Heizen mit Eis effiziente Wärmequelle für Wärmepumpen

Die Auswahl und Auslegung der Wärmequelle spielt, neben den Systemtemperaturen des Heizungssystems, für die Effizienz der Wärmepumpenanlage eine entscheidende Rolle. Grundsätzlich gilt: Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizungssystem ist, desto effizienter arbeitet die Anlage und desto besser fällt die Jahresarbeitszahl aus. In Mitteleuropa haben sich bisher vor allem Erdreich, Grundwasser und die Außenluft als Wärmequellen etabliert.

Erdreich und Grundwasser sind gute Wärmespeicher, ihre Temperaturen sind über das ganze Jahr relativ gleichmäßig, was hohe Jahresarbeitszahlen gewährleistet. Erschlossen werden diese Wärmequellen über horizontal verlegte Erdkollektoren oder über vertikal in die Erde eingebrachte Erdwärmesonden bzw. über Brunnenbohrungen. Die dafür durchzuführenden Erdarbeiten erfordern je nach Bodenbeschaffenheit hohe Investitionskosten und sind außerdem genehmigungspflichtig.

Die Außenluft als Wärmequelle lässt sich dagegen einfach und kostengünstig erschließen. Sie wird zum Beispiel von der im Freien stehenden Wärmepumpe angesaugt, im Verdampfer ihre Wärme entzogen und anschließend wieder an die Umgebung abgegeben. Aufwendige Erdarbeiten und genehmigungspflichtige Bohrungen sind nicht erforderlich. Allerdings besteht eine Diskrepanz zwischen Wärmeangebot und -nachfrage: Bei niedrigen Außenlufttemperaturen entsteht ein höherer Wärmebedarf, der zum Beispiel entweder mithilfe eines modulierend arbeitenden Verdichters oder durch einen zweiten Wärmeerzeuger (Elektro-Heizeinsatz im Pufferspeicher, herkömmlicher Heizkessel) gedeckt werden muss.

Alternativen zu den üblichen Arten der Wärmequellenerschließung

Seitdem Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung verwendet werden, finden bei Herstellern und in Forschungsinstituten immer wieder Überlegungen statt, wie die Erschließung von Wärmequellen optimiert, die Investitionskosten reduziert und die Effizienz der Wärmepumpenanlage erhöht werden kann. Dazu gehören unter anderem Versuche, auch Sonnenenergie direkt in Wärmepumpen zu nutzen. So wurden zum Beispiel bereits Ende der 1970er Jahre des vergangenen Jahrhunderts Sole/Wasser-Wärmepumpen zusammen mit unverglasten Solarkollektoren eingesetzt, die die benötigte Naturwärme zur Verfügung stellen sollten (Bild 2). Diese Lösungen boten aber eine nicht ausreichende Effizienz und haben sich deshalb nicht durchgesetzt. Außerdem steht in Deutschland gerade während der Heizperiode, also im Winter und in der Übergangszeit, das solare Wärmeangebot nur sehr eingeschränkt bzw. in nicht ausreichendem Maße zur Verfügung.

Betrachtet man eine solare und eine erdgekoppelte Wärmequellenanlage, so liegt der Schluss nahe, eine Kombination aus beiden Systemen zu verwirklichen. Hierfür gibt es bisher auf dem Markt verschiedene Lösungen, die allerdings keine kontrollierte Speicherung des solaren Wärmeertrags ermöglichen. Versuche, Solarwärme während der sonnenreichen Sommermonate über Erdsonden oder Erdkollektoren in das Erdreich einzubringen, um sie dort bis zur Nutzung zwischenzuspeichern, sind je nach den geologischen Bedingungen vor Ort mehr oder weniger erfolgreich. Sobald die Erdsonden wasserführende Schichten kreuzen, wird über den Grundwasserfluss die einmal eingebrachte Wärme ungenutzt abtransportiert. Außerdem geht bei dieser Lösung der Kostenvorteil, der durch den Verzicht auf die umfangreichen Erdarbeiten erzielt werden sollte, verloren.

