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Die Geheimnisse der Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe ist laut Wikipedia :
eine Maschine, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur (in der Regel ist das die Umgebung) aufnimmt und – zusammen mit der Antriebsenergie – als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur (Raumheizung) überträgt.
Ein Beispiel hierzu :
Laut technischem Datenblatt einer Wärmepumpe können Sie mit einer elektrischen Antriebsleistung
von 5,5 kW eine Wärmeleistung von über 24,5 kW erreichen.
Genau 24,5 kW erreichen Sie unter den folgenden Bedingungen :
Temperatur der Ansaugluft : 20 ° C
Temperatur des Wassereingangs am Wärmetauscher : 15 ° C
Ausgabe : Luft von 15 ° C und Wasser von 55 ° C und zwar 500 l/h.
Rechnen wir dies einmal nach !
500 l Wasser erwärmen von 15 °C auf 55 ° C bedingen eine Wärmeaufnahme von :
35 * 4,19 * 500 = 73.325 kJ oder 20,4 kWh.
Da die 500 l in 1 h erwärmt werden, beträgt die notwendige Wärmeleistung 20,4 kW.
Berechnung :
Energieinsatz je Stunde 5,5 kWh elektrisch + 20,4 kWh thermisch = 25,9 kWh gesamt
Energieausgabe je Stunde 24,5 kWh laut Prospekt
Der Energieerhaltungssatz wird also nicht verletzt !!
Woher kommt der Unterschied ?
Von der elektrischen Energie werden ca. 20 % in Druck umgewandelt und ca. 80 % in Wärme, wie
bei der Drucklufterzeugung auch.
Die Wärmebilanz lautet demnach :
20,4 kWh + 4,4 kWh = 24,8 kWh !!
Fazit : an den Prospektangaben des Herstellers gibt es nichts zu meckern !
1. Geheimnis der Wärmepumpe :
um 24,5 kWh an Wärmeenergie aus der Verbrennung von Heizöl zu erzeugen braucht man bei dem
angebenen Heizwert für Diesel / Heizöl von 10 kWh / l somit mindestens 2,45 l dieses Brennstoffs, in
der Regel aber noch mehr, da Wärme ungenutzt durch den Schornstein entschwindet.
Bei älteren Heizungen beträgt dieser Verlustanteil durchaus 12 - 15 % des eingesetzten Brennstoffes.
Setzt man anstelle der Heizung eines der heutigen " Mini-BHKW " ein und rechnet dann mit 2,45 l an
Heizöl, so ergibt sich folgendes Bild :
Bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 32 % kann ein solches Mini-BHKW aus 2,45 l Heizöl ca.
2,45 * 10 * 0,32 = 7,84 kWh elektrisch je Stunde erzeugen und man hat noch eine Wärmeenergie
von 2,45 * 10 * 0,68 = ca. 15 kWh zur Verfügung mit Temperaturen von ca. 85 °C - 90 °C aus
der Kühlung des Motors bzw. 350 - 450 °C aus dem Abgas des Motors bei 10 % Abwärmeverlust..
Betreibt man mit dem Strom obige Wärmepumpe, dann verbleiben immer noch ca. 2,3 kWh an Strom,
der die häusliche Stromrechnung reduziert.
Hat man bisher z.B. im Wohnhaus 2.000 l Heizöl / Jahr verbraucht, was einer nutzbaren Wärme von
ca. 17.000 kWh / Jahr entspricht ( wegen der Verluste über den Schornstein ) dann sieht die Bilanz
mit einer Wärmepumpe wie folgt aus :
2.000 l Heizöl / Jahr ergibt bei 2,45 l/h Verbrauch und einem Gesamtwirkungsgrad des Mini-BHKW
von 90 % eine Betriebszeit dieser " stromerzeugenden Heizung " von ca. 735 h/Jahr.
Hieraus resultieren ca. 5.760 kWh an elektrischer Energie und ca. 12.245 kWh an Wärmeenergie.
Ergebnis : die Stromrechnung eines Jahres ist durch diese Eigenerzeugung an Strom weit mehr als
bezahlt - aber es fehlt an Wärmeenergie !
Maßnahme : Einsatz einer Wärmepumpe für die Erzeugung von Brauchwasser und zum Heizen in
der Übergangszeit, wo Vorlauftemperaturen von 55 ° C ausreichend sind.
Gewählt wird eine Wärmepumpe mit 7 KW, die ca. 680 Stunden laufen muss um die fehlende Wärme
beizusteuern.
Lt. Angabe des Herstellers benötigt diese Wärmepumpe eine Antriebsleistung von 1,84 kW, was im
Jahr mit 1,84 * 680 * = ca. 1.251 kWh an elektrischem Strom zu Buche schlägt.
Falls somit die jährliche Stromrechnung nicht mehr als 4.500 kWh an Strombezug ausweist, so muss
man an das EVU kaum noch was zahlen, wobei das Stromnetz die Bedarfsschwankungen an Strom
ausgleicht, weshalb man dort angeschlossen bleiben sollte - auch unter Berücksichtigung von einem
Ausfall des Mini-BHKW.
