Wärmepumpen: Besondere Wärmequellen
Stand: Mai 2023Wärmepumpen benötigen für ihren effizienten Betrieb eine erneuerbare Wärmequelle. Vielfach bekannt sind hierfür Luft, Grundwasser und Erdreich. Jedoch gibt es noch weitere Möglichkeiten, die künftig an Bedeutung gewinnen werden.
Eisspeicher
Ein Beispiel für eine alternative Wärmequelle ist die Eisspeicherheizung. Diese besteht aus einem im Boden eingelassenen Speicher, der mit Wasser gefüllt ist und mit einer Wärmepumpe samt Pufferspeicher verbunden wird. Dazu kommen in der Regel sogenannte Solar-Luft-Absorber. Diese werden ähnlich wie Solarkollektoren auf dem Dach oder im Vorgarten installiert und führen dem System im Regenerationsbetrieb Wärme aus der Luft oder der Sonne zu. Im Speicher ist eine Rohrspirale eingebaut, in der ein Wasser-Glykol-Gemisch sogenannte Sole zirkuliert. Diese Rohrspirale dient sowohl als Entzugs- als auch als Regenerationswärmetauscher.
Im laufenden Betrieb entzieht der Entzugswärmetauscher dem Wasser im Eisspeicher seine Wärmeenergie und gibt diese an die Wärmepumpe weiter. Mit der Zeit sinkt die Temperatur des Wassers im Speicher, bis es zu gefrieren beginnt. Das Besondere: beim Phasenübergang von null Grad kaltem Wasser zu null Grad kaltem Eis wird Kristallisationsenergie frei – und zwar reichlich. Beim Gefrieren von Wasser lässt sich mit einem Wärmetauscher so viel Energie in Form von Latentwärme – das ist quasi verstecke Wärme – zum Heizen entnehmen, wie man zum Erhitzen der gleichen Menge Wasser von null auf 80 Grad Celsius benötigt.
Im Regenerationsbetrieb wird dem Eisspeicher Wärme zugeführt, die man beispielsweise mit Hilfe der Solar-Luft-Absorber an etwas wärmeren oder sonnigen Tagen gewinnt. Durch das gezielte Wechselspiel aus Wärmeentzug und Regeneration kann der Gefrierprozess gesteuert werden. Zum Ende der Heizperiode wird gezielt Eis gebildet, das später an heißen Sommertagen für die Gebäudekühlung zur Verfügung steht.
Der Eisspeicher eignet sich in Verbindung mit einer Wärmepumpe und Strom aus erneuerbaren Energien als CO2-freies Heizsystem insbesondere für Gebäude mit höherem Wärme- und Kühlbedarf, also zum Beispiel für Büro- oder Geschäftsgebäude oder Hotels. Aber auch überall dort, wo viel Abwärme entsteht, und im Sommer gekühlt werden muss, bieten sich Eisspeicher in größerem Stil an.
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Solar-Hybridkollektoren (PVT)
Bei den PVT-Anlagen handelt es um eine Kombination aus Solarthermie- und Photovoltaikanlage, vereint in Flachkollektoren, die rein optisch kaum von herkömmlichen PV-Modulen zu unterscheiden sind. Auf ihrer Oberfläche erzeugen die Paneele mittels Solarzellen Strom, darunter wird auf konventionelle Weise Wärme gewonnen. Beides lässt sich für die Wärmepumpen nutzen: der Strom für den Betrieb der Wärmepumpe und die Wärme als Wärmequelle statt den sonst üblichen Wärmequellen wie Luft, Erdsonden oder Grundwasser.
Gegenüber einer konventionellen Luft-Wasser-Wärmepumpe steigt durch die Vorerwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit, in der Regel Sole, mit dem PVT-Kollektor nach Herstellerangaben die Jahresarbeitszahl von gut drei auf knapp vier. Und der Strom kann natürlich wie bei normalen Photovoltaikanlagen auch für Haushalt, Batteriespeicher, Elektroauto oder zur Einspeisung genutzt werden.
Abgesehen von der Doppelnutzung gibt es weitere Vorteile: Je nach Bauart ist insbesondere im Sommer durch die Kühlung der Photovoltaik-Zellen der Wirkungsgrad besser. Von Vorteil ist auch die Abtaufunktion zur besseren Nutzung der Wintersonne. Durch die Möglichkeit der kurzzeitigen Wärmezufuhr aus dem Wärmespeicher kann die Solarzelle auf der Vorderseite bei Bedarf schnell von Schnee und Eis befreit werden.
