Erschienen in: Energy 2.0-Kompendium 2009, S.237 Heizung, Wärme/Kälte, Klima/Lüftung | Fachbeitrag
Wirtschaftliche Kombinationslösung für Niedrigenergiehäuser Standard-Heizkessel in Niedrigenergiehäusern sind in der Regel deutlich überdimensioniert, müssen im Teillastbereich betrieben werden und verbrauchen deshalb zu viel Brennstoff. In solchen Fällen lässt sich durch Wärmepumpen geringer Leistung in Kombination mit effizienten Speichersystemen und thermischen Solaranlagen eine ausreichende Wärmeversorgung bei deutlich reduziertem Primärenergiebedarf und verminderten Emissionen gewährleisten. * Helmut Jäger, Kai Wendker Die Heizlast von Einfamilienhaus-Neubauten nach Energieeinsparverordnung (EnEV) oder weiter verbesserten Wärmeschutz-Standards beträgt bei einem flächenbezogenen Wärmebedarf von etwa 25 bis 40W/m² nur noch 4 bis 6kW. Nach einer Sanierung von Bestands-Wohngebäuden können bei verbesserter Wärmedämmung gegebenenfalls auch in Kombination mit Lüftungsanlagen vergleichbare Bedarfswerte erreicht werden. Standard-Gas- oder Öl-Heizkessel weisen jedoch eine deutlich größere Nenn-Wärmeleistung auf. Bei einer Bevorratung von Warmwasser in Wärmespeichern angepasster Größe wird daher die verfügbare Wärmeleistung von etwa 10 bis 12kW selten benötigt. Der Heizkessel befindet sich in klassisch aufgebauten Heizsystemen mit einem getrennten, an der Wand hängenden Heizkessel und Warmwasserspeicher deshalb häufig im Teillastbetrieb. Mit der reduzierten Brennstoffnutzung durch vermehrten Teillastbetrieb und einer entsprechend steigenden Schalthäufigkeit des Brenners ergeben sich ein erhöhter Gas- oder Ölverbrauch sowie höhere Emissionen. Bei Anpassung der Betriebsparameter von Heizsystem und Warmwasserbereitung kann über Wärmepumpen geringerer Leistungsgröße in Kombination mit effizienten Wärmespeichern und thermischen Solaranlagen eine ausreichende Wärmeversorgung bei deutlich reduziertem Primärenergiebedarf und verminderten Emissionen gewährleistet werden.
Kompaktsysteme zur Raumheizung Innerhalb eines von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) in Osnabrück geförderten Projektes werden Kompaktsysteme zur Raumheizung, Wohnungslüftung und Warmwasserversorgung für Niedrigenergie-Wohngebäude mit einem Jahres-Heizwärmebedarf von 60 bis 30kWh/m²∙a konzipiert und in Form von Vorseriengeräten in die Praxis umgesetzt und untersucht [1]. Die Systeme sollen als integrale Funktionseinheiten die Forderungen an Raumheizwärme- und Warmwasserversorgung sowie an die Wohnraumlüftung in energetisch und wirtschaftlich optimaler Weise erfüllen.
Erfolgreiche Labortests In Simulationen und bei Labortests erwiesen sich solar unterstützte Sole/Wasser-Wärmpumpen als energieeffiziente und zukunftsfähige Versorgungssysteme für Einfamilienhäuser. Insbesondere weisen Sole/Wasser-Wärmepumpenanlagen einen sehr geringen Primärenergiebedarf auf und entsprechend geringe CO 2 -Emissionen. Ein Auszug aus den Simulationsergebnissen für verschiedene Wärmeversorgungssysteme bei verschiedenen Jahres-Heizwärmebedarfen von Häusern ist in den Abbildungen auf der nächsten Seite oben dargestellt [2]. Dabei zeigt sich, dass der solare Deckungsgrad f_sol ? also der direkte Solaranteil an der Gesamtwärmeversorgung eines Hauses ? auf bis zu 36 Prozent ansteigen kann (rechtes Bild). Das entspricht einer Aufwandszahl eP von 1,06.
