Effizientes Kühlen mit Eisspeicher

Ein System, das auf den ersten Blick paradox erscheint, aber auf den zweiten mit maximaler Effizienz und Umweltfreundlichkeit überzeugt. Da überrascht es nicht, dass ein Professorenehepaar für angewandte Physik das System hinterfragt und sich klar dafür entschieden hat. Für ihr Grundstück mit 660 m² in starker Hanglage, 190 m² Wohnfläche im Niedrigenergiehaus mit dem Wunsch nach optimaler Energieeffizienz, kamen nur wenige Systeme infrage. Die Variante der Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Eisspeicher gewann. Ein, erst seit wenigen Jahren verfügbares, hocheffizientes System.
Mit dem Eisspeicher wird zum einen Wärme aus der Umgebungsluft, der Sonneneinstrahlung und dem Erdreich in das System eingebunden, zum anderen dient er als Speicher, wenn die Wärmepumpe diese Energiequellen aktuell nicht nutzt. Zusätzlich zur Wärmepumpe werden spezielle Kollektoren auf dem Dach angebracht. Diese nehmen die Wärme der Umgebungsluft sowie der Sonne auf und speichern diese Energie direkt im „Eisspeicher“.
Im Sommer kann der Eisspeicher zur Kühlung des Gebäudes genutzt werden. Dank dieser Kombination sehen Experten Eisspeicher für bestimmte Gebäude als relevantes Heiz- und Kühlsystem der Zukunft.
Tatsache ist, der Anschaffungspreis ohne Klimatisierungsnutzen liegt etwa 10 000 Euro über dem einer reinen Luft-Wärmepumpe. Tatsache ist aber auch, die Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit liegen weit über den Ergebnissen einer Luft-Wärmepumpe. Die zusätzlichen Investitionskosten sollten sich nach etwa 10 Jahren amortisieren; angesichts der kommenden Strompreisentwicklung wahrscheinlich schneller. Im ersten Jahr liegt der Jahresverbrauch an konventionell bezogenem Strom für Heizung und Warmwasser eines 2-Personen-Eigenheims bei etwa 4000 kWh. In Zahlen ausgedrückt spart ein typisches Einfamilienhaus im Vergleich etwa 50 % der Heizenergie bei nahezu gleichbleibender Jahresarbeitszahl. Je länger die Heizperiode dauert und je schneller die Außentemperaturen fallen, desto mehr wird gespart. Bezieht man nun die Klimatisierung in diese Rechnung mit ein, wird der Einsatz des Eisspeichers wesentlich interessanter, aber auch komplexer.

Passive Kühlung
Der grundlegende physikalische Prozess bleibt gleich: Soll der Eisspeicher im Sommer auch zur Kühlung verwendet werden, muss die Erwärmung bzw. Regeneration des Eisspeichers ab einer bestimmten Temperatur im Frühling unterbrochen werden. Dafür werden die Dachkollektoren abgeschaltet und die Wärme aus dem Gebäude mittels Wärmetauscher abgeführt. Über einen Regenerationswärmetauscher wird der Schmelzprozess im Eisspeicher aktiviert.
In der realen Welt der Klimatisierung wird es dagegen komplexer. Es gibt zwei Möglichkeiten, um die Kälte des Eisspeichers im Gebäude nutzbar zu machen. Die erste und rechnerisch wie ökologisch sinnvollste ist die passive Kühlung – das Einleiten des Wassers in einen Mischer zur Temperaturregulierung und Weiterleitung in die Flächenheizung/Heizkörper. Die Wärmepumpe kommt nicht zum Einsatz. So entstehen zur Kühlung keine zusätzlichen Kosten, da lediglich die vorhandene Energie aus dem Eisspeicher genutzt wird. Mit dem positiven Effekt, dass der Eisspeicher sich regeneriert und im Winter mehr Wärme entnommen werden kann.
Das Problem, die Kühlleistung des Eisspeichers ist begrenzt, in puncto Kapazität ebenso wie der technischen Umsetzung. Deshalb muss der Eisspeicher für die Kühlfunktion eigens dimensioniert werden, um den Kühlbedarf vollständig decken zu können.

