Eisspeicher-System als Energiequelle für Wärmepumpen

Von Thomas Marks & Michael Heicks

Gliederung

• Einführung• Komponenten

▫ Eisspeicher▫ Wärmepumpe▫ Solar Luft-Absorber▫ Heizung / Warmwasserspeicher

• Physikalisches Prinzip▫ Latente Wärme▫ Schmelzenergie▫ Molekulare Struktur▫ Energieerhaltungssatz

• Zusammenfassung• Quellen

Eisspeicher-System als Energiequelle für Wärmepumpen„Ingenieurhydrologie I“ - 2013

Einführung

• Erzeugen von Wärme mittels Wärmepumpe

• Wasser dient als Energiespeicher

• Nachhaltiges System, durch die Nutzung von

Umgebungsluft , Sonnenenergie und Erdwärme

• Kühlung in der „heizfreien Periode“

• Netzunabhängige und somit dezentrale

Energieversorgung

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Solar-Luftabsorber

Heizung und/oder Warmwasser-speicher

Eisspeicher Wärmepumpe

Komponenten

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Eisspeicher

• Stahlbewehrter Betonbehälter

• Wasser als

Wärmespeichermedium

• Zwei spiralförmig

angeordnete Wärmetauscher Entzugswärmetauscher Regenerationswärmetausch

er

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Eisspeicher

• Die Temperaturspanne im Eisspeicher reicht von etwa - 7 bis + 25 °C

• Ein Solar-Eis-Speicher von ca. 12 m³ und 5 Solar-Luftabsorbern entspricht:

etwa einer maximalen Heizlast von 7,5 kW und etwa 1800 Volllaststunden im Jahr

oder 120l Heizöl

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Wärmepumpe

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• Funktionsprinzip wie bei einem Kühlschrank• Kältemittel mit einem niedrigem Siedepunkt• Eisspeicher als Wärmequelle

Solar Luft-Absorber

• Offener Solar-Luftabsorber• Nimmt Wärme der Sonne &

Umgebungsluft auf• Auch bei Bewölkung oder

diffuser Strahlung• Montage zweier Module

übereinander ist möglich• Absorbierte Energie wird über

den Regenerationswärmetauscher in den Eis-Speicher übertragen

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Heizung / Warmwasserspeicher• Heizung

▫ Flächenheizung Heizungsrohre werden mäander oder

spiralförmig verlegt Kleine Vorlauftemperaturen

▫ Radiatorheizungen Hohe Vorlauftemperaturen notwendig eher ungeeignet für

Wärmepumpensysteme

• Warmwasserspeicher▫ Bereitstellung des Trinkwassers

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Physikalisches Prinzip

• Molekulare Struktur

Eis• Große Anziehungskraft der Moleküle untereinander• Moleküle bilden ein Kristallgitter

Wasser• geringere Anziehungskraft der Moleküle untereinander• Moleküle können sich frei bewegen

Schmelzen• Wärmeenergie wird zugeführt• Lage und Anordnung der Moleküle ändert sich

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Physikalisches Prinzip

• Eisspeicher nutzt Prinzip der latenten Wärme• Latente Wärme

▫ Verborgene Wärme (lat. latere – verborgen sein)▫ Bezeichnet die bei einem Phasenübergang

aufgenommene/abgegebene Wärmeenergie▫ Temperatur ändert sich nicht

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• Beispiel: „Eiswürfel schmelzen“• Wärmeenergie führt zum Schmelzen des Eiswürfels• Temperatur des geschmolzenen Wassers ändert sich nicht• Sobald Eiswürfel komplett geschmolzen ist erhöht sich die

Temperatur

Physikalisches Prinzip

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Physikalisches Prinzip• Wie lässt sich die Wärmeenergie durch den

Schmelzvorgang bewerten?• Thermische Energie:

Q = Wärmemenge [kJ]

m = Masse [kg]

c = spez. Wärmekapazität [kJ / (kg*K)]

ΔT = Temperaturänderung [K]

• Mit der Schmelzwärme von 335 kJ lässt sich 1 kg Wasser von 0°C auf 80°C erhitzen.

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Physikalisches Prinzip

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Physikalisches Prinzip

• Bisher nur Betrachtung der Schmelzenergie

• Nun Bezug auf die Kristallisationsenergie

• Energieerhaltungssatz▫ In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energien

konstant▫ Gesamtenergie bleibt erhalten

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Physikalisches Prinzip

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SchmelzvorgangE1 = Ei + Q

Wärmeenergie Q

Ei

Kristallisations-vorgangE2 = Ei - Q

Wärmeenergie Q

Ei

Nach dem Energieerhaltungssatz gilt: ∑E = E1 + E2 = 0 E1 = - E2

|Schmelzenergie| = - |Kristallisationsenergie|

Zusammenfassung

Eisspeicher-System als Energiequelle für Wärmepumpen„Ingenieurhydrologie I“ - 2013

• Sehr innovatives System zur nachhaltigen Energiegewinnung

• Nutzung von 3 regenerativen Energiequellen zur Speisung des Systems

▫ Sonne

▫ Luft

▫ Erde

• Schnelle Amortisierung der Anlage

• Umweltschonende Heizung und Kühlung des Gebäudes

• Durch Nutzung der Latentwärme mehr Energie auf gleichem Volumen

• Weniger Wärmeverluste durch geringes Temperaturniveau

• Regeneration schon bei geringen Temperaturen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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Quellen

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• Effizientberaten: http://effizientberaten.de/anlagentechnik/warme-aus-dem-eis-eisspeicher-

und-warmepumpe-zur-beheizung-von-gebauden-1000.html, abgerufen August 2013

• IKZ: http://www.ikz.de/heizung/liste.html?tx_ttnews[swords]=Fl%C3%A4chenheizsystech,

abgerufen August 2013

• Isocal: http://www.isocal.de/solareis/solareis-konzept.html, abgerufen Juli 2013

• Koch,M.: Skript Ingenieurhydrologie I. Universität Kassel, 2013

• Simplyscience: http://www.simplyscience.ch/teens-liesnach-archiv/articles/wie-kann-man-

mit-kalter-luft-heizen-.html, abgerufen Juli 2013

• Viessmann: http://www.viessmann.de/de/ein-_zweifamilienhaus/produkte/Waermepumpen/

Eisspeicher.html, abgerufen Juli 2013

• Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmepumpenheizung, abgerufen Juli 2013