärer Wärmetauscher sekundärer Wärmetauscher Wärmetransportmittel Sole Sole Grundwasser Luft Primärkreislauf Heizkreislauf Wärmetransportmittel Wasser Luft Sekundärkreislauf Anlagetypen / Sole/Wasser-WP, primär: horizontaler Erdkollektor mit geschlossenem Solekreislauf, Tiefe 1,2 bis 1,5 m, sekundär: Heizwasserkreislauf / Sole/Wasser-WP, primär: Erdsonde mit geschlossenem Solekreislauf, Tiefe 70 bis 130 m, sekundär: Heizwasserkreislauf / Wasser/Wasser-WP, primär: Grundwasser aus Förderbrunnen angesaugt und in Schluckbrunnen gepumpt, sekundär: Heizwasserkreislauf / Luft/Wasser-WP, primär: Umgebungsluft mit Gebläse angesaugt, sekundär: Heizwasserkreislauf / Luft/Luft-WP, primär: Umgebungsluft mit Gebläse angesaugt, sekundär: Wärmeleistung mit Gebläse abgeführt Wärmepumpe für die Innenaufstellung Foto: KVS Sole/Wasser-Wärmepumpe zur Aufstellung im Freien Foto: AEG Hausgeräte Luft/Wasser-Wärmepumpe Foto: Stiebel Eltron Dipl.-Ing. Horst Klein ist freier Fachjournalist, Berlin. Autor zungsanlagen eingesetzt werden, kommen Luft/Luft-WP in Geräten zur Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung und in Raumklimageräten zum Einsatz. Sie gestatten das Heizen und Kühlen von Räumen (Kompakt- oder Splitgeräte). Wärmepumpenanlagen verfügen im allgemeinen über drei getrennte Kreisläufe(vgl. Bild ): · Primärkreislauf Energiezufuhr von der Wärmequelle · Wärmepumpenkreislauf In diesem geschlossenen Kreislauf zirkuliert ein Arbeitsmittel, das vereinfacht zwei Druck- und Temperaturstufen durchläuft und dabei den Energiestrom auf ein höheres Temperaturniveau hebt. · Sekundärkreislauf Transport des Wärmestroms zum Verbraucher (Heizungsanlage). In einem weiteren Anlagetyp sind Primärkreis und Wärmepumpenkreislauf vereint. Das Arbeitsmittel (Kältemittel) läuft dabei im Erdsonden- bzw. Erdkollektor- und Wärmepumpenkreis um. Da hierbei die Kältemittelmenge 5 kg überschreitet, darf dieser Anlagentyp vom Elektrohandwerker nicht errichtet werden. Funktionsprinzip der Wärmepumpe Bild (S. 1048) zeigt das Funktionsprinzip der Wärmepumpe. Das flüssige Arbeitsmittel wird vom Expansionsventil aus bei niedrigem Druck in den Verdampfer geleitet. Dort verdampft es unter Aufnahme von Wärme. Die dafür erforderliche Verdampfungswärme wird dem umgebenden Medium (Sole, Wasser, Luft) entzogen, das dabei abgekühlt wird. Der Verdichter (Kompressor) saugt das jetzt gasförmige Arbeitsmittel an und bringt es durch die Druckerhöhung auf ein höheres Temperaturniveau. Die dafür nötige, vom Verdichter gelieferte mechanische Energie ist nun zusätzlich im Arbeitsmittel gespeichert. Das verdichtete Arbeitsmittel gelangt anschließend zum Verflüssiger (Kondensator). Hier gibt es die im Verdampfer aufgenommene Wärme und die bei der Druckerhöhung (Verdichter) aufgenommene Energie durch Kondensation (Freiwerden der Verdampfungswärme) an das zweite Medium ab (Heizungskreislauf). Über das Expansionsventil (Druckminderer) wird der Druck im Kreislauf wieder reduziert und das so entspannte und dabei abgekühlte Arbeitsmittel dem Verdampfer erneut zugeführt. Der Kreisprozeß ist damit geschlossen. Betriebsarten Je nach Gebäudezustand und Auslegung der WP-Anlage werden Wärmepumpen in Elektropraktiker, Berlin 53 (1999) 11 1046 Hersteller Typenreihe Heizleistung 1) Leistungs- Leistungszahl Aufstelin kW aufnahme bereich der lung in kW Typenreihe AEG HSWi 5C-R bis 5,3 ... 67,8 1,23 ... 16,54 4,1 ... 4,6 innen Hausgeräte HSWi 70C-R HSWa 5C-SG bis 5,8 ... 32,4 1,23 ...7,9 4,1 ... 4,6 außen HSWa 30C-SG AL-KO WSW 50 bis 5,1 ... 51,3 1,2 ...11,7 4,3 ... 4,5 innen Therm WSW 490-V2 Bartl Wärme- ECO 0,8 S bis 3,1 ... 10,1 0,72 ... 2,3 4,3 ... 4,4 innen pumpen ECO 4 S Apparatebau WB 2 S bis 7,3 ... 32,2 1,7 bis 7,8 4.1 ... 4,5 innen WB 16-T-S Thermo SI 5 C bis 5,3 ... 67,8 1,23 ... 16,54 4,1 ... 4,6 innen Technik SI 70 C Dimplex SA 7 C bis 6,9 ... 32,4 1,6 ...7,9 4,1 ... 4,6 außen SA 30 C Feutron SWWP 5 4,7 ... 39,4 1,2 ... 9,7 4,1 ... 4,2 innen SWWP 40 Hautec HWS 18 bis 4,2 ... 36 1,0 ... 8,9 4,0 ... 4,5 innen HWS 160 HWS 3017 bis 4,2 ... 12,1 - - innen HWS 3048 Heliotherm H05S bis 6,6 ... 47,1 1,6 ... 10,6 4,1 ... 4,7 innen Wärmepumpen H40S ID-M ID-WP 5 C bis 5,8 ... 16,5 1,41 ... 3,79 4,11 ... 4,35 innen ID-WP 16 C KVS Wärme- Aqua-SW 0201 bis 6,7 ... 117,9 1,55 ... 26,05 4,1 ... 4,3 innen pumpen Aqua-SW 2703-2 Hydro-SW 0201 bis 6,7 ... 86,3 1,55 ... 19,53 4,1 ... 4,3 innen Hydro-SW 2703 Ochsner Golf GSW 9 bis 6,5 ... 15 1,45 ... 3,4 4,4 ... 4,5 innen Energie- Golf GSW 21 technik OSWP 28 bis 18,0 ... 60,8 4,6 ... 16,0 3,8 ... 3,9 innen OSWP 90 Satag Natura BW 104 bis 4,8 ... 32,6 1,1 ... 7,2 4,36 ... 4,67 innen Thermo- Natura BW 232 technik Siemens SI 5 C bis SI 70 C 5,3 ... 67,8 1,23 ... 16,54 4,1 ... 4,6 innen Heiztechnik SA 5 C bis SA 70 C 5,3 ... 67,8 1,23 ... 16,54 4,1 ... 4,6 außen Stiebel Eltron WPWE 5 KW bis 5,1 ... 14,5 1,2 ... 3,4 4,2 ... 4,3 innen WPWE 14 Viessmann Vitocal BW 104 bis 4,8 ... 32,6 1,1 ... 7,2 4,35 ... 4,65 innen Vitocal BW 232 Waterkotte DS 5006.3 bis 4,6 ... 16,9 1,2 ... 4,1 3,8 ... 4,1 innen Wärme- DS5023.3 pumpen TX 5025.3 C bis 19,6 ... 79,6 5,0 ... 19,8 ca. 4,0 innen TX 5102.3 C Tafel Wasser/Wasser-Wärmepumpen Hersteller Typenreihe Heizleistung1) Leistungs- Leistungszahl- Aufstelin kW aufnahme bereich der lung in kW Typenreihe AEG HWWi 12C bis 12,2 ... 