Wärmepumpen im Eigenbau - Anlagenbeispiel 1

Eine in Kinding / Haunstetten ansässige Firma baute einen Neubau, um die wachsenden Anforderungen im Schulungsbereich der Programmierung optimal zu vermitteln.

Der Kreis der Kunden und die hohe technische Anforderung der Teilnehmer, verlangen nach einem zukunftsorientierten Objekt, um zielorientiert die anspruchsvollen Schulungen weitergeben zu können. Schnell wechselnde Bauteile verlangen nach flexiblen Mehrzweckräumen, die multifunktional eingerichtet sind.

Bereits in der Planung entstand ein großzügiger Bau, der zielorientiert Schulungsräume in verschiedener Ausführung mit fachbezogenen Bereichen eingeplant hatte. Der Schulungsbereich wurde so erstellt, dass eine spätere Umgestaltung für die technische Einrichtung immer möglich ist. Der Boden ist mit wenigen Handgriffen zu öffnen und ermöglicht fast jede Erweiterung.

Dem Bauherrn war es von Anfang an wichtig, dass diese Erweiterungen gleich in den Baukörper mit einbezogen wurden. Die Wände wurden mit extremem U-Wert errichtet und die Dachdämmung verspricht niedrigste Energiekosten.

Auch die Anlagentechnik ist seiner Zeit voraus.

Die Haustechnik basiert auf einem Wärmepumpensystem das Heizen und Kühlen kann. Die Wärmepumpe nutzt hauptsächlich einen Eisspeicher als Entzugsquelle. Im Eisspeicher finden um die ca. 120 m³ an Wassermenge Platz. Der Randbereich im Speicher wird und muss eisfrei bleiben, um einen Schaden durch Frost am Betonbau zu vermeiden.

Immer wiederkehrende Regenerationszeiten sind nötig, die Energie von Sonne, Wind und Abwärme der PV-Anlage werden dafür genutzt.

Aufbau der Energieanlage:

Die Wärmepumpenanlage besteht im Wesentlichen aus zwei halbhermetischen Kälteverdichtern, die jeweils mit vier Kolben ausgerüstet sind. Die acht Zylinder können paarweise, auch unter dem Betrieb ab- und zugeschalten werden. So entsteht ein Leistungsband von 25 / 50 / 75 und 100%, das sich gleitend an die Energieanforderung des Gebäudes anpasst.

 

Hydraulikschema Anlagenbeispiel 1 (PDF-Datei).

 

Wie dem Fließschema zu entnehmen ist, kann die Anlage verschiedene Wärmequellen für die Heizung und Kühlung verwenden. Es ist auch möglich zeitgleich mehrere Wärmequellen für den Heizbetrieb zu nutzen.

Zur Verfügung stehen im Heizbetrieb:

1.)        Eisspeicher

2.)        Dachkollektor unter der PV-Anlage.

Die Wärmeentwicklung der PV-Anlage wird als Zufuhr für die Wärmepumpe genutzt. Durch die niedrigeren Betriebstemperaturen kann sich die elektrische Leistung auch erhöhen.

3.)        Ringgrabenkollektor

4.)        Wärmerückgewinnung aus der Lüftung

 

In der Übergangszeit // Frühjahr…

..können die vier Wärmequellen auch auf den direkten Weg genutzt werden!

Das kalte Wasser im Eisspeicher für die Raumabkühlung im Sommer.

Der Ringgrabenkollektor für die Kühlung, wenn die Bodentemperatur kälter als die Wandtemperatur im Gebäude ist.

Die Dachkollektoren können auch im Sommer die Wandheizungen auf 20°C halten und so die Nachtabkühlung sinnig verwenden.

 

Kühlbetrieb im // Hochsommer

Zuerst prüft die Anlage die Temperaturen wie in der Übergangszeit beschrieben und verwendet diese zur Raumabkühlung.

Die Wassertemperatur im Eisspeicher kann bis auf +17°C genutzt werden.

Dann schaltet die Anlage auf den aktiven Betrieb um, jetzt wird nur noch der Kaltwasserboiler mit kaltem Wasser geladen. In der Nacht wird die überschüssige Wärme über die Dachabsorber abgegeben.

Am Tag wird die überschüssige Wärme über die Ringgrabenkollektoren abgegeben, um die Leistung der PV-Anlage nicht mit hohen Temperaturen zu beeinträchtigen.

Ab August / September muss der Eisspeicher für den Winterbetrieb vorbereitet werden. Im aktiven Kühlbereich wird die Abwärme auch für das Abtauen des Eisspeichers verwendet. Nur so kann die Kristallisationsenergie in der nächsten Heizperiode auch komplett genutzt werden. (Der Ausgangspunkt für die Wassertemperatur im Eisspeicher wird mit 17 – 18°C berechnet!)

