SPF-Industrietag 2013: Saisonale Wärmespeicherung im Eisspeicher Erste Erfahrungen mit einer Pilotanlage

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1 SPF-Industrietag 2013: Saisonale Wärmespeicherung im Eisspeicher Erste Erfahrungen mit einer Pilotanlage Daniel Philippen

2 Hintergrund des vorgestellten Projekts Entwicklungsprojekt finanziert von der Elektrizitätswerke Jona- Rapperswil AG (EWJR) Zu entwickelndes System: Heizungsanlage für Raumwärme und Warmwasser, welche Sonnenkollektoren mit einer Wärmepumpe kombiniert Ziel: Heizungsanlage erreicht eine hohe System-Jahresarbeitszahl (JAZ Sys 6 in Gebäuden mit Niedertemperaturheizung) 2

3 Wichtigste Rahmenbedingungen Heizsystem soll bestehende Gebäude mit Heizenergiebedarf von 100 kwh/m 2 a und niedrigen Heizungsvorlauftemperaturen (max. 35 C) versorgen. Keine Verwendung von Erdsonden für die Wärmepumpe, damit das System auch in Gebieten eingesetzt werden kann, in denen Erdsonden nicht verlegt werden dürfen oder können (z.b. bei Grundwasserschutz) 3

4 Definition der System-Jahresarbeitszahl JAZ Sys Systemgrenze Warmwasser Elektrizität (Latent-) Wärmespeicher Luft Wärmepumpe Kombispeicher Raumheizung JAZ JAZ Sys = Q Raumheizung W + Q Elektrizität Warmwasser (Bilanz über 1 Jahr) 4

5 Wie effizient sind Wärmepumpen aktuell im Betrieb? 2 Feldstudien zu Wärmepumpen-Heizungen ohne solare Unterstützung haben durchschnittliche JAZ Sys bestehender Heizungen ermittelt: Luft-Wasser-Wärmepumpenheizungen: JAZ Sys ca. 2.8 Sole-Wasser-Wärmepumpenheizungen: JAZ Sys ca. 3.7 Zur Erreichung einer JAZ Sys von 6 ist eine Reduktion des Stromverbrauchs um den Faktor 1.6 bis 2 nötig Aber: Vergleich mit Projektziel JAZ Sys 6 schwierig, da in Feldstudien unterschiedliche Einsatzbedingungen bei Gebäuden vorliegen und die Systemgrenzen teils anders sind. Feldstudien: - Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen - FAWA , Erb M., Hubacher P., Ehrbar M., Wärmepumpen Effizienz - Messtechnische Untersuchung von Wärmepumpenanlagen zur Analyse und Bewertung der Effizienz im realen Betrieb, Kurzfassung. Miara M., Günther D., Kramer, T., Oltersdorf, T. & Wapler, J. Fraunhofer ISE, Freiburg,

6 Vergleich von Systemkonzepten mit JAZ Sys 6 Simulationsergebnisse für ein Gebäude mit 100 kwh/m 2 a EKZ, 140 m 2 EBF und Niedertemperaturheizkörpern (Standort Schweizer Mittelland): V1: Kollektoren und Luft-WP parallel V2: Kollektoren, Luft- WP & Eisspeicher V3: Kollektoren, Sole- WP & Eisspeicher Warmwasser Warmwasser Warmwasser Kombispeicher Raumheizung Kombispeicher (Latent-) Wärmespeicher Raumheizung Kombispeicher (Latent-) Wärmespeicher Raumheizung Luft Wärmepumpe Luft Wärmepumpe Wärmepumpe Benötigt: 100 m 2 Kollektoren Benötigt : 45 m 2 Kollektoren 5 m 3 Eisspeicher Entwicklung von Verdampfer für WP 6 Benötigt : 32 m 2 Kollektoren 35 m 3 Eisspeicher

7 Eigenschaften Eisspeicher / Entwicklung von Wärmeübertragern Eisspeicher sind Wärmespeicher mit Wasser als Speichermedium Bei Wärmeentzug kann an Wärmeübertragern Eis gebildet werden Hohe Speicherkapazität durch Nutzung der Phasenwechselwärme Problem: abnehmender Wärmedurchgangskoeffizient durch zunehmende Eisdicke Entwicklung periodisch enteisbarer, vollflächig durchströmter Platten-Wärmeübertrager Blick durch seitliches Fenster in den Versuchs-Eisspeicher im SPF-Labor während Enteisung: Vereister Wärmeübertrager Eis von vorheriger Enteisung Bereits eisfreier Wärmeübertrager 7

