Kooperationsprojekt. Entwicklung einer solaren Wärmepumpe unter Verzicht von Erdkollektoren zur deutlichen Steigerung der Arbeitszahl

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1 Diplom Energieingenieur Markus Homburg Dorfstraße 7 D Dossow Telefon: / Fax: / Mobil: / homburg@solarwerkstatt.net Kooperationsprojekt Entwicklung einer solaren Wärmepumpe unter Verzicht von Erdkollektoren zur deutlichen Steigerung der Arbeitszahl abstract Projektbeginn: Fertigstellung: Anwendung eines ähnlichen Systems seid: Okt Berichtstand: Januar 2011 Berichtform: Kurzübersicht ohne technische Details und patentrelevante Angaben

2 Inhalt Abbildungsverzeichnis... 1 Idee/ Partner... 2 Solaranlagen... 2 Wärmepumpen... 2 Speicher... 4 Systemaufbau... 6 Anwendung... 8 Resümee... 8 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Komponenten einer Wärmepumpe... 3 Abbildung 2 idealer Kreisprozess einer Wärmepumpe... 3 Abbildung 3 Vergleich von sensibler und latenter Wärmemenge von Wasser... 5 Abbildung 4 Temperaturverlauf bei Kombination von latenter und sensibler Wärme... 6 Abbildung 5 realisierte solare Wärmemengen im Gesamtsystem... 7 Abbildung 6 Schaltbild der Gesamtanlage mit Eisspeicher und Kombispeicher sowie Sommer- Winter Umschaltventil [3], Heizkreisstation für Heizkreis 1 [7] und Heizkreis 2 [8]

3 Idee/ Partner Im Jahre 2004 begann die Kooperation mit unserem Partnerbetrieb AK Consulting aus Milow. Zunächst gefördert durch die konnte ein zukunftsweisender know- how Transfer zwischen den bis heute kooperierenden Partnerbetrieben realisiert werden. Die Partner haben ihre jeweiligen Schwerpunkte in die Kooperation eingebracht, um eine neue Technologie einzuführen und zur Marktreife zu bringen. AK Consulting ist u.a. spezialisiert auf die Planung und Auslegung von Wärmepumpenanlagen sowie der Gebäudeenergieoptimierung. Die Solarwerkstatt legt im Bereich thermischer Solaranlagen ihren Schwerpunkt auf Speicher- und Regelungstechnologien. Grundlage der Arbeit beider Betriebe ist es, geeignete Gesamtsysteme für die jeweilige Aufgabenstellungen zu entwickeln. Dieses Ziel liegt auch dem vorliegenden Projekt zugrunde. Dabei soll eine sinnvolle Kombination von Wärmepumpen und Solaranlagen realisiert werden. In dieser Kombination sollen die Systemkosten sowie die Betriebskosten optimiert sein, darüber hinaus soll der Primärenergieverbrauch und die Emissionen auf ein Minimum beschränkt sein. Solaranlagen Thermische Solaranlagen setzen Sonnenenergie in nutzbare Wärme um. In den meisten Anwendungen werden sie zur Warmwassererzeugung oder zum Betrieb von Niedertemperaturheizungen genutzt. Bestandteile sind im Wesentlichen die Kollektoren und ein Speicher. In Heizungssystemen werden Solaranlagen nahezu ausschließlich in Kombination mit anderen Energieträgern verwandt, da sie nur direktes Sonnenlicht nutzbar machen können, welches nicht permanent zur Verfügung steht. In dieser Kombination erhält der Speicher als Binde- und Kombinationsglied eine wesentliche Rolle. Die Qualität und Ausführung des Speichers entscheidet wesentlich über die Leistungsfähigkeit der jeweiligen Anlagenteile und deren Kombinierbarkeit. Wärmepumpen Wärmepumpen entziehen einem Umgebungsmedium Wärme auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau. Durch Kompression wird das Wärmeträgermedium auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und kann zur Raumheizung genutzt werden. Der Aufwand einer Wärmepumpe, die mechanische Arbeit, die die Kompression realisiert, ist dabei geringer als die Nutzwärme. Dieser Sachverhalt erweckt den Eindruck, Wärmepumpen haben einen Wirkungsgrad größer 1. Da aber auch die der Umgebung entzogene Wärme thermodynamisch als Aufwand zu werten ist, steigt der Aufwand wiederum über den Ertrag; der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist somit erfüllt. 2

