Die ständig steigenden Energiekosten für Öl und Gas, sowie die Klimaveränderungen durch den CO2-Ausstoß bei der Verbrennung dieser Produkte, zwingt uns über andere Wege zur Erzeugung von Wärme, warmem Brauchwasser, Klimatisierung und Kühlung nachzudenken. Das gilt sowohl im privaten Gebäudebestand als auch im gewerblichen Bereich. Für letzteren sind die Planungen objektbezogener als im Wohnbereich, den wir hier deshalb detaillierter betrachten. Die erforderlichen Maßnahmen sind aber grundsätzlich vergleichbar.
Wollen wir Energie sparen und unsere Finanzen entlasten, dann müssen wir die Sonne durch eine größere Solarfläche, als dieses heute üblich ist, in die häusliche Wärmeversorgung einbinden. Um kurzfristige Schlechtwetterperioden im Sommer und in der Übergangszeit zu überbrücken ist natürlich auch ein größerer Wärmespeicher erforderlich. Zusätzlich entlasten wir noch unser Klima durch eine CO2-Einsparung.
Damit eine Anlage aber noch finanzierbar bleibt und ihre Amortisation über die Einsparung bei den Betriebskosten möglichst 10 Jahre nicht übersteigt, wird eine solare Deckung von 50% im Jahr mit der Solaranlage alleine angestrebt. Bei einem Neubau könnte man eine höhere solare Deckungsrate verwirklichen, doch beim Gebäudebestand sind hier aufwandsbedingte Grenzen gesetzt. Vielleicht wollen Sie aber nur eine bestehende Anlage mit einer Solaranlage ergänzen.
Den restlichen Wärmebedarf – mit einer Solaranlage ist es hauptsächlich der Bedarf in den längeren Kälteperioden des Winters – deckt eine etwas veränderte Wärmepumpe. Als Wärmequelle dient das bei uns überall verfügbare Wasser in einer sich außerhalb des Gebäudes befindenden Zisterne. Die Wärmepumpe kühlt dieses beispielsweise um 5° ab und erwärmt das Wasser für den Wärmespeicher um 10° bei einem kleineren Volumenstrom. Damit die Zisterne nicht allzu groß gewählt werden muss, wird auch die sehr hohe Latentwärme des Wassers beim Erstarren zu Eis genutzt.
Bei einer gewünschten kleineren Gesamtanlage lassen sich besonders kalte Tage mit einer zusätzlichen Holzheizung überbrücken (möglichst mit Wassertasche zur Versorgung aller Räume über den Wärmespeicher). Die Wärmepumpe muss dann nur bis 0°C ausgelegt werden, was fast nur der halben Heizleistung entspricht.

Im linken Bild wird die Wärme für das graue Dreick nur an wenigen Tagen im Jahr durch Holz erzeugt. In diesem Fall wird die zu erstellende Anlage kleiner. Bei Abwesenheit (z.B. Urlaub) bleiben die Räume auf einer abgesenkten Temperatur. Das verhindert Frostschäden und spart Kosten.

Selbstverständlich lässt sich unsere Wärmepumpe auch ohne Solaranlage betreiben – wie jede andere Wärmepumpe auch. Falls aber keine Solaranlage vorgesehen ist, muss das entstehende Eis durch Regenwasser oder einen einfachen Absorber auf einem Dach geschmolzen werden. Sie können es natürlich auch verkaufen!

Hier wird neben der erzielbar hohen Wärme durch den Solarkollektor auch Wärme mit niedrigerer Temperatur sinnvoll genutzt – worauf die meisten Systeme verzichten. Diese wird in der Zisterne zwischengespeichert und bei fehlender Solarwärme durch die Wärmepumpe genutzt. Der Solarkollektor hat dadurch einen ganz wesentlich größeren Nutzen. Durch die Trennung von Eis und Wasser, mittels einer Aufteilung in Kaverne und Zisterne, wird dieser Nutzen noch erheblich vergrößert.

Ein “mittleres” Niedrig-Energie-Haus (50 kWh/qm plus warmes Brauchwasser) mit 150 qm Wohnfläche verbraucht, laut nachfolgender Tabelle, 11.100 kWh Wärme. Etwa die Hälfte des Bedarfs entfällt dabei auf den Winter. Diese stellt vorwiegend unsere Latent-Wärmepumpe zur Verfügung.