8 Hydraulisches Schema des Prototyps Gemeinsamer Sole-Kreislauf für Kollektoren, Wärmepumpe, Pufferspeicher und Eisspeicher erlaubt zahlreiche Betriebsmodi Sonnenkollektoren Heizkreis Warmwasser Wärmepumpe Pufferspeicher Wärme- pumpen- Boiler Eisspeicher 8

9 Simulierte monatliche Energieflüsse im Eisspeicher Gebäude mit 100 kwh/m 2 a EKZ, 140 m 2 EBF und Niedertemperaturheizkörpern und Eisspeicher mit 30 m 3 Volumen Energieflüsse [kwh] Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Verluste via Speicherwand Wärmetransfer zum warmen Speicher Bezug Wärmepumpe Gewinne via Speicherwand Solareintrag Kollektorfeld Monatlicher Energiefluss in den Eisspeicher 15

10 Pilotanlage mit Eisspeicher in Rapperswil Gebäude aus den 60er-Jahren mit kwh Heizenergiebedarf Energiekennzahl für Heizenergie ca. 100 kwh/m 2 a Konvektoren mit hohen Heizungsvorlauftemperaturen (50 C bei -10 C Aussentemperatur) 16

11 Pilotanlage: Kollektorfelder 50 m 2 abgedeckte Sonnenkollektoren auf 3 Flachdächern Kollektoren hermetisch dicht für Betrieb unter Taupunkt 17 m 2 unabgedeckte Sonnenkollektoren an der Fassade 17

12 Pilotanlage: Pufferspeicher und Heizungskeller Pufferspeicher mit 3.5 m 3 Speichervolumen Vor Ort zusammengesetzt Drucklos betrieben Standard Sole-Wasser- Wärmepumpe (18 kw Heizleistung bei B2W45) 18

13 Pilotanlage: Bau der Eisspeicher-Hülle Ortsbetonspeicher mit 75 m 3 Fassungsvermögen Wird mit 70 cm Erdreich überdeckt Decke und oberer Bereich der Wände aussen wärmegedämmt (Schutz des Wurzelraums und Schutz gegen flächige Vereisung des Speicherwassers) 19

14 Pilotanlage: Einbauten im Eisspeicher Ver- und enteisbare Wärmeübertrager am Boden Wärmeübertrager an der Wand zur schichtenden Be- und Entladung 20

15 Betrieb des Eisspeichers seit 22. Januar 2013 Enteisung der Wärmeübertrager funktioniert Vorlauftemperatur Eisspeicher zur Wärmepumpe bei -1 C bis -4 C wenn latente Wärme genutzt wird Blick in den Eisspeicher mit Monitoring-Kamera am Enteisung mit zu 1/3 gefülltem Eisspeicher am

16 Beispiel: Kollektoren und Eisspeicher als parallele Quellen für WP Situation: Wärmepumpe bezieht gleichzeitig Wärme aus dem Eisspeicher und vom Kollektorfeld Wärmeübertrager im Eisspeicher vereist (Entzugstemperatur ca. -3 C) Solarstrahlung ca. 750 W/m 2 Senkentemperatur (Heizkreis) ca. 41 C Solare Anhebung des COP von circa 3.75 auf 4.75 (durch Anhebung der Soletemperatur um ca. 10 K) 22

17 Ausblick / Weitere Projekte zum Thema Die Pilotanlage wird während 2 Jahren mit einem Monitoring begleitet Erkenntnisse aus dem Monitoring werden zur Weiterentwicklung des Systems genutzt Mit dem vom Bundesamt für Energie finanzierten Projekt «High Ice» untersucht das SPF bis Ende 2014 weitere Heizsysteme mit Eisspeicher: Eignung anderer Materialien für Wärmeübertrager im Eisspeicher Verwendung anderer Enteisungsmethoden Nutzung von Abwasserwärmerückgewinnung Betrachtung der Grauen Energie der Systeme mittels Ökobilanzen 23

18 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Die Projekte werden unterstützt durch: Elektrizitätswerke Jona-Rapperswil AG Bundesamt für Energie BfE, Bern 24