Heizen mit Eis - Solar-Eis-Speicher in Kombination mit Wärmepumpe zur Nutzung regenerativer Energiequellen

Der Einsatz eines Beton-Solar-Eis-Speichers unter Nutzung der Umweltwärmequellen Luft, Wasser und Erdreich sowie Sonnenenergie erweist sich als sinnvolle Lösungsvariante gegenüber der konventionellen Wärmequellennutzung mittels Erdsonden oder Erdkollektoren. Der Vorteil besteht allein darin, dass die Genehmigungsproblematik sowie die Kosten für Bohrungen entfallen und das Wärmepumpensystem mit höheren Jahresarbeitszahlen auch eine höhere Energieeffizienz erwirtschaftet.

Funktionsprinzip
Aufgrund des zeitlich und witterungsabhängig unterschiedlichen Energieangebotes eignen sich die Solar-Eis-Speicher auch für den Betrieb einer Wärmepumpe, weil die reine Beladung des Speichers auch zu den Zeiten möglich ist, in denen die zu kühlenden Räume nicht genutzt werden, z.B. an Wochenenden, Feiertagen, Urlaubszeit etc. Der höhere Wirkungsgrad ergibt sich u.a. daraus, weil diese Wärmepumpen gegenüber den konventionellen Wärmepumpen keine Luftverdampfer oder Wärmeübertrager enthalten.
Bei dieser innovativen Idee entzieht eine Wärmepumpe der unter Terrain angeordneten Zisterne (Wasserspeicher) die Energie, die zur Heizungsunterstützung und zur Erwärmung des  Brauchwassers benötigt wird. Hierbei wird die im Sommer gespeicherte Wärme im Winter so lange dem Speicher entnommen, bis sich das Wasser darin zu Eis verwandelt hat. Dieser Vorgang wird stets witterungsabhängig durch die Regenerationphasen des Wassers unterbrochen. Durch die Zuführung Regenerativer Energien (Wärmeenergie der Sonne, der Luft und der bodennahen Erdschichten) wird das Eis wieder in seinen flüssigen Aggregatzustand überführt und der Prozess des Kristallisationswärmeentzugs, verbunden mit dem Übergang von Wasser zu Eis, beginnt von Neuem.
Bei der Kristallisationswärme handelt es sich um die Wärmemenge, die beim Übergang von flüssigem Wasser von 0°C in den festen Zustand (Eis) freigesetzt wird. Diese dabei freigesetzte Wärmemenge entspricht analog der Wärmemenge, die gewonnen wird, wenn dem Wasser von 80°C die Wärme entzogen und bis auf 0°C herunter gekühlt wird.

Systemhersteller (Auswahl)
Mit der „Solaera“-Sonnenheizung von Consolar Solare Energiesysteme (www.consolar.de), Lörrach, als kompaktes, effizientes Heizsystem, lässt sich ein Wohnhaus ausschließlich mit Sonne und Luft beheizen. Möglich wird dies durch die Kombination aus Hybridkollektoren, einem Kombipufferspeicher sowie einem Eisspeicher. Die neue Generation der „Solaera“ ist für den Einsatz im Neubau wie zur energetischen Modernisierung geeignet. Die Hybridkollektoren im „Solaera“-System arbeiten im Sommer wie bei konventionellen Solaranlagen. Ihre klaren Vorteile spielen sie vor allem im Winter aus: Dank integriertem Ventilator und Luft-Wärmeübertrager können sie zusätzlich zur Solarstrahlung aus Außenluft Energie gewinnen, die anschließend von der Wärmepumpe als Wärmequelle genutzt wird. Dies garantiert einen geringen Strombedarf des Solaera-Systems, der deutlich unter dem herkömmlicher Luft-Wärmepumpen liegt.
Zusätzlich verfügt das „Solaera“-System über einen integrierten Eisspeicher, mit dem sich die im Wasser beim Übergang zu Eis enthaltene enorme Energiemenge nutzen lässt. Dies soll eine zu jeder Tages- und Jahreszeit sichere Heizwärme bei minimalem Platzbedarf garantieren.
