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.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Eisspeicher-Wärmepumpe gewinnt Energie aus gefrierendem Wasser: Beim Übergang von flüssig zu Eis wird viel Wärme frei.
- Solar-Luft-Absorber tauen das Eis wieder auf und regenerieren so die Wärmequelle immer wieder.
- Die Betriebskosten sind sehr niedrig, die Anfangsinvestition aber hoch – das System passt vor allem zu gut gedämmten Neubauten.
- Im Sommer kann derselbe Eisspeicher das Gebäude auch kühlen.
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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.
Genau darin liegt ein entscheidender Vorteil: Während die Außenluft im Hochwinter auf weit unter null Grad fällt und einer Luft-Wärmepumpe stark zusetzt, bleibt das Wasser im Eisspeicher dank der frei werdenden Gefrierwärme stabil nahe dem Gefrierpunkt. Die Wärmepumpe arbeitet dadurch mit einer gleichmäßigen Quellentemperatur und behält auch an sehr kalten Tagen eine vergleichsweise hohe Effizienz.
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.
So arbeitet die Eisspeicher-Wärmepumpe
Wärme entziehen
Die Sole-Wasser-Wärmepumpe entzieht dem Wasser im Eisspeicher Wärme – das Wasser kühlt langsam bis zum Gefrierpunkt ab.
Gefrierwärme nutzen
Beim Gefrieren wird besonders viel Kristallisationsenergie frei. Diese latente Wärme nutzt die Wärmepumpe zusätzlich zur normalen Quellenwärme.
Eis regenerieren
Solar-Luft-Absorber auf dem Dach führen dem Speicher Wärme aus Sonne und Außenluft zu und tauen das Eis wieder auf.
Kreislauf schließen
Das aufgetaute Wasser steht erneut als Wärmequelle bereit. Im Sommer kann derselbe Speicher außerdem zum Kühlen dienen.
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 nach der Heizlast, Gebäudegröße und Dämmung. Für ein typisches Einfamilienhaus werden häufig etwa 10 m3 Speichervolumen genannt; ob das reicht, muss der Fachbetrieb für die konkrete Heizleistung und Regeneration auslegen.
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 – Ein Pufferspeicher kann bei Wärmepumpen sinnvoll sein, ist aber nicht in jeder Anlage zwingend nötig. Bei der Kombination mit Eisspeicher wird die Hydraulik individuell geplant; darüber wird das Heizungswasser zwischengespeichert oder die Warmwasserbereitung eingebunden. Die Größe hängt vom Bedarf und vom Anlagenkonzept ab.
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.
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Kurz gefragt
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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 genügt oft schon ein vergleichsweise kleiner Eisspeicher; die passende Größe legt der Fachbetrieb anhand der Heizlast aus. Wird das System zusätzlich mit einer Photovoltaikanlage kombiniert, kann das die CO2-Emissionen und den Netzstrombezug senken. Wirtschaftlich und energetisch lohnt sich diese CO2-arme Art zu heizen und ggf. zu kühlen vor allem für gut gedämmte Gebäude.
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Was kostet eine Wärmepumpe mit Eisspeicher?
Die Kosten für eine Wärmepumpe mit Eisspeicher liegen deutlich über denen einer einfachen Luft-Wasser-Wärmepumpe. Zu Buche schlagen neben Wärmepumpe und Pufferspeicher vor allem der Eisspeicher-Behälter, die nötigen Erdarbeiten und die Solar-Luft-Absorber. Wie hoch die Anschaffung ausfällt, hängt stark von der Speichergröße und vom Aufwand der Erdarbeiten ab.
Die Betriebskosten einer Wärmepumpe mit Eisspeicher hängen vor allem von der Jahresarbeitszahl, dem Wärmepumpenstrompreis und dem Eigenstromanteil ab. Sie sind in der Regel niedrig, weil im Wesentlichen nur Strom für Wärmepumpe und Umwälzpumpen anfällt – mit einer Photovoltaikanlage samt Speicher noch geringer. Wie andere Wärmepumpen wird auch dieses System staatlich gefördert; Details fasst der zentrale Fördermittel-Ratgeber zusammen.
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
- CO2-armer Betrieb möglich, wenn Wärmepumpe, Eigenstromanteil und Gebäudehülle gut zusammenpassen
- Für Eisspeicher ist meist keine Tiefenbohr-Genehmigung nötig; lokale Bau- und Wasserrechtsvorgaben vorab prüfen
- 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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