Bei einem 16 qm großen Solarkollektor kann man, bei 1.000 kWh/qm Strahlung im Jahr und 50% Wirkungsgrad, mit einem Ertag von 8.000 kWh rechnen. Diese decken über den Wärmespeicher, mit 4.000 Litern Wasser, die andere Hälfte des Bedarfs und erwärmen zusätzlich das Zisternenwasser durch überschüssige Solarwärme im Sommer auf 35°C. Mit der Umwandlung von maximal 50% Wasser in Eis, sowie Erd- und Solarwärme stehen so etwa 174 kWh pro cbm Zisterne im Winter zur Verfügung.

Einschließlich umgebender Erdwärme und dem elektrischen Strom der Wärmepumpe entsteht im Winter trotzdem noch ein Volumen von 10 bis 20 cbm Eis. Hier muss eine genaue Berechnung mit den Bodenverhältnissen sowie der Klima- und Hausdaten erfolgen. Eine gute Ölheizung verbraucht für dieses Haus etwa 12.000 kWh, entsprechend 1.200 Liter Öl. Beim heutigen Preis von 80 ct/Liter sind das mit Hilfsenergie, Wartung und Schornsteinfeger rund 1.100 Euro im Jahr. Die Wärmepumpe verbraucht mit der Hilfsenergie kaum 250 Euro, spart also rund 77% Kosten ein – das ist doch ein wirklich überzeugendes Argument!
Energiebedarf Gesamtenergie Sommer
März – Oktober
Winter
November – Februar
Heizung
150 qm x 50 kWh/qm
  7.500 kWh p.a. 1/2 = 3.750 kWh 1/2 = 3.750 kWh
Warmwasser
monatlich 300 kWh
  3.600 kWh p.a. 2/3 = 2.400 kWh 1/3 = 1.200 kWh
Deckung 11.100 kWh p.a. Solarkollektor
= 6.150 kWh
Wärmepumpe
= 4.950 kWh
Verbrauch / Kosten Wärmepumpe Wasserpumpen Gesamtstrom
elektrischer Strom 1/4 von 4.950 kWh
= 1.238 kWh p.a.
+ 500 kWh p.a. = 1.738 kWh
Tarif = 0,13 Euro/kWh Nacht- bzw. Nieder-Tarif   = 226 Euro p.a.
Wasser-Eis-Speicher Zisterne Eisvolumen Wasservolumen
Energieentnahme / Eis 3/4 von 4.950 kWh
= 3.713 kWh p.a.
3.713 kWh
: 174 kWh/cbm = 21 cbm
etwas Eis schmilzt
zwischendurch = 40 cbm

Wärmepumpe

Die Wärmepumpe benötigt etwa 1/4 elektrischen Strom und 3/4 Energie aus der Zisterne. Zwischenzeitlich wird aber etwas Erd- und Solarwärme zugeführt. Das ergibt rechnerisch 21 cbm Eis. Für einem maximalen Eisanteil von 50%, mit etwas Luft zwischen Eis und Decke, reichen deshalb rund 40 cbm Volumen der Zisterne aus. Das zeigen auch die Erfahrungen mit den bisher erstellten Anlagen.

Energiespeicher

Unser saisonaler Energiespeicher benötigt keine Wärmedämmung, das Wasser steht nicht unter Druck und es kann dafür einfaches Regenwasser verwendet werden. Wird das Eis im gleichen Behälter gespeichert, dann sollte dieser etwa das doppelte Volumen des entstehenden Eises haben. Es gibt auch andere Lösungen, bei denen das entstehende Eis an einer anderen Stelle gelagert wird.

Latentwärme

Besonders wichtig ist die Latentwärme, also die Umwandlung von Wasser in Eis, außerhalb des Speichers. Dadurch wird die Hauptproblematik aller Energiespeicher einfach umgangen: Die Zufuhr und Entnahme von Wärme. Im festen Zustand sind die Materialien schlechte Wärmeleiter und deshalb wird der Transport von Wärme, besonders bei größerem Volumen, in beiden Richtungen behindert. Auch kommt bei unserem Verfahren die Wärmegewinnung durch die Wärmepumpe ohne große Eingriffe in die Natur aus und nutzt sowohl Erd- als auch Sonnenwärme.

