Eine Wärmepumpe, vier Wärmequellen

In der Regel nutzt eine Wärmepumpe lediglich eine Wärmequelle. Meist ist dies die Außenluft, am zweithäufigsten Erdwärme mit Absorbern in oberflächennaher Form oder per Tiefenbohrung. Eher selten kommen Grund- oder Abwasser sowie Abwärme als Wärmequelle in Frage. Eine Anlage mit Eis-Energiespeicher nutzt dagegen gleich vier Formen der Umweltenergie. 

Beispielsweise sind dies beim Viessmann „Vitoset“ Eis-Energiespeicher für Ein-, Zwei- und kleinere Mehrfamilienhäuser die direkte Sonneneinstrahlung und die Außenluft, die mit Solar-Luft-Absorbern aus Aluminium, sogenannten Energiezäunen, genutzt werden. Alternativ sind PVT-Kombikollektoren lieferbar, die die Sonnenenergie gleichzeitig photovoltatisch (PV) in Strom sowie thermisch (T) in Wärme umwandeln und die Dachfläche damit doppelt nutzen. Die im Erdreich vorhandene Wärme gelangt über die ungedämmte Hülle des Eisspeichers in den Wasservorrat. 

Kristallisationsenergie 
als Wärmebooster

Die vierte Wärmequelle ist die Kristallisationsenergie, die beim Gefrieren von Wasser frei wird. Dazu entzieht die Sole/Wasser-Wärmepumpe dem Wasser kontinuierlich Wärme, bis dieses gefriert. Beim Gefrieren rasten die vorher frei beweglichen Wassermoleküle in das feste Molekülgitter des Eises ein und setzen dabei Energie frei. Dies geschieht von unten nach oben und, beginnend am Wärme­übertrager, von innen nach außen. Der Vereisungsprozess wird gezielt gesteuert und trägt bei einem Eis-Energiespeicher mit 10 m³ Inhalt mit einer Wärmemenge von 930 kWh zur Energiebilanz bei. Die mit der Zunahme der Vereisung einhergehende Erhöhung des Wärmeleitwiderstandes wird annähernd proportional ausgeglichen durch die Oberflächenvergrößerung der Eisoberfläche um die Wärmeübertragerrohre herum, der Wärmestrom bleibt so praktisch konstant. Der emissionsfreie physikalische Prozess ist beliebig oft wiederholbar, wird in der Regel je Heizsaison allerdings einmalig initiiert, um das Eis in der Zeit von März bis Oktober zum Kühlen des Gebäudes zu nutzen.

Genehmigungsfreie Alternative zu Erdwärmesonden und Erdkollektoren

Der Eis-Energiespeicher als Herzstück der Anlage besteht beim Hersteller Viessmann statt aus Beton nun aus Kunststoff. Die deutlich leichtere Zisterne lässt sich dadurch einfacher transportieren und ins Erdreich einbringen. Befahrbar ist sie mit bis zu 3500 kg. Gefüllt wird der Eis-Energiespeicher mit 10 m³ normalem Trinkwasser, zwei hydraulisch voneinander unabhängige Wärmeübertrager aus Kunststoffrohr zum Entzug von Wärme bzw. zur Regeneration des Speichers sind vormontiert.

Ein Vorteil des Eis-Energiespeichers ist, dass aufwendige Bohrungen für Erdsonden und die dafür notwendigen Genehmigungen nicht nötig sind. Auch entfallen die umfangreichen Erdarbeiten, wie sie für das großflächige Verlegen von Erdkollektoren notwendig sind. Selten gestellte Auflagen in Wasserschutzgebieten sind zum Beispiel mit einem doppelwandigen Schutzrohr für die Leitungen mit überschaubarem Aufwand zu erfüllen. Bohrungen für Erdsonden sind in solchen Gebieten generell nicht möglich.

Die Auslegung der Wärmepumpe und des Eis-Energiespeichers samt Absorbern ist Bestandteil der Wärmebedarfsberechnung durch den Energieberater oder Fachplaner. Bei „Vitoset“ sind Komplettsets in fünf Leistungsgrößen von sechs bis 17,2 kW Leis­tung lieferbar. Bis 10 kW Wärmeleistung sind eine Zisterne und zwei beziehungsweise drei Absorber enthalten. Bei 17,2 kW Leis­tung sind es drei Eis-Energiespeicher und fünf Absorber. Die Anlagen sind jeweils so dimensioniert, dass sie Höhenlagen bis circa 400 m ohne zusätzliche Simulation abdecken. 

