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Sole/Wasser-Wärmepumpen und Gas-Absorptionswärmepumpen für ganzjährigen Betrieb - Innovativer Stand der Hybridsysteme

Die derzeit im Trend befindlichen innovativen Lösungen bestehen in der Möglichkeit, mit einer hoch effizienten Wärmepumpe „aktiv“ oder über Erdsonden „passiv“ zu kühlen. Des Weiteren in der Kopplung eines Solarthermiekreises mit einem im Aufbau etwas komplizierteren Latentwärme-/Eisspeicher.

Das Hybrid-Wärmepumpensystem von Schüco vereint die drei Grundelemente Solar-Kombispeicher, Luft/Wasser-Wärmepumpe und Gas-Brennwertmodul auf kleinstem Raum. Bild: Schüco

„EMS“ verbindet die Solarkollektoren, Wärmepumpe und Speichertechnologie zu einer Gesamtlösung. Bild: Immosolar

Wärme-Kälte-System („WKS“-Energiesystem). Bild: Power Tank

„WKS“-Eficiency. Bild: Power Tank

 

Die Innovationen der Hybridwärmespeicher binden bisher die Solarthermie direkt in das Wärmepumpensystem ein, wobei die Strahlungsenergie je nach Temperaturniveau direkt oder zur Anhebung der Wärmequellentemperatur der Wärmepumpe genutzt wird. Die Wärmepumpen arbeiten umso effizienter, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator gewählt wird. Daraus folgt, dass ein höheres Temperaturniveau am Verdampfer zu einer höheren Jahresarbeitszahl führt. Erreicht wird dies mit einem Wärmespeicher, dem zusätzliche Umweltenergie z.B. Solarthermie, zugeführt wird.
Bei den bisher im Einsatz befindlichen Wärmepumpenkompaktgeräten handelt es sich um Hybridsysteme mit hocheffi-zienter Wärmepumpe für Neubauten oder für gut gedämmte  Bestandsgebäude. Diese Systemlösungen bieten neben den monoenergetischen Betriebsweise zur Wärmebereitstellung optional die Möglichkeit, mit der Wärmepumpe „aktiv“ oder über Erdsonden „passiv“ zu kühlen.
Soll z.B. aktiv gekühlt werden, dann wird der Kältekreis hydraulisch so verändert, dass  der Verdampfer (Wärmequelle) und  der Kondensator (Wärmesenke) miteinander vertauscht werden. Dieses erfolgt entweder kältemittelseitig über Umschaltventile, sodass der Kältemittelkreis umgekehrt (reversiert) wird oder mittels einer exteren hydraulischen Umschaltung von Verdampfer und Kondensator (Kompaktstation). Hierzu eignen sich allerdings nur Sole/Wasser-Wärmepumpen. Eine aktive Kühlung mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe ist insofern nur mit einer reversiblen Funktionsweise möglich.

Erdreichregenerierung

Aufgrund des zunehmenden sommerlichen Kühlbedarfs zur Raumluftkonditionierung und Abfuhr der inneren Kühllasten ist ein starker Trend im Einsatz von Sole/Wasser-Wärmepumpen zu verzeichnen, die als Option auch zur Kühlung ohne zusätzliche Anlagentechnik eingesetzt werden können. Diese Wärmepumpenaggregate arbeiten primär nach dem Prinzip der passiven Kühlung. Hierzu wird der Effekt genutzt, dass die Erdreichtemperaturen ganzjährig konstant sind.
Die regenerative Solarenergie dient während der Sommermonate neben der Bereitstellung zur Wärmeerzeugung zur Regeneration der Erdsonden. Die Sole wird hier über einen zusätzlichen Wärmeübertrager geleitet und gibt die aus den Räumen aufgenommene Wärme an das Erdreich ab. In größeren Objekten können so z.B. durch die passive Kühlung und Betonkernaktivierung (BKA) die Raumtemperaturen gesenkt werden. Die Kühlungsmethode mittels Wärmepumpen ist jedoch nicht mit dem Einsatz von Klimageräten vergleichbar, die einen zusätzlichen Investitionsaufwand erfordern.