FAZIT : Setzen Sie anstelle der Heizung eine Kombination ein aus einem Mini-BHW und einer
Wärmepumpe. Dann erhalten Sie Ihren Strom zum Nulltarif, denn :
die restlichen Stromkosten werden mehr als kompensiert durch die öffentlichen und privaten
Förderungen wie KWK-Bonus, BAFA-Förderung und regionale Initiativen von Verbänden.
2. Geheimnis der Wärmepumpe
Betreiben Sie Ihre Wärmepumpe nicht mit dem Strom aus einem Mini-BHKW sondern mit dem
Strom aus " solarer Strahlung ", z.B. einer Photovoltaik-Anlage.
Sie benötigen ca. 1.251 kWh / Jahr elektrische Energie um das obige Konzept umzusetzen.
Kalkuliert man ca. 900 kWh / Jahr, die man aus einem kW installierter Leistung einer PV-Anlage
erhalten kann, dann benötigen Sie ca. 1,4 kW an PV-Anschlussleistung, wobei zum Ausgleich von
Bedarfsschwankungen und dem Fakt, dass die Sonne nicht gerade immer dann scheint, wenn der
Strom benötigt wird, wieder das öffentliche Netz dient.
Bei einem Stromverbrauch von 4.500 Stunden haben Sie jetzt noch die folgende Möglichkeit :
Reduzieren Sie Ihren Heizöleinsatz und damit die Stromerzeugung über das Mini-BHKW bis auf den
Wert, den Sie wirklich brauchen ( 4.500 kWh im Jahr ) und ergänzen Sie die fehlende Wärme über
die Wärmepumpe, sofern Sie mit der maximal möglichen Temperatur von 55 ° C auskommen.
Dies bedeutet, dass Ihr Mini-BHKW kleiner ausfallen kann, wobei im Gegenzug die PV-Anlage dann
aber vergrößert werden muss !
So können Sie bei der Reduzierung Ihres Mini-BHKW auf 4.500 kWh / Jahr elektrisch ca. 400 l an
Heizöl im Jahr sparen. Hierüber können Sie problemlos die Erweiterung Ihrer PV-Anlage bestreiten.
Und die Umwelt freut sich auch !!
3. Geheimnis der Wärmepumpe
Die angegebenen Werte für die elektrische Antriebsleistung sind ==> Maximalwerte !!
Fällt z.B. die Temperatur der Umgebung auf unter 20 °C, dann gibt die Wärmepumpe immer weniger
an Wärmenergie aus, bei - 10 °C ca. nur noch die Hälfte, d.h. - auf unser Beispiel bezogen - nur noch
ca. 12 kW !
Andererseits gilt aber auch, dass die elektrische Antriebsenergie konstant bleibt, wenn die Temperatur
der Umgebung ansteigt !
Anders ausgedrückt können Sie somit auch bei einer niedrigeren Ausgabetemperatur des Wassers
eine höhere Gesamtleistung erzielen bei gleicher elektrischer Antriebsleistung, in unserem Beispiel z.B.
ca. 28,5 kW bei 30 °C Wassertemperatur am Ausgang der Wärmepumpe.
Diese Temperatur ist zu niedrig, werden Sie sagen - nur : Sie glauben gar nicht wieviele Monate Sie
mit einer solchen Temperatur in der Übergangszeit überbrücken können, denn bei 10 °C an Temperatur
in der Umgebung haben Sie lange noch mehr als 20 °C im Haus, da die 30 °C erst langsam aus Ihrem Haus in die Umgebung entschwinden !! Für die Brauchwasserbereitung reicht dies jedoch nicht aus.
Merke : Luft-Wasser-Wärmepumpen immer nur mit der Temperatur betreiben, die notwendig
ist, - und evtl. eine extra Wärmepumpe für Brauchwasser einsetzen !!
4. Geheimnis der Wärmepumpe
Dieses Geheimnis ist die Umkehrung der vorherigen Ausführungen !
Merke : Die Umgebungstemperatur einer Wärmepumpe so hoch wie möglich halten, denn dann
wird weniger Strom benötigt zur Erzeugung der gleichen Wärmemenge !
5. Geheimnis der Wärmepumpe
Kaufen Sie sich für die kalten Tage bzw. lange Perioden ohne nutzbare solare Strahlung so viele Notstromaggregate mit Luftkühlung, wie benötigt werden um die abgekühlte Luft aus der Wärmepumpe wieder auf eine hohe Eingangstemperatur ( z.B. 20 ° C ) vorzuwärmen.
Diese Geräte sind preisgünstig. Sie liefern darüber hinaus noch elektrischen Strom und heißes Abgas.
Diese Energien verwenden Sie wie folgt :
--- elektrischer Strom ==> zum Antrieb der Wärmepumpe(n) und für Strahlungsheizungen oder für
eine Wassererwärmung im Speicher. Somit sind Sie immer unabhängig
vom Stromnetz !