Das Kompaktsystem „Solarera“ arbeitet analog wie die Standard-Solarthermieanlage, wobei die Solarwärme zur Heizungsunterstützung und Brauchwarmwasserbereitung an den Kombispeicher übertragen wird. In den Eisspeicher wird erst die überschüssige Wärme eingespeist und steht dann für die Wärmepumpe zur Verfügung.
Da die Hybridkollektoren neben dem flüssigen Wärmeträgermedium auch die Energie aus der Umgebungsluft aufnehmen, kann die Wärmepumpe im Gegensatz zur herkömmlichen Luft-Wärmepumpe auch bei kälterer Witterung mit vergleichsweise hohen Wirkungsgraden betrieben werden. Zudem kann mit dem Betrieb eines Ventilators auch nachts die Umgebungsluftwärme von den Hybridkollektoren und in den Eiswasserspeicher geleitet werden. Sollte mehr Wärme benötigt werden, dann zieht die Wärmepumpe gleichzeitig Energie aus den Hybridkollektoren und dem Eisspeicher. Der Eiswasserspeicher hält die Soletemperatur bis zum vollständigen Einfrieren des Eisspeichers hoch. Bei einer weiteren Abkühlung wird aufgrund des Phasenübergangs von Wasser zu Eis noch zusätzliche Energie freigesetzt. Im Anschluss erfolgt die Regeneration des vereisten Speichers über die Hybridkollektoren. Die erforderliche Energie für den Abtauvorgang liefert also die Sonne mit ihrer Strahlungsenergie kostenlos.
Die speziell konstruierten Thermoplatten-Eiswasser-Speichersysteme der Systemtechnik Vritherm GmbH (www.systemtechnik-vritherm.de), Schkeuditz, bieten energetische Vorteile.
Die Thermoplatten enthalten spezielle Kanalführungen und können für interne und externe Abtauvorgänge hergestellt werden. Für den externen Abtauvorgang wird als Wärmequelle z.B. die direkte und die diffuse Strahlungswärme der Sonne genutzt.
Mit der „Vitocal“-Wärmepumpe von Viessmann Werke, Allendorf, in Kooperation mit Isocal in Friedrichshafen, bieten sich neue Möglichkeiten zur Nutzung von Wärme aus der Luft, dem Erdreich und der Sonnenstrahlung an. Zudem wird hier die Wärmequelle „Erdreich“ und „Umgebungsluft“ durch die Wärmepumpe besonders effizient genutzt, weil hier zusätzlich solare Wärme in das System eingekoppelt wird.
Ein oder mehrere mit Wasser gefüllte 10-m3- Speicher, die über je einen Entzugs- und Regenerationswärmeübertrager verfügen, werden im Garten direkt unter Terrain ins Erdreich integriert.
Spezielle Solar-Luftabsorber auf dem Dach sammeln die Wärme aus der Umgebungsluft und der solaren Einstrahlung und führen diese thermische Energie dem Speicher zu. Der Eiswasserspeicher bezieht die weitere Wärme direkt aus dem ihn umgebenden Erdreich.
Mit der Sole/Wasser-Wärmepumpe wird die im Eisspeicher enthaltene Energie beim Übergang zu Eis genutzt. Zudem wird in dem Fall, dass die Temperatur innerhalb des Speichers auf den Gefrierpunkt sinkt, die Vereisung des Wassers zur weiteren Wärmegewinnung genutzt. Beim Übergang von Wasser zu Eis wird genau so viel Energie frei, wie für den umgekehrten Vorgang, d.h. zum Auftauen, benötigt wird. Der zusätzliche Energiegewinn aus diesem Phasenübergang entspricht ca. 100 l Heizöl bei einem Eisspeicherinhalt von rund 10 m³.
Insofern dient der Eisspeicher in Kombination mit dem Solar-Luftabsorber als vollwertige Wärmequelle für Sole/Wasser-Wärmepumpen. Diese Lösung bietet sich in Gebieten an, in denen eine Erdwärmesondenbohrung oder eine Erdkollektorausführung aus umweltrechtlichen Gründen nicht genehmigt wird und zudem mit überhöhten Kosten verbunden ist, bzw. sich aus Platzgründen nicht realisieren lässt.
