Eis für die Heizung

Mehr und mehr Bauherren setzen auf Wärmepumpen. Doch stellt sich immer wieder die Frage, welche Wärmequelle für das Gebäude zum Einsatz kommen soll. Eisspeicher erschließen mit Luft, Sonne und Erdwärme gleich drei Wärmequellen. Systemlösungen aus abgestimmten Komponenten sorgen für ein Höchstmaß an Effizienz und Wirtschaftlichkeit.

Eigenschaften üblicher Wärmequellen
Die Auswahl der Wärmequelle und die exakte Dimensionierung der Wärmepumpe spielen eine entscheidende Rolle für den wirtschaftlichen Betrieb einer Wärmepumpenanlage. So stehen Bauherr und Installateur bereits zu Beginn vor der Entscheidung, welche Primärquelle für die Wärmepumpe verwendet werden soll. Die heute üblichen Wärmequellen sind Erdreich, Grundwasser und Umgebungsluft, wobei jede ihre spezifischen Eigenschaften aufweist:

• Das Erdreich bietet über das Jahr betrachtet annähernd konstante Temperaturen. Beim Betrieb der Wärmepumpe führt dies zu hohen Jahresarbeitszahlen. Jedoch ist die Erschließung durch eine Erdsondenbohrung je nach Bodenbeschaffenheit relativ aufwendig.
• Konstante Temperaturen – und damit gute Voraussetzungen für hohe Jahresarbeitszahlen – bietet auch das Grundwasser. Für die Erschließung dieser Wärmequelle müssen Saug- und Schluckbrunnen angelegt werden, wofür – ähnlich wie bei Erdsondenbohrungen – eine Genehmigung der zuständigen Behörde (z.B. das Wasser-Wirtschaftsamt) erforderlich ist.
• Die Umgebungsluft lässt sich am einfachsten erschließen und kostengünstig nutzen. Allerdings sind an kalten Tagen die Außentemperaturen niedrig, gerade dann, wenn die Wärmeanforderung durch die Wärmepumpe zur Deckung des Heizwärmebedarfs besonders groß ist. Dies kann zu geringeren Arbeitszahlen der Wärmepumpe und somit zu einem höheren Stromverbrauch führen.

Vorteile des Eisspeichers
Gegenüber den üblichen Wärmequellen bietet der Eisspeicher eine Reihe von Vorteilen:

• Er benötigt keine Genehmigungen wie sie für Erdsondenbohrungen und für die Nutzung des Grundwassers erforderlich sind.
• Er nutzt gleich drei Wärmequellen (Bild 2): solare Einstrahlung, Wärme aus der Umgebungsluft und aus dem Erdreich.
• Die kombinierte Nutzung dieser Wärmequellen führt bei Eisspeichersystemen zu hoher Effizienz. Voraussetzung ist allerdings, dass sie aus aufeinander abgestimmten Komponenten bestehen, wozu unter anderem ein ausgereiftes Wärmequellenmanagement gehört.

Aufbau und Funktionsweise des Eisspeichersystems
Ein Eisspeichersystem (hier am Beispiel des Unternehmens Viessmann) besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten (Bild 2):

• Solar-Luftabsorber [1],
• Eisspeicherbehälter [2],
• Wärmequellenmanagement [3],
• Wärmepumpe [4].

Gegebenenfalls kommt noch eine NC-Box [5] für die natural cooling-Funktion hinzu, wenn im Sommer eine Temperierung des Hauses gewünscht wird.
Der Energieeintrag in das System erfolgt zum einen über die Solar-Luftabsorber. Sie sammeln die solare Einstrahlung der Sonne und die Wärme aus der Umgebungsluft. Zum anderen über die Wandung des Eisspeichers, die die Wärme aus dem umgebenden Erdreich aufnimmt. Dabei dient der Eisspeicher als Primärquellenpuffer, der im Winter Energie zum Heizen zur Verfügung stellt und im Sommer als Wärmesenke zur Gebäudetemperierung verwendet werden kann.
Über einen mit Sole gefüllten Primärkreis sind die Solar-Luftabsorber, der Eisspeicher und die Wärmepumpe hydraulisch miteinander verbunden. Die Wärmepumpe wird entweder direkt über die Solar-Luftabsorber oder über den Eisspeicher mit der benötigten Energie versorgt. Dabei werden grundsätzlich die Solar-Luftabsorber als Wärmelieferanten bevorzugt. Falls diese nicht ausreichend Energie zur Verfügung stellen können, z.B. bei sehr kalten Außenlufttemperaturen, wird zur Nutzung der latenten Wärme des Eises auf den Eisspeicher umgeschaltet.
Wird durch die Solar-Luftabsorber mehr Energie dem System zur Verfügung gestellt, als durch die Wärmepumpe unmittelbar abgenommen werden kann, so wird diese überschüssige Energie über den Regenerationskreis in den Eisspeicher eingebracht und dort gespeichert. Das Umschalten zwischen Solar-Luftabsorber und Eisspeicher geschieht über ein 3-Wege-Umschaltventil im Primärkreis. Dazu misst der Wärmequellenmanager permanent über Sensoren die Temperaturen am Solar-Luftabsorber, im Eisspeicher und in der Wärmepumpe und entscheidet über einen Regelalgorithmus, mit welcher Wärmequelle die Anlage optimal betrieben werden kann. Durch das Wärmequellenmanagement kann das Eisspeichersystem in vier Betriebszuständen gefahren werden:

