Solarenergieversorgte Wärmepumpenheizung

 

 

 

       Lüumel GmbH          ATZ Entwicklungszentrum

Am Glaswerk 8                              An der Maxhütte 1

             01640 Coswig                                     92237 Sulzbach – Rosenberg

 

Wärmepumpen- und speicherunterstützte Solarthermie (Wäsust)

Abschlussbericht

 

Projekt mit finanzieller Unterstützung durch das PROgramm

„Förderung der Erhöhung der INNOvationskompetenz mittelständischer Unternehmen“

(PRO INNO II)

Förderkennzeichen: KA0602201TN7

 

Coswig, 30.06.2011

 

 

Inhaltsverzeichnis

 

 

1.              Kurzfassung des Projektes und der erzielten Ergebnisse

2.              Motivation für die Projektdurchführung

2.1           Gesellschaftliche Rahmenbedingungen

2.2           Beschreibung des technischen Problemlösungsansatzes mit „Wärmepumpen- und speicherunterstützte Solarthermie (Wäsust)“

3.              Analyse vorhandener Systeme zu Wärmepumpen, Speichern und Solarthermie; Analyse verfügbarer heizungsrelevanter Daten zu lokalen Außentemperaturen, Solareinstrahlung im Bezugsgebiet und zur Bausubstanz der Modellhäuser

3.1           Solarthermie

3.2           Wärmepumpen

3.3           Speicher

3.4           Analyse verfügbarer relevanter Daten im Bezugsgebiet

4.              Ergebnisse aus dem Betrieb von Versuchsanlagen

4.1           Wäsust – Versuchsanlagen am bewohnten Einfamilienhaus in Leipzig – Lausen

4.2           Wärmepumpen – Versuchsstand

4.3           Eisspeicher – Versuchsanlage

4.4           Dichtungswechselbelastungsversuchsanlage

5.              Mathematisches Modell zur Komponentenauslegung

5.1           Berechnung des Hausnettowärmebedarfs

5.2           Bilanzierung der Sonnenkollektoren

5.3           Modellbildung für die Bilanzierung des Wärmepumpenprozesses

6.              Zusammenfassung und Ausblick

7.              Quellen- und Literaturverzeichnis

 


1.      Kurzfassung des Projektes und der erzielten Ergebnisse

 

Das Projekt reiht sich in die Bemühungen ein, bei quasi gleichen Kosten den Verbrauch fossiler Energieträger zu reduzieren und der Nutzung regenerativer Energiequellen den Vorrang einzuräumen. Dazu soll im Ergebnis des Projektes eine Hauswärmeversorgungsanlage stehen, welche aufgrund der vorrangigen Nutzung von solarthermisch bereitgestellter Wärme mindestens 50% des Wärmebedarfes solar deckt (Erfüllung Kriterium Sonnenhaus), einen Elektroenergiebedarf für die Hauswärmeversorgung von weniger als 50% eines vergleichbaren Hauses mit Wärmepumpe und Flächenkollektor bzw. Luft – Wasser – Wärmepumpe aufweist und eine Verringerung der monatlichen Belastung des Bauherrn bzgl. Kreditzinszahlung und Nebenkostenbegleichung bewirkt.

Die Hauptkomponenten des zu erprobenden Hauswärmeversorgungssystems sind Solarkollektoren, ein Indoorspeicher (hausinterner Warmwasserspeicher), ein Outdoorspeicher (im Garten unterirdisch installierter Wärmespeicher mit den Speichermedien Wasser und Sand) und eine Wasser – Wasser – Wärmepumpe.