Wärmespeicher / Zisterne

Eine Lösung für kleine Solaranlagen, die vorwiegend warmes Brauchwasser und nur wenig Heizwärme erzeugen, bieten als Wärmespeicher beispielsweise die Zisternen der Firma Wisy. Das folgende Bild zeigt die verschiedenen Größen der Zisternen. Unsere Wärmepumpe, mit einer thermischen Leistung von 3,0 kW, wird einfach in den Domschacht mit 70 cm Durchmesser eingehängt und versorgt den Wärmespeicher im Haus mit Wärme, wenn die Sonne für ein paar Tage Pause macht. Sie müssen dann nicht gleich die Heizung in Betrieb nehmen. Diese Variante ist auch sehr vorteilhaft für Häuser mit einer Holzheizung, da diese dann im Sommer ausgeschaltet bleiben kann.

Wenn die Größe der genannten Zisterne nicht zur Wärmeversorgung ausreicht, können mehrere parallel aufgestellt werden oder es können Beispiele aus dem Abschnitt “Regen-Zisterne” diese Aufgabe übernehmen. So haben beispielsweise ein Bodenelement und 3 Betonringe mit 2,5 m Durchmesser und jeweils 0,5 m Höhe ein Volumen von knapp 10 cbm. In dieser Anordnung alleine können etwa 5 cbm Eis erzeugt und gespeichert werden.

Klimatisierung / Kühlung

Hier wollen wir Ihnen eine ganz einfache Möglichkeit zur Kühlung von Räumen zeigen. So kann bei sommerlicher großer Wärme z.B. das Schlafzimmer auf erträgliche Temperaturen gehalten werden.

In der Eis-Zisterne befindet sich ein Wasser-Eis-Gemisch von 0°C. Dieses wird nicht im Frühjar von Solarwärme geschmolzen, sondern erst im Herbst.

Über einen Rippenrohr-Wärmetauscher wird das im Raum erwärmte Wasser in der Zisterne gekühlt und über die Pumpe dem “Kühler” wieder zugeführt.

Ein langsam laufender Ventilator kühlt die Raumluft gemäß der Temperatureinstellung. Kondenswasser wird in einer Schale aufgefangen.

Wird die Leitungsverbindung als steckbares System ausgeführt, kann das fahrbare Gestell auch in anderen Räumen verwendet werden.

Das System kann auch professionell ausgeführt werden und zum Klimatisieren von Wohn- und Geschäftsräumen, von Veranstaltungsräumen und zum Kühlen einer Speisekammer, statt eines Kühlschranks, u.a.m. verwendet werden!

 


Allerdings wird die Wärmepumpe mit elektrischer Energie betrieben. Das ist aber die einzige Stelle, an der künstlich erzeugte Energie hinzugfügt werden muss: Ein Viertel der durch die Wärmepumpe gewonnenen Energie ist elektrisch – bei 50% solarer Deckung sind das nur 1/8 des gesamten Wärmebedarfs! – der Rest ist Sonnen- bzw. Erdwärme. Vorteilhaft ist, dass die Wärmepumpe nur nach Bedarf ergänzend läuft und sich nach individuellem Bedarf einfach regulieren lässt.

An Primärenergie, dem Maßstab der neuen Energie-Einspar-Verordnung, werden zwischen 60% und 80% eingespart – ein beachtlicher Tatbestand!


 

Das Blockheizkraftwerk = BHKW

Eine weitere Lösung unserer Energieprobleme ist der Einsatz eines BHKW. Werden zusätzlich zu einem BHKW auch Solarkollektoren und ein größerer Wärmespeicher eingesetzt, können etwa 50% Energie, 67% Kosten und gleichviel CO2 eingespart werden. Details sind in einem Extraabschnitt weiter unten beschrieben.


