Zunächst zur Außenluftmaschine.
Hier ist eine mögliche Aufstellung.
Die Wärmepumpe steht im Haus und
der Verdampfer oder Umweltwärmesammler steht draußen.
Neben dieser getrennten Aufstellung
von Außenluft-Wärmeübertrager und Wärmepumpe
gibt es weitere Bauformen.
Man kann z.B. beides zusammen komplett außen aufstellen.
Das wäre in dem Bild
links diese beiden Formen.
Die sieht man ja auch mittlerweile
häufig vor Häusern stehen.
Man kann eine komplette Innenaufstellung vornehmen,
da muss man dann große Luftkanäle
von draußen zur Wärmepumpe
bzw. von der Wärmepumpe nach draußen führen.
diese Aufstellung ist eher selten.
Aber diese getrennte Aufstellung gibt es durchaus
und in diesen Leitungen kann dann
entweder wirklich Kältemittel fließen,
sodass das hier (draußen) wirklich der Verdampfer ist, oder
es fließt hier Sole, also Wasser-Glykol-Gemisch,
damit es nicht einfriert
und das Außengerät ist einfach ein Wärmeübertrager.
Das wäre so eine Bauform, hier rechts
also ein Wärmeübertrager mit Ventilator drin,
wo Sole durchfließt,
Wärme aufnimmt und diese dann im Verdampfer
im Gerät
im Gebäude (im Keller zum Beispiel) abgibt.
Ne,
Die Vorteile von diesen Außenluftmaschinen:
Sie sind vergleichsweise preiswert.
Die Investitionskosten sind nicht so hoch und
man kann die überall verwenden,
fast überall, wenn man Abstände (für Lärmschutz) noch berücksichtigt,
kann es vielleicht mal ein bisschen eng werden,
aber Außenluft gibt es überall.
Also von daher sehr gut verwendbar,
fast überall nutzbar und deshalb auch
hohe Marktanteile aus beiden Gründen,
insbesondere aufgrund der niedrigen Investitionskosten.
Die Nachteile sind, dass man
einen erhöhten Stromverbrauch hat,
weil natürlich die Außenlufttemperaturen
im Winter auch mal niedrig werden können
und Sie dann ja auch viel heizen müssen,
wenn die niedrig sind.
Also da haben andere Wärmequellen (wie zum Beispiel Erdsonden)
natürlich Vorteile, deren Temperatur ist
nicht so stark abhängig von der Witterung,
Wir sehen gleich noch ein Bild dazu.
Und mit den niedrigen Wärmequellentemperaturen
ist der Wirkungsgrad der Maschine
natürlich nicht ganz so hoch,
also deshalb ein erhöhter Stromverbrauch.
Hinzu kommen Vereisungsvorgänge
an diesem Außen-Wärmeübertrager
beziehungsweise am Verdampfer.
Wenn die Außenluft kalt ist,
enthält sie ja immer noch Wasserdampf.
Und wenn die Außenluft dann
unter 0 Grad abgekühlt wird,
dann kondensiert dieser Wasserdampf nicht nur aus,
(das wäre sogar ein Vorteilhafter Wärmegewinn,)
sondern er vereist auch.
Und wenn dann diese Lamellen des Wärmeübertragers
zunehmend vereisen,
dann verengt sich der Strömungskanal.
Irgendwann geht da nichts mehr,
und Sie müssen dieses Eis immer wieder abtauen.
Und diese Abtauung braucht natürlich Energie.
Ja, und zu guter Letzt,
Sie müssen Luft fördern über den Wärmeübertrager
mit einem Ventilator.
Das braucht auch Strom, das muss man berücksichtigen.
Und weil der Ventilator läuft,
aber auch weil der Kompressor läuft,
gibt es Geräusche.
Das muss man auch im Blick behalten.
Als Zweites die Erdsonde als Wärmequelle für die Wärmepumpe.
Hier ist eine Grafik.