• Solar-Luftabsorber als Primärquelle,
• Eisspeicher als Primärquelle,
• Regeneration des Eisspeichers über den Solar-Luftabsorber,
• Kühlfunktion „natural cooling“.

Funktionsweise des Eisspeichers
Herzstück des Systems ist der Eisspeicher. Bei der Anwendung in Ein- und Zweifamilienhaus-Neubauten kommt üblicherweise eine Betonzisterne mit einem Fassungsvermögen von 10 m³ zum Einsatz. Als Speichermedium wird der Behälter einmalig mit normalem, unbehandeltem Leitungswasser gefüllt (Bild 3).
Die Anordnung von zwei hydraulisch unabhängigen Wärmeübertragern innerhalb des Speicherbehälters gewährleistet den definierten Energieentzug und das Regenerieren des Speichers. Entzugs- und Regenerationswärmeübertrager bestehen aus Kunststoffrohren, die in verschiedenen Ebenen spiralförmig verlegt sind. Durch den zentral im Speicher angeordneten Entzugswärmeübertrager wird dem Wasser durch die Wärmepumpe Energie entzogen, wodurch das Wasser am Wärmeübertrager gefriert. Über den Regenerationswärme­übertrager wird durch den Solar-Luftabsorber das Eis wieder aufgetaut (Bild 4).
Wird über den Solar-Luftabsorber dem System nicht ausreichend Wärme zur Verfügung gestellt, so entzieht die Wärmepumpe dem Eisspeicher nach und nach Energie. In der Regel wird durch die dabei erfolgende Temperaturabsenkung des Wassers zwischen 15 und 30% sensible Wärme frei. Werden beispielsweise die 10m³ Wasser im Speicher von 15 auf 0°C abgekühlt, entspricht dies einer Energiemenge von über 170 kWh.
Neben dieser sensiblen Energie kann der Eisspeicher aber noch eine deutlich größere latente Energiemenge (zwischen 70 und 85%) zur Verfügung stellen, indem man das Wasser kontrolliert vereist. Einem 10-m³-Eisspeicher können so weitere
930 kWh Energie entzogen werden (Bild 5). Das Speichern der Energie bei tiefen Temperaturen hat zudem den Vorteil, dass das umliegende Erdreich für weiteren Energieeintrag in den Speicher sorgt.
Die Eisbildung beginnt um den Entzugswärmeübertrager herum zunächst im unteren Bereich des Speichers und setzt sich nach oben und von innen nach außen fort (Bild 6). Die mit der Zunahme der Vereisung gleichzeitig einhergehende Erhöhung des Wärmeleitwiderstandes wird annähernd proportional ausgeglichen durch die Oberflächenvergrößerung der Eisoberfläche um die Wärmeübertragerrohre herum (Bild 7). Es wird über die größere Oberfläche mehr Wärme aufgenommen, allerdings schlechter zur Soleflüssigkeit weitergeleitet – der Wärmestrom bleibt durch dieses Verhältnis nahezu konstant.
Das Auftauen und weitere Erwärmen des Speicherinhalts erfolgt durch die vom Solar-Luftabsorber gesammelte Wärme, die über den Regenerationswärmeübertrager eingebracht wird. Das Auftauen erfolgt von oben nach unten und von außen nach innen.

