Effektivität einer Wärmepumpe

Wissenschaft Physik
#1

Hallo Physikerfachleute,

ich weiss jetzt nicht, ob das hier hin passt, denke aber schon (alternativ bei der Heizungstechnik, Haustechnik?).

Also, ich möchte mal anhand eines praktischen Beispieles bildhaft verstehen, wie effektiv eine Wärmepumpe ist.

Dazu zunächst die Angaben (nur diese sollen berücksichtigt werden);

elektr. Leistungsaufnahme 1,5 kW
(also bei durchgehend einer Stunde Laufzeit = 1,5kWh Energiebedarf)

Aufgeladen werden soll ein Wasserspeicher mit Nettoinhalt 175 Liter Wasser. Dieser Speicher hat JETZT eine Temperatur von 35 Grad Celsius, und soll auf Brauchwasserabschalttemperatur von sagen wir 50 Grad gebracht werden. Heizung usw. ist erstmal nicht das Thema. Es geht erstmal nur um diesen Brauchwasserspeicher.

Also sind das ja 15 Grad Diff. bei 175 Liter, richtig?

So, und noch der COP der Wärmepumpe, es soll auch hier ein fester Wert angenommen werden; 4,0

Frage(n);
1.) wie lange muss der Kompressor der WP laufen (also der elektrische Motor, der den Kompressor antreibt), damit die obigen 50 Grad erreicht sind, und der Motor somit abgeschaltet wird?

Hier soll auch ausser Acht gelassen werden, ob das in einem Rutsch passiert, oder ob der zwei mal einschaltet, oder auch 3 mal.

2.) diese Frage ist eigentlich einfach, sie ergibt sich aus der ersten Antwort; wieviel Energie in kWh ist benötigt worden, in der Zeit?

3.) angenommen, der COP ändert sich niemals, welchen anderen Einflüsse könnten zu anderen Ergebnissen bei der Leistungsaufnahme führen, und wie große könnte der Unterschied sein?

Ich bin kein Physiker, und habe es mal anhand von Daumenwerten versucht. Frage wäre, ob meine Daumenwerte realistisch sind;

15 Grad x 175 Liter = 2625 (aber was? Wattstunden?)
geteilt durch den COP (=4) = 656 (aber was? Wattstunden?)
mal Eta des Motors, sagen wir 90 % = 721 (aber was? Wattstunden?)

Wird also für die obige Aktion rund 0,721 kWh Strom benötigt?

Danke euch allen.

Grüße
Jürgen

#2

_Aufgeladen werden soll ein Wasserspeicher mit Nettoinhalt 175 Liter Wasser. Dieser Speicher hat JETZT eine Temperatur von 35 Grad Celsius, und soll auf Brauchwasserabschalttemperatur von sagen wir 50 Grad gebracht werden. Heizung usw. ist erstmal nicht das Thema. Es geht erstmal nur um diesen Brauchwasserspeicher.

Also sind das ja 15 Grad Diff. bei 175 Liter, richtig?_

Hallo Jürgen,

Dein Denkansatz hat einen Fehler. Du darfst den Boiler nicht als geschlossenes System sehen. Du benötigst eine externe Energiequelle, die Du quasi in den Boiler pumpst.

Bei der Planung einer Wärmepumpe steht am Anfang: Woher nehme ich die Energie aus der Umwelt? Sonnenkollektor? Verbrauchte warme Raumluft? Erdwärme? Eisheizung? usw?

Gruß

#3

Frage(n);
1.) wie lange muss der Kompressor der WP laufen (also der
elektrische Motor, der den Kompressor antreibt), damit die
obigen 50 Grad erreicht sind, und der Motor somit abgeschaltet
wird?

175kg Wasser, 1,163 Wh/(kg * K), 15K:

175kg * 1,163 Wh/(kg * K) * 15K = ca. 3000Wh.
Bei einem theoretischen COP von 4 sind dazu 750Wh elektrische Energie nötig, diese werden bei 1,5kW in 0,5h umgesetzt.