Die besonderen Systemvorteile zeigen sich darin, dass die aufwendigen Bohrungen für Erdwärmesonden oder umfangreichen Erdarbeiten für die in der Regel großflächige Verlegung der Erdkollektoren entfallen. Zudem werden keine behördlichen Genehmigungen benötigt, da sich der Betrieb des Eiswasserspeichers auf das Grundwasser völlig unkritisch verhält.
Damit das Gesamtsystem auch effizient funktioniert, müssen allerdings sämtliche Anlagenkomponenten – insbesondere der Eisspeicher, die Solar-Luftabsorber und die Sole/Wasser-Wärmepumpe genau aufeinander abgestimmt sein. Hierbei gilt es einerseits, die verschiedenen Wärmequellen (Außenluft, solare Einstrahlung und Erdwärme) optimal zu nutzen und andererseits, dass die Wärmepumpe sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen im Eisspeicher (von ca. -7 bis 25°C) effizient arbeitet.
Wie bereits beschrieben ist die Kristallisationswärme die Wärmemenge, die beim Übergang von flüssigem Wasser von 0°C in den festen Zustand freigesetzt wird. Diese dabei freigesetzte Wärmemenge entspricht analog der Wärmemenge, die frei wird, wenn das Wasser von 80°C bis auf 0°C herabgekühlt wird. Es handelt sich insofern um eine sehr große Wärmemenge, die bisher nicht genutzt werden konnte, weil die dabei auftretende Sprengwirkung des Eises technisch nicht beherrschbar war. Mit dem patentierten „SolarEis“-System ist es nun gelungen, dieses Problem zu lösen. Damit kann eine Regenerative Energie großen Umfangs bei der Heizung zum Einsatz kommen.
Generell hat Eis die physikalische Eigenschaft, dass es sich am Rande bildet. Die natürliche Eisbildung verläuft also von außen nach innen. Gleichzeitig ist das Wasser unter dem Eis „wärmer“ als das Eis, was bedeutet, dass sich das natürliche Eis von oben nach unten bildet. Da bei der Eisbildung grundsätzlich ein größeres Volumen entsteht, kommt es in einem abgeschlossenen Gefäß so zu einer Sprengwirkung. Das patentierte „SolarEis“–System ermöglicht nun eine kontrollierte Eisbildung und zwar von unten nach oben und von innen nach außen. Damit kann sich in einem Behälter das Wasser/Eis-Gemisch ohne Sprengwirkung noch oben ausdehnen. Da die Wasserfüllung des „SolarEis“-Speichers nur etwa 90% beträgt, ist im Speicher genügend Platz, um das größere Volumen des Wasser/Eis-Gemischs aufzunehmen.
Durch die ständige Regeneration des Eises zu Wasser wird erreicht, dass die Speicherfüllung des Beton-„SolarEis“-Speichers sich stets auf dem höchst möglichen Energiezustand befindet. Durch die Regeneration des Eises zu Wasser wird die bei der Eisbildung dem Wasser entzogene Kris­tallisationswärme wieder zugeführt und darüber hinaus das Wasser auch noch erwärmt, sodass bei der Heizung sowohl die Wärme des Wassers als auch die Kristallisationswärme wieder zur Verfügung steht.
 Nachdem das System die Energie auf niedrigem Temperaturniveau speichert, kann im Gegensatz zu herkömmlichen Solaranlagen beim „SolarEis“-System die Sonnenenergie bereits bei Temperaturen von knapp über 0°C in den Heizkreislauf eingespeist werden. Das Gleiche gilt auch für die Erdwärme und die Luftwärme. Selbst bei Minustemperaturen wird aus der den „SolarEis“-Speicher umgebenden Erde noch Wärme an ihn abgegeben. Die Sole/Wasser-Wärmepumpen der Vitocal 300er- Reihe sind dafür entsprechend konzipiert und verfügen neben einem Wärmequellenmanagement auch über eine innovative Kältekreisregelung mit elektronischem Expansionsventil, die dafür sorgt, dass in sämtlichen Betriebszuständen hohe Leis­tungszahlen erreicht werden.