Gebäudetemperierung mit dem Eisspeichersystem
Einen doppelten Nutzen bietet der Eisspeicher, wenn er in warmen Sommermonaten auch zur natürlichen Kühlung des Gebäudes eingesetzt wird. Hierzu muss über den Wärmequellenmanager und die Wärmepumpenregelung die Kühlfunktion „natural cooling“ aktiviert werden. Die Regeneration des Eisspeichers wird dann nach der Heizperiode gestoppt, um so während der Sommermonate ein Kältereservoir als Wärmesenke zur Verfügung zu haben.
Verfügt die Wärmepumpe nicht bereits über integrierte Hydraulik-Komponenten für die Kühlfunktion, muss hierfür eine NC-Box installiert werden. Diese enthält alle für „natural cooling“ erforderlichen zusätzlichen Hydraulikbauteile, um die Wärme aus dem Haus dem Eisspeicher zuzuführen. Zur Aufnahme der Wärme in den Räumen können im Heiz-/Kühlkreis oder in einem separaten Kühlkreis Fußbodenheizungen, Betonkerntemperierung, Kühldecken und Ventilatorkonvektoren angeschlossen werden.

Aufbau des Solar-Luftabsorbers
Die Solar-Luftabsorber sind speziell für den Betrieb im Eisspeichersystem entwickelt worden. Es handelt sich (bei Viessmann) um Harfenabsorber aus nahtlosem, UV-Licht-beständigem Kunststoffrohr, die in zwei Ebenen übereinander angeordnet sind (Bild 8). Diese Konstruktion ermöglicht, dass bei einem Platzbedarf von 2,6 m² eine Wärmeübertrageroberfläche von 9,1 m² zur Verfügung steht. Die groß dimensionierten Verteiler- und Sammlerrohre ermöglichen die Durchströmung des Absorbers mit Wärmeträgermedium (Sole) bei sehr geringen Druckverlusten.
Im Gegensatz zu üblichen Flachkollektoren verfügen die Solar-Luftabsorber über kein Gehäuse und keine Glasabdeckung. So können sie neben der direkten und der diffusen Sonneneinstrahlung auch die Wärme aus der Umgebungsluft, aus Niederschlag und Raureif (Kondensation von Luftfeuchtigkeit) aufnehmen. Der Fokus der Wärmegewinnung liegt auf der Umgebungsluft, da diese Tag und Nacht verfügbar ist. Auch bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen und fehlender Sonneneinstrahlung können die Solar-Luftabsorber Wärme in den Eisspeicher einspeisen. Die solare Einstrahlung ist eine willkommene zusätzliche Wärmequelle, die die Effizienz des Systems erhöht.
Je nach Leistungsgröße des Eisspeichersystems werden 4 bis 13 Solar-Luftabsorber hydraulisch zu einem Absorberfeld zusammengeschlossen. Mit dem angebotenen Montagematerial können sie auf Flach- und Schrägdächern installiert werden.

Standardisierte Systempakete
Das Viessmann-Eisspeichersystem wird in standardisierten Systempaketen für Wärmepumpen mit Leistungen von 6 bis 17 kW angeboten. Diese Systempakete enthalten abgestimmt auf die jeweilige Leis­tung folgende Komponenten:

• Eisspeicherbehälter mit Entzugs- und Regenerationswärmeübertragern,
• Solar-Luftabsorber,
• Montagezubehör für Solar-Luftabsorber zur Schrägdach- oder Flachdachmontage,
• Basismenge Wärmeträgermedium.

Die Wärmepumpe sowie die Regelkomponenten für das Wärmequellenmanagement sind separat zu bestellen.

Fazit
Die Erschließung von Erdwärme oder Grundwasser als Wärmequellen für Wärmepumpen erfordert behördliche Genehmigungen. Außenluft ist zwar einfach zu erschließen, jedoch ist ihre Temperatur gerade dann besonders niedrig, wenn der Wärmebedarf hoch ist.
Im Gegensatz dazu werden für den Eisspeicher keine Genehmigungen benötigt. Er nutzt mit solarer Strahlung, Umgebungsluft und Erdreich drei Wärmequellen zugleich und steht somit zuverlässig der Wärmepumpe als Energiequelle zur Verfügung. Darüber hinaus kann er im Sommer zur Gebäudetemperierung genutzt werden und bietet so einen doppelten Nutzen. Besonders wichtig für den Einsatz eines Eisspeichers sind Systemlösungen aus aufeinander abgestimmten Komponenten. Nur so kann ein Höchstmaß an Effizienz und Wirtschaftlichkeit erreicht werden. In zahlreichen Anlagen haben sich abgestimmte Systempakete durch hohe Zuverlässigkeit und Effizienz bewährt. Der Eisspeicher ist damit eine attraktive Alternative zu den bisher üblichen Lösungen der Wärmequellen­erschließung.

Autoren: Dipl.-Ing. (FH) Elmar Frenken, Dipl.-Ing. Manfred Vaupel, Viessmann Wärmepumpen GmbH, Allendorf

Bilder: Viessmann

www.viessmann.de