Systemanbieter
Gegenüber den konventionellen Wärmepumpensystemen nutzt die Sole/Wasser-Wärmepumpe „HPSol“ von Schüco als Wärmequelle die aktive Solarthermie-Erdreichkopplung, die zugleich eine deutlich effizientere Systemtechnologie bewirkt. Im Vordergrund steht die Solarthermie, wobei die Solarkollektoren in Verbindung mit dem Solarspeicher in den Sommermonaten zur Warmwarmwasserbereitung dient. In der Übergangszeit deckt die Wärmepumpe den Wärmebedarf für die Warmwasserbereitung und die Heizung aus dem Energieangebot des Erdreichs.
Die aktuelle Innovation von Schüco International ist die Sole/Wasser-Wärmepumpe „HPSol 05“, die auch in der Lage ist, die Temperatur des Erdreichs zu regenerieren.

Eine Weiterentwicklung im Bereich der Wärmepumpen-Solarthermie-Hybridsysteme wurde zwischenzeitlich von Immosolar mit dem „EnergyManagementSystem (EMS)“ in Form einer regelungstechnischen Option vorgestellt. Das „EMS“ verbindet die Solarkollektoren, Wärmepumpe und Speichertechnologie zu einer Gesamtlösung. Die Sonnenenergie wird hierbei im und unter dem Gebäude gespeichert und nach drei Kriterien genutzt:

  • Die hohen Temperaturen werden zur Warmwasserbereitung verwendet.
  • Die mittleren Temperaturen werden zur Heizungsunterstützung in einen Pufferspeicher geleitet bzw. zur Erwärmung der thermoaktiven Bauteilsysteme genutzt.
  • Die niedrigen Temperaturen werden im Erdsolespeicher unter dem Gebäude eingelagert, der als Energiequelle für die Wärmepumpe dient.

Daraus folgt, dass die Wärmepumpe übers gesamte Jahr mit hohen Quelltemperaturen und somit nur mit einem geringen Temperaturhub arbeitet und hohe Leistungszahlen erreicht. Das Anlagensystem arbeitet mit aktiver Kühlung, wobei der Solarspeicher unter dem Gebäude durch das Energiemanagement solar beladen wird.

Ganzjährige Nutzung mit Latentwärme-/Eisspeicher

Während der Sommermonate liegen im Gebäudeinnern in der Regel höhere Temperaturen vor als im Erdreich oder im Grundwasser. Insofern können die niedrigeren Temperaturen des im Winter als Wärmequelle dienenden Erdreichs bzw. des Grundwassers zur direkten natürlichen Raumkühlung dienen. Bestimmte Wärmepumpen verfügen hierzu in ihrer Regelung über eine „Natural cooling-Funktion“.
Aufgrund der hohen Außenlufttemperaturen während der Sommermonate ist diese Funktion bei Luft/Wasser-Wärmepumpen nicht möglich. Das Kühlleistungspotenzial ist nur bedingt nutzbar, und von der Wärmequellengröße sowie Wärmequellentemperatur, die einer jahreszeitlichen Schwankung unterworfen sein kann, abhängig. Erfahrungsgemäß hat das Erdreich gegen Ende des Sommers mehr Wärme gespeichert, sodass die Kühlleistung dann etwas geringer ausfallen wird.
Neben der für Ein- und Zweifamilien-häuser zum Einsatz kommenden Optionen als solarunterstützende Sole/Wasser-Wärmepumpe zielen die neuen Entwicklungen insbesondere für Mehrfamilienhäuser, Büro- und Verwaltungsgebäude etc. dahin, eine ganzjährige effiziente Solarthermienutzung mittels Langzeitenergiespeicherung zu ermöglichen.