 

Öffentlich geförderte Latentspeicher und thermochemische Verfahren:

 

An der Fachhochschule Lübeck hatte Prof. Dr. Weik bereits in den 80-er Jahren ein “Doppelspeicher-Solarsystem” in einem Solarhaus mit einem 20 cbm Langzeit-Wasserspeicher und 3 cbm Tagesspeicher untersucht, bei dem die Latentwärme im Winter durch eine Wärmepumpe genutzt wurde. Der Wärmeentzug geschah allerdings im Wasser durch gewendelte Kupferrohrschlangen. Hierbei behindert aber das sich an den Kupferrohren absetzende Eis den Wärmeübergang und verschlechterte die Leistungszahl der Wärmepumpe mit zunehmender Eisstärke erheblich. Dieser Punkt ist bei unserem System durch die Trennung von Wasser und Eis behoben – man könnte es analog dazu ein “Dreispeicher-Solarsystem” nennen. Heute führt Prof. Dr. Kreußler das Projekt in Lübeck weiter.

Das Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart hat vom BMFT geförderte Untersuchungen an einem “Kies-Wasser-Speicher” bzw. “Kies/Wasser-Speicher” (Schreibweise!) gemacht (Forschungsberichte des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins Nr. 47 von 1994). Leider hat aber Kies nur die halbe Wärmespeicherkapazität des Wassers und damit verschenkt man einen sehr großen Teil des Volumens. Die Nutzung von Latentwärme bereitet die gleichen Probleme wie bei der Anordnung in Lübeck. Hier sind Leitungen im Kies zu verlegen an denen das Wasser einfriert und dann zusätzlich noch Dehnungsprobleme schafft. In letzter Zeit hat sich hiermit auch die Technische Universität Chemnitz beschäftigt. Doch die einzige sinnvolle Lösung lautet: “Trennung von Wasser und Eis”, wie das bei unserem System verwirklicht wird.
Mit Natriumazetat als Latentspeicher wurde durch die Firma Schneider für DLR (Deutsche Luft- und Raumfahrt) ein Konzept entwickelt. Anfänglich wurde Weißöl als Wärmeträger benutzt, dieses wurde im Jahr 2000 durch einen patentierten Wärmetauscher innerhalb des Speichers ersetzt. Die Schmelztemperatur vom Natriumazetat wird mit 58,5°C und die Schmelzwärme mit 75 kWh pro cbm angegeben. Für einen Wärmebedarf von 5.000 kWh wird allerdings ein gut wärmegedämmter Speicher mit fast 70 cbm Inhalt benötigt, und dieser ist recht teuer.
Ein thermochemisches Verfahren verwendet Zeolith, das die Heizwärme im Winter durch starke Erhitzung bei der Aufnahme von Wasserdampf liefert und mittels Sonnenwärme im Sommer wieder “getrocknet” wird. Für Zeolith werden knapp 230 kWh pro cbm angegeben und dieser Wert ist immerhin drei Mal größer als beim Natriumazetat. Bei 5.000 kWh Wärmebedarf werden gut 22 cbm Speichervolumen benötigt. Die erforderliche Solarfläche soll dafür etwa 40 qm betragen. Außerdem wird dieser Speicher beim “Austreiben” des Wasserdampfs einem starken Unterdruck ausgesetzt (er muss evakuiert werden), und der Druckspeicher verteuert dieses System ganz wesentlich.
Die beiden letzten Verfahren stellen 100% der benötigten Wärme zur Verfügung, allerdings ist die erforderliche Energie zum Betreiben der Anlagen hierbei nicht berücksichtigt. Weitere detailliertere Informationen darüber finden Sie bei BINE.
Es gibt im Markt auch andere Systeme, die behaupten mit einem sehr kleinen Eisvolumen auszukommen. Das ist natürlich abhängig vom Wärmebedarf des Gebäudes (z.B. in einem Passivhaus). Für den wichtigen Gebäudebestand, mit wenigstens 3.000 Litern Ölverbrauch, entstehen an einem -15°C kalten Tag aber immerhin über 2 cbm Eis! Hier ist es sinnvoll sich um dessen Verwertung Gedanken zu machen (Verkauf an Schlachter, Gastronomie oder später im Sommer damit kühlen, weil das kompakte Eisvolumen nicht von alleine schmilzt).