Klimatisierung fast ohne Kosten
Die Kühlleistung mittels Eisspeichers ist zeitlich begrenzt. Mit einem normalen EFH-Eisspeicher mit 10 m³ können trotz hoher Leistungsdichte in der Regel nur zwei Räume über die gesamte Hitzeperiode gekühlt werden. Für die Kühlung eines gesamten EFH reicht die gespeicherte
Energie nicht aus, bzw. wäre wahrscheinlich in der Mitte der Kühlperiode bereits aufgebraucht. Für unsere geografische Lage ist die Klimatisierung des Schlaf- und Kinderzimmers bzw. dem Büro normalerweise ausreichend. Wenn Kunden sich für eine Klimatisierung in ihrem privaten Wohnumfeld interessieren, kommen oft nur einzelne Räume dafür infrage. Setzt man den Eisspeicher dafür ein, spart man die Kosten der konventionellen Klimageräte, kann auf die unschönen Geräte an der Gebäudehülle verzichten und natürlich ist der größte CO₂-Verursacher, die Energie zum Heizen und Kühlen, praktisch neutralisiert.
Typischerweise wird das installierte Flächensystem, also Wand- und/oder Fußbodenheizung, als Verteilsystem für die erzeugte Kälte bzw. Wärme verwendet. Im Fall der Kühlung darf der Taupunkt allerdings nicht unterschritten werden, da die so entstehende Feuchtigkeit im Gegensatz zu konventionellen Klimageräten nicht abgeführt werden kann. Das bedeutet, bei einer passiven Kühlung kann die Temperatur, je nach Kühlsystem und Leis­tung der Kühlflächen, nur um 2 bis 4 °C abgesenkt werden, obwohl durch entsprechende Regelalgorithmen einer Kondensation entgegengewirkt wird. So wird die Fußbodenheizung beispielsweise mit einer Vorlauftemperatur von 17 – 18 °C betrieben, um Kondensation auf der Oberfläche zu vermeiden.
Dank der Kühlmethode mit Eisspeicher entfällt die hohe elektrische Leistungsaufnahme einer üblichen Klimaanlage, die zum Betrieb der Verdichter benötigt wird. Die Energiekosten für die benötigten Umwälzpumpen sind unerheblich, mit weniger als 10 W kaum der Rede Wert. Um den enormen Temperaturunterschied zwischen dem Wasser aus dem Eisspeicher und der Raumtemperatur anzugleichen, muss zusätzlich ein handelsüblicher Mischer installiert werden, auch dieser schlägt kaum zu Buche. Im Detail betrachtet bietet die Kühlfunktion des Eisspeichers für bestimmte Anwendungen doppelt Sinn, z. B. für ein Wohnhaus mit angeschlossenem Gewerbebetrieb. Eine Metzgerei, Bäckerei, Restaurant, überall, wo ein Raum zusätzlich dauerhaft gekühlt werden muss und Kondenswasser kein Problem darstellt. Mit einem Eisspeicher für die Wärme im Haus, ist diese Kühlung nahezu ohne energetischen oder finan-
ziellen Zusatzaufwand möglich.
Verschiedene Hersteller, wie z. B. Viessmann, sehen für Eisspeicher-Systeme zum Heizen und Kühlen sowohl im kleinen als auch im großen Leistungsbereich einen interessanten Markt mit erheblichem Potenzial. Momentan werden die Standard-Eisspeicher für Einfamilienhäuser aufgrund des Bedarfs aber meist auf die Funktion Heizen ausgelegt. Um eine maximale Heizleistung zu generieren, werden die Berechnungsprogramme wie die Regeltechnik darauf abgestimmt. Um mit dem Eisspeicher auch zu Kühlen, müsste man diesen relativ frühzeitig gezielt einfrieren, um maximales Potenzial aus dem Eis zu ziehen. Damit würde aber weniger Energie für die Wärme abfallen. Eine Umstellung auf Kühlung würde eine neue Dimensionierung aller technischen Elemente inkl. des Eisspeichers selbst bedeuten. Mit dem Standard-Eisspeicher mit Heizfokus steht nur eine geringe Kältemenge zur Verfügung. Große Anlagen für Gewerbeeinheiten etc. sind dagegen zum Heizen und Kühlen ausgelegt, für große Anlagen kann sich das Verhältnis zwischen Heizen und Kühlen auch zugunsten des Kühlens verändern. Mittels COP (Coefficient Of Performance) kann man die Effizienz von thermisch angetriebenen Kältemaschinen berechnen. Er definiert das Verhältnis aus Kälteleistung und benötigter Antriebswärmeleistung.