Im Rahmen des Projektes wurden zwei Komplettsysteme aufgebaut, wobei das erste in der Betriebsstätte der Lüumel GmbH vorrangig der Funktionserprobung und der Vertrauensbildung beim Erstnutzer diente. Dieses Komplettsystem wurde die gesamte Projektlaufzeit quasi ohne Fremdeingriff voll automatisiert parallel zur installierten Heizung betrieben und zeigte, dass auch in Extremsituationen (quasi vollständige Vereisung des Outdoorspeichers) das System betriebssicher (wenn auch mit geringer Leistungszahl) arbeitet. Bei der optischen Kontrolle des Systems nach Projektende konnten festgestellt werden, dass dieses System keine gravierenden Abnutzungsspuren aufweist und dementsprechend erwartet werden kann, dass Systeme nach dem Wäsust – Prinzip auch bei wenig Beachtung durch den Nutzer betriebssicher über lange Zeit arbeiten.

Umfangreiche Untersuchungen wurden an einem System durchgeführt, welches in einem neu errichteten und während der Projektlaufzeit real bewohnten Einfamilienhaus in Leipzig – Lausen installiert wurde. Aufgrund der zügigen Zusage des Bauherrn, sein Eigenheim für die Erprobung der Technologie zur Verfügung zu stellen und dem geplanten Einzugstermin wurden abweichend von der im Antrag dargestellten Planung die drei mit dem Projekt betrauten Mitarbeiter von sämtlichen anderen Arbeiten frei gestellt und bemühten sich um eine möglichst schnelle Planung, Aufbau und Inbetriebnahme der Versuchsanlage. Bereits im Oktober 2008 konnte die Versuchsanlage in Betrieb genommen werden und in der Heizperiode 2008/2009 monovalent die Temperierung der Wohnräume vornehmen. Während der ersten Heizperiode zeigte sich, dass der Wärmeentzug aus dem jahreszeitlichen Speicher nicht wie erwartet erfolgte. Im Gegensatz zur erwarteten Bildung von aufschwimmenden kleinen Eispartikeln bildete sich ein quasi durchgängiger Eisklotz im jahreszeitlichen Speicher (siehe Abbildung 1). Trotz dieses Eisklotzes konnte die Temperierung der Wohnräume sicher gestellt werden. Die aus der Selbstisolierung folgende Arbeitszahl lag jedoch weit unterhalb der erwarteten. Experimentelle Untersuchungen an der Speicherversuchsanlage des ATZ Entwicklungszentrum gaben Hoffnung, dass durch eine Änderung der Leitungsführung bezüglich Wärmeeintrag mittels Solarthermie und Wärmeentzug mittels Wärmepumpe im Outdoorspeicher eine Minderung der Eisklotzbildung und somit eine Minderung der Verschlechterung der Leistungsziffer möglich ist. Deshalb erfolgte im Sommerhalbjahr 2009 nicht nur die geplante Optimierung des Steuerungskonzeptes sondern auch ein aufwendiger Umbau des jahreszeitlichen Speichers der Versuchsanlage in Leipzig – Lausen.

 Abbildung 1  Abbildung 2
Abbildung 1 externer Speicher der Wäsust – Versuchsanlage in Leipzig – Lausen im Januar 2009,
Innenansicht mit einem quasi monolithischen Eisklotz
Abbildung 2 externer Speicher der
Wäsust – Versuchsanlage in Leipzig – Lausen im Winter 2009 / 2010 (26.12.2009), strukturierte Eisschicht im Bereich des Solarwärmeeintrages

 

In der Heizperiode 2009/2010 konnte der Erfolg dieses Umbaus nicht nur optisch im Outdoorspeicher sondern auch anhand der aufgezeichneten Daten gesehen werden. Obwohl die Wärmemenge für die Temperierung der Räume und die Warmwasserbereitstellung etwa der Wärmemenge der vorherigen Heizperiode (Abbildung 3: rote und grüne Linie) entsprach, wurde der Elektroenergieverbrauch drastisch gesenkt (hellblaue Linie).