Man bohrt Löcher ins Erdreich,
mit einem Durchmesser von circa 15 cm
und bringt in diese Bohrungen,
die dann durchaus bis 400 Meter tief sind,
(dann spricht man immer noch
von oberflächennaher Geothermie,
oberflächennaher Erdwärme,)
bringt in diese Bohrlöcher dann
in der Regel Kunststoffrohre ein, die in U-Form
geführt sind bis zur Basis der Sonde
und dann wieder nach oben.
Meistens ist das eine Doppel-U-Rohr-Sonde,
die dort verlegt wird.
Wenn man tiefer bohrt als 100 Meter
braucht man eine bergrechtliche Genehmigung.
Das ist aber keine wirkliche Hürde,
die erhält man vielfach,
man muss sie nur beantragen und
das ist ein zusätzlicher Schritt.
Also man kann durchaus auch tiefer bohren.
Der Abstand zwischen mehreren Sonden sollte
mindestens ein Zehntel der Bohrlochtiefe sein.
Gesprochen hatten wir schon über das
Doppel-U-Rohr, darin fließt dann Sole,
nämlich Wasser-Glykol-Gemisch durch
(also Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch)
und dieses Borhloch wird auch
nachher wieder verfüllt.
Also da ist nicht nur
das Kunststoffrohr drin,
sondern es wird so eine Betonitmischung eingeführt,
sodass das wie so ein Betonstab
in der Erde ist,
der sehr stabil dort verankert ist.
Der Vorteil ist, in der Erde ist es
vergleichsweise konstant warm mit etwa 10 Grad
in diesen ersten 100 Metern.
Darunter wird es pro 100 Meter immer 3 Grad wärmer.
Das ist von Region zu Region etwas unterschiedlich,
aber so dramatisch unterschiedlich
auch nicht.
Wir haben dann Wärme-Entzugsleistungen
zwischen 10 und 50 Watt pro Meter Bohrlänge.
Das ist natürlich abhängig von der Bodenart,
aber auch abhängig von der Sondenanzahl,
wie dicht gepackt die sind und
man muss dann berücksichtigen,
dass man die Bodentemperatur
auch langfristig betrachten muss, in der Regel,
wenn man größere Sondenfelder auslegt,
dann macht man Simulationen,
über 50 Jahre hinweg, bis es dann
eine Steady-State-Temperatur im Untergrund gibt.
Vorteil? Man hat hohe Arbeitszahlen (der Wärmepumpe)
aufgrund dieser vergleichsweise
hohen konstanten (Quell-)Temperatur und
bei größeren Gebäuden kann man auch andersrum
im Sommer Wärme in die Erde einbringen,
also zur passiven Kühlung diese Sonde nutzen.
Das ist in Bürogebäuden durchaus
eine Win-Win-Situation,
wenn man beides machen kann.
Wenn man für die Kühlung des Gebäudes
keine aktive Kältemaschine braucht,
(mit vergleichsweise hohen Stromverbrauch,)
sondern einfach nur eine Pumpe laufen lassen muss,
um Wärme ins Erdreich abzuführen
und damit auch die Sonde zu regenerieren.
Die Regeneration erfolgt
normalerweise durch versickernden Niederschlag,
Grundwasserströmungen und
ein ganz klein wenig durch die Wärme,
die aus dem heißen Erdkern kommt.
Das ist aber nicht so viel vom Anteil.
Und da hilft diese Wärme, die man
im Sommer (aus dem Gebäude in die Sonde) einbringt,
durchaus gut, um die Sonde zu regenerieren und dann
im Winter höhere Sondentemperaturen zu haben.
Der Nachteil sind die Investitionskosten.
Man braucht so eine (Sonden-)Bohrung
und die sind nicht preiswert,
also für ein Einfamilienhaus 10.000 €
muss man einkalkulieren.
Dafür kann man sie vielleicht
im Vorgarten niederbringen, weil man
für eine Sonde nicht viel Platz braucht.
Ja dann, welche Temperaturen kann man etwa erreichen?
Hier eine Messung von Fraunhofer ISE in Freiburg.
Das ISE macht schon seit
ca. 15 Jahren Messungen
an Wärmepumpenanlagen im Feld.