In der Übergangszeit // Herbst:

Die interne Wärmeleistung im Gebäude kann zum momentanen Zeitpunkt nicht exakt bestimmt werden. Das Verbraucherverhalten und die zukünftige Anlagentechnik für die Schulungen sind in Ihrem Wärmeverhalten nicht berechenbar. Zeitweise werden sich die Heiz-Kühlanforderungen geringfügig überschneiden.

Der Ringgrabenkollektor für die Kühlung, wenn die Bodentemperatur kälter als die Wandtemperatur im Gebäude ist. Auch die Nachttemperatur kann genutzt werden. Beide Entzugsquellen können aber auch für die Wärmepumpe im Heizbetrieb verwendet werden. Sollten sich die Temperaturen überschneiden, so wird der Eisansatz im Eisspeicher mit Beginn der kalten Jahreszeit langsam aufgebaut. Wobei immer die momentan wirtschaftlichste Energie verwendet wird.

  

Temperaturübertragungen im Gebäude:

 Erdgeschoss:

Der Großteil im Erdgeschoss wird mit einer Fußbodenheizung beheizt.

Die Schulungsräume wo ein zu öffnender Boden verbaut ist, werden über die Wand geheizt. Diese Räume können auch sinnig gekühlt werden!

(Frischluft über Fensteröffnung zum Innenhof)

Im Eingangsbereich ist eine Fußbodenheizung und auch teilweise Wandheizung verbaut. Die Hauptleistung soll ggf. zu einem späteren Zeitpunkt von Kassettengeräten, die mit Kühl- und / oder Heizwasser versorgt werden kommen.

Der Bauherr hat sich im Eingangsbereich auch für eine geringe Frischluftrate entschlossen, die einen zweifachen Luftwechsel/h vorsieht. Mit dieser Entscheidung werden 600 m³/h mehr eingeblasen als abgesaugt.

Durch das Einschalten des Dunstabzugs wird der Druckausgleich im Gebäude aufgehoben. Ein leichter Unterdruck wird erzielt. Das Lüftungsgerät für die Toiletten bekommt ein zusätzliches Ausblasgitter, um die Luftmenge für den Kantinenbereich annähernd auszugleichen. Die Ab-Zuluft der Toilettenlüftung ist hierbei berücksichtigt.

(Dunstabzug ist eine bauseitige Leistung!)

 Der Innenhof wird über eine Betonaktivierung auf grob 16 -20°C gehalten. Durch die Pflanzen ist mit einer hohen Luftfeuchtigkeit zu rechnen. Damit die Fensterfront nicht beschlägt, kann kontrollierte Frischluft durch die Bodenplatte eingeblasen werden.

In der Geschossdecke zwischen EG und OG wird der Beton ebenfalls aktiviert. Kunststoffrohre in einem Abstand von 25 cm und mit einem Durchmesser von 20 mm sorgen für eine gleichmäßige Betontemperatur. Das Heizwasser wird im Winter mit max. 22°C und im Sommer voraussichtlich mit über 18°C für eine gleichmäßige Betontemperatur sorgen. Geplante Raumtemperatur sollte bei 21/22 °C liegen.

So wird das Gebäude mit der Betondecke die ca. 26W/m² benötigt stabil gehalten. Der Hauptvorteil liegt im Erdgeschoss, das durch diese Bauphysik eine behagliche Atmosphäre schafft.

Obergeschoss:

Im Obergeschoss wird die Heiz –und Kühlleistung durch die Wandheizung erreicht. Hier sorgt die Strahlungswärme für ein angenehmes Klima, beim Heizen und auch beim Kühlen.

Toiletten und Waschräume wurden mit einer Fußbodenheizung ausgelegt.

Die Belüftung der innenliegenden Büro- und Schulungsräume erfolgt durch Fensteröffnungen. Die Fenster der Außenwände wurden mit automatischen Lüftungssystemen eingebaut. Hier wurde ausdrücklich auf eine Normauslegung verzichtet!

Allgemeine Beschreibung der Wärmequellen:

Erste Wärmequelle – Der Eisspeicher

Mit dem Eisspeicher-System steht eine attraktive Wärmequelle für Sole / Wasser-Wärmepumpen zur Verfügung. Erd-Speicherbehälter und Solar-Luftabsorber werden als genehmigungsfreie Wärmequelle eingesetzt. Dabei werden Umgebungsluft, solare Einstrahlung und Erdreich gleichzeitig als Wärmequelle genutzt.