Systemanbieter

Die Power Tank GmbH hat mit ihren neu konzipierten Kompressoren ein innovatives Energieumwandlungssystem entwickelt. Die Solarthermieanlage stellt die Wärme für die Heizung und Warmwasserbereitung sowie für die Direktverdampferzellen zur Verfügung.
Zudem lässt sich das Powertank-Energieumwandlungssystem optional auch mit einer Kühlfunktion ausrüsten.
Das „WKS“-Energiesystem besteht aus der Solarthermieanlage, Compressor Unit (Wärmepumpe), Kondensatorzellen mit Paraffin als Speichermedium und den Verdampferzellen. Die Produktlinie „WKS“ (Wärme/Kältesystem) arbeitet nach dem Funktionsprinzip einer Wärmepumpe mit Direktverdampfung in Verbindung mit einem integrierten Latentspeicher sowie einer eingebundenen Solarthermieanlage. Das im Kompressor genutzte Kältemittel (spezielles Gas), wird nach dem Wärmepumpenprinzip verdichtet und zur Wärmeerzeugung als Heißgas direkt in die Latentzellen der Wärme- und Kältespeicherung eingespritzt (Prinzip der Direktverdampfung). Da die Verdampferzellen durch den Wärmeentzug des Kompressors ständig gekühlt werden, erreichen die Solarkollektoren einen optimalen Wirkungsgrad. Zur Kälteerzeugung wird dieser Prozess im Umkehrbetrieb gefahren.
Nach Aussage des Herstellers soll dieses Wärme-Kälte-System die Wärmeversorgung der mit fossilen Brennstoffen (Gas, Öl) betriebenen Wärmeerzeuger und die konventionelle Sole/Wasser-Wärmepumpe ersetzen. Laut Hersteller liegt die Arbeitszahl zwischen 7 bis 9 und der Leistungsbereich von 4 kW bis 34 kW bei einer Verdampfungstemperatur von 10°C.

Gas-Absorptionswärmepumpe und Langzeitenergiespeicherung

Die Wärmepumpen liefern während der Heizperiode zwar ausreichend Wärme, können aber aus dem Grund, weil nicht oder nur wenig gekühlt werden muss, die gleichzeitig erzeugte „Kälte“ nicht nutzbar verwenden.
Bei den konventionellen Wärmepumpenanlagen (Erdsonden/Geothermie) wird diese Problematik derart gelöst, dass die kalte Seite der Wärmepumpe in das Erdreich eingeleitet wird. Der natürliche Wärmestrom des Erdreichs führt aber dazu, dass nur ein geringer Teil des im Winter eingeleiteten  Kühlpotenzials über die Sommermonate noch zum passiven Kühlen zur Verfügung steht.
Der Betrieb einer Gas-Absorptionswärmepumpe mit Langzeitenergiespeicherung ermöglicht die Versorgung von Wärme und Kälte bei niedrigen Betriebskosten und vergleichsweise geringem Investitionsaufwand.
In etlichen Anwendungsfällen besteht kein gleichzeitiger Bedarf an Wärme und Kälte. Infolge bleibt während der Sommermonate die warme Seite der Absorptionswärmepumpe (Sole/Wasser) energetisch ungenutzt und während der Wintermonate die kalte Seite. Die Langzeitenergiespeicherung entkoppelt jahreszeitlich die Energieanforderungen an Wärme und Kälte von der tatsächlich benötigten Energie und steigert somit die Anlageneffizienz. Voraussetzung ist allerdings, dass eine Lagerung des Langzeitenergiespeichers unter Terrain aufgrund der großen Kubatur auch örtlich machbar ist.
Da das Wassers unterhalb des Gefrierpunktes vom flüssigen zum festen Aggregatzustand übergeht, kann aufgrund des Latentwärmeanteils eine sehr hohe Energiedichte genutzt werden. Dieses wirkt sich während der Heizperiode positiv aus, weil die Wärmepumpe über einen langen Zeitraum Wärme entziehen kann, ohne dass die Temperatur der Wärmequelle unter null Grad absinkt.
Die dem Gebäude während der Sommermonate entzogene Wärme führt den Langzeitenergiespeicher die Energiemenge zu, die erforderlich ist, diesen komplett aufzutauen und thermisch zu regenerieren. Daraus folgt, dass der Langzeitenergiespeicher im folgenden Winter wieder ausreichend Wärme zum Heizen zur Verfügung stellen kann.
Im Vergleich zu den Erdwärmesonden bzw. den sonstigen Speichervarianten der oberflächennahen Geothermie wird das
Kühlpotenzial beim Langzeitenergiespeicher in einem isolierten Behälter thermisch geschützt, sodass der größte Teil bis zum Sommer überdauert und zum Kühlen zur Verfügung steht. Um die Energieverluste so gering wie möglich zu halten, werden an die Wärmedämmung besonders hohe Anforderungen gestellt. Zur thermischen Langzeitspeicherung kann z.B. Blähglasgranulat „Poraver“ (www.praver.de) als Dämmmaterial verwendet werden.