Problem:
Damit ein Energietransport vom Wärmeträger (Heizungswasser) ins Trinkwasser erfolgt, muss eine Temperaturdifferenz bestehen. Die WP muss also nicht 50°C heißes Wasser in den Wärmetauscher pumpen, denn dann werden die 50°C dort NIE erreicht.
Vermutlich wird sie so 60°C heißes Wasser bereiten.
Dabei knickt der Wirkungsgrad ein, da eine recht große Temperaturdifferenz überwunden werden muss.

2.) diese Frage ist eigentlich einfach, sie ergibt sich aus
der ersten Antwort; wieviel Energie in kWh ist benötigt
worden, in der Zeit?

Ich würde etwas pessimistischer, vermutlich aber realistischer mit einem COP von 3 rechnen. Dann sind rund 1000Wh nötig.

Wenn man realistisch den Energiebedarf der Warmwasserbereitung berechnen will, muss man den Bedarf an Heißwasser (nicht Warmwasser) kennen und die Einlasstemperatur.

Man kann etwa 30-40 Liter 60°C heißes Trinkwasser pro Person und Tag als Mittel annehmen.
Dann beträgt die dazu nötige Energie in einem 3-Personen-Haushalt:
120kg * 50K * 1,163Wh(K * kg) = ca. 7000Wh.
Bei einem COP von 3 sind es ca. 2300Wh elektrische Energie.

#4

Hi,
danke, aber darum geht es doch nicht. Wir wollen hier keine Wärmepumpenberatung!

Ich habe die Daten doch genannt;
WP hat elektrische Aufnahme von 1,5 kw
Speicher hat 175 Liter
Temp im Speicher JETZT 35 Grad
Temp im Speicher SOLL 50 Grad
Pumpe geht an, COP ist 4

wieviel elektr. Energiemenge in kWh ist nötig, um die Aufgabe zu erfüllen?

Grüße
Jürgen

#5

Ei ei ei, Danke sehr. Da neige ich doch zum frohlocken, wenn ich sowas schönes lese. Damit ist mir doch schon viel geholfen.

Eine Frage noch; sehe ich das richtig, das die Heizenergie (also für Heizkörper, oder eben Fussbodenheizung) die meiste Energie in einem Haushalt benötigt?

Gefolgt von Wärme für Brauchwasser (Dusche…), und zulegt die reine elektrische Energie, also Strombedarf?

Ist das so weit richtig? Wie liegen in etwa die prozentualen Verteilungen dieser drei Energieformen, z.B. bei 2 Erw. und 1 Kind?

Danke.

Grüße
Jürgen

#6

Ist das so weit richtig? Wie liegen in etwa die prozentualen
Verteilungen dieser drei Energieformen, z.B. bei 2 Erw. und 1
Kind?

Kann man nicht sagen.
Wurde berechnet, wieviel Heizwärme das Haus im Jahr benötigt?
Dann kann weiter rechnen.
Wenn es um dein bekanntes Projekt geht: Der PV-Ertrag in den Wintermonaten wird vermutlich komplett für die Heizung benötigt, du kannst aber gerne über diese Tabelle nachrechnen:

http://de.wikipedia.org/wiki/Gradtagzahl#Anwendung
(Dann weißt du, dass man im Januar etwa 17% des Jahresheizbedarfes benötigt)

Gib dann deine PV-Anlagendaten hier ein:
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php?lan…

Dann weißt du, dass eine optimal ausgerichtete 10kWp Anlage in Osnabrück im Januar etwa 257kWh Energie bereitstellen wird.
Legt man den durchschnittlichen Stromverbrauch von 3000kWh für einen 3-Personen-Haushalt zu Grunde, dann würde man in einem Monat wie dem Januar sicher rund 300kWh benötigen.
Verbleiben für das Heizen -43kWh.
Spart man massivst Strom, dann reichen in einem Januar vielleicht schon 150kWh.
Bleiben 107kWh für das Heizen und die Warmwasserbereitung.
2kWh hatte ich für den Heißwasserbedarf geschätzt, also 60kWh im Monat (wobei im Winter man eher MEHR Warmwasser benötigen wird!).
Bleiben noch maximal 47kWh für das Heizen.
Multipliziert mit dem COP 4 sind das runde 200kWh Heizenergie, das entspricht etwa 20l Heizöl für EINEN Monat, mit der Annahme dass Januar = 17% sind, wäre dein Haus dann eins, was mit 117l Heizöl im Jahr auskommen müsste.