Ein sehr gutes Datenmaterial.
Es gibt mehrere Abschlussberichte zu.
Hier ist ein Beispiel für eine Messung.
Hier sind Solevorlauf- und rücklauftemperaturen
an 11 Erdreichsonden gemessen
und deren Tagesmittelwerte
aufgetragen worden.
Sie sehen hier rot die Temperatur der Sole,
die aus dem Erdreich kommt,
mit in der Spitze im Sommer
bei 13 oder 14 Grad Celsius über diese Messperioden hinweg.
Die Messperioden sind jeweils Jahre.
Die Jahre liegen in dem Beispiel länger zurück,
aber das tut
nichts zur Sache.
Die Soleströme werden dann abgekühlt
um so eine Temperaturdifferenz von
circa 3-4 Kelvin,
das wäre typisch.
3 Kelvin ist so ein Norm-Abkühlung und
Sie sehen dann das geht dann hier
in der tiefsten Temperatur so um die 0 Grad,
hier sogar einmal etwas tiefer
wieder in die Erde rein,
nimmt Wärme auf und kommt dann hier mit
2,5 bis 3 Grad wieder raus.
Auch eingezeichnet ist die Außentemperatur,
als blauer Graph.
Und Sie sehen,
dass im Winter die Außentemperatur
natürlich auch sehr niedrig werden kann.
Vor allem im Vergleich zu dieser (roten) Temperatur,
weil rot ist ja hier
die Eintrittstemperatur (von der Sonde) in die Wärmepumpe und
das ist (blau) die Eintrittstemperatur der Außenluft
in die Wärmepumpe über den Verdampfer
und da gibt es einen großen Unterschied!
Deshalb ist die Wärmepumpe mit Erdsonden
als Wärmequelle dann effizienter. Jedoch
in der Übergangszeit ist das (rote und blaue Temperatur) etwa gleich.
Aber gerade im diesen Kernwintern
sind die Außentemperaturen
in allen Jahren deutlich geringer.
Sie sehen hier auch noch die mittleren
Außenlufttemperaturen in der Heizperiode
in den Beispielen lag die bei ca.
5 Grad Celsius.
Vorhin habe ich etwas von 2 Grad Celsius gesagt,
also in dieser Größenordnung.
Kalter Winter, warmer Winter.
In dieser Größenordnung liegt das.
Hier ist noch die Bandbreite angegeben ,
die Schwankung beträgt etwa 3 Kelvin
um diesen Mittelwert der 11 Sonden.
Nun stellt sich die Frage,
wie legt man die Sonde aus,
wenn die klein ausgelegt ist, dann sind die Temperaturen
natürlich etwas niedriger, die man erzielt.
Wenn sie großzügig ausgelegt wird,
dann sind die Soletemperaturen,
die der Wärmepumpe zufließen, etwas höher.
Jetzt geht es um andere Wärmequellen für Wärmepumpen.
Gerdae hatten wir uns die Außenluft
als die maßgebliche Wärmequelle
für Wärmepumpen angesehen und die Erdsonden,
die ursprünglich mal sehr stark dominiert haben,
aber jetzt schon lange
durch die Außenluft
als Wärmequelle für Wärmepumpen abgelöst worden sind
aber immer noch einen nicht unerheblichen Anteil
am Markt ausmachen,
so in der Größenordnung von 10 %.
Heute geht es um andere Wärmequellen.
Ich beginne hier mit dem Erdkollektor.
Da ist auch das Erdreich die Wärmequelle,
aber jetzt nicht einige Meter tief
100 Meter, 200, 300, 400 Meter tief
in die Erde gebohrt, sondern in etwa 1,5 Meter Tiefe
sind dann solche Rohrschlangen verlegt,
wie man das hier auf dem Bild sieht,
mit einem Abstand von etwa 0,5 bis 0,7 Meter.
In dieser Tiefe haben wir natürlich
nicht so konstante Temperaturen
wie in den tieferen Erdschichten.
Das schwankt dann saisonal
hier von 5 bis 15 Grad etwa
leider entgegengesetzt zur Heizlast.
