Leidenschaftsprojekt - Wärmepumpe

[Intolerance]

Jedes Jahr gibt es diese Phase, wo ich weiß, dass ich bald wie eine Kartoffel gebacken werde, in meiner Dachgeschosswohnung im Sommer. Ich gucke mich also regelmäßig nach einer Klimaanlage um, aber der
Geldbeutel sagt jedes Jahr: "Nein".
Ich bin ja begeistert von der Technologie einer Wärmepumpe, wie man damit effizient kühlen und heizen
kann. Deswegen habe ich angefangen, mir meine Traumklimaanlage selber zu designen. Mit dem Ziel den
geleisteten Arbeitsaufwand beim kühlen oder heizen so effizient wie es nur möglich ist, zu gestalten.

Ich komme ursprünglich aus dem Grafikdesign und hatte mit Wärmepumpen nicht wirklich viel zu tun. Damit
befinde ich mich in einer Phase, wo ich noch viel lernen muss. Ich mache aber regelmäßig Entwürfe, die ich
gerne zeigen und zur Kritik freigeben würde.

Die erste Reihe, ist eine wassergekühlte Klimaanlage und durch das Schalten von Ventilen bestimme ich die
Richtung und Reihenfolge, in welcher das Wasser die unterschiedlichen Wärmetauscher passieren soll.
In früheren Entwürfen, habe ich mich darauf konzentriert, die Wärmepumpe größer zu designen und mehr
Funktionen einzubauen, hatte allerdings den bitteren Beigeschmack, dass Kupferverarbeitung und Material
in einer Wärmepumpe recht schnell teuer werden. Eine wasserbasierte Kühllösung hat den Vorteil, dass es
wesentlich flexibler gebaut werden kann, zB. mit Plastikschläuchen. Wasser hat ebenfalls den Vorteil, dass es
eine viel höhere Wärmekapazität hat als Luft und wo ich lebe, bekommt man 1000L Wasser, für den Preis von 4KW. Mit 1000L lässt sich viel effizienter kühlen und mit dem Gebrauch einer Wärmepumpe kann die Leistung erhöht und der Wasserverbrauch reduziert werden.

Die Wasserkühlung bedient sich vorerst noch rein dem Wasserdruck. Zweck Effizienz und Zirkulation Möglichkeit, werde ich aber noch eine Pumpe einbauen.

Bitte nehmt Rücksicht darauf, dass die Schaubilder aufwändig gestaltet sind und bei permanenten
Änderungen sind Beschriftungen und Marker ein ziemlicher pain in the A++ korrekt zu halten. Deswegen
fehlen noch sehr viele der Informationen, ich werde diese aber nach und nach hinzufügen.


Watercooling Only

Heatpump Cooling 1

Heatpump Cooling 2

Dehumid

Dehumid / Heated

Heating

 

[ThomasK_7]

Nun ja, dass Deine Lösung im Bau und Betrieb teurer sein wird als eine kommerzielle Klimaanlage mit Splitgerät, wirst Dir vielleicht irgendwann noch ausrechnen können. Dann wird sie Dir in Nullkommanix zusammenrosten, weil mit einfachem Wasser betrieben.

Soweit ich das überblicke, soll das Kühlwasser als ständig neu durchlaufendes Medium benutzt werden.
Hast Du Dir schon einmal ausgerechnet, wie viel Zimmerwärme so 1 cbm Wasser überhaupt aufnehmen kann und das das mit 4 kw-Kostenäquivalent wahnsinnig teuer erkauft wird? (kein Abwasserpreis fällt an?)

Trotzdem schön, dass Du Dich mit dem Thema Funktionsprinzip Klimaanlage beschäftigst.

Wenn man neben einem Bach wohnt und dort das natürliche Gefälle ausnutzen kann (also am Berg), notfalls mit einer Pumpe, dann kann man sich so etwas bauen, aber in allen Fällen natürlich aus Kostengründen nicht. Sehe da auch keinen ökologischen Vorteil.

Bei einem Kreislaufmodell des Kühlmediums Wasser ist es im DG sehr schwierig, das Medium wieder abzukühlen, weil es auch am Dach außen sehr warm wird. Geht alles auch nur bei Wohneigentum und selbst dann bei WEG (Eigentumswohnung) nur eingeschränkt.