Eine Alternative zu Sonden- bzw. Brunnenbohrungen und Erdkollektoren sind Mas­­sivabsorber und sogenannte Energiezäune. Massivabsorber sind üblicherweise Betonsegmente, in denen soledurchströmte Rohrleitungen als Register angeordnet sind. Die Betonsegmente sollen durch ihre Masse eine gewisse Speicherfähigkeit haben. Energiezäune sind einfache Rohrregister ohne Ummantelung. Beide Wärmeübertrager­arten sind zu etwa einem Drittel ihrer Fläche im Erdboden eingegraben, rund zwei Drittel ragen über den Boden hinaus. Der oberirdische Teil arbeitet als Absorber für die Wärme aus der Umgebungsluft und die Solarstrahlung. Der eingegrabene Teil dient als eine Art Erdkollektor, um Erdwärme aufzunehmen. Um auch an kalten Wintertagen ohne nennenswerten Solarertrag ein effizient funktionierendes System zu haben, muss ein ausreichend großer Teil der Wärmeübertragerfläche Wärme aus dem Erdreich aufnehmen können.

Erdkörbe gelten insbesondere als eine Alternative zu Erdkollektoren, da sie sehr viel weniger Grundstücksfläche beanspruchen. Bei ihnen handelt es sich um zylindrische oder kegelstumpfförmige Drahtkörbe, die mit Wärmeübertragerrohren umwickelt sind und die in ca. ein bis vier Meter Tiefe vergraben sind. Durch ihre Bauform und je nach Bodenbeschaffenheit ist aber lediglich nur eine geringfügig höhere Wärme-Entzugsleistung als bei Erdkollektoren möglich.

Effizient und kostengünstig der innovative SolarEis-Speicher

Eine besonders attraktive Möglichkeit, die verschiedenen Naturwärmequellen mit vergleichsweise geringem Aufwand und daher kostengünstig zu erschließen, bietet jetzt der SolarEis-Speicher. Dieser innovative Primärquellenspeicher wurde von der isocal HeizKühlsysteme GmbH aus Friedrichshafen entwickelt und wird nun in einer Kooperation mit Viessmann weiterentwickelt und gemeinsam vermarktet. Der SolarEis-Speicher macht die üblichen Wärmequellen Erdreich und Umgebungsluft nutzbar und koppelt zusätzlich solare Wärme in das System ein. Der Unterschied zu Massiv­absorbern und Energiezäunen sowie Erdkörben liegt in dem Primärquellen-Pufferspeicher. Dieser speichert die aus den verschiedenen Quellen stammende Wärme auf niedrigem Temperaturniveau und stellt sie der Wärmepumpe zur Wohnraumbeheizung und Trinkwasser­erwärmung zur Verfügung. Speichermedium ist herkömmliches Wasser. Damit ist der SolarEis-Speicher für das Grundwasser völlig ungefährlich und bedarf keiner behördlichen Genehmigung.

Neben dem entsprechend der jeweiligen Anwendung dimensionierten SolarEis-Speicher gehören zur kompletten Anlage noch Solar-Luftabsorber und eine Wärmepumpe (Bild 3). Über die unverglasten Solar-Luftabsorber wird aus der Umgebungsluft und der Sonneneinstrahlung Wärme gewonnen. Diese Energie wird durch ein Wärmeträgermedium (Wasser-Glykol-Gemisch) aufgenommen und bevorzugt der Wärmepumpe zugeführt. Gibt es über den aktuellen Bedarf hinaus ein Energieangebot, so wird dieses über den Wärmeübertrager in den SolarEis-Speicher eingebracht und dort bevorratet. Einen weiteren Energieeintrag erhält der Speicher aus dem Erdreich. Steht zum Beispiel bei bedecktem Himmel vom Solar-Luftabsorber keine Energie zur Verfügung, nutzt die Wärmepumpe die im SolarEis-Speicher bevorratete Wärme als Quelle. Ein in der Wärmepumpenregelung integriertes Wärmequellenmanagement entscheidet, welche Wärmequelle (Solar-Luftabsorber oder SolarEis-Speicher) die jeweils höhere Temperatur aufweist und deshalb genutzt wird.