Du entscheidest nun, ob du das Glauben willst.

#7

Hallo,

Eine Frage noch; sehe ich das richtig, das die Heizenergie
(also für Heizkörper, oder eben Fussbodenheizung) die meiste
Energie in einem Haushalt benötigt?
Gefolgt von Wärme für Brauchwasser (Dusche…), und zulegt die
reine elektrische Energie, also Strombedarf?

Kann man nicht pauschal so sagen.
Kommt auch besonders auf den Standort an und auf die
Art des Hause.
Bei extrem sparsamen Häusern mit sehr guter Wärmedämmung
kann auch hier in Dtl. die Heizenergie an 2. oder 3.
Stelle rutschen.
Auch wird die Heizung ja durch Warmwasser und vor allem
durch Elektroenergieverbrauch sonstiger Geräte (außer
Heizungen) beeinflusst. Wenn in einem Haus elektrische
Geräte mit genügend Leitungsaufnahme betrieben werden,
dann braucht es keine Heizung mehr (großflächige TV,
leistungsfähige PC im Dauerbetrieb, Herde zum Kochen
und Backen, Waschmaschine und Beleuchtung und
Kühlschränke + Tiefkühltruhen nicht zu vergessen.

In der Regel ist es aber so, wie du schreibst.

Ist das so weit richtig? Wie liegen in etwa die prozentualen
Verteilungen dieser drei Energieformen, z.B. bei 2 Erw. und 1
Kind?

Kommt eben sehr auf die Haus- bzw Wohnungsgröße,
Bausubstanz und die Verbrauchsgewohnheiten an.

Elektroenergiebedarf ohne Heizung und Warmwaaser typ.
zwischen 2500…4000kWh pro Jahr.

Warmwasser auch zwischen 3000…5000kWh pro Jahr

Heizung toleriert am stärksten mit ca. 3000kWh für
kleine Wohnung mit guter Wärmedämmung bis über 20kWh
für große Wohnung mit eher schlechter Wärmedämmung.
Noch höhere Heizernergieverbräuche sind zwar nicht mehr
typisch aber noch gut möglich.
Gruß Uwi

#8

Ist das so weit richtig? Wie liegen in etwa die prozentualen
Verteilungen dieser drei Energieformen, z.B. bei 2 Erw. und 1
Kind?

Kann man nicht sagen.
Wurde berechnet, wieviel Heizwärme das Haus im Jahr benötigt?
Dann kann weiter rechnen.
Wenn es um dein bekanntes Projekt geht: Der PV-Ertrag in den
Wintermonaten wird vermutlich komplett für die Heizung
benötigt, du kannst aber gerne über diese Tabelle nachrechnen:

Nun, hier bin ich durchaus realistisch, und vermute mal ganz stark, dass es nichtmal reichen wird. Es muss von aussen an einigen Tagen Energie zugeführt werden…

http://de.wikipedia.org/wiki/Gradtagzahl#Anwendung
(Dann weißt du, dass man im Januar etwa 17% des
Jahresheizbedarfes benötigt)

Danke dir. Das habe ich mir angesehen, habe es aber nicht auf Anhieb durchblickt.

Gib dann deine PV-Anlagendaten hier ein:
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php?lan…

Also, das ist mal ne richtig fett gute Seite. Wahnsinn. Irre. Habe ich mir gleich dick und fett in die Favoriten gelegt. Super, danke nochmals. So liebe ich das :smile:

Dann weißt du, dass eine optimal ausgerichtete 10kWp Anlage in
Osnabrück im Januar etwa 257kWh Energie bereitstellen wird.
Legt man den durchschnittlichen Stromverbrauch von 3000kWh für
einen 3-Personen-Haushalt zu Grunde, dann würde man in einem
Monat wie dem Januar sicher rund 300kWh benötigen.
Verbleiben für das Heizen -43kWh.
Spart man massivst Strom, dann reichen in einem Januar
vielleicht schon 150kWh.
Bleiben 107kWh für das Heizen und die Warmwasserbereitung.
2kWh hatte ich für den Heißwasserbedarf geschätzt, also 60kWh
im Monat (wobei im Winter man eher MEHR Warmwasser benötigen
wird!).
Bleiben noch maximal 47kWh für das Heizen.
Multipliziert mit dem COP 4 sind das runde 200kWh Heizenergie,
das entspricht etwa 20l Heizöl für EINEN Monat, mit der
Annahme dass Januar = 17% sind, wäre dein Haus dann eins, was
mit 117l Heizöl im Jahr auskommen müsste.