Abbildung 3

 

Abbildung 3 tägliche Energiemengen der Wäsust – Versuchsanlage in Leipzig – Lausen
im Zeitraum Januar 2009 – Mai 2010

 

Aus der Analyse der in den ersten zwei Heizperioden aufgezeichneten Daten und der Auswertung von Daten des Modellierungstools zeigte sich, dass eines der von den Erstnutzern beschriebenen Probleme nicht allein durch Änderungen in der Steuerung zu lösen war. In der zu erprobenden Heizungstechnologie wird die Bereitstellung der Hochtemperaturwärme für die Nachheizung des Brauchwassers entweder durch Solarthermie oder durch die Überhitzungswärme der Verdichtung des Kältemittels realisiert. Von April bis September sind aufgrund des hohen Angebotes von Solarenergie die Warmwassertemperaturen in einem weiten Bereich (50…90°C) steuerungstechnisch einstellbar. Von Oktober bis März ist die Stillstandstemperatur in den Solarkollektoren meist geringer als die gewünschte Warmwassertemperatur, so dass über Solarthermie die Warmwassererwärmung nicht realisiert werden kann. Bei einer Standardwärmepumpe ergeben sich die Differenz zwischen Überhitzungstemperatur und Kondensationstemperatur des Kältemittels und das Verhältnis von Überhitzungswärme zu Kondensationswärme aus dem notwendigen Temperaturhub (Differenz der Temperaturen der Wärmeaufnahme des Kältemittels beim Verdampfen und Wärmeabgabe bei der Kondensation) und der Güte (isentroper Wirkungsgrad) der Verdichtung. Aufgrund der Nutzung von Solarwärme auf relativ hohem Temperaturniveau für die Kältemittelverdampfung ist der Temperaturhub sehr oft relativ gering gewesen und somit waren die Temperatur und die Wärmemenge der Überhitzung nicht ausreichend für die normgerechte Bereitstellung von Warmwasser. Die realisierbare Warmwassertemperatur lag deshalb oft unter 40°C, was zwar für Duschen, Händewaschen und Zähneputzen ausreichend ist, für das Temperieren von Badewasser ist diese Temperatur jedoch zu gering. Die steuerungstechnischen Änderungen (z.B. mittels Brauchwasservorrangschaltung) verlagerten dieses Problem nur zu einem Zeitintervall geringer Arbeitszahl und unnötiger Aufheizung des Heizungswassers. Während des Frühjahrs und Sommers 2010 wurden deshalb an einer Technikumsanlage am Produktionsstandort Coswig ausführlich Untersuchungen mit verschiedenen erweiterten Schaltungsvarianten für eine Wärmepumpe durchgeführt. Mit Hilfe eines Kaltgasvorwärmers, der Wärme zur Unterkühlung des kondensierten Kältemittels bei hohem Druck an das gasförmige Kältemittel bei geringem Druck überträgt, kann eine Erhöhung von Überhitzungstemperatur und Überhitzungswärme ohne nennenswerte Absenkung der Leistungsziffer erreicht werden. Durch die Unterkühlung des flüssigen Kältemittels kann pro Kältemittelumlauf mehr Wärme aus dem jahreszeitlichen Speicher bei niederer Temperatur aufgenommen werden, aufgrund der höheren Eintrittstemperatur und somit des höheren Volumenstromes des gasförmigen Kältemittels bei der Kompression ist die notwendige Kompressionsarbeit je Kältemittelumlauf ebenfalls erhöht. Im Bereich moderater Temperaturhübe (20—25K) ergibt sich eine leichte Verbesserung der Leistungsziffer, im Bereich hoher Temperaturhübe (30-35K) ergibt sich eine leichte Verschlechterung der Leistungsziffer. Nach der Entwicklung der für die Schaltungsvariante notwendigen Regelungstechnik wurde ein Umbau der Wärmepumpe an der Versuchsanlage am Standort Leipzig – Lausen durchgeführt. Die Analyse der Daten seitdem zeigt, dass eine Warmwasserbereitstellung mit dieser Schaltungsvariante bei den Bedingungen der wärmepumpen- und speicherunterstützten Solarthermie bei durchgängig etwa 50°C realisiert werden kann.