Die auf dem Dach installierten Solar-Luftabsorber nutzen zur Wärmegewinnung primär die Umgebungsluft, da diese rund um die Uhr zur Verfügung steht. Sonnenenergie dient als zusätzliche Wärmequelle zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Effizienz. Sobald die Speicherwassertemperatur unter das Temperaturniveau des umgebenden Erdreichs sinkt, nimmt der Speicher die Erdwärme auf. Sollte der Speicher vereist sein, strömt die Erdwärme als Wärmequelle weiter nach.
Im Sommer lässt sich der Eisspeicher auch zur natürlichen Kühlung der Räume nutzen (natural cooling). Für diesen Anwendungsfall wird der Speicher zum Ende der Heizperiode vollständig vereist, indem die Regeneration des Speichers durch das Wärmequellenmanagement unterbrochen wird, und das so gebildete Eis steht als natürliche Kältequelle zur Verfügung.
Über den Entzugswärmeübertrager wird dem Heizsystem Wärme entzogen und in den Eisspeicher geleitet. Dabei schmilzt das Eis und das Wasser wird erwärmt. Die bei der passiven Kühlung entstehende Wärme wird im Eisspeicher eingelagert und steht als Energie sowohl für die Warmwasserbereitung als auch zu Beginn der Heizperiode zur Verfügung.
 Das „SolarEis“-System lässt sich äußerst variabel installieren. Es kann sowohl für kleinere und größere Gebäude zum Einsatz kommen sowie unterhalb der Gebäudebodenplatte integriert werden. Das System ist für die Heizung und Kühlung von Einfamilienhäusern über Mehrfamilienhäuser bis hin zu Gewerbe- und Industriebauten geeignet. Entsprechend variabel werden die Speichergrößen konzipiert, die je nach Anwendungsfall zum Einsatz kommen. Einfamilienhäuser können bereits mit einem „SolarEis“-Speicher ab 12 m³ geheizt und gekühlt werden. Isocal bietet für Ein- und Mehrfamilienhäuser standardisierte „SolarEis“-Speicher in einer Größe von 10 m³ bis 38 m³ an. Gewerbe- und Industrieobjekte benötigen demgegenüber Speichergrößen bis zu 1000 m³, die individuell entsprechend dem Heiz- und Kühlbedarf erstellt werden. Isocal hat die derzeit größten Beton-„SolarEis“-Speicher im Hotel Riva in Konstanz/Bodensee („SolarEis“-Speicher,
170 m3, unter Terrain), im Büro- und Produktionsgebäude der Thomas Preuhs Holding im schwäbischen Geislingen/Binsdorf („SolarEis“-Speicher, 15 m Durchmessser und 5 m hoch,  Wärmeübertragerrohre mit 1 Mio. Liter Inhalt; zwei Wärmepumpen von Tecalor mit 97 kW in Kaskade geschaltet und mit Wärmepumpenmanager) sowie im Ecolab Labor- und Verwaltungsgebäude in Monheim („SolarEis“-Speicher, Wärmeübertragerrohre mit 1,6 Mio. Liter Inhalt, in Kooperation mit Viessmann mit zwei Wärmepumpen) im Einsatz.

Exakte Abstimmung
Durch den Einsatz eines Latentwärmespeichers (Eis-Speichers) mit Solarthermieabsorbern und einer Sole/Wasser-Wärmepumpe in Verbindung mit einem optimalen Wärmequellenmanagement lassen sich die Kombination von Heiz- und Kühlanwendungen in der Gebäudetechnik energetisch optimieren. Voraussetzung ist allerdings, dass die Systemkomponenten exakt aufeinander abgestimmt und dimensioniert werden.
Für das System Wärmepumpe mit Solar-Eis-Speicher können die Fördermöglichkeiten des Bundes genutzt werden, die von der BAFA und von der KfW-Bank gewährt werden.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de