Wenn es draußen kühl ist,
dann wird auch der Boden kühl
in den ersten Metern und dann hat man einen
entsprechend hohen Temperaturhub zu überwinden.
Die Wärmeentzugsleistung liegt
zwischen 10 und 40 Watt pro Quadratmeter,
je nach den Randbedingungen.
Die Regeneration
erfolgt durch Sonneneinstrahlung und Versickerung
von Niederschlag im Wesentlichen.
Solche Systeme sind nicht sonderlich verbreitet,
weil man Platz dafür braucht.
Wenn man es im Altbau macht,
dann hat man einen schönen Garten und müsste den
dann aufgraben und die Rohre verlegen.
Das macht man nicht so gerne. Und im Neubau
sind die Grundstücksgrößen meistens zu klein,
deshalb ist diese Technik
nicht sonderlich verbreitet, aber
wie bei den Erdsonden kann man sie
auch zum Kühlen nutzen. d.h.
im Sommer Wärme aus dem Gebäude in die Erde einbringen.
Hier ist noch ein
Spezialfall genannt,
die Agrothermie als Fachbegriff.
Das meint, dass man auf Ackerflächen
solche Rohre einbringt.
Vielleicht dann etwas tiefer, also quasi
wie mit einem Pflug in entsprechender Tiefe
die Erde aufgräbt und dann direkt ein Rohr reinlegt.
Wenn Sie das googeln, finden Sie
ein entsprechendes Video dazu.
Aber auch das ist
nicht weit verbreitet.
Die nächste Wärmequelle,
die ich Ihnen vorstellen will,
das ist die Wärmequelle Wasser,
als Grundwasser zunächst mal.
Das hat natürlich den Vorteil, dass Grundwasser
ganzjährig vergleichsweise hoch temperiert ist,
8 bis 12 Grad kann man ansetzen.
Die Wärmeentzugsleistungen,
die man hier aus so einem Saugbrunnen entnimmt,
also die Menge an Wasser, die man da
entnehmen kann,
hängt natürlich davon ab,
wieviel Grundwasser denn hier zur Verfügung steht.
Man entnimmt das Wasser, kühlt es ab und gibt es
dann in einem Schluckbrunnen wieder in die Erde.
Und dieser Schluckbrunnen,
der stellt
manchmal
ein Problem dar,
denn er kann verstopfen,
insbesondere wenn das Grundwasser
eisenhaltig, manganhaltig ist
und dann Sauerstoff dran kommt,
dann entstehen entsprechende Oxide
und dann setzt sich dieser Schluckbrunnen
mit der Zeit zu.
Das muss man im Blick behalten,
dass die Wasserqualität ausreichend gut ist
oder Vorsorge getroffen worden ist,
damit diese Verstopfung, diese "Verockerung",
nicht passiert.
Die Regeneration erfolgt durch zufließendes Grundwasser.
Man braucht eine wasserrechtliche Genehmigung, denn
Grundwasser ist in Deutschland ein hohes Gut,
das dürfen sie nicht einfach so nutzen.
Und aufgrund dieser hier genannten Probleme
ist die Technik gering verbreitet.
In der Absatzstatistik haben
die Außenluftwärmepumpen
den weitaus größten Anteil - 90%.
Die Solewärmepumpen mit Erdsonden/Erdreich
als Wärmequelle vielleicht 9%,
die Grundwasserwärmepumpen sind das letzte Prozent.
Und dann gibt es noch
diese reinen Trinkwarmwasserwärmepumpen,
Die stelle ich Ihnen auch gleich noch vor,
die dann auch wieder nennenswert verkauft werden,
Im größeren Maßstab kann man auch
Flüsse, Seen oder Abwasser nutzen.
Das ist vor allem bei Groß-Wärmepumpen
zu Einspeisung in Nah- und Fernwärmenetzen
interessant.
Flüsse wie der Rhein oder auch
andere Flüsse in Deutschland
werden
genutzt, um
Groß-Wärmepumpen mit Umweltwärme
zu versorgen.