Bei der vergleichenden Auswertung der Messdaten dieser und der vorherigen Verschaltung wurde ein anderes Phänomen beim Betrieb der Versuchsanlage am Standort Leipzig – Lausen bemerkt. Im Spätwinter / Frühlingsbeginn stellte sich bei der Nutzung des Kaltgasvorwärmers eine drastisch geringere Verdampfungstemperatur (z.B. 0°C) ein, als diese aufgrund der gemessenen Temperaturen im Wasser des Outdoorspeichers (z.B. 7°C) zu erwarten gewesen wäre. Ein regelungstechnisches Versagen des Expansionsventils lag nicht vor, da der Dampf vor dem Kaltgasvorwärmer ebenfalls geringe Temperaturen (z.B.1°C) aufwies und somit nur leicht überhitzt war. Aufgrund der Nachstellung dieser Situation mit einer Wärmepumpenversuchsanlage und der Modellierung von Strömung und Wärmeübergang im Verdampfer konnte dafür eine Erklärung gefunden werden. Die Versuchsanlage am Standort Leipzig – Lausen besitzt vier parallele Verdampfer. Die Aufteilung des Nassdampfes nach dem Expansionsventil erfolgt so, dass der durch die Strömung verursachte Druckverlust über die vier Verdampfer gleich ist. Wird ein Nassdampf mit hohem Dampfanteil in die Verdampfer eingetragen, so dominiert der Strömungsdruckverlust des Dampfes, so dass durch jeden Verdampfer etwa gleich viel Massenstrom hindurch strömt. Durch den Kaltgasvorwärmer wird das Kondensat unterkühlt. Daraus resultiert ein relativ geringer Dampfgehalt des Nassdampfes nach dem Expansionsventil. Der durch die Strömung verursachte Druckverlust in den Verdampfern verändert sich nun viel stärker als bei der Ausgangsschaltungsvariante. In dem Verdampfer, der mit einem relativ warmen Medium in Kontakt steht (solar erwärmtes Wasser im Outdoorspeicher z.B. 7°C) verdampft sehr schnell das Kältemittel und somit durchströmt den größten Teil dieses Verdampfer Kältemitteldampf mit dem spezifisch hohen Druckverlust. In dem Verdampfer, der mit einem relativ kalten Medium in Kontakt steht (ausgekühlter Sand im Outdoorspeicher z.B. 1°C) verdampft sehr langsam das Kältemittel und somit durchströmt den größten Teil dieses Verdampfers Kältemittelflüssigkeit mit dem spezifisch geringen Druckverlust. Eine Angleichung der absoluten Druckdifferenzen erfolgt dadurch, dass den „warmen Verdampfer“ ein unterdurchschnittlich geringer Massenstrom durchströmt. Um dennoch das Eintragen von Tropfen in den Kompressor zu verhindern, wird durch das Expansionsventil der Druck so weit abgesenkt, dass im „kalten Verdampfer“ eine weitgehende Verdampfung des großen Kältemittelmassenstromes erfolgen kann. Dieses Phänomen beeinträchtigt nicht die Betriebssicherheit der Anlage, reduziert aber bei großen Temperaturdifferenzen zwischen den Verdampfern unnötig die Leistungszahl. Abhilfe könnte wahrscheinlich durch die Installation von jeweils einem Expansionsventil je Verdampfer geschaffen werden. Dieses bedingt die strömungstechnische Trennung der Verdampfer in der Nähe der Expansionsventile, praktisch werden also jeweils vier Rohrleitungen vom bzw. zum Wärmepumpenmodul benötigt. Diese Änderung würden aufgrund bautechnischer Limitierungen an der Versuchsanlage in Leipzig – Lausen nur mit hohem Aufwand realisiert werden können. Deshalb sollen vorerst Rechnungen zeigen, ob durch die getrennte Regelung der Drücke in den Verdampfern eine relevante Ersparnis an Elektroenergie erreicht werden kann. Sollte dieses Ergebnis für eine Wirtschaftlichkeit relevant werden, ist die Erprobung in einem nächsten Projekt geplant.

