Projekt 21575/16

Untersuchung zur Energieeinsparung und zum Raumtemperaturverhalten bei Wärmepumpenanlagen zum energiesparenden Heizen und Kühlen von Gebäuden unter Berücksichtigung von Behaglichkeits- und Feuchtekonditionen

Projektträger

Wilhelm Gobbers
47805 Krefeld

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Untersuchung zur Energieeinsparung und zu Raumtemperaturverhalten bei Wärmepumpenanlagen zum energieeinsparenden Heizen und Kühlen von Gebäuden unter Berücksichtigung von Behaglichkeits- und Feuchtekonditionen. Bei dem Untersuchungsobjekt handelt es sich um eine schwere massive Bauausführung. Kurzfristige extreme Temperaturen wirken sich auf die Raumkonditionen kaum aus. Aufgrund des milden Sommers wurde somit die Kühlung nicht erforderlich, so dass auch keine relevanten Daten zur Kühlung erfasst werden konnten.
Grundsätzlich gilt aber, dass die Kühlung von gewerblichen und privaten Gebäuden sehr hohe Investitionskosten erfordert und zu einem enormen Energieverbrauch führt, der wiederum eine hohe Emissionsbelastung bedeutet. Die klassischen Lösungen bestehen zum einen im Bau einer Lüftungsanlage mit Kühlung oder im Bau von sogenannten Split-Klimaanlagen. Bei beiden Lösungsansätzen gelten die oben genannten hohen Investitions- und Energiekosten. Dies hat zur Folge, dass sowohl der private Bauherr, als auch der kleine und mittelständische Unternehmer, erst gar keine Kühlung der Gebäude plant. Hierdurch wiederum entstehen Konflikte mit den Arbeitsplatzrichtlinien, da wie zuletzt im Sommer 2003 geschehen, die geforderten Raumkonditionen meistens nicht eingehalten wurden. Dies führte zu Arbeitsgerichtsurteilen, die Vorschriften zur Kühlung immer stärker einfordern.
In privat genutzten Wohngebäuden wird durch den hohen Komfortanspruch und die Alterung der Bevölkerung, der Bedarf an Kühlung erheblich zunehmen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAb den 60iger Jahren sind viele Einfamilienhäuser mit Fußbodenheizung gebaut worden. Hier entsteht ein erheblicher Sanierungsbedarf. Hier ist die ideale Zielgruppe im Rahmen der Kesselsanierung, das Konzept der Erdsonde mit Wärmepumpe und Kühlung umzusetzen. Bei diesem Konzept sind im Gegen-satz zu den klassischen Möglichkeiten deutliche Einsparungen des Energieverbrauchs möglich.
Im Rahmen des Projekts wird eine bestehende Erdsondenanlage um die Kühlung erweitert. Die Raumkonditionen werden über einen Jahreszyklus permanent erfasst und ausgewertet.


