Die klassischen Energiequellen für Wärmepumpen sind die Umgebungsluft, Erdwärme oder das Grundwasser. Eine weitere Energiequelle für Wärmepumpen stellen Eisspeicher dar. Bei Eisspeicher-Heizungen nutzen die Wärmepumpen die Energie, die bei der Phasenumwandlung von dem flüssigen Zustand in den festen Zustand freigesetzt wird, also beim Gefrieren. Schon seit einigen Jahren wird die Technologie eingesetzt in Immobilien mit einem größeren Wärme- und Kältebedarf. Eisspeicher findet man in Hotels, Gewerbeeinheiten oder Bürogebäuden. Zunehmend wird die Technik nun auch für kleinere Anwendungen attraktiv. Serienanwendungen für Einfamilienhäusern gibt es seit mehr als zehn Jahren.
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Wie funktioniert die Wärmepumpe mit Eisspeicher?
Zunächst klingt die Kombination WÄRMEpumpe und EISspeicher ja widersinnig. Dennoch ist die Funktion einfach erklärt. Wärmepumpen benötigen ein Medium, dem sie Energie entziehen können. Bei einem Eisspeicher entzieht die Wärmepumpe dem Wasser, das im Eisspeicher enthalten ist, Wärmeenergie. Das ist auch bei tieferen Temperaturen möglich. Selbst bei Geothermie wird ja Wärme auch bei Bodentemperaturen von unter 10 Grad gewonnen.
Bei der Wärmepumpe mit Eisspeicher wird die Wärme aus dem Wasser des Eisspeichers genutzt, das sich dabei so weit abkühlen kann, dass es gefriert. Beim Phasenübergang des Wassers von flüssig in fest wird sehr viel Kristallisationsenergie frei, die durch die Wärmepumpe genutzt werden kann. Die Menge Energie, die beim Phasenübergang freigesetzt wird, nennt man auch latente Energie. Eisspeicher sind auch als Latentwärmespeicher bekannt.
Um nun diesen Prozess der Nutzung der Kristallisationsenergie wiederholen zu können, muss das im Eisspeicher vorhandene Wasser wieder auftauen und wieder flüssig werden. Dabei hilft eine Solarthermie-Anlage. Solar-Luft-Absorber können sowohl die durch die Sonnenstrahlung entstehende Wärme wie auch die Wärme der Luft nutzen und damit das gefrorene Eis wieder auftauen. Dann kann der Prozess von vorne beginnen. In der Zeit, in der die Solarthermie-Anlage nicht für das Auftauen des Eisspeichers genutzt wird, kann die Wärme im Pufferspeicher genutzt werden.
Welche Komponenten hat eine Eisspeicher-Wärmepumpe?
Eine Heizungsanlage, die auf einer Wärmepumpe mit Eisspeicher basiert, besteht also aus folgenden Komponenten:
Wärmepumpe – Die Wärmepumpe wird als Sole-Wasser-Wärmepumpe ausgeführt. Hier findet der bekannte vierstufige Wärmepumpen Prozess statt:
- Verdampfung,
- Verdichtung,
- Kondensation,
- Entspannung.
Die Wärmepumpe erhält also über Wärmetauscher die Energie aus dem Eisspeicher, verdampft das Kältemittel, das Kältemittel kondensiert und gibt die dabei entstehende Wärme über Wärmetauscher an das Heizsystem ab. Dann wird der Druck gesenkt und der Prozess kann von vorne beginnen.
Eisspeicher – Ein Eisspeicher besteht aus einer großen, meist aus Beton gegossenen Zisterne, die im Prinzip nichts anderes als ein Wassertank ist. Ein Eisspeicher wird ins Erdreich eingegraben. Er wird nicht isoliert, sodass das umgebende Erdreich beim Auftauen des Wassers unterstützt.
Im Eisspeicher selbst sind spiralförmig Leitungen angebracht, in denen eine frostsichere Flüssigkeit zirkuliert. Diese Leitungen funktionieren einerseits als Entzugswärmespeicher, dabei nimmt die Sole als Wärmespeicher die Energie aus dem Wasser auf. Es gibt aber auch den Regenerationswärmespeicher, der dem Wasser Wärme zuführt und es dann wieder auftaut.
Die Größe des Eisspeichers richtet sich natürlich nach dem Heizbedarf, ist also von Gebäudegröße du -dämmung abhängig. Überschlägig kann man davon ausgehen, dass ein Eisspeicher von 10 m3 eine Heizleistung von 13 kW zur Verfügung stellen kann.
Solar-Luft-Absorber – Der Solar-Luft-Absorber sind einfache, röhrenförmige Absorber, die die Wärme aus der solaren Strahlung, aber eben auch aus der Umgebungsluft sammeln. Sie können diese Wärme dann direkt der Wärmepumpe zur Verfügung stellen. Reicht das Temperaturniveau jedoch für einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe nicht bezieht diese die Wärme aus dem Eisspeicher. Ist die Temperatur des Solar-Luft-Absorbers zu hoch oder die Wärmepumpe gerade nicht in Betrieb (zum Beispiel im Sommer), dann kann die Temperatur für den Regenerationswärmespeicher im Eisspeicher zur Verfügung gestellt werden. Solar-Luft-Absorber werden normalerweise auf dem Dach installiert. Sie sind sowohl für Schräg- wie auch für Flachdächer geeignet. Solar-Luft-Absorber können sogar senkrecht wie Zaunelemente genutzt werden. Ihre Ausrichtung muss nicht wie bei Solarthermie-Anlagen streng nach Süden erfolgen.