Die Temperatur bleibt dabei konstant. Damit das Eis wieder schmilzt, muss immer wieder dieselbe Wärmemenge zugeführt werden. Weniger anschaulich ist die enorme Menge an Energie, die bei dem Phasenübergang von flüssig zu fest freigesetzt wird oder umgekehrt als Schmelzwärme aufzubringen ist. Die Kristallisationswärme von Wasser entspricht etwa der Wärme, die man benötigt, um Wasser von 0°C auf 80°C zu erhitzen. (Die Schmelzwärme von Wasser ist um den Faktor 80 größer als seine spezifische Wärmekapazität, also die Energie, die Wasser pro 1°C und kg aufnehmen kann.) Der Phasenübergang ist daher hervorragend zur Speicherung von Energie in Form latenter Wärme geeignet. Hinzu kommt, dass sich Wärme auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau besser speichern lässt.

Der Eisspeicher regeneriert sich über die selbstständige Aufnahme oberflächennaher geothermischer Energie (8 bis 12°C) sowie Wärme aus Luft, Wind und Sonne, die über Solar-­Luft­-Kollektoren und einen weiteren Wärmetauscher dem System zugeführt wird. Damit werden über den Eisspeicher quasi drei regenerative Energiequellen effektiv miteinander verknüpft: Geothermie, Luft und Sonne. Der Eisspeicher selbst sammelt die Energie und dient der Wärmepumpe als primäre Ressource. Der Eisspeicher ist quasi ein Zwischenspeicher. Und im Sommer wird das in der Heizperiode gebildete Eis zur passiven Kühlung verwendet. Über einen Wärmetauscher wird die Wärme aus dem Gebäude abgeführt und bringt über einen Regenerationswärmetauscher das Eis wieder zum Schmelzen. Am Anfang der Heizperiode ist der Tank wieder vollständig mit flüssigem Wasser gefüllt.

Mit den innovativen Eisspeicher-Wärmepumpen-System lassen sich je nach Anwendung bis zu 50 % Heizkosten und 80 % Kühlkosten einsparen.

Das ist nachhaltige Energieeffizienz!

Zweite Wärmequelle – Rückgewinnung aus der PV-Anlage

In dem umweltschonenden Heiz- und Kühlsystem sorgt ein intelligentes Wärmequellenmanagement für das hocheffiziente Zusammenspiel von

Eisspeicher und dem Solar-Wärmetauscher, der unter der PV-Anlage montiert ist.

Zum Ersten kann er die überschüssige Energie der PV-Anlage abnehmen und so zu einer leichten Erhöhung des Wirkungsgrades beitragen.

Zum Zweiten ist der Wärmetauscher nicht der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt und bleibt somit in einem idealen Druck-Temperaturverhältnis für die Wärmepumpe.

Zum Dritten können wertvolle Temperaturen in der Nacht als Entzugsquellen aktiv und passiv verwendet werden.

Je nach Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit wird Wärme aufgenommen und bei Sinnigkeit auch zwischengespeichert im Ringgraben.

Wasser kristallisiert unter Normalbedingungen bei 0°C zu Eis. Es ändert seinen Aggregatzustand von flüssig zu fest. Bei diesem Phasenübergang wird Energie freigesetzt, die sogenannte Kristallisations-­ oder Erstarrungswärme.

 

Dritte Wärmequelle – Der Ringgrabenkollektor

Hierbei wurden die Solerohre in Schlaufen in einen Graben verlegt. Der Graben liegt rechts und links vom Eisspeicher unter den Parkplätzen. Der Kollektor wurde mit Rasengitterpflaster belegt, so wird durch den Regen eine Regenerierung gewährleistet. Im Vergleich zu einer Flächenkollektor-Auslegung nach VDI 4640 wird wesentlich mehr Erdreich erschlossen. Der Ringgrabenkollektor spart Energie.


Die Bepflanzung im Anschluss der Parkplätze durch niedrigen Baumbestand stellt keine Probleme für den Ringgrabenkollektor da.

Der RINGGRABENKOLLEKTOR ist die Weiterentwicklung des klassischen Flachkollektors. Seine flexible Verlegeart passt sich dem Grundstück an.

Die geplante Befeuchtung durch die Zisternen wurde vorgesehen. Bei sinkender Soletemperatur wird dann zusätzlich Grauwasser 60cm über den Ringgraben, durch das Hauswasserwerk eingebracht. Die Feuchte leitet die Temperatur besser und erhöht den COP-Wert.

Der Ringgraben kann sowohl als Entzugsquelle zum Heizen, als auch zur passiven Kühlung in der Übergangszeit oder als Kurzspeicher verwendet werden.

Die vom Dach (WRG von der PV-Anlage) könnte bei Überschuss kurzzeitig gespeichert werden.

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