Du entscheidest nun, ob du das Glauben willst.

Wie gesagt, ich weiss durchaus, dass das alles nicht so einfach ist.

Machbar wäre es, WENN der Akku entsprechend groß wäre. Das ist aber nicht realisierbar, weil zu teuer. Im übrigen möchte ich auch keinen irre großen Akkuraum haben. Das würde mich nur an ein AKW errinnern (das kann ja auch explodieren :frowning: … )

Machbar wäre es auch, WENN die PV Anlage deutlich größer wäre, z.B. 20 kWp. Das ist aber zunächst auch nicht realisierbar, weil das min. 10 Kiloeuro zusätzliche Investition bedeuten würde. Ausserdem ergäbe sich dadurch eine noch weiter aufgehende Schere; im Sommer ist massenweise Energie vorhanden, die zunächst nicht wirklich sinnvoll verwendet werden könnte. Wer hat schon Lust, den Kindern immer einen Lichtbogen zu zeigen :smile: ?

Ansich ist angedacht, überschüssige Energie der Erdsonde zuzuführen, ich weiss nur noch nicht, ob sowas funktioniert. Im Prinzip könnte man ja das rücklaufende Solewasser (das Frostschutzgemisch, was die beiden 60 Meter tiefen Bohrungen runterjuckelt) aufheizen. Frage ist nur, wie lange diese Energie in der Erde bestehen bleibt, um sie wieder nutzen zu können. Habe da echt keine Vorstellung. Zumindest könnte man damit aber eine völlige Auskühlung verhindern. Letztlich muss eigentlich ein eff. Nutzen vorhanden sein, wenn man das aufheizt. Schlechter werden kann es ja wohl nicht.

Grüße
Jürgen

#9

Bei extrem sparsamen Häusern mit sehr guter Wärmedämmung
kann auch hier in Dtl. die Heizenergie an 2. oder 3.
Stelle rutschen.
Auch wird die Heizung ja durch Warmwasser und vor allem
durch Elektroenergieverbrauch sonstiger Geräte (außer
Heizungen) beeinflusst. Wenn in einem Haus elektrische
Geräte mit genügend Leitungsaufnahme betrieben werden,
dann braucht es keine Heizung mehr (großflächige TV,
leistungsfähige PC im Dauerbetrieb, Herde zum Kochen
und Backen, Waschmaschine und Beleuchtung und
Kühlschränke + Tiefkühltruhen nicht zu vergessen.

In der Regel ist es aber so, wie du schreibst.

Kommt eben sehr auf die Haus- bzw Wohnungsgröße,
Bausubstanz und die Verbrauchsgewohnheiten an.

Elektroenergiebedarf ohne Heizung und Warmwaaser typ.
zwischen 2500…4000kWh pro Jahr.

Warmwasser auch zwischen 3000…5000kWh pro Jahr

Heizung toleriert am stärksten mit ca. 3000kWh für
kleine Wohnung mit guter Wärmedämmung bis über 20kWh
für große Wohnung mit eher schlechter Wärmedämmung.
Noch höhere Heizernergieverbräuche sind zwar nicht mehr
typisch aber noch gut möglich.
Gruß Uwi

Hi Uwi,

danke sehr für diese ebenfalls ausführliche Antwort.
Das alles hilft mir schon sehr weiter.

Noch eine Frage/Vermutung; du hast dich oben verschrieben, oder? Du meinst doch sicher nicht …bis über 20kWh, sondern vermutlich bis über 20.000 kWh, oder?

Grüße
Jürgen

#10

oder? Du meinst doch sicher nicht …bis über 20kWh, :sondern vermutlich bis über 20.000 kWh, oder?

Ja, klar, 20.000 kWh sind gemeint.
Gruß Uwi