Steuer- und Regelungseinheit – Die Heizungssteuerung und -Regelung ist bei einer Wärmepumpe mit Eisspeicher hochkomplex. Hier wird zusätzlich auch geregelt, wann die Wärmepumpe Energie aus dem Eisspeicher benötigt und wann die Energie aus dem Solar-Luft-Absorber für die Wärmepumpe ausreicht.
Pufferspeicher – Jede Wärmepumpenheizung benötigt einen Pufferspeicher , so auch die Wärmepumpe in der Kombination mit dem Eisspeicher. Hier wird dann das eigentliche Heizungswasser erwärmt bzw. das benötigte Warmwasser produziert. Die Größe des Pufferspeichers hängt vom Bedarf ab.
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Heizkörper/Flächenheizung – Über das Heizungssystem bzw. die Heizkörper und Flächenheizungen wir die durch die Wärmepumpe bereitgestellte Wärme in die Räume verteilt und abgegeben. Wie bei allen Wärmepumpen arbeiten auch Wärmepumpen mit Eisspeicher mit niedrigen Vorlauftemperaturen. Besonders sinnvoll sind also Flächenheizungen wie Fußboden- oder Wandheizungen.
Wo kann eine Wärmepumpe mit Eisspeicher eingesetzt werden?
Wärmepumpen mit Eisspeicher werden schon seit einigen Jahren in größeren Anwendungen genutzt. Der große Vorteil ist ja auch, dass die Wärmepumpe mit Eisspeicher im Sommer auch zur Kühlung genutzt werden kann. Das ist gerade für gewerbliche und industrielle Anwendungen interessant.
Diese Eisspeicherheizung versorgte die Landesgartenschau 2018 in Lahr mit Energie.
Aber zunehmend – gerade angesichts des Ziels, fossile Heizungen zu ersetzen – werden Wärmepumpen mit Eisspeicher auch für kleinere Einheiten interessant. Hier reicht ein Eisspeicher von 10 m3 Größe. Wird das System dann noch mit einer Photovoltaikanlage kombiniert, handelt es sich tatsächlich um ein klimaneutrales System. Diese klimaneutrale Art zu heizen und ggf. zu kühlen, lohnt sich vor allem für gut gedämmte Gebäude.
Was kostet eine Wärmepumpe mit Eisspeicher?
Die Kosten für eine Wärmepumpe mit Eisspeicher sind natürlich erst mal höher als zum Beispiel für eine einfach Wasser-Luft-Wärmepumpe. Ein Eisspeicher kostet bei einer Größe von 10 m3 rund 6000 bis 7000 Euro, hinzugerechnet werden müssen aber die notwendigen Erdarbeiten. Zwar ist für sie keine Genehmigung erforderlich, aber es entstehen Kosten von rund 4000 Euro. Hinzu kommen noch die Kosten für Wärmepumpe, Pufferspeicher sowie die Solar-Luft-Absorber. Insgesamt kann man für das gesamte System schnell bei rund 38.000 – 40.000 Euro investieren.
Allerdings sind die Betriebskosten einer Wärmepumpe mit Eisspeicher tatsächlich minimal. Hier fallen lediglich die Stromkosten für die Wärmepumpe an, ist eine Photovoltaikanlage mit Stromspeicher vorhanden, fallen diese sehr gering aus.
Zudem kann man für Wärmepumpen mit Eisspeicher Fördermittel vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle BAFA erhalten.
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Welche Vor- und Nachteile hat eine Wärmepumpe mit Eisspeicher?
Eine Wärmepumpe mit Eisspeicher hat sehr viele Vorteile:
- Gleichzeitige Bereitstellung von Wärme und Kälte – je nach Bedarf
- Nutzung kostenloser Umweltenergie, und zwar gleich mehrfach: Geothermie, Solarwärme und die Phasenübergangs-Energie
- Sehr niedrige Betriebskosten, nur für den Betrieb der Wärmepumpe fallen Stromkosten an
- Wartungsarmer Betrieb, da lediglich die Wärmepumpe gewartet werden muss
- Klimaneutraler Betrieb möglich in der Kombination mit einer Photovoltaikanlage
- Eisspeicher sind nicht genehmigungspflichtig
- Es können Fördermittel beantragt werden
Den Vorteilen stehen allerdings diese Nachteile gegenüber:
- Hohe Investitionskosten im Vergleich zu anderen Heizsystemen
- Eignung in erster Linie für gut gedämmte Gebäude/Neubauten
- Platzbedarf für den Eisspeicher
- Das Erdreich um den Eisspeicher kühlt aus, das wiederum kann Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum haben
- Jede Anlage muss individuell geplant werden
Fazit
Eine Wärmepumpe mit Eisspeicher ist besonders effizient und hat den enormen Vorteil, im Sommer auch Kälte zur Verfügung stellen zu können. Sie ist außerdem wartungsarm. Geeignet sind Wärmepumpen mit Eisspeicher für gut gedämmte Gebäude, in erster Linie für Neubauten, bei denen von Anfang an auch der Platz für den Eisspeicher mit eingeplant werden kann. Sie punkten durch die niedrigen Betriebskosten, denen allerdings auch eine hohe Anfangsinvestition entgegensteht.
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