92,0 2,14 ... 17,04 5,3 ... 5,7 innen Hausgeräte HWWi 90C AL-KO WWW 40 bis 4,2 ... 24,8 0,8 ...4,6 5,2 ... 5,6 innen Therm WSW 235 Bartl Wärme- WB 2 CF/W bis 10,1 ... 45,2 1,8 ... 7,9 5,6 ... 6,0 innen pumpen WB 16 CF/W-T Apparatebau Thermo- WI 12 C bis 12,2 ... 92,0 2,14 ... 17,04 5,3 ... 5,7 innen Technik WI 90 C Dimplex Feutron SWWP 5 bis 6,3 ... 51,8 1,2 ... 9,7 5,3 ... 5,5 innen SWWP 40 Hautec HWW 18 bis 5,9 ... 48,5 1,13 ... 9,7 5,0 ... 5,4 innen HWW 160 HWW 3017 bis 5,9 ... 15,2 - - innen HWW 3048 1) Leistungsangabe gemäß EN 255 im Betriebszustand W10/W35; W10 Wärmequellentemperatur 10 °C, W35 Heizwassertemperatur 35 °C 1) Leistungsangabe gemäß EN 255 im Betriebszustand (BO) S0/W 35; S0 Wärmequellentemperatur 0 °C, W35 Heizwassertemperatur 35 °C Tafel Sole/Wasser-Wärmepumpen Allgemeine Energien Elektropraktiker, Berlin 53 (1999) 11 1047 Alternative Energien Fortsetzung Tafel Wasser/Wasser-Wärmepumpen Hersteller Typenreihe Heizleistung Leistungs- Leistungszahl- Aufstelin kW aufnahme bereich der lung in kW Typenreihe Heliotherm H07W bis 8,1 ... 51,7 1,5 ... 9,7 5,3 ... 5,4 innen Wärmepumpen H50W ID-M ID-WP 7 W bis 7,1 ... 20,1 1,38 ... 3,80 5,14 ... 5,29 innen ID-WP 20 W KVS Wärme- Aqua-WW 0201 bis 8,7 ... 107,1 1,58 ... 19,8 5,2 ... 5,5 innen pumpen Aqua-WW 2703-2 Hydro-WW 0201 bis 8,7 ... 107,1 1,58 ... 19,8 5,2 ... 5,5 innen Hydro-WW 2703 Ochsner Golf GWW 9 bis 7,8 ... 20 1,4 ... 3,7 5,4 ... 5,5 innen Energie- Golf GWW 21 technik OWWP 28 bis 25,5 ... 87,8 5,6 ... 19,8 4,4 ... 5,0 innen OWWP 90 Satag Natura WW 104 bis 6,3 ... 43,0 - 5,46 ... 5,90 innen Thermo- Natura WW 232 technik Siemens WI 7 C bis WI 90 C 6,6 ... 92,0 1,25 ... 17,04 5,3 ... 5,7 innen Heiztechnik Stiebel Eltron WPWE 5 KW bis 6,6 ... 18,5 1,1 ... 3,6 5,1 ... 5,8 innen WPWE 14 Viessmann Vitocal WW 104 bis 6,3 ... 43,0 1,15 ... 7,4 5,46 ... 5,90 innen Vitocal WW 232 Waterkotte DS 5006.3 bis 6,5 ... 23,6 1,2 ... 4,2 5,25 ... 5,65 innen Wärme- DS5023.3 pumpen TX 5025.3 C bis 25,9 ... 106,6 5,0 ... 19,8 5,2 ... 5,4 innen TX 5102.3 C Hersteller Typenreihe Heizleistung1) Leistungs- Leistungszahl- Aufstelin kW aufnahme bereich der lung in kW Typenreihe AEG HLWi 10 P/ 8,3/11,1 2,2/3,3 3,7/3,4 innen Hausgeräte HLWi 18 P HLWa 9 bis 7,1 ... 16,0 2,2 ...5,9 2,8 ... 3,2 außen HLWa 22F AL-KO WLWi 50 bis 4,1 ... 14,6 1,3 ... 4,4 3,1 ... 3,3 innen Therm WLWi 180 WLWa 50 bis 4,1 ... 14,6 1,2 ... 4,3 3,3 ... 3,5 außen WLWa 180 Bartl Wärme- WB2 LCI bis 6,1 ... 13,9 1,9 ... 4,3 3,2 innen pumpen WB8 LCI Apparatebau WB 5 LS bis 10,2 ... 29,1 3,0 ... 8,2 3,4 ... 3,5 Split-WB 16 LS-T gerät Thermo LI 10 P/ 8,3/11,1 2,2/3,3 3,7/3,4 innen Technik LI 18 P Dimplex LA 9P bis 7,1 ... 