Wissen: Tipps für Eisspeicherprojekte Teil 2

Die Idee der Alternativwärmequelle

Die Regenerationsquelle eines Eisspeichers soll in ihrer Hauptfunktion in der Heizperiode die Zunahme des Eisvolumens im Eisspeicher verlangsamen oder sogar Abschmelzarbeit leisten. Hier ist es entscheidend, wie sie hydraulisch in den Eisspeicher-Wärmeübertrager eingebunden wird. Geschieht das über ein im Ringraum angeordnetes Rohrregister, so ist die Regeneration bereits auf Außentemperaturen größer 4 °C angewiesen. Das ergibt sich aus der Position des Wärmeübertragers in der außenliegenden wasserführenden Schicht, die selbst bei maximaler Vereisung eine Temperatur von ca. 1-2 °C in der direkten Grenzschicht aufweist. Hier findet damit nur ein minimaler Wärmeübergang statt. Ein Regenerationsbetrieb bliebe damit wirkungslos.

Sogenannte Energiezäune vermitteln den Eindruck, besonders effektiv Wärme aus der Umgebungsluft einzusammeln, die dann bei Bedarf in den Eisspeicher abgeführt werden könnte. Außerdem soll der Energiezaun auch als direkte Wärmequelle genutzt werden können. Beides ist nur bedingt richtig, geschweige denn in der Praxis effizient. Ein solarthermischer Ertrag wird ebenso der Regeneration gutgeschrieben, jedoch bedeutet das nicht, dass die Leistung zur Verfügung steht, wenn sie gerade benötigt wird.

Eine funktionierende und technisch besser beherrschbare Variante einer Eisspeicher- und Regenerationsquellenlösung ist die, die bereits in Teil 1 beschrieben wurde:

Eisspeicher + Rückkühler (+ x)

Der Rückkühler wird dabei auf die Kälteleistung der Wärmepumpe im Nennbetriebspunkt ausgelegt! „+x“ kann für einen weitere Regenerationsquelle, wie z. B. einen PV-T Kollektor stehen. Dabei handelt es sich um thermisch aktivierte PV-Module, die über einen integrierten Wärmeübertrager zusätzlich thermische Arbeit verrichten können. Verfügen die Module auf der Rückseite über eine Wärmedämmung, z. B. PUR oder Vlies, so kann der Großteil zusätzlicher Erträge für die Regeneration im Wesentlichen nur aus solarer Einstrahlung gewonnen werden. Ist das hybride Modul allerdings unisoliert, kann der Absorber auch weitestgehend ungehindert mit der Außenlufttemperatur interagieren und so auch die Luft als zusätzliche Regenerationsquelle nutzen. Da die Lufttemperaturen im Winter – sicher regional unterschiedlich – tagesüber auch gerne auf Mittel zwischen 5 und 10 °C steigen, ist es für den effizienten Betrieb der Wärmepumpenanlage unverzichtbar, diese Energie zu nutzen. Das Ziel hybrider Anlagen sollte es eigentlich sein, immer die bestmöglichen Betriebsbedingungen für den aktuellen Bedarf zu nutzen, um möglichst wenig Endenergie zu nutzen.

Die Auslegung des Rückkühlers sollte auf Basis der Kälteleistung der Wärmepumpe bei einer Außentemperatur (kurz: AT) von -5 °C erfolgen, womit er als Luftkühler gerade noch ausreichend Leistung für den Heizfall liefert, für den Kühlfall jedoch erheblich überdimensioniert ist. Als Bauart sind V-Block- oder Tischrückkühler einsetzbar. Auf die Leistungsaufnahme der Ventilatoren sollte bei der Auswahl des Fabrikats und der Ausführung geachtet werden. Bei der Auslegung können auch niedrige Schallemissionen berücksichtigt werden, was sich in der Regel auf die Größe des Geräts auswirkt.