Natural Cooling als Zusatznutzen

„Die Pufferfunktion des Eis-Energiespeichers wirkt gleich doppelt, im Winter und im Sommer“, sagt Frank Euteneuer, Geschäftsführer der Metternich Haustechnik GmbH in Windeck, Rhein-Sieg-Kreis. „In der Heizperiode liefert der Eis-Energiespeicher bei Außentemperaturen unter Null Grad der Wärmepumpe Wärme mit bis zu 20 Grad, im Sommer kühlen wir die Gebäude mit der gespeicherten Kälte“, erläutert Euteneuer. Dessen Unternehmen hat seit 2010 bereits mehr als 500 Anlagen, davon rund 300 in Privathaushalten, installiert. 

„Die Kühlfunktion des Eis-Energiespeichers lässt sich mit einer Flächenheizung, Kühldecken oder einer Bauteilaktivierung nutzen. Schon zwei bis vier Grad weniger werden als sehr angenehm empfunden und sind angesichts der steigenden Zahl von Hitzetagen ein gutes Verkaufsargument“, betont Euteneuer.

Voraussetzung für das effiziente „Verschieben“ von Wärmemengen ist ein intelligentes Wärmemanagement-System. Ist der Eis-Energiespeicher das Herz der Anlage, steuert als „Hirn“ ein passend zur Anlagenkonfiguration konfiguriertes, primärseitiges Hydraulikmodul die Wärmeströme. Das Modul dient als Schnittstelle zwischen einer Sole-Wasser-Wärmepumpe und zwei Energiequellen. In diesem Fall die Solar-Luft-Absorber und dem Eis-Energiespeicher. Das kompakte, vormontierte Modul lässt sich platzsparend installieren. Es ist in drei Leistungsstufen (6 – 10 kW / bis 13 kW / bis 17 kW) verfügbar und verwaltet dank der integrierten Sensorik die Wärmequellen ohne eine Datenanbindung zur Wärmepumpe.

Umwandlungsprozesse 
im Blick

„Man kann Energie nicht einsparen, weil man sie nicht erzeugen kann. Energie ist einfach da. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt: Energie wird nicht erzeugt, sondern umgewandelt. Das heißt, wenn ich in dem Bereich der Energie was machen will, muss ich an die Umwandlungsprozesse ran“, erläutert der Hamburger Energieplaner Bernd Schwarzfeld vom Büro BZE Ökoplan die theoretischen Grundlagen einer Heizanlage mit Eis-Ener­gie­speicher.

Standardmäßig versorgt der Solar-Luft-Absorber die Wärmepumpe direkt mit Umweltwärme. Unter 0° C Lufttemperatur kommt die Wärme aus dem Eis-Energiespeicher, der zum Ende der Heizperiode gezielt vereist wird. Liefern die Solar-Luft-Absorber einen Wärmeüberschuss, wird dieser zur Regeneration des Speicherinhalts genutzt. „Da immer die effizienteste Wärmequelle zur Verfügung steht, erreichen die von uns installierten Anlagen im Heizbetrieb Jahresarbeitszahlen von 5 bis 5,5“, sagt Frank Euteneuer. Im Vergleich mit Luft/Wasser-Wärmepumpen ist das eine Steigerung der Effizienz um den Faktor 1,5 bis 2. Je höher die Strompreise steigen, umso schneller amortisieren sich die Mehrkosten gegenüber einer Luft-Wasser/Wärmepumpe. Auch im Kühlbetrieb arbeitet der Eis-Energiespeicher effizient. Dank des Eisvorrats im Speicher bleibt der Verdichter der Wärmepumpe ausgeschaltet, lediglich ein weiterer Wärmetauscher und der Pumpenstrom werden benötigt. Bei den Leistungsstufen mit 13 und 17 kW ist mit zusätzlichem Zubehör auch ein aktiver Kühlbetrieb möglich. 

Fazit: Die Einbindung mehrerer Erneuerbarer Energiequellen in eine Wärmepumpenanlage ist ein wichtiger Schritt zur Dekarbonisierung des Gebäudesektors. Das saisonale „Verschieben“ von Wärmemengen vom Sommer in den Winter und umgekehrt von Kälte vom Winter in den Sommer mit Hilfe eines Eis-Energiespeichers hebt die Effizienz und steigert den Komfort der Menschen. „Früher war die Welt einfacher: Es kam nur ein (fossiler) Energieträger zum Einsatz, der in ausreichender Menge verfügbar war. Heute müssen wir mehrere erneuerbare Energiequellen bestmöglich kombinieren, um den anspruchsvollen Wünschen der Kunden gerecht werden“, sagt Heiko Lüde­mann, Bereichsleiter Eis-Energiespeichersysteme bei Viessmann. „Aus Gesprächen mit Heizungsbauern und Anlagenbetreibern hören wir zudem verstärkt heraus, dass bei den Kunden die Versorgungssicherheit und Energieunabhängigkeit deutlich an Bedeutung gewinnen. Mit einer erdgekoppelten Sole/Wasser-Wärmepumpe samt Eis-Energiespeicher und einer PV-Anlage für den Eigenverbrauch ist man hier bestens aufgestellt“.