18,5 2,2 ...7,1 2,6 ... 3,2 außen LA 18 PU Hautec HWL 25 bis 7,0 ... 11,562) 2,3 ... 9,52 3,4 ... 3,52) innen HWL 56 Heliotherm H05L bis 6,6 ... 13,5 1,4 ... 3,2 4,2 ... 4,74) innen Wärmepumpen H12L ID-M ID-WP 6 L bis 7,4 ... 16,03) 1,8 ... 4,0 3,93 ... 4,113) innen ID-WP 14 L KVS Wärme- Vario 0201 bis 5,4 ... 17,6 1,55 ... 5,0 3,25 ... 3,6 innen pumpen Vario 0701 Biva 0201 bis 5,4 ... 17,6 1,55 ... 5,0 3,25 ... 3,6 innen Biva 0701 Ochsner GLW 9 bis 8,5 ... 17,0 2,0 ... 4,35 3,9 ... 4,1 Split-Energie- GLW 19 gerät technik Satag Thermo- Natura AW 106 bis 5,4 ... 18,4 - 3,11 ... 3,31 innen technik Natura AW 119 Siemens LI 10P/LI 18P 8,3/11,1 2,2/3,3 3,7/3,4 innen Heiztechnik LA 9P bis LA 18PU 7,1 ... 18,5 2,2 ... 4,8 2,6 ... 3,2 außen Stiebel Eltron WPL 10 KW bis 6,3 ... 12,2 2,1 ... 3,7 3,0 ... 3,4 innen, WPL 30 KW außen Viessmann Vitocal AW 106 bis 5,4 ... 14,8 1,7 ... 4,6 3,18 ... 3,31 innen Vitocal AW 116 1) Leistungsangabe gemäß EN 255 im Betriebszustand (L2) A2/W35; A2 Außenlufttemperatur 2 °C, W35 Heizwassertemperatur 35 °C 2) gemäß EN 255 im Betriebszustand A7/W35 3) gemäß EN 255 im Betriebszustand A10/W35 4) ohne Ventilatoren Tafel Luft/Wasser-Wärmepumpen Elektropraktiker, Berlin 53 (1999) 11 1048 folgenden Betriebsarten eingesetzt: · monovalent Der Energiebedarf des Gebäudes wird ganzjährig zu 100 % von der Wärmepumpe gedeckt. · monoenergetisch An wenigen Tagen des Jahres wird die Wämepumpe bei niedrigen Außentemperaturen durch eine elektrische Zusatzheizung ergänzt. Beide Heizungen werden mit der gleichen Energieform (Strom) betrieben, deshalb monoenergetisch (Bild ). Elektrische Zusatzheizungen werden auch zum schnelleren Anheizen eingesetzt. · bivalent Die Wärmepumpe liefert die Wärmeleistung zum größten Teil allein. Bei sehr tiefen Außentemperaturen decken die Wärmepumpe und ein zweiter Wärmeerzeuger (anderer Energieträger) den Wärmebedarf gemeinsam. Leistungsbilanz Die Wärmepumpe wird überwiegend elektrisch betrieben. Das Verhältnis zwischen erzeugter Wärmeleistung und der dazu eingesetzten elektrischen Leistung wird als Leistungszahl bezeichnet. Die Leistungszahl ist eine wesentliche Kenngröße für Auswahl und Vergleich von Wärmepumpen. Sie ist keine konstante Größe und hängt stark von der Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Verflüssiger ab. Sie wird um so größer, je geringer diese Differenz ist, d. h., je höher die Temperatur der Wärmequelle im Vergleich zu der des Verbrauchers ist. Deshalb sind Wärmepumpen für den Heizbetrieb grundsätzlich mit möglichst geringen Heizwasser-Vorlauftemperaturen in Verbindung mit Niedrigtemperatur-Radiatoren oder Fußbodenheizungen