4 Abbildung 1 Komponenten einer Wärmepumpe Da die der Umgebung entzogene Wärme allerdings nur theoretisch als Aufwand gilt, wird die Qualität einer Wärmepumpe durch die Arbeitszahl definiert. Diese entspricht dem Verhältnis der eingesetzten mechanischen oder elektrischen Arbeit in kwh zur Nutzwärme in kwh. Dieser Wert ist üblicherweise größer als 1. Er liegt im Laufe des Jahres zwischen 2 und 4,5. Der Kreisprozess einer idealen Wärmepumpe verläuft wie folgt: Von der Umwelt aufgenommene Energie: Fläche a Antriebsenergie Kompressor: Fläche b Gesamte abgegebene Energie: Fläche a + b S = Entropie = Energieinhalt 4-1: verdampfen 1-2: verdichten (Temperaturhub) 2-3: kondensieren 3-4: expandieren Abbildung 2 Idealer Kreisprozess einer Wärmepumpe Die Arbeitszahl der Wärmepumpe steigt mit der Umgebungstemperatur. Sie sinkt bei steigender Heiztemperatur, da die Antriebsenergie dafür steigen müsste. Aus diesem Gründen werden für die Verwendung von Wärmepumpen zwei Voraussetzungen angestrebt: möglichst eine gleichmäßige Wärmequelle auf möglichst hohem Temperaturniveau 3

5 ein Heizsystem mit möglichst niedrigen Vorlauftemperaturen, Wandheizungen, Fußbodenheizungen etc. Die Nachteile von Wärmepumpen bestehen darin, dass die Warmwasserbereitung mit vielen Wärmepumpen nicht zufriedenstellend möglich, daher werden häufig Elektroheizstäbe zur Nachheizung des Wassers eingesetzt. Des Weiteren sinkt die Arbeitszahl der Wärmepumpe bei steigendem Wärmebedarf, da dann auch das Wärmeangebot sinkt. Darüber hinaus ist der vermeintlich gute Wirkungsgrad nur bedingt zufriedenstellend, wenn die eingesetzte Elektroenergie berücksichtigt wird. Legt man eine Arbeitzahl von 3 und den Wirkungsgrad des bestehenden deutschen Kraftwerksparks i.h.v. 33% zugrunde, wird eine Arbeitszahl von 1 erreicht. Daraus folgt, dass eine Wärmepumpe ebensoviel fossile Energie um- und CO 2 freisetzt, wie eine Feststoffheizung auf Basis fossiler Energieträger. Für eine sinnvolle Nutzung sind daher Kombinationen mit anderen Energiesystemen zu empfehlen. Speicher Wie bereits beschrieben stellt ein Speicher einen wesentlichen Teil einer Solaranlage dar. Darüber hinaus wird der Nutzungsgrad und die Lebensdauer fast jedes Heizsystems erhöht, das mit einem Speicher ergänzt wird. Bei der Kombination unterschiedlicher Heizsysteme stellt der Speicher die Schnittstelle zwischen den Komponenten dar. Das Speichermedium ist häufig Wasser, da Wasser kostenneutral und ungiftig ist und über die höchste Wärmekapazität aller in Frage kommenden Stoffe verfügt. Nur bei der Notwendigkeit, auf einem Temperaturniveau über 100 C Wärme zu speichern, können sinnvoller Weise andere Speichermedien in Betracht gezogen werden. Die Bauformen der Speicher sind höchst unterschiedlich und abhängig von der Anwendung. Es sollte in nahezu allen Anwendungen darauf geachtet werden, sinnvolle Konzepte für die Schichtenbeladung 1 einzusetzen, um eine effektive Be- und Endladung des Speichers zu gewährleisten. Neben der Speichertechnologie genießt die Auslegung des Speichers höchste Priorität. In Abhängigkeit von der Nutzung ergeben sich unterschiedliche Temperaturbereiche, in denen der Speicher genutzt wird. Bei der Anwendung für moderne Heizungssysteme liegt dieser bei einem Wasserspeicher zwischen 35 und 90 C, sie weist also eine Temperaturdifferenz von ca. 55 Kelvin auf. Daraus ergibt sich beispielsweise für einen 1000 Liter- Speicher eine Speicherkapazität i.h.v 3 Q kwh H O Speicher cph O mh O T 1, kg 55K 63, 97kWh 2 = Δ = = 2 2 kgk Latentwärmespeicher/ Eisspeicher 1 Verlinkung auf SOLUS.pdf 4