Ein zentrales Problem, wo die Physik auch dieser Anwendung klar die Grenzen aufzeigt, tritt dann auf, wenn die Außentemperatur über längeren Zeitraum unter +4 °C liegt und eine Regeneration des Wärmequellenpuffers (= Eisspeicher) de facto nicht mehr möglich ist, weil die Wärmepumpe den Rückkühler als direkte Wärmequelle benötigt. In Betriebspausen wird ein Teil der bereits erzeugten Wärmearbeit wieder für die Abtauung des Rückkühlers benötigt, um ihn weiter als Wärmequelle nutzen zu können. Kleinste Veränderungen im Wettergeschehen, z. B. eine ungewöhnlich lange Kälteperiode kann schon bedeuten, dass zeitnah ein zweiter Wärmeerzeuger einspringen müsste, da mit sinkender Wärmquellentemperatur auch die Heizleistung der Wärmepumpe abnimmt.

Selbst der Rückkühler allein ist damit systembedingt keine alternative Wärmequelle, sondern maximal eine Notversorgung. Spätestens bei -9 bis -10 °C ist auch hier bei maximaler Auslastung durch die Wärmepumpe Schluss.

Die bessere Alternative – Hybridsysteme

Außenluft als direkte Wärmequelle bringt den Umstand mit sich, dass gerade, wenn die Lufttemperatur fällt, der Heizleistungsbedarf in ähnlichem Maße steigt. Auch wenn die technische Nutzbarkeit der Wärmequelle Außenluft durchaus noch gegeben scheint, ist trotzdem die Effizienz in Frage zu stellen, erst recht, wenn die Außenluft über einen Sole/Luft-Kollektor, z. B. einen Energiezaun genutzt wird. Liefert dieser bei Start der Soleumwälzpumpe anfänglich noch das eingelagerte Temperaturniveau, zeigt sich erst im Dauerbetrieb wie gut der Kollektor als Wärmeübertrager funktioniert. Bei einer Außentemperatur von 0 °C treten in der Praxis Soletemperaturen auf, die ca. 6-8 K darunter liegen. Das bedeutet, dass die Wärmepumpe mit einer nochmals 8 K niedrigeren Verdampfungstemperatur arbeitet. Einer deutlichen Verschlechterung der Anlageneffizienz kann nicht entgegengewirkt werden. Befürworter dieser Technik bringen in der Regel das Argument, dass die Effizienz dafür bei Sonneneinstrahlung und Außentemperaturen größer 4 °C besonders hoch sei. Soletemperaturen von 10-12 °C bei vergleichsweise niedrigen AT (Außentemperatur) können durchaus auftreten. Nur ist das kein stationärer Zustand, sondern nur eine Momentaufnahme. Bei jeder Form von Energiespeicherung und Übertragung muss die Auslegung mit möglichst wenig Verlusten und Wärmeübergängen erfolgen. Jeder Teilprozess für sich sollte effizient sein.

Der Schlüssel für eine optimierte Anlage liegt in der hybriden Bauweise. Diese berücksichtigt mehrere Bausteine mit denen aktiv auf die Verbesserung der Anlageneffizienz eingewirkt werden kann:

• Eisspeicher als Energiespeicher bzw. Wärmequellepuffer
• Sole/Wasser-WP
• Luft/Wasser-WP
• Rückkühler

Eine ausgewogene Aufteilung der Auslegungsleistung der Wärmepumpen und des Rückkühlers werden über ein Simulationsmodell ermittelt. Hieraus ist auch die optimierte Kapazität, damit das Volumen des Eisspeichers abzuleiten.

In dieser Konstellation kann jeder Anlagenbaustein für sich seinen Beitrag leisten, was eine intelligente Regelung der Anlage sicherstellen muss. Die Entscheidung, wann welche Betriebsart zum Zug kommt, wird zunächst über die dominante Anforderung bestimmt: Heizen, Kühlen.

In der Folge entscheidet der Zustand der jeweils zur Verfügung stehenden Wärmequellen, welcher Wärmeerzeuger und welche damit verbundene Quelle zum Einsatz kommt. Besonders vorteilhaft für die Betriebskosten und die CO₂-Bilanz ist sicher der Einsatz selbst erzeugten Stroms aus einer PV-Anlage. Wird diese dazu noch thermisch aktiviert, kann damit die Mitteltemperatur der Wärmequelle angehoben und eine bessere Jahresarbeitszahl erreicht werden.