Eine nicht ganz neue Entwicklung,
aber jetzt weiter raumgreifend,
(sehr alt ist diese Technologie noch nicht)
sind sogenannte PVT-Kollektoren,
also eine Kombination aus PV-Modul, was Strom erzeugt
und einem thermischen Kollektoranteil,
der unter der PV-Fläche
einfach unten drunter angebracht ist.
Man sieht das hier auf dem Bild.
Der thermische Kollektor-Teil kann
Wärme aus der Umgebungsluft einkoppeln
und profitiert auch davon,
dass dieser PV-Teil bei Sonnenschein
warm wird und so
die Luft unter dem PV-Modul erwärmt.
Das ist insofern interessant, weil
es eine Alternative
zur Außenluftwärmepumpe klassischer Art darstellt,
wo man ja einen Ventilator hat,
der Luft fördert und Geräusche macht,
und wo man einen Aufstellplatz braucht
für die Außeneinheit.
Hier bei PVT hat man eine Doppelnutzung des Daches
auf der einen Seite,
weil man sowohl Photovoltaikstrom erzeugt
als auch Wärme für die Wärmepumpe bereitstellt
und das völlig geräuschlos.
Also man hat das Dach als Fläche,
was man gut nutzen kann und
das ohne irgendwelche Geräusche,
weil hier durch diese Rohre fließt
dann Sole und deren Wärme wird
in den Verdampfer der Wärmepumpe
eingekoppelt.
Zudem vorteilhaft ist, daß
die PV-Erträge sogar etwas steigen,
weil das PV-Modul gekühlt wird.
Davon profitiert der Wirkungsgrad des PV-Moduls:
Je kühler das Modul ist, desto mehr Strom produziert es.
Das ist keine große Menge
an Ertragssteigerungen,
aber immerhin etwas.
Und wie ich gerade sagte,
hat man eine gute Jahresarbeitszahl
bei diesen Systemen.
Die liegt zwischen den Arbeitszahlen
der reinen Außenluftmaschinen und den Erdsonden.
Nachteil ist leider, die Systeme kosten etwas mehr.
Wenn man so eine Anlage auslegen will,
dann kann man sich so ein bisschen
orientieren hier an den Herstellerangaben
zum Beispiel von Consolar,
das ist einer der Anbieter,
von solchen Systemen,
dass man etwa 3,5 Quadratmeter PVT-Kollektor
je kW Heizleistung der Wärmepumpe braucht.
Und wenn man das in der Art auslegt,
kann man Jahresarbeitszahlen
von 4 bis 4,5 erreichen.
Diese Arbeitszahl-Bandbreite sehen wir uns
nachher noch an.
Wichtig ist, und das hat so ein Hersteller
wie Consolar dann auch im Blick,
dass es eine Wärmepumpe sein muss,
die auch sehr niedrige Quellentemperaturen nutzen kann,
denn wenn die Außenluft -5 Grad Celsius oder
-10 Grad kalt ist, muss die Wärmepumpe
ja immer noch funktionieren.
Das können nicht alle Sole-Wärmepumpen.
Klar, bei dem System binden Sie eine Wärmepumpe an,
über deren Verdampfer Sole fließt.
Aber die klassischen Solemaschinen
werden ja vor allem eingesetzt mit Erdreich
als Wärmequelle,
und das Erdreich wird keine -10 Grad
oder soll es nicht werden.
Diese Wärmepumpen sind eher so gestrickt, dass Sie
Wärmequellentemperaturen von 0 bis 10 Grad erwarten.
Hier bei PVT wird die Sohle auch kälter und
deshalb muss das eine Solewärmepumpe sein,
die das auch kann.
Es gibt Produkte, aber es muss dann
auch so ein solches Produkt sein.
Soweit zu PVT-Kollektoren.
Als nächstes, als Besonderheit,
wenn man so will, die Wärmequelle Abluft.
Wenn Sie Lüftungsanlagen haben,
dann fördern Sie ja warme Raumluft,
mit 20 Grad, vielleicht sogar wärmer, nach draußen
und bringen Frischluft rein.