Objektbeispiele

Die Erdgas Südbayern (ESB) nutzt zur energiesparenden Beheizung ihrer Gebäude am Standort Hausham einen Langzeit-energiespeicher „Solar-Eisspeicher“ für den ganzjährigen Betrieb zweier Gas-Absorptionswärmepumpen von Robur, Friedrichshafen.
Die bereits vorhandenen Solarthermiekollektoren sammeln die Sonnenenergie und laden den wassergefüllten Langzeit-energiespeicher mit 70000 l Inhalt auf, der frostsicher unter Terrain angeordnet wurde.
Während der Sommermonate addiert sich der Energieeintrag aus Solarthermie zu der vorhandenen Erdwärme, wobei sich das Wasser im Speicher langsam erwärmt und über die Wintermonate wieder entladen wird. Die beiden erdgasbetriebenen Gaswärmepumpen mit einer Wärmeleistung von je 38 kW und Kälteleistung von je 17 kW, entziehen in der kalten Jahreszeit dem Speicherwasser so lange die zum Heizen erforderliche Wärmeenergie, bis es gefriert. Im Umkehrschluss steht über die Sommermonate das Kühlpotenzial aus dem Eis zur Raumklimatisierung zur Verfügung. Als Energieaufwand zur Bereitstellung der Kälte fällt hier lediglich der elektrische Energieanteil an, der zum Betrieb des Solarkreislaufs erforderlich ist.
Auf eine Erdsondenanlage kann in dieser Kombination verzichtet werden. Die Investition für den Solar-Eisspeicher liegt in etwa bei der für Erdsonden mit Sole.
Der reguläre Heizwärme- und Warmwasserbedarf  für die 52 Zimmer und Suiten im Hotel Riva in Konstanz, mit zusätzlicher Klimatisierung der Versammlungs-, Seminar- und Konferenzräume sowie dem Wellnessbereich, wird effizient über die Kombination einer vierstufigen Gas-Absorptionswärmepumpe (Wärmeleistung 160 kW und Kälteleistung 70 kW) mit „Solar-Eisspeicher“ – ebenfalls von der Robur GmbH, Friedrichshafen – gedeckt. Der wassergefüllte Langzeitenergiespeicher mit 170000 l Inhalt wurde frostsicher unter Terrain angeordnet.
Die Langzeitenergiespeicherung mit Latentwärmenutzung auf Wasserbasis versorgt die Gas-Absorptionswärmepumpe (Sole/Wasser) über die Wintermonate mit Wärme und liefert zudem mit dem Eisvorrat die über die Sommermonate erforderliche Kühlenergie.
Über die Wintermonate werden aus dem Langzeitenergiespeicher ca. 40% der benötigten Heizwärme entnommen. Dies führt dazu, dass der Speicher abkühlt und das Wasser letztlich den Gefrierpunkt erreicht. Die Heizeffizienz, bezogen auf den Gaseinsatz liegt bei ca. 150%.
Über die Sommermonate wird das Eis nahezu ohne energetischen Zusatzaufwand zum Kühlen genutzt. Der Langzeit-energiespeicher nimmt hierbei die dem Gebäude entzogene Wärme auf, die im Folgewinter zum Heizen genutzt wird. Da das Eis während der vorausgegangenen Wintermonate durch die Gaswärmepumpe erzeugt wurde, verbessert dies die Gesamtenergiebilanz.
Die Kühleffizienz liegt bei ca. 60% (bezogen auf den Gaseinsatz im Winterbetrieb). Der raumlufttechnische Kältebedarf  kann, so lange das Temperaturniveau des Speichers niedrig ist, aus dem Eisspeicher gedeckt werden.

Hohe Solarerträge

Mit einem Hybridsystem Solarthermie/Wärmepumpe lassen sich hohe Solarerträge erzielen und energetisch eine höhere Anlageneffizienz erreichen. Zur Anlagenplanung müssen jedoch die Integration und Steuerung sowie das Energiemanagement beachtet werden. Einen zusätzlichen Aspekt bildet die veränderte Förder- und Gesetzeslage, die eine Nachfrage zum ganzjährigen Betrieb einer Hybrid-Solarthermie/Wärmepumpenanlage erwarten lassen. Die neue Bafa-Förderung bietet hierzu mit dem Kombinationsbonus einen besonderen Anreiz.

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

 


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