Einsatz von Wärmepumpen im teilmodernisierten Altbau

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Kraft-Wärme-Kopplung
2.1 Nettostromerzeugung nach Energieträgern
2.2 Primärenergieeinsparung durch KWK

3 Wärmepumpe Allgemein
3.1 Aufbau und Funktionsweise einer Wärmepumpe
3.2 Energieeffizienz und Nachhaltigkeit

4 Teilmodernisierter Altbau

5 Wärmepumpe im teilmodernisierten Altbau
5.1 Effizienter Wärmepumpenbetrieb
5.2 Einsatzmöglichkeiten der Wärmepumpe
5.3 Hybridheizung

6 Wirtschaftlichkeitsberechnung
6.1 Jahresarbeitszahl
6.2 Stromverbrauch und Strompreise
6.3 Aktuelle Wärmepreise
6.4 Investitionskosten
6.5 Förderungsmöglichkeiten
6.6 Wartungs – und Betriebskosten
6.7 Amortisationsrechnung

7 Fazit

Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1-1: Energieflüsse bei der Kraft-Wärme-Kopplung

Abbildung 1-2: KWK-Nettostromerzeugung nach Energieträgern

Abbildung 1-3: Primärenergieeinsparung am Beispiel des Einsatzes einer

dezentralen mikro-Kraft-Wärme-Kopplung

Abbildung 3-1: Absatzentwicklung Wärmepumpen in Deutschland 2000-

Abbildung 3-2: Prinzipieller Aufbau einer Wärmepumpe

Abbildung 5-1: Wärmeverluste eines Einfamilienhauses

Abbildung 5-2: Beispiel eines Hybridsystems: PV-Hybridsystem mit

solarbetriebener Warmwasser-Wärmepumpe

Abbildung 6-1: Energieträgerpreise 2017 – Niveau und Zusammensetzung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Investitionskosten Wärmeerzeugung

Tabelle 2: Jährliche Betriebskosten je nach Wärmeerzeugung…25

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die vorliegende Studienarbeit beschäftigt sich mit einer praxisorientierten Betrachtung von Wärmepumpen im nur teilmodernisierten Altbau unter der Berücksichtigung von unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten der Wärmepumpe, der effizienten Betriebsweise und der Wirtschaftlichkeit. In diesem Zusammenhang wird das Hybridheizungssystem als effizienteste und optimalste Lösung für den Betrieb von Wärmepumpen im teilmodernisiertem Altbau herausgearbeitet und detailliert vorgestellt.

Das ersten Kapitel beschäftigen sich mit dem Begriff der s. g. Kraft-Wärme-Kopplung und dem allgemeinen Aufbau und der Funktionsweise einer klassischen Wärmepumpe. Hierbei wird die Bedeutung der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit mit einbezogen und anhand der drei Säulen der Nachhaltigkeit verdeutlicht.

Im vierten Kapitel folgt die Begriffserläuterung des „teilmodernisierten Altbaus“. Hiernach werden in Kapitel 5 die Einsatzmöglichkeiten der Wärmepumpe, der effiziente Betrieb und das System der Hybridheizung thematisiert.

Im Anschluss daran erfolgt die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unter der Berücksichtigung diverser Einflussfaktoren wie z. B. der Stromverbräuche und –preise, Fördermöglichkeiten, aktuelle Wärmepreise etc.

2 Kraft-Wärme-Kopplung

Die Kraft-Wärme-Kopplung (oder Wärme-Kraft-Kopplung) ist die gleichzeitige Erzeugung von mechanischer und thermischer Energie (Wärme), wobei die mechanische Energie meist in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Die technische Basis für eine KWK-Anlage ist meist eine Wärmekraftmaschine, deren Abwärme einer Nutzung zugeführt wird.

Die Energie wird zum Bespiel aus Hochtemperaturwäre bezogen. Bei der Umwandlung in der Wärmekraftmaschine entsteht neben den nutzbaren Energien ebenfalls ein Wärmeverlust.