 

[Intolerance]

Soweit ich das überblicke, soll das Kühlwasser als ständig neu durchlaufendes Medium benutzt werden.
Hast Du Dir schon einmal ausgerechnet, wie viel Zimmerwärme so 1 cbm Wasser überhaupt aufnehmen kann und das das mit 4 kw-Kostenäquivalent wahnsinnig teuer erkauft wird? (kein Abwasserpreis fällt an?)

Dadurch dass die Wärmepumpe Wassergekühlt ist, kann sowohl beim Heizen, als auch beim Kühlen eine hohe COP erreicht werden. Genaue Zahlen kann ich dir nicht nennen, da zu viele Faktoren noch unbestimmt sind. Dennoch steigert es die Effizienz zu Kosten von Wasserverbrauch.

Ich habe mich missverständlich ausgedrückt. Laut Angaben der Stadtwerke:
Wasser 1m³ = 1,67€
Strom 1Kw/h = 0,32€

167/32 = 5.2kw/h

Demnach müssen 5.2kw Abwärme abgeführt werden, damit eine reine Wasserkühlung möglich ist. Ich schätze, das wäre nur unter sehr günstigen Bedingungen möglich.
Durch zuschalten der Wärmepumpe wird der Wasserverbrauch gesenkt und Leistung erhöht.

Ventil 4. ist ein Drucksteuerventil, womit die Fließgeschwindigkeit variabel bestimmt werden kann (noch nicht eingetragen).

Da Deutschland ein sehr wasserreiches Land ist und Dürren ausgenommen, wäre Wasser eine mögliche Kühlmethode. Das Wasser muss auch nicht unbenutzt verbraucht werden, sondern kann immer noch gespeichert und zum Kochen oder Baden verwendet werden.

Nun ja, dass Deine Lösung im Bau und Betrieb teurer sein wird als eine kommerzielle Klimaanlage mit Splitgerät, wirst Dir vielleicht irgendwann noch ausrechnen können.

Das habe ich schon längst und ja, gegen die 500€ Split Klimageräte aus China kommt man preislich nicht an. An die Effizienz an eine Wassergekühlte Wärmepumpe kommen die aber sicherlich auch nicht heran.

Die Bedenken über die Materialbeschaffenheit und Anfälligkeit für Korrosion sind berechtigt. Eventuell ziehe ich es noch vor ein Kreislauf mit einer Pumpe und einer RO-Anlage zu machen.

(kein Abwasserpreis fällt an?)

So gar nicht daran gedacht, muss auch noch eingerechnet werden.

notfalls mit einer Pumpe, dann kann man sich so etwas bauen, aber in allen Fällen natürlich aus Kostengründen nicht.

Es gibt die Ram-Pump, damit kann man Wasser Berg auftransportieren, sofern ein Gewässer eine ausreichende Fließrichtung hat. Sehr praktisch für Menschen, die abgelegen leben und ohne Generator eine Pumpleistung brauchen.

 

[ThomasK_7]

Deine Anlage hält auch keinem Vergleich mit einer prof. Splitklimaanlage für rund 4000-5000€ stand.
Du berücksichtigst auch kaum den Zeitraum, den das Wasser zur Energieaufnahme benötigt.
Wo speicherst Du denn die ganzen tausende von Litern erwärmtes Wasser, noch dazu in der Ausgangslage DG?
Stellst Du jetzt für die Energieaufnahme die ganzen Wände+Decken in Deiner Wohnung mit Wärmetauschern voll?

 

[Intolerance]

Deine Anlage hält auch keinem Vergleich mit einer prof. Splitklimaanlage für rund 4000-5000€ stand.

Muss sie das?

Du berücksichtigst auch kaum den Zeitraum, den das Wasser zur Energieaufnahme benötigt.

Bis jetzt sogar noch gar nicht. Ich bin mir aber dessen bewusst, dass die einzelnen Komponenten entsprechend dimensioniert werden müssen.

Du wirst auch keine 1000L verbrauchen, das ist nur die angestrebte Energiedichte. 5.2kw Wärme pro 1m³.
Ventil 4 ist dafür gedacht, die Durchflussmenge zu regulieren.