6 Latentwärmespeicher unterscheiden sich grundsätzlich dadurch von den oben beschriebenen Wasserwärmespeichern, dass die Speicherkapazität nicht in der sensiblen Wärme, die durch den Temperaturunterschied fühlbar wird, besteht. Vielmehr wird die latente Wärme genutzt, die bei der Änderung des Aggregatszustandes auftritt. Theoretisch lässt sich diese Wärme sowohl beim Schmelzen und Gefrieren als auch beim Verdampfen und Kondensieren nutzen. In der Praxis wird überwiegend der Übergang zwischen Feststoff und Flüssigkeit genutzt, da dieser mit geringeren Volumenänderungen einhergeht und bei gebräuchlichen Temperaturen stattfindet. Die Vorteile von Latentspeichern bestehen zum einen in der gleich bleibenden Temperatur und zum anderen in der hohen Kapazität, die die Latentwärme vieler Stoffe aufweist. Wasser, der Stoff mit der höchsten bekannten Wärmekapazität von Flüssigkeiten i.h.v. cp kj O = 4,186 2 kg K h bzw. 1, kwh kg 3 H Sch weist z. B. eine Schmelzwärme i.h.v. K kj 3 bzw kwh ( H O) = ,6 10 auf. Bezogen auf das oben berechnete kg kg Liter- Volumen entspräche dieser Wert 95,6 kwh, somit deutlich mehr, als bei dem Wasserspeicher. Q [Wh/kg] Q Warmwasser Q Eis T [ C] Abbildung 3 Vergleich von sensibler und latenter Wärmemenge von Wasser Latentwärmespeicher arbeiten im Allgemeinen nicht ausschließlich mit Latentwärme, sondern kombinieren sensible und latente Wärme, wie folgende Grafik zeigt: 5

7 C T-Wasser T T-unten T-unten T-schmelz T-schmelz T-oben T-oben Q Abbildung 4 Temperaturverlauf bei Kombination von latenter und sensibler Wärme Die tatsächlich speicherbare Wärmemenge ergibt sich dementsprechend ebenso aus latenter und sensibler Wärme, wie im Folgenden mathematisch dargestellt: [ cp ( ΔT + ΔT ) h] QLatentspei cher = m Die heute gebräuchlichste Form des Latentspeichers ist der Parafinspeicher. Parafin ist umweltverträglich, leicht handhabbar und jahrelang erprobt. Es weist eine Latentwärme von h Parffin = 50 Wh und eine Wärmekapazität in Höhe von cp kg Paraffin = 0, 58 Wh auf. Der kgk Schmelzpunkt von Paraffin liegt im Bereich zwischen 48 und 52 C, er lässt sich durch Mischung mit Wasser nach unten variieren, wodurch sich auch die Schmelzenthalpie und die Wärmekapazität ändern. Paraffinspeicher werden bereits in Kombination mit thermischen Solaranlagen eingesetzt. Sie können als Puffer für die Trinkwassererwärmung aber auch für die Heizungsunterstützung verwandt werden. Systemaufbau Für die Anwendung in der Kombination einer Wärmepumpe mit einer thermischen Solaranlage wurde als Kern des Systems ein Eisspeicher ausgewählt. Folgende Aspekte waren dafür ausschlaggebend: Im Gegensatz zur Schmelztemperatur von Parafin stehen für jene von Wasser unterschiedliche Kältemittel für Wärmepumpen zur Verfügung. Die üblicher Weise bei der Anwendung einer Wärmepumpe notwenigen Erdkollektoren oder Tiefensonden als Wärmequellen entfallen. Daher spielt die Grundstücksgröße bei der Entscheidung keine Rolle, darüber hinaus fallen die Teils erheblichen Kosten für die Kollektoren nicht an. Wichtiger und tatsächlich systementscheidend ist allerdings der Sachverhalt, dass durch die geringe Speichertemperatur sowohl die Laufzeit als auch der Ertrag der Solaranlage deutlich 6