Funktionsprinzip des SolarEis-Speichers

Im Wesentlichen besteht der SolarEisSpeicher aus einem zylindrischen Betonbehälter, der im Aussehen einer Wasserzisterne ähnelt, und je nach Größe wenige Meter tief im Erdreich vergraben wird. Im Inneren des Behälters befinden sich zwei Wärmeübertrager aus Kunststoffrohr. Der eine Wärmeübertrager dient als Entzugswärmeübertrager für die Wärmepumpe und ist spiralförmig im Speicher auf mehreren Ebenen in­stalliert. Der andere Wärmeübertrager fungiert als Regenerationswärmeübertrager, er überträgt die von einem Solar-Luftabsorber gesammelte solare Wärme auf den Speicherinhalt. Dieser Wärmeübertrager verläuft wendelförmig entlang der Innenseite der Speicherwandung (Bild 4).Der Energiegehalt des Speichermediums Wasser ist begrenzt. Er liegt bei 1,163 Wh/(kg K). Das bedeutet, wenn ein Liter Wasser um 1 K abgekühlt wird, werden 1,163 Wh Energie frei. Durch die Wärmepumpe wird dem Speicherinhalt diese Wärmeenergie nach und nach entzogen und das Wasser bis auf 0 °C abgekühlt. Der bei weiterer Wärmeentnahme entstehende Vereisungsprozess ist gewollt, denn der Phasenwechsel von Wasser zu Eis bringt einen weiteren Energiegewinn. Hierbei bleibt die Temperatur zwar konstant bei 0 °C, doch es werden weitere 93 Wh/(kg K) Kristallisationsenergie frei, die von der Wärmepumpe genutzt werden können (Bild 5). Das ist die gleiche Energiemenge, die frei wird, wenn Wasser von 80 °C auf 0 °C ab­gekühlt wird.

Die Eisbildung beginnt um den Entzugswärmeübertrager und setzt sich von innen nach außen fort (Bild 6). Diese Eisschicht an dem Kunststoffrohr erzeugt einen zusätzlichen Widerstand für die Wärmeleitung vom Speichermedium zum Solekreis der Wärmepumpe (Bild 7). Aufgrund der Anordnung der Wärmeübertragerrohre im Speicher geschieht die Eisbildung jedoch so, dass die Oberfläche des Wärmeübertragers dabei vergrößert wird. Diese Oberflächenvergrößerung durch das Eiswachstum und die gleichzeitige Vergrößerung des Wärmeleitwiderstandes finden in etwa proportional statt. Es wird über die größere Oberfläche mehr Wärme aufgenommen, allerdings schlechter zur Soleflüssigkeit weitergeleitet der Wärmestrom bleibt durch diesen Zusammenhang nahezu konstant.

Neben der Wärme aus dem Solar-Luftabsorber erhält der Eisspeicher auch Wärme aus dem Erdreich. Sobald die Speicherwassertemperatur unter das Temperaturniveau des umgebenden Erdreichs sinkt, nimmt der Speicher hiervon Wärme auf. Ist der Speicher vereist, strömt immer noch Wärme aus dem Erdboden nach, um als Wärmequelle zu dienen. Die Höhe des Energieertrags richtet sich nach der Bodenbeschaffenheit.

Im Sommer wird dagegen über die Oberfläche des Speichers Wärme an das Erdreich abgegeben. Somit stellt sich ein automatischer Regeleffekt ein, der eine Überhitzung des Speicherinhalts im Sommer verhindert.

Exakt aufeinander abgestimmte ­Systemkomponenten

Die Solar-Luftabsorber, die die Wärme­energie aus der Umgebungsluft und der solaren Einstrahlung aufnehmen, sind speziell für den Betrieb mit Eisspeicher und Wärmepumpe ausgelegt. Groß dimensionierte Verteiler- und Sammlerrohre er­­möglichen die direkte Durchströmung mit dem Primärmedium (Solekreis) der Wärmepumpe. Mindestvolumenströme kön­nen bei geringem Druckverlust eingehalten werden. Die Absorber bestehen aus einem UV-beständigen Kunststoff und sind als Harfenabsorber konzipiert, die für eine möglichst große Oberfläche zweilagig an­geordnet sind (Bild 8).

Der Fokus der Wärmegewinnung liegt bei den Solar-Luftabsorbern auf der Umgebungsluft, da diese Tag und Nacht verfügbar ist. Die solare Einstrahlung stellt eine willkommene zusätzliche Wärmequelle dar, die die Effektivität erhöht. Die unverglasten Solar-Luftabsorber sind für den Einsatz in Wärmepumpenanlagen deshalb besonders gut geeignet, da sie neben einem attraktiven Preis auch mit den vergleichsweise niedrigen Temperaturen des Solekreises pro­blemlos funktionieren. Bei verglasten Kollektoren bestünde die Gefahr, dass sich Luftfeuchtigkeit auf den Scheiben niederschlägt und die weitere Wärmeaufnahme behindert. Daher sind herkömmliche Solarkollektoren nur bedingt für Anlagen mit SolarEis-Speichern geeignet.