Ich fühle mich besser 1000L unverbraucht ins Wassersystem zurückzuspeisen, als 5Kw an Strom zu verbrauchen. Die Wärmepumpe verbessert den Wirkungsgrad zusätzlich.

 

[ThomasK_7]

In was für ein Wassersystem willst Du zurückspeisen?
Noch einmal meine Frage nach dem Standort des Wasserspeichers, falls es einen geben soll?

 

[S.a.M.]

Dürren sind in Deutschland keineswegs ausgeschlossen....
Eine Wasserknappheit gabs hier auch schon teilweise im Hochsommer.

Wasser zurückspeisen? Wie willst Du denn das machen, einfach zurückpumpen gegen den Druck der vom Wasserwekt kommt? Das würde ich definitiv nicht.

 

[Intolerance]

Dürren sind in Deutschland keineswegs ausgeschlossen....
Eine Wasserknappheit gabs hier auch schon teilweise im Hochsommer.

Habe ich nicht bestritten und ist einer der Schwächen des Systems. In Dürren halte ich den Gebrauch von Wärmepumpen für umstritten, da das Stromnetz während einer Hitzewelle sehr schnell überlastet werden kann.

Wasser zurückspeisen? Wie willst Du denn das machen, einfach zurückpumpen gegen den Druck der vom Wasserwekt kommt? Das würde ich definitiv nicht.

Mein Fehler. Es in den Abfluss entladen, oder in einem Warmwasserspeicher nutzen.

 

[S.a.M.]

zu den Dürren: ok, da hab ich mich verlesen 😇

wie groß stellst Du Dir denn den Warmwasserspeicher vor?

 

[mariobrand0]

Dir ist bewusst, das deine Zeichnungen und Gedanken das Prinzip der Sole/Grundwasser Wärmepumpe entspricht?

Wenn du das alles mit Frischwasser machen würdest, werden die Plattentauscher der Wärmepumpe nicht lange überleben, da 1. alles anfangen wird zu rosten, und 2. die Festkörper welche im Wasser vorhanden sind sich darin absetzen und alles Verstopfen werden.

Deine erste Zeichnung entspricht der "passiven Kühlung" wo einfach das kalte Wasser mittels Umwälzpumpe durch die "Heizkörper" gepumpt wird und somit die Umgebung abkühlt. Hier wäre eine Flächendeckende Kühldecke am effizientesten

Zeichnung 2+3 wäre dann die "aktive Kühlung" wo im Prinzip die Flussrichtung des Gases in der Wärmepumpe durch ein Ventil im Kältekreislauf umgedreht wird, und einfach gesagt die Wärmepumpe wie ein Kühlschrank funktioniert.


Alles im Allen gibt es das schon von verschiedenen Herstellern am Markt, wo alle Komponenten auf die Anderen abgestimmt sind, somit einen Höheren COP und einen günstigeren Preis gegenüber dem Eigenbau haben.
Da gibt es auch die Möglichkeiten die Gewonnene Engergie für Warmwasser zum Trinken/Duschen/Baden etc. zu verwenden.

Desweiteren werden solche Geräte dann als geschlossenes System gebaut, da wie oben Angesprochen die Radiatoren, Ventile und vor allem die Plattentauscher in der Wärmepumpe in den seltesten Fällen für Frischwasser ausgelegt sind und somit nicht lange Überleben.

 

[Intolerance]

Dir ist bewusst, das deine Zeichnungen und Gedanken das Prinzip der Sole/Grundwasser Wärmepumpe entspricht?

Vollkommen. Ich persönlich sehe es eher als eine low-budget Erdwärmepumpe. Aber die genauere Definition ist Wasser/Wasser Wärmepumpe.

Ich habe mal ein paar Zahlen überschlagen.
Die Stadtwerke geben einen Wert von durchschnittlich 18°C für ihr Wasser an. Bei einer passiven Wasserkühlung der Raumtemperatur und bei einer Erwärmung des Wassers auf 30°C, dann entwickeln 400L Wasser eine Kühlleistung von 5.6Kw/h, bzw. 19.000 btu. Das große ABER sind aber die imperfektionen in der Wärmeübertragung und 100% Effizienz sind nicht zu erreichen. Daher sind die Zahlen nur als grobe Orientierung zu betrachten.