Im Rahmen der Entwicklung von Vorseriengeräten wurde eine in einen Solar-Schichtenspeicher integrierte Sole/Wasser-Wärmepumpe nach dem Solvismax-Konzept untersucht. Die Pumpe wurde dabei mit ihrem als Rippenrohr-Wärmetauscher ausgeführten, zweigeteilten Kondensator direkt in den Speicher integriert: Eine Enthitzerschleife im obersten Speicherbereich sorgt dafür, dass die auf hohem Temperaturniveau verfügbare Wärme direkt zur Warmwasserbereitung genutzt werden kann. Sie geht in den eigentlichen Kondensatorteil über, der die Wärme auf dem jeweiligen Kondensationstemperaturniveau an das Speicherwasser abgibt. Die Abbildung unten gibt einen Einblick in die Vorseriengeräte des solaren Kombisystems Solvismax-Wärmepumpe. Die Prinzipdarstellung einer möglichen Einbindung in die Hausinstallation ist in der Abbildung auf der nächsten Seite dargestellt. Die Vorseriengeräte sind ausgelegt für einen maximalen Heizwärmebedarf von 6kW. Das Kältemittel R410A macht es in Verbindung mit dem Schichtenspeicher möglich, mit dem Wärmepumpenaggregat auch den Warmwasserbedarf eines Ein- bis Zweifamilienhauses zu decken. Die für die Wärmepumpe in den Labortestes ermittelten Leistungszahlen lassen auf eine hohe Effizienz dieses Konzept in der Praxis schließen. Die Leistungszahl stellt das Verhältnis von erzielter Nutzwärme zum elektrischen Aufwand dar. Bei reinem Heizbetrieb werden sowohl bei Volllast- als auch bei Teillastbetrieb Leistungszahlen von mehr als 4 erreicht. Bei kombiniertem Betrieb ? Heizung in Teillast und Warmwasserabnahme ? ergibt sich eine Leistungszahl von etwa 3,8. Selbst bei ausschließlichem Warmwasserbetrieb wird trotz deutlich ungünstigeren Temperaturverhältnissen eine Leistungszahl von mehr als drei erreicht. Erste Vorseriengeräte werden derzeit in Einfamilienhäusern getestet. Das betrifft sowohl energetisch optimierte Neubauten als auch energetisch sanierte Bestandsgebäude. Über die Aufnahme der Wärmeverbrauchswerte zur Warmwasserbereitung und Heizwärmeversorgung sowie der Wärmebereitstellung über Wärmepumpe und Kollektoranlage können die Nutzungsgrade im praktischen Betrieb bestimmt werden. Die Messphase dient zur Ermittlung des Betriebsverhaltens sowie der Systemoptimierung des neuartigen Kombisystems.
Erdsonden dienen als Wärmequelle Üblicherweise ist als Wärmequelle eine Erdsonde oder ein Erdkollektor vorgesehen. Der Betrieb unter Nutzung des Grundwassers kann dabei mit einem speziellen Verdampfer realisiert werden und wird zurzeit getestet.
Der am variabelsten einsetzbare Typ Wärmequelle ist die Erdsonde. Eine solche Erdwärmesonde besteht aus zwei U-förmigen Rohrschlaufen, den sogenannten Doppel-U-Sonden (HDPE-Rohre) mit einem Durchmesser der Einzelrohre von üblicherweise einem Zoll. In der Mitte der Rohrbündel wird ein Injektionsrohr angebracht, durch das nach dem Einbringen der Sonde eine Bentonit-Zementmischung hindurchgepresst wird. Diese Injektion füllt das Bohrloch von unten nach oben, fließt dabei zwischen den Sondenrohren hindurch und füllt alle Ritzen und Spalten. Das Verfahren garantiert eine vollständige Verbindung der Erdwärmesonde mit dem umgebenden wärmeführenden Erdreich, dichtet etwaige wasserführende Schichten gegeneinander ab und schützt die Erdwärmesonde. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge der Erdsondendimensionierung sowie der notwendigen speziellen technischen Kenntnisse sollte die Planung und Ausführung einer Erdsondenanlage nur von einem erfahrenen zertifizierten Bohrunternehmen ausgeführt werden. Dabei müssen sämtliche gesetzliche Vorschriften, Richtlinien, Normen (VDI 4640) und Empfehlungen Berücksichtigung finden. Als Dimensionierungsgrundlage wird die Entzugsleistung der Wärmepumpe vorgegeben. Die Länge der Erdsonden beträgt zwischen 40 und 100m. Zwischen zwei Erdsonden von 40 bis 50m Erdsondenlänge muss ein Mindestabstand von fünf Metern eingehalten werden. Zwischen zwei Erdsonden von jeweils 50 bis 100m Länge beträgt der Mindestabstand sechs Meter. Die Sonden werden üblicherweise am Haus über zwei Verteiler oder in einem sogenannten Tichelmannsystem zusammengefasst. Die beiden Leitungen für Solevorlauf und Solerücklauf im Haus haben einen Durchmesser von jeweils 1¼ Zoll. Das empfohlene Solefertiggemisch für den Solekreis aus Ethylenglykol und Wasser besitzt einen Gefrierpunkt von -13°C. Eine Voraussetzung für den wirtschaftlichen Einsatz eines Wärmepumpensystems stellt die Auswahl eines geeigneten Heizsystems dar. Bei der Auslegung des Heizsystems und der Heizflächen müssen bevorzugt Niedrigtemperatursysteme wie Fußboden- oder Wandheizungen eingesetzt werden. Die Vorlauftemperatur des Heizsystems sollte 45°C nicht überschreiten. |
Angehängte Grafik:
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