Hier, die
Abluft aus dem Raum wird
mit den Ventilator aus dem Raum gefördert
und geht als Fortluft nach draußen.
Und die Außenluft wird,
wenn man eine Anlage mit Wärmerückgewinnung hat,
in einem Wärmeübertrager vorgewärmt und
strömt als Zuluft in den Raum rein.
Also das könnte so aussehen hier: bei 20-grädiger Abluft,
und 0-grädiger Außenluft,
kühlt sich die Abluft bis auf 2 Grad ab
und die Zuluft heizt sich bis auf 18 Grad auf.
Das wäre eine Wärmerückgewinnung
von 90%,
solche Apparate gibt es.
Wenn die Fortluft hier aber noch 0 Grad hat,
dann kann die ja noch
als Wärmequelle für eine Wärmepumpe genutzt werden
und das wird hier dann gemacht.
Hier eine kleine Wärmepumpe, die dann ihre Energie
in einen Warmwasserspeicher einkoppelt.
Und aus diesem Speicher wird dann Wärme entnommen
zur Nacherwärmung der Zuluft
über 18 Grad hinaus,
damit man mit der Zuluft gleichzeitig heizen kann,
so dass sie keine Heizkörper mehr brauchen
oder keine Fußbodenheizung.
Und das Trink-Warmwasser können Sie dann
über dieses Rohr (oben) aus dem Trinkwarmwasserspeicher entnehmen.
Unten wird das Kaltwasser in den Speicher geführt.
Der Speicher kann elektrisch nachgeheizt werden,
falls das nötig ist.
Und Sie könnten auch noch
eine thermische Solaranlage ankoppeln,
um Wärme in den Speicher einzubringen.
Das Kernelement ist aber diese
Nutzung der Abluft
beziehungsweise Fortluft als Wärmequelle und
das Heizen mit der auftemperierten Zuluft.
Das geht in sogenannten Passivhäusern.
Passivhäuser sind sehr gut wärmegedämmt.
Sie sind dadurch definiert,
dass sie nur 15 Kilowattstunden pro Quadratmeter
Wohnfläche und Jahr an Heizwärmebedarf haben.
Das wären 1,5 Liter Heizöl pro Quadratmeter und Jahr,
für ein 100 Quadratmeter großes Reihenhaus
wären das 150 Liter Heizöl pro Jahr, also sehr wenig.
Das Passivhaus hat (umgerechnet)
eine Heizlast von 10 Watt pro Quadratmeter
und Sie müssen erst unter 5 Grad Außentemperatur (=Heizgrenze)
überhaupt anfangen zu heizen, weil Passivhäuser so gut
wärmegeschützt sind, dass bis dahin
die inneren und äußeren Wärmegewinne ausreichen,
um das Gebäude zu beheizen.
Jeder von Ihnen bringt 100 Watt mit.
Wenn Sie 3 Leute einladen,
haben Sie 400 Watt Heizleistung
in ihrer Studentenbude.
Bei 10 Watt pro Quadratmeter Heizlast
am kältesten Tag des Jahres
(wenn es draußen -10 Grad ist) und
angenommen Ihre Studentenbude ist 20 Quadratmeter groß:
20 m² mal 10 W/m² sind 200 Watt,
die Sie brauchen, um den Raum bei kältesten
Außentemperaturen behaglich zu beheizen.
4 Leute (mit insgesamt 400 Watt) sind dann schon zu viel.
Da müssen Sie schon das Fenster aufmachen.
Also dann lohnt sich das Bier ganz anders,
was Sie investieren für den Besuch.
In solchen Passivhäusern
mit sehr geringen Wärmebedarfen,
sehr geringen Heizlasten können Sie (ohne Heizkörper)
mit warmer Luft sehr behaglich heizen.
Mit warmer Luft können Sie auch heizen,
wenn höhere Heizlasten vorhanden sind,
das wird aber dann immer unbehaglicher,
weil Sie immer größere Volumenströme brauchen oder
immer höhere Zulufttemperaturen
und das ist dann nicht sonderlich behaglich.