Parallel zu den experimentellen Untersuchungen der beiden Komplettsysteme wurden experimentelle Untersuchungen bezüglich von Detailproblemen durchgeführt. Aufgrund von Vorüberlegungen wurden materialtechnische Probleme bei den Dichtungssystemen der Solarkollektoren erwartet. Speziell zu diesem Problemkreis durchgeführte Langzeitversuche mit simulierten extremen Umweltbedingungen konnte diese Befürchtungen entkräften. Nach Projektende wurden die Solarkollektoren unter materialtechnischen Gesichtspunkten untersucht. Dabei festgestellte Phänomene der Oberflächenveränderung werden zurzeit mit Verantwortungsträgern aus dem technischen Bereich des Solarthermiekollektorherstellers (Fa. Viessmann) diskutiert. Die festgestellten Phänomene beeinflussen nach ersten Erkenntnissen den Effekt der Solarthermiewärmegewinnung nur unwesentlich und beeinträchtigen damit nicht die Markteinführung der Technologie. Materialtechnische Probleme wurden im Bereich der Messtechnik festgestellt. Aufgrund der Nutzung von Solarthermiewärme bei niedrigem Temperaturniveau im Winter wird bei den im Hauswirtschaftsraum angebrachten Anzeigethermometern der Taupunkt der Raumluft unterschritten. Funktionsbeeinträchtigende Korrosion ist die Folge dieser Taupunktsunterschreitung. Die Anzeigethermometer dienten vorrangig der Vertrauensbildung gegenüber den elektronisch ermittelten Werten, so dass auf die Anzeigethermometer verzichtet werden kann.

Ein spezieller Untersuchungsgegenstand war der Outdoorspeicher. Der Outdoorspeicher wäre ideal, wenn im Sommer möglichst viel Wärme mit wenig Elektroenergie seitens der Solarpumpen im Speicher eingelagert werden kann, nur über die Speicherkapazität hinausgehende Wärme an die Umgebung abgegeben werden würde und im extremen Winter Wärme bei 0°C durch die Vereisung des Wassers bereitgestellt werden kann. Damit die Wärme der Vereisung bei 0°C bereitgestellt werden kann, muss der Selbstisolationseffekt mit resultierendem Absenken des Temperaturniveaus der Wärmebereitstellung aufgrund von länger anhaltender Eisanhaftung an den Verdampferrohren verhindert werden. Im Idealfall würde die Eisbildung in unmittelbarer Verdampferrohrnähe die gewünschte Wärme bereitstellen, danach würde dieses Eis sich in Bruchstücken vom Verdampferrohr lösen und aufschwimmen, so dass danach wieder bei 0°C Wärme an das Verdampferrohr abgegeben werden kann. Es wurde eine Reihe von Formen und Anordnungen der durchflossenen Systeme erprobt, mit denen partiell Erfolge erzielt werden konnten. Die Übernahme einer erfolgversprechenden Rohranordnung und Rohrform in die Versuchsanlage Leipzig Lausen brachte beim Komplettsystem eine Verbesserung (siehe Abbildungen 1 und 2). Der angestrebten Funktionsweise des Outdoorspeichers bei der Bildung von Brucheisstücken konnte sich mit der letzten am ATZ Entwicklungszentrum getesteten Geometrie im Technikumsversuchsmaßstab weitgehend angenähert werden.

Ein weiterer spezieller Untersuchungsgegenstand rückte erst mit fortschreitender Modifikation der Versuchsanlage in Leipzig – Lausen in den Bereich des Interesses. Durch den Einbau eines Kaltgasvorwärmers wurden Verdampfungs- und Überhitzungstemperaturen außerhalb des Erwartungsbereiches gemessen. Diese resultieren aus den verschiedenen spezifischen Druckverlusten der flüssigen und dampfförmigen Phase des Kältemittels. Um hier den wirtschaftlichen Effekt einer gezielten Massenstromaufteilung abschätzen zu können, wurden an einem Wärmepumpenversuchsstand Untersuchungen zu den Bereichen von Verdampfung und Überhitzung innerhalb eines Verdampfers durchgeführt. Die Ergebnisse gehen in das mathematische Modell der Anlage ein und sollen eine Abschätzung der wirtschaftlichen Relevanz realisierbarer Software- und hardwarebasierter Änderungen ermöglichen.