zu betreiben. Praktische Werte für die Leistungszahl liegen je nach Anlagentyp im Bereich von etwa 3 bis 6. Eine Leistungszahl von 4 bedeutet z. B., daß bei einer zugeführten Leistung von 1 kW für den Verdichter am Verflüssiger eine Wärmeleistung von 4 kW zur Verfügung steht. Etwa 75 % der Nutzleistung stammen also aus der Umwelt. Der Vergleich der Leistungszahlen verschiedener Wärmepumpen ist nur unter genormten Bedingungen möglich, die die Wärmequellen- und Heizwassertemperatur berücksichtigen. Die Angaben erfolgen z. B. in der Form: · Wasser/Wasser-WP W10/W35 Wasserquellentemperatur 10 °C Heizwassertemperatur 35 °C · Sole/Wasser-WP (B0) S0/W35 Soletemperatur 0 °C Heizwassertemperatur 35 °C · Luft/Wasser-WP (L2) A2/W35 Lufttemperatur 2 °C Heizwassertemperatur 35 °C. Kosten Die Investitionskosten für Heizungsanlagen mit Wärmepumpen sind gegenüber konventionellen Heizungsanlagen höher, obwohl sich der Aufbau beider Ausführungen sehr ähnelt. Die Heizungsanlage im Haus ist ähnlich einer herkömmlichen Anlage. Anstelle eines Kessels mit einer Verbrennungsanlage wird die Wärmepumpe eingebaut (vgl. Bild ). Die zusätzlichen finanziellen Aufwendungen entstehen vor allem durch die erforderliche Technik zur Gewinnung der Umweltenergie (Erdwärmesonden, Erdkollektoren, Brunnen o. ä.). Der Investor kann seinen Mitteleinsatz vermindern, indem er - ähnlich wie bei ande-Alternative Energien Die Anschriften der genannten Firmen erhalten Sie von der Redaktion oder über ep-online. Den Beitrag [1] zu Funktion und Betriebsarten von Wärmepumpen von W. Bonin finden Sie ebenfalls unter eponline. www.elektropraktiker.de Entzug von Wärmeenergie Abgabe von Wärmeenergie Verflüssiger Verdampfer Verdichter Expansionsventil Medium 1 abgekühlt Medium 2 zugeführt Medium 1 zugeführt Medium 2 erwärmt Arbeitsmittel, flüssig mit niedrigem Druck Arbeitsmittel, flüssig mit hohem Druck Arbeitsenergie Arbeitsmittel, gasförmig mit niedrigem Druck Arbeitsmittel, gasförmig mit hohem Druck megie von Funktionsprinzip und Arbeitmittelkreislauf einer Wärmepumpe Schema einer monoernergetischen Wärmepumpe ren regenerativen Energien - die speziellen Förderprogramme für Wärmepumpen nutzt. Auskünfte erteilen dazu die Landesinnungsverbände. Überblick Die Tafeln bis zeigen wesentliche, gegenwärtig am Markt verfügbare Wärmepumpen-Typenreihen im Überblick. Neben Heizleistung-, Leistungsaufnahme- und Leistungszahlbereich (nach Firmenangaben) weist die Zusammenstellung den Aufstellungsort aus. Literatur [1] Bonin, W.: Funktion und Betriebsarten von Wärmepumpen. Elektropraktiker, Berlin 52(1998)7, S. 638-642.
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