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Abwasserwärme
Auch Abwasser lässt sich als Wärmequelle für Wärmepumpen nutzen. Studien gehen davon aus, dass fünf bis zehn Prozent des Gebäudewärmebedarfs in Deutschland allein durch die Nutzung von Abwasserwärme gedeckt werden könnten.
Abwasser eignet sich besser zur Wärmegewinnung als die Außenluft, etwa so gut wie Grundwasser oder Geothermie. Das Temperaturniveau des Abwassers fällt auch im Winter selten unter acht bis zehn Grad Celsius. Zudem sorgt der flüssige Aggregatszustand für einen hohen Wärmeübergang. Ein weiterer Pluspunkt: Im Sommer kann das Abwasser zur Kühlung genutzt werden, es ist dann kälter als die Außenluft.
Die Wärme kann dem Abwasser auf dem Weg zur Kläranlage an verschiedenen Punkten entzogen werden:
- aus Kanälen,
- aus Druckleitungen,
- aus dem Pumpensumpf von Pumpwerken oder
- aus der Kläranlage selbst.
Häufigste Anwendung findet die Abwasserwärmenutzung aus Kanälen, den sogenannten Freispiegelleitungen, da diese direkt im Bereich potenzieller Nutzer verlaufen. Hier kann die Wärme mittels eines im Kanal eingebauten modularen Kanalwärmetauschersystems entzogen werden. Das warme Abwasser fließt dabei vollflächig über den Wärmetauscher, der wiederum von einem kühlen Arbeitsmedium (in der Regel Wasser) durchströmt wird. Das warme Abwasser gibt Energie an die kühlere Flüssigkeit ab, die sich aufwärmt und an die angeschlossene Wärmepumpe geleitet wird.
Eine weitere Möglichkeit ist der Einbau eines Bypass-Wärmetauschers. Hier wird dem Kanal über einen Bypass ein Teil des Abwassers entnommen. Nach der Abtrennung der Schmutzfracht durch eine Siebanlage, erfolgt die Wärmeübertragung auf ein Zwischenkreismedium. Bypass-Wärmetauscher sind flexibler einsetzbar als der Kanal-Wärmeüberträger und führen zu keiner Querschnittsreduktion im Kanal. Allerdings sind mehr Bauelemente erforderlich.
Die Wärmeentnahme kann auch erst im Klärwerk erfolgen, bestenfalls aus dem geklärten Ablauf der Kläranlage, womit keine Schmutzfrachtbehandlung erforderlich wird, und damit kostengünstigere Anlagentechnik verbaut werden kann.
Insgesamt kann Abwasser als erprobte und zuverlässige Wärmequelle für Wärmepumpen angesehen werden. Allein in der Schweiz gibt es mehr als 100 Anlagen, die teilweise bereits langjährige Betriebserfahrungen haben. Auch wenn die Investitionskosten und der Planungs- sowie Betriebsaufwand vergleichsweise hoch sind, überwiegen klar die Vorteile.
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Wärmende Fassadenelemente
Wärmende Fassadenelemente sind in ihrem Aufbau und der Funktionsweise vergleichbar mit klassischen Solarthermie-Kollektoren und sollen Luft-Wasser-Wärmepumpen versorgen. In der verglasten Variante sind die Temperaturen beispielsweise ausreichend für die Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung. Die unverglaste Variante ist nicht ganz so temperaturintensiv, reicht aber auch für die Trinkwasservorerwärmung oder für Schwimmbäder.
Die Fassadenelemente sind aus Hochleistungsbeton gefertigt und besitzen im Innern Kanäle, welche sich durch jedes einzelne Element ziehen. Durch diese Kanäle fließt ein Solarfluid, welches die Wärme aus der Umgebung oder Sonneneinstrahlung aufnimmt und transportiert. Die Anbringung soll an der Fassade von sowohl Neu- als auch Bestandsbauten möglich sein. Die solarthermischen Fassadenelemente bieten somit eine geräuschlose und platzsparende Alternative zu herkömmlichen Außeneinheiten von Luft-Wasser-Wärmepumpen.