--- heißes Abgas um die Temperatur des Wassers aus der Wärmepumpe zu erhöhen, falls Sie
hohe Temperaturen in Ihrer Heizung benötigen. Dies geht am besten über eine Abgaswäsche,
d.h. eine Sprühkühlung des Abgases durch Wasser, wobei Sie dann gleichzeitig die Qualität des
Abgases verbessern. Sie können dieses Abgas ganz oder anteilig auch benutzen um der Luft an
der Ansaugung der Wärmepumpe eine evtl. noch fehlende Wärme zuzuführen.
6. Geheimnis der Wärmepumpe
Stellen Sie die Beheizung Ihres Hauses auf Niedrigtemperatur um !
Beispiele : Vergrößerung der Heizkörperfläche, zusätzliche Strahlungsheizungen, wassergeführte
Wandheizungen usw.
7. Geheimnis der Wärmepumpe
Die Wärmepumpe immer mit den gleichen Temperaturen betreiben !
Im Somme und im Winter operiert eine solche Wärmepumpe immer in einem hohen Temperaturbereich - trotz veränderter Umgebungstemperaturen !
Wie dies funktioniert, dass erfahren Sie auf Anfrage von uns !
8. Geheimnis der Wärmepumpe
Erzeugung von elektrischem Strom mithilfe der Wärmepumpe !
Warum dies auch bei niedrigen Temperaturen funktioniert, dass erfahren Sie auf Anfrage von uns !
Größtes Geheimnis der Wärmepumpe :
Die richtige Kombination all dieser genannten Möglichkeiten.
Hier ist e i n Vorschlag
für ein Wohnhaus mit derzeit 4.500 kWh / Jahr an elektrischem Strom u
und einem Jahresverbrauch von 2.500 l Heizöl, was einer Wärmeenergie von ca. 21.250 kWh / Jahr entspricht.
Annahme : ältere Heizungsanlage mit hoher Vorlauftemperatur, die für November bis März über 55 °C liegt.
Maßnahmenkatalog : Kosten ( EUR )
ein schallgedämmtes Notstromaggregat ( NSA ) mit 4,0 kWh max. elektrisch
und 7,7 kWh thermisch, mit Anschluss an den Heizöltank ==> 2.000 EUR
zwei Wärmepumpen mit je 7 kW Wärmeleistung bei 20 °C Lufttemperatur und
15 °C Wassereingangstemperatur, 2.000 l Wasserspeicher ==> 4.000 EUR
7 kWp PV-Anlage auf dem Dach ( kleiner 50 m² ) ==> 10.500 EUR
Addieren Sie zu diesen Kosten von ==> 16.500 EUR noch ==> 2.500 EUR an zusätzlichen Kosten hinzu, so
ergibt sich ein Investitionsbetrag von ==> 19.000 EUR.
Leistungsbilanz :
a) elektrisch
Die PV-Anlage erzeugt mindestens 7 * 900 kWh = 6.300 kWh / Jahr
Dieser Strom wird verwendet für den Haushalt ==> 4.500 kWh / Jahr
und für eine Wärmepumpe ( ca.1.000 Std. mit 7.000 kWh an Wärme ) ) ==> 1.800 kWh / Jahr
b) thermisch
Eine Wärmepumpe deckt den Brauchwasserbedarf = 7.000 kWh / Jahr
ab und heizt in der Übergangszeit
Das Notstromaggregat muss noch Wärme liefern = 14.250 kWh / Jahr
um den Jahresverbrauch abzudecken ./. 21.250 kWh / Jahr
Diesen Wärmebedarf liefert das NSA über den elektrischen Strom, die Wärmepumpen und aus Abwärme.
Es gilt die folgende Beziehung ( bei verminderter Leistung der Wärmepumpen von 5 kW im Winter ) :
Leistung der Wärmepumpen (10,0 kW )
+ Leistung aus Abwärme de NSA ( 7,7 kW )
+ Leistung aus Stromwärme vom Generator des NSA ( 0,4 kW )
----------------
18,1 kW
multipliziert mit den Betriebsstunden muss 14.250 kWh an restlichem Wärmebedarf ergeben.
Hieraus erhält man 787 Betriebsstunden ( bei 90 % Gesamtwirkungsgrad des NSA ) , was einem Heizölverbrauch von ca. 1.100 l entspricht.
Von dem anfallenden Strom des NSA 4 kW * 787 h = 3.148 kWh benötigen die Wärmepumpen 2 * 1,8 kW * 787 h = 2.833 kWh, so dass eine
Reserve an elektrischem Strom von ca. 300 kWh pro Jahr verbleibt.
Insofern werden außer den Stromkosten auch noch ca. 1.400 l an Heizöl eingespart !
Bei 0,30 EUR / kWh elektrisch und 0,90 EUR / l Heizöl beträgt die finanzielle Entlastung pro Jahr somit ca. 2.350 EUR pro Jahr, wovon die Wartungskosten für das
NSA ( Ölwechsel ) und die Kapitalkosten zu bedienen sind.
Kann man noch mehr tun um z.B. komplett vom Heizöl wegzukommen ?
Ja, man kann !