Abbildung 1 zeigt die Energieflüsse an. In diesem Beispiel wäre der mechanische Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine 33 % und der thermische Wirkungsgrad 59 %. Die fehlenden 8 % sind nicht nutzbare Wärme vor allem im Abgas.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1-1: Energieflüsse bei der Kraft-Wärme-Kopplung^[1]

Die nutzbare Niedertemperatur ist in der Regel unterhalb von 100°C und kann für die Erwärmung von Trinkwarmwasser oder für die Heizung verwendet werden. Die bereitgestellte mechanische Energie der Kraftwärmekopplungsanlage wird über eine Welle an einem Generator übergeben. Diese wiederum wandelt die mechanische Energie in Strom um. Wie bei jedem Umwandlungsprozess entsteht auch hier ein Verlustwärmestrom.

Anhand des Energieflussbildes können die verschiedenen Wirkungsgrade abgeschätzt werden. Es wird 100% Hochtemperaturwärme zugeführt. Der Anteil der nutzbaren Wärme ist am größten und liegt oberhalb von 50%. Dieser Anteil entspricht dem thermischen Wirkungsgrad. Analog dazu ist der mechanische Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine zu bestimmen.

Im weiteren Schritt kann der elektrische Wirkungsgrad des gesamt dargestellten Umwandlungsprozesses in Abbildung 1-1 bestimmt werden. Dazu ist das Verhältnis der Pfeilbreiten der elektrischen Energie zu der zugeführten Hochtemperaturwärme zu bilden. Da die Wärmekraftmaschine und der Generator einen Verlust aufweisen ist der elektrische Wirkungsgrad geringer als der mechanische Wirkungsgrad.^[2]

2.1 Nettostromerzeugung nach Energieträgern

In der nachfolgenden Abbildung 1-2 wird Entwicklung der Energieträger an der gesamten Netto-Stromerzeugung von 2003 bis 2016 in Deutschland dargestellt. Hiermit gehen die Ziele des Kraftwärmekopplungsgesetzes, welche in § 1 KWKG definiert werden, einher.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1-2: KWK-Nettostromerzeugung nach Energieträgern^[3]

Als Energieträger bei KWK-Anlagen kommen die Steinkohle, die Braunkohle, Mineralöle, Gase, Biomasse und sonstige Energieträger zum Einsatz. Insgesamt ist die Nettostromerzeugung durch KWK-Anlagen kontinuierlich gestiegen. Die Energieträger Steinkohle und Braunkohle werden nach und nach durch die Energieträger Gase und Biomasse verdrängt.

Die KWK-Ziele sind im Kraft-Wärme-Koppelungsgesetz (KWKG) verfasst. Mit der Novellierung vom 01.01.2016 ist das Ziel als absolutes Mengenziel verfasst worden. Aufgrund der Emissionsminderung und Primärenergieeinsparung, die im nachfolgendem Kapitel erläutert wird, ist gewünscht, dass bis 2020 die Stromerzeugung aus KWK- Anlagen auf 110 Terawattstunden und für 2015 auf 120 Terawattstunden ansteigt. Im Jahr 2016 ist das Ziel für 2020 bereits übertroffen worden.^[4]

2.2 Primärenergieeinsparung durch KWK

Im Falle der gemeinsamen Erzeugung von Strom und Wärme mit dezentraler KWK hat man aufgrund des Kraft-Wärme-Kopplungs-Prozesses geringere Energieverluste. Dieses System weißt im Gegensatz zu der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme nur einen Verluststrom auf. Hier erzielt man mit weniger investierter Primärenergie mehr Endenergie.

Die folgende Abbildung 1-3 zeigt die Primärenergieeinsparung am Beispiel des Einsatzes einer dezentralen Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1-3: Primärenergieeinsparung am Beispiel des Einsatzes einer dezentralen mikro-

Kraft-Wärme-Kopplung^[5]

[...]

^[1] Dr. Rüdiger Paschotta 2019.

^[2] Vgl. Dr. Rüdiger Paschotta 2019.

^[3] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) 2018.

^[4] Vgl. Bundesministerin der Justiz und für Verbraucherschutz o. J.

^[5] Aue o. J.