Wasser 1m³
18°C->30°C
13.95 Kwh (ist gleich zu 50232000J / 11960000cal / 47611 btu)

Eine Klimaanlage schafft das aber mühelos. Bei 0.3€ pro Kw/h und einem COP von 2.3. Bei einer höheren COP wird es sogar günstiger und der Markt bietet Geräte mit angegebenen COP von mindestens 4 an.

Damit ist die Kühlleistung eher mies und setzt voraus, dass die Luft/Wasser Wärmetauscher groß dimensioniert sind. Aber eine hervorragende Möglichkeit (Raumtemperatur-)warmes Wasser zu bekommen bei nahezu 0Kw/h Investition. Mir gefällt zwar die Vorstellung, aber eine reine Wasserkühlung wird nicht funktionieren, eventuell kann ich auf ein paar Ventile verzichten, wenn ich es streiche, sonst bleibt die Funktion drinnen. Wer weiß, wofür das noch gut ist und ist effizienter als jeder Warmwasser Boiler.

Bei der Verwendung der Wärmepumpe und 40°C Abwasser sieht es dann aber schon anders aus.
Wasser 1m³
8°C->40°C
37.21 Kwh (ist gleich zu 133952000J / 31893333cal / 126962 btu)

18°C->8°C
11.63 Kwh (ist gleich zu 41860000J / 9966667cal /´39676 btu)
8°C->30°C
25.58 Kwh (ist gleich zu 92092000J / 21926667cal / 87286 btu)
30°C->40°C
11.63 Kwh (ist gleich zu 41860000J / 9966667cal / 39676 btu)

12Kw/h Kühlleistung der Wärmepumpe für 25Kw/h Gesamtleistung.
Bei einem COP von 4 wären ein Investment von 3Kw/h für 25kw/h Kühlung.
Das ergibt eine gesamt COP von 8.3. Na, das soll mal einer mit einer Split-Klimaanlage nachmachen.

Es ist aber schon spät und ich lasse noch zu viele Faktoren außen vor. Es ist ohnehin viel zu früh, um von Effizienzen zu sprechen. Dafür sind zu viele Faktoren noch unbestimmt. Außerdem habe ich mich garantiert irgendwo verrechnet.

Abgesehen davon das 120k BTU über alle maßen zu viel sind. Ich wollte nur mal zeigen, was man mit 1000L Wasser für 1.60€ alles machen kann.

Im Moment arbeite ich daran, die bereits erhaltene Kritik umzusetzen.

wie groß stellst Du Dir denn den Warmwasserspeicher vor?

Ich denke da an etwa 100-200L. Scheint mir für meine Ansprüche realistisch dimensioniert zu sein. Eher weniger.

einfach gesagt die Wärmepumpe wie ein Kühlschrank funktioniert.

Jeder Kühlschrank hat eine Wärmepumpe.

 

[ThomasK_7]

Völliger Bullshit den Du Dir da zusammenrechnest!
Ich gehe wegen der Fülle an Fehlern nicht weiter darauf ein.
Alles nur (meine) verschwendete Zeit.

Bei Deiner Kreativität/Rechnungsweise wäre das nächste Projekt Dein perpeduum mobile!

Ich meine mich schon auszukennen, halte ich doch mit ein Patent im Bereich Wärmeumwandlung.
Für technische Demonstrationszwecke haben wir auch mit normalen Wasser gearbeitet und auch solch schöne Anlagen mit Ventilen und der dazugehörigen (einfachen) Steuertechnik gebaut.

 

[Intolerance]

Nö, die Rechnung ist definitiv fehlerfrei.

 

[S.a.M.]

Außerdem habe ich mich garantiert irgendwo verrechnet.

da widerspricht du dir aber

 

[Intolerance]

Erwischt, man kann es ja mal versuchen.

 

[Intolerance]

Damit sollte Korrosion und Wartungsaufwand reduziert sein. Die RO-Anlage filtert einen großteil der Verschmutzung heraus und enthärtet das Wasser.

 

[R.Kante]

Schuster, bleib bei deinen Leisten.