Auch die Wärmepumpe stellt eine genau abgestimmte Komponente in dem System aus Eisspeicher und Solar-Luftabsorbern dar. Da die Temperaturen im Primärkreis während der Heizperiode zwischen +25 und 7 °C betragen können, ist es erforderlich, den Kältekreis der Wärmepumpe auf das Eisspeicher-System zu optimieren. Hierfür eignen sich Wärmepumpen, die wie die Sole/Wasser-Wärmepumpen der Vitocal 300-G-Serie von Viessmann mit einem RCD-System (Refrigerant-Cycle-Diagnostic-System) und einem elektronisch gesteuerten Expansionsventil ausgestattet sind (Bild 9).

Gegenüber den üblicherweise eingesetzten thermostatischen Expansionsventilen besitzen elektronische Expansionsventile den entscheidenden Vorteil eines wesentlich exakteren Regelverhaltens. Angetrieben von einem Schrittmotor regeln elektronische Expansionsventile den Kältemittel-Massenstrom proportional, bieten einen großen Regelbereich zwischen ca. 10 und 100 Prozent und haben sehr kurze Öffnungs- und Schließzeiten. Das daraus resultierende feinfühlige Regelverhalten sorgt für eine kon­stante Temperatur am Verdampfer-Austritt und für eine gleichbleibende Überhitzung des Kältemittels, unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand der Wärmepumpe. So kann der Verdichter stets mit höchstem Wirkungsgrad betrieben werden, was eine hohe Leistungszahl in allen Betriebszuständen sicherstellt.

Elektronische Expansionsventile an sich sind reine Stellglieder, die zu ihrer Funktion Sensoren und eine Regelung benötigen. Bei Viessmann wurde dazu das RCD-System entwickelt. Als Kältemittel-Kreislauf-Dia­gnose-System überwacht es permanent Temperaturen sowie Drücke an allen wesentlichen Stellen des Kältemittelkreislaufs. Alle wichtigen Werte werden gespeichert und stehen für eine Diagnose zur Verfügung. Dabei wird auch die Energieaufnahme aus dem Stromnetz und die Wärmeabgabe an das Heizungssystem bilanziert. Zusammen mit dem elektronischen Expansionsventil sorgt das RCD-System durch ständige Überwachung aller relevanten Parameter für ein optimiertes Regelverhalten und damit für eine hohe Effizienz sowie niedrige Betriebskosten der damit ausgestatteten Wärmepumpen.

Paketlösungen für Einfamilienhäuser

Die Größe des Speichervolumens eines SolarEis-Speichers ist von mehreren Faktoren wie zum Beispiel Wärmebedarf des Gebäudes und Bodenbeschaffenheit abhängig. Für Wärmepumpenanlagen in Gebäuden mit einer maximalen Heizlast bis 10 kW wurden die Systemkomponenten jedoch standardisiert, sodass nun verschiedene Paketlösungen angeboten werden können. Diese Pakete beinhalten den Eisspeicher mit eingebauten Wärmeübertragern, die Solar-Luftabsorber mit einem Montagesystem für Hausdächer und das erforderliche Wärmeträgermedium für den Primärkreis. Damit vereinfachen sich die Planung der Anlage und die Bestellung der Komponenten er­heblich. Für größere Objekte mit höherem Wärmebedarf ist eine projektbezogene Auslegung erforderlich, bei der isocal und Viessmann eine Unterstützung anbieten.

Fazit

Der SolarEis-Speicher macht Außenluft, solare Einstrahlung und das Erd­reich als Wärmequellen für Sole/Wasser-Wärmepumpen gleichzeitig nutzbar. Da seine In­stallation keine aufwendigen Erdarbeiten erfordert, sind die Investitionskosten niedrig. Der Speicher wird nur wenige Meter tief eingegraben und fällt deshalb nicht unter Tiefenbeschränkungen, wie sie z. T. für Erdwärmesonden bestehen. Da Leitungswasser als Speichermedium genutzt wird, ist er zudem unkritisch für das Grundwasser. In­s­tallation und Betrieb des Eisspeichers erfordern deshalb keine behördliche Genehmigung. In zahlreichen Anlagen mit modernen Wärmepumpen, die über ein elektronisches Expansionsventil und ein RCD-System verfügen, und Solar-Luftabsorbern hat dieses Konzept seine Effizienz und Zuverlässigkeit bewiesen. SolarEis-Speicher in Verbindung mit Solar-Luftabsorbern sind damit eine attraktive Alternative zu bisherigen Lösungen der Wärmequellenerschließung. -

Viessmann, Allendorf