8 erhöht werden. Dieser Sachverhalt ist für die angestrebte hohe solare Deckungsrate zwingende Voraussetzung. Im üblichen Betrieb einer Solaranlage wird, abgesehen von regelungstechnischen Varianten, die Speichertemperatur mit der Kollektortemperatur verglichen. Ist die Kollektortemperatur höher als die Speichertemperatur, wird die Solarkreispumpe angesteuert, der Speicher wird beladen. Da die Temperatur in einem herkömmlicher Solarspeicher für ein Heizungssystem selten unter 40 C sinkt, können lediglich Kollektortemperaturen über 40 C genutzt werden. Bei der Verwendung eines Eisspeichers reichen Kollektortemperaturen knapp über dem Gefrierpunkt für den Betrieb. Es ist offensichtlich, dass dieser Vorteil insbesondere in den Übergangszeiten und im Winter enorme Vorteile für die Solartechnologie realisiert. Da eine Solaranlage für die ganzjährige Nutzung im Sommer nicht vollständig ausgenutzt werden kann, ergibt sich bei der Begutachtung der nutzbaren Erträge der Anlage untypische Verläufe durch die neue Systemtechnologie Solarwärme [kwh/monat] Dezember November Oktober September August Juli Juni Mai April März Februar Januar Abbildung 5 realisierte solare Wärmemengen im Gesamtsystem Nach dem Abgleich der tatsächlich bereitstehenden und der benötigten Wärmemenge zeigt sich ein effektiver Winterbetrieb gegenüber einem durchschnittlichen Sommerbetrieb. In dem hohen winterlichen Nutzen der Beispielanlage liegt innovative Relevanz des Systems. Um hohe solare Erträge mit möglichst geringen Laufzeiten der Wärmepumpe zu kombinieren und Heizungs- und Trinkwasser auf gewünschten Temperaturniveaus bereitzustellen, wird das System durch einen sehr hochwertigen Kombinationsspeicher für Heizungs- und Trinkwassererwärmung ergänzt. Hoher Wert ist bei der Auswahl des Speichers auf die Schichtenladetechnologie und eine sehr gute Dämmung zu legen. Reichen die Temperaturen und die Wärmemenge der Solaranlage für die Anwendungen im Gebäude aus, wird der Kombinationsspeicher direkt beladen. Ist der Kombinationsspeicher gefüllt, wird die Beladung auf den Eisspeicher umgeschaltet, bis auch dieser seine Maximaltemperatur erreicht hat. Erst wenn die solaren Erträge nicht mehr ausreichen, wird zusätzliche Wärme aus dem Eisspeicher 7

9 angefordert. Diese wird durch die Wärmepumpe auf das jeweils gewünschte Temperaturniveau angehoben. Das Gesamtsystem ergibt sich aus der folgenden Darstellung: Solarkollektor [1] [5] [7] [8] [6] Kombispeicher [4] Wärmepumpe [2] Eisspeicher [3] Abbildung 6 Schaltbild der Gesamtanlage mit Eisspeicher und Kombispeicher sowie Sommer- Winter Umschaltventil [3], Heizkreisstation für Heizkreis 1 [7] und Heizkreis 2 [8] Anwendung Inzwischen können wir Ihnen ein ähnliches System wie unsere Entwicklung aufzeigt für die konkrete Anwendung anbieten. Das Solaerasystem 2 der CONSOLAR GmbH aus Frankfurt am Main ist seit 2009 auf dem Markt. Es basiert ebenfalls auf der Nutzung des Eisspeichers und eines Schichtenladespeichers. Über diese Innovation hinaus hat CONSOLAR als Hersteller einen speziellen Kollektor entwickelt, der nicht nur durch die Sonnenstrahlung erwärmt wird, sondern mittels Luftaustausch auch der Umgebungsluft Wärme entziehen kann. Die angesprochenen Laufzeitverlängerungen der Solarpumpe werden dadurch abermals optimiert. Resümee Die Entwicklung und Anwendung eines neuen Solarsystems zeigt uns als Planungs- und Installationsunternehmen, dass wir weiter aufgefordert sind, bisherige Leistungen zu optimieren und an neue Gegebenheiten und Herausforderungen anzupassen. Unser Anspruch bleibt daher, weiterhin nicht auf althergebrachte Lösungen zurückzugreifen, sondern das jeweilige Optimum für unsere Partner und 2 Verlinkung auf Solaera.pdf 8

10 Kunden zu erarbeiten und umzusetzen. Wir freuen uns auf neue Herausforderungen auf dem Weg in die solare Zukunft. Mit sonnigen Grüssen, Team Solarwerkstatt, Dossow