Ergebnisse und Diskussion

Das untersuchte Gebäude Baujahr 1981 wird als Einfamilienhaus (Anlage 1, Bild 1) genutzt. Das Erdgeschoss und das Obergeschoss werden als Wohn- und Schlafräume benutzt, ebenso ein Raum im Untergeschoss. Der Speicher ist nicht ausgebaut und ist reiner Abstellraum.
Das Gebäude wird über eine Wärmepumpe Fabrikat Hautec mit einer Heizleistung von 14,8 kW (Anlage 2, Bild 2) beheizt. Die Erdwärme wird durch vier Erdsonden, die jeweils 30 m tief eingebracht sind genutzt. Alle beheizten Räume des Gebäudes haben eine Fußbodenheizung.
Im Rahmen der Untersuchung sind verschiedene Temperaturen kontinuierlich erfasst und vor Ort mittels eines Rechners aufgezeichnet worden. Im Einzelnen wurden die folgenden Temperaturen erfasst:
tA = Außentemperatur, tWV = Vorlauf Fußbodenheizung, tWR = Rücklauf Fußbodenheizung,
tWE = Eintritt Sole in Wärmepumpe, tWA = Austritt Sole aus Wärmepumpe, tKA = Raumtemperatur Wohnraum Untergeschoss, tHG = Raumtemperatur Wohnraum Erdgeschoss, tSK = Raumtemperatur Wohnraum 1. OG, tVO = Raumtemperatur unbeheizter Speicher.
Für die Raumtemperaturen läßt sich nachweisen, dass in allen drei beheizten Ebenen die gewünschte Solltemperatur sich jederzeit auf das gewünschte Niveau einstellte. Diese Raumtemperatur ist unabhängig von dem Verlauf der Außentemperatur. Die Raumtemperatur im nicht ausgebauten und nicht beheiz-ten Speicher folgt zeitlich versetzt der sich ändernden Außentemperatur.
Mit abnehmender Außentemperatur verringert sich die Takthäufigkeit der Wärmepumpe, d. h. die Wärmepumpe läuft über längere Zeiträume ohne Abschaltung. Die Wärmepumpe ist so eingestellt, dass die Austrittstemperatur der Sole aus der Wärmepumpe - 4 Grad nicht unterschreitet. Die niedrigste gemessene Außentemperatur beträgt - 6°C. Auch bei dieser Temperatur sind noch Leistungsreserven vorhanden. In der Hauptlastzeit zwischen 7 und 14:30 Uhr sind jedoch die Abschaltzeiten gering.
Die gemessenen Temperaturdifferenzen zwischen Solevorlauf und Solerücklauf stellt sich nahezu gleichbleibend zwischen 7 und 8°C ein. Die maximale Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung beträgt 33°C bei einer Temperaturdifferenz zum Rücklauf von ?t = 3°C.
Die beschriebenen Temperaturverläufe sind Tages- und Wochenweise für unterschiedliche Außentemperaturen als Diagramm (Anlage 3-8) ausgewiesen. Position der Messpunkte (Anlage 9).
Zum Kälteverhalten konnten keine Messdaten erstellt werden, da im Beurteilungszeitraum witterungsbedingt keine Kühlung erforderlich wurde. Es ist vorgesehen bei entsprechender Witterung im Sommer 2006 diese Daten ebenfalls zu ermitteln. Die gleiche Technik wie im Untersuchungsobjekt ist zeitgleich auch in einem Büroneubau eingebaut worden. In dem Bürogebäude Baujahr 2004 mit einem sehr hohen Glasfassadenanteil ist im Untersuchungszeitraum die Kühlfunktion zum Einsatz gekommen. Die Raum-konditionen sind trotz der sehr großen Fensterflächen von allen Mitarbeitern als sehr angenehm empfun-den worden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Untersuchungen werden bei den Wärmepumpenwochen im Rahmen des Wärmepumpenmarktplatzes NRW im Februar 2006 vorgestellt. Die Untersuchungen werden ebenfalls interessierten Architekten, Fachingenieuren und Endverbrauchern zugänglich gemacht. Zudem sind Veröffentlichungen in den lokalen Printmedien vorgesehen.


Fazit

Das Ergebnis der Untersuchung zeigt, dass bei dem untersuchten Gebäude aus 1981, dass bei weitem nicht dem heutigen Wärmeschutz entspricht, Erdwärme in Verbindung mit einer Wärmepumpe erfolgreich eingesetzt werden kann. Die Raumkonditionen entsprachen jederzeit den Anforderungen der Bewohner. Im Untersuchungszeitraum konnte keine Veränderung der Soletemperatur festgestellt werden. Bei dem Zyklus von über einem Jahr ist keine Änderung der Erdreichtemperaturen eingetreten. Dieses nicht den heutigen Vorschriften entsprechend gedämmte Gebäude hat einen Energieverbrauch von 9152 kWh. Im Verhältnis zu einer konventionellen Ölheizung ergibt sich daraus ein jährliches Einsparpotenzial in Höhe von ca. 24.000 kWh, d. h. von ca. 1.500 €. pro Jahr. Mit steigenden Energiekosten wird sich der Einspareffekt noch weiter erhöhen. Ebenso ergibt sich eine Reduzierung der CO² Belastung in Höhe von über 2,5 Tonnen pro Jahr.
Vor dem Hintergrund der dramatisch gestiegenen Energiepreise verkürzen sich die Amortisationszeiten immer mehr, so dass dieses Anlagenkonzept sich als äußerst wirtschaftlich darstellt