Bei den Stadtwerken wirst du sicherlich nicht Kw/h, kw/h oder überhaupt etwas pro Stunde bezahlen, sondern pro kWh. Kalorien sind zudem eher was für den Ernährungsplan und BTU als Einheit musste ich tatsächlich erstmal nachschlagen :-/ Bin zwar nicht in der Kältetechnik tätig, aber es würde mich stark wundern, wenn ausgerechnet in Deutschland diese Einheit üblich wäre.

Effizienz ist zudem auch etwas, das man sich eher selbst definieren kann. Vielleicht meinst du einen Wirkungsgrad? Wenn ja, solltest du dir erstmal klar machen, welchen du betrachten möchtest und wie du ihn überhaupt messen/berechnen könntest.

Auch ohne Wissen über deine handwerklichen Fähigkeiten: kauf lieber etwas, was funktionert und lass es jemanden erledigen, der weiß was er tut. Wahrscheinlich gibt es dann sogar Gewährleistung darauf.

 

[Intolerance]

Ohne Wissen über meine handwerklichen Fähigkeiten?
Ich glaube, die Komplexität des Projekts wird doch etwas stark überschätzt. Die Wärmepumpe mit Kompressor und Wasser- zu Wasser-Wärmetauscher kann ich in Auftrag geben und bekomme es im Leistungsbereich, wie ich es brauche. Das ist nichts Kompliziertes oder extrem teures. Möchte das langfristig selber machen, aber die Anschaffung der nötigen Werkzeuge würde es doch ziemlich teuer machen.

Ab hier ist es nur noch eine Sache von Wasserleitungen und Ventilen.
Ein Arduino übernimmt die Steuerung.

Dann noch Heizregister, Pumpe, etc.
Dafür muss man das Thema nicht studiert haben.

Wasser ist ein unterschätztes Kühlmedium und im Land der teuersten Strompreise der ...ich dachte EU, aber ich schlage es gerade nach, aber wir sind Listenführer der Weltrangliste.
https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Länder_nach_Strompreis
Im Vergleich hat Wasser eine enorme Wärme Speicherkapazität, ist aus der Leitung auch im Sommer noch kühl und im Vergleich zu Strom sehr günstig.

Dadurch ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen, wie zB. mit einer geringen Nennleistung eine sehr hohe Kühlleistung erwirtschaften kann. Außerdem möchte ich daran schrauben können.

 

[R.Kante]

Leitungen verlegen und Geräte anschließen, egal ob Wasser oder Elektrik, will gelernt sein. Andernfalls sind Kurzschlüsse, Undichtigkeiten und deren unangenehme Folgeerscheinungen vorprogrammiert. Dafür studiert man nicht, dafür macht man eine Ausbildung bei jemandem, der es kann.

Was könnte passieren, wenn du einen Fehler machst? Vom Brand über den Wasserschaden ist einiges dabei, möglicherweise auch ein Personenschaden. Eine Versicherung springt da mit Sicherheit nicht ein.

Es gibt gute Gründe dafür, dass eine Ausbildung in solchen Bereichen Jahre dauert.

 

[Intolerance]

Es ist mir gelungen, die Anzahl der Ventile erheblich zu verringern. Nach der Entdeckung der Wegventiltechnik der Hydraulik. Was noch neu für mich ist, also experimentiere ich noch mit den Möglichkeiten.

Zur Steuerung der Funktionen verwende ich bisher 5 Ventile.
Darunter:
2 Druckventile
- zur Steuerung der Durchflussmenge und Druckverteilung des Sekundärkreislaufs
2 4/2 Wegeventile
- zur Steuerung der Durchflussrichtung und Wechsel zwischen Kühlen und Heizen
1 3/3 Wegeventil
- zur Schaltung zwischen Kühlen und Heizen des Sekundärkreislaufes. In neutral in Off Stellung.

In dieser Konfiguration ist Kühlen, Heizen und Entfeuchten möglich und durch den Sekundärkreislauf kann die gespeicherte oder abgegebene Energie verwendet werden, um in reverse zu heizen oder kühlen.

Die Wasser/Luft Wärmetauscher benötigen jeweils ein 4/2 Wegeventil und ein Druckventil um angesteuert zu werden.


Edit:
Changelog
-alte Fehler entfernt
-neue Fehler hinzugefügt

Cooling

Cooling / Recycle

Heating

Heating / Recycle