Zusatz Wärmepumpe
Die zweite Möglichkeit der Kühlung mittels Eisspeicher beinhaltet die Nutzung der Wärmepumpe. Der Vorteil, es können mehr Räume gekühlt werden. Der Eisspeicher wird über das vorhandene Regelsystem der Wärmepumpe zur Flächenkühlung genutzt. Bezieht man die Wärmepumpe in die Klimatisierung ein, erhöht sich dadurch zwar die Effizienz der Pumpe, gleichzeitig benötigt diese aber zur Klimatisierung mehrerer Räume konventionellen Strom. Also sobald das Eis im Eisspeicher komplett abgetaut und keine Energiequelle mehr vorhanden ist, muss die Wärmepumpe konventionellen Strom zur Klimatisierung beziehen. Je nach Verlauf der Sommermonate, früher oder später.
Fast alle Wärmepumpen der neuesten Generation sind zum Heizen und Kühlen geeignet. Ein 4-Wegeventil ermöglicht die Kreislaufumkehrabtauung sowie das Umsteuern des Kältekreislaufes
vom Heiz- in den Kühlbetrieb, zeit- und energieoptimiert dank intelligentem Steuerungssys­tem. Optimiert werden kann die Ökobilanz durch die Hinzunahme von PV. Diese kann zusätzlich
Ökostrom liefern, um die Gesamtenergiebilanz zu verbessern.  Gleichzeitig kann die Kälte aus dem Eisspeicher an heißen Tagen zur Kühlung der PV-Module genutzt und so Energieverluste ausgeglichen werden.

Klimaschonende Umwelttechnik
Eine weitere Möglichkeit, mittels Eisspeicher das gesamte Gebäude zu kühlen, liegt in der Dimensionierung des Speichers. Der Eisspeicher-Hersteller Viessmann gibt an, die übliche Größe für Einfamilienhäuser liegt für 6 bis 10 kW bei 10 m³ Wasserinhalt. Bei höheren Leistungen bis 17,2 kW kommen zwei Eisspeicher zum Einsatz.
Je nach Leistungsgröße sind Systempakete so gewählt, dass die zur Verfügung stehenden Wärmequellen Außenluft, Sonne und Erdwärme so effizient wie möglich genutzt werden. Bei Großanlagen ab einem Leistungsbereich von 21 kW erreicht das Volumen des Eis-Energiespeichers bis zu 120 m³. Hier ist aktives Energiequellenmanagement nötig. Es gilt, je größer der Eisspeicher, desto größer das Energievolumen, das für Wärme und die passive Kühlung abgerufen werden kann. Je mehr ein Gebäude geheizt bzw. gekühlt werden soll, desto schneller amortisiert sich der Eisspeicher. Bei langen, warmen Sommern und Altbauten ohne optimierte Dämmung sind auch Ein- und Zweifamilienhäuser gute Kandidaten für das kombinierte Heiz- und Kühlsystem des Eisspeichers. Wobei die Nachrüstung eines Eisspeichers meist nur bei frei vorhandener Grundstücksfläche Sinn macht. Richtig interessant wird es aber bei hochwertigen Wohnanlagen, Gewerbe- und kommunalen Immobilien, die dauerhaft gekühlt werden müssen – von modernen Büros, über Serverräume, Hotels und Kultureinrichtungen bis zu gekühlten Produktions- und Forschungsanlagen.
Das Ziel: Neben der Halbierung der jährlichen Heizkosten, den stetig wachsenden Kostenblock der Klimatisierung einsparen.