Als Werkzeug für die Auslegung von Wäsust – Systemen wurden verschiedene Programmpakete auf der Basis von Exceldateien erstellt. Mit dem Basismodell, welches auf nur theoriebasierten Abschätzungen aufbaute, wurden die beiden Komplettsysteme ausgelegt. Die gemessenen Daten an der Versuchsanlage in Leipzig – Lausen der ersten Heizperiode wurden für die Validierung des erstellten Modells zur Bilanzierung der täglichen Wärmeströme genutzt. In weiten Bereichen zeigte sich eine ausreichende aber nicht zufriedenstellende Übereinstimmung. Der tägliche Hausnettowärmebedarf und der solare Ertrag wurden aufgrund erkannter systematischer Abweichungen neu modelliert, so dass jetzt präzisere Vorhersagen bezüglich der sich einstellenden Temperaturniveaus möglich sind. Berechnungen mit diesem Modell zeigen, dass die direkte Nutzung der Wärme im Outdoorspeicher für die Beheizung eines Wohnhauses relativ wenig Effekt bringt. Die für die direkte Nutzung dieser Wärme bereitzustellenden Investitionskosten aufgrund der Notwendigkeit einer Frostschutzmischung im Fluid des Heizkreises sind überproportional hoch im Vergleich zur berechenbaren Elektroenergieeinsparung. Außerdem zeigen die Kalkulationen, dass das Volumen des Outdoorspeichers im Vergleich zur ersten Kalkulation verringert werden kann, wodurch der Einsatz von monolithisch gegossenen Betonzisternen mit straßentransportfähigen Abmaßen möglich ist. Zur Testung dieser Erkenntnis wurde im Outdoorspeicher des Einfamilienhauses in Leipzig – Lausen die Füllmenge von 10m³ auf 7m³ reduziert. Die vorhergesagten Veränderungen bestätigten sich, so dass für weitere Systeme der Outdoorspeicher kleiner ausgelegt werden kann. Größere Abweichungen bezüglich der erwarteten notwendigen Elektroenergiemenge ergaben sich im Frühjahr nach dem Einbau des Kaltgasvorwärmers. Erste Abschätzungen massespezifischer strömungsbedingter Druckverluste in Abhängigkeit des Dampfgehaltes des Fluiden bilden den Ansatz für die Erklärung dieser Abweichungen. Aktuell werden Verfeinerungen bei der Modellierung des Verdampfungsprozesses eingearbeitet, mit deren Hilfe die Wirtschaftlichkeit von parallelen Verdampfern mit bewusster Massenstromaufteilung abgeschätzt werden soll.

Den Berechnungen zur Wirtschaftlichkeit liegen Zahlenwerte des Hauses mit der Versuchsanlage in Leipzig – Lausen und eines vergleichbaren Hauses mit erdkollektorbasierter Wärmepumpe im selben Wohngebiet zugrunde. Beide Häuser sind Bungalows mit etwa 140m² Wohnfläche. Im Haus mit der Versuchsanlage leben vier Personen (45, 42, 17, 14 Jahre alt) im Vergleichshaus leben drei Personen (50, 45, 14 Jahre alt). Im Jahr 2009 wurden im Wäsust – Haus 1900kWh Elektroenergie für die Hauswärmebereitstellung benötigt (entspricht 320€) im Vergleichshaus 5000kWh (850€). Die technischen Ziele (mindestens 50% des Wärmebedarfes solar decken, einen Elektroenergiebedarf für die Hauswärmeversorgung von weniger als 50% eines vergleichbaren Hauses mit Wärmepumpe und Flächenkollektor zu haben) werden somit erfüllt. Für die Heizung mit Zubehör im Vergleichshaus wurden 23.500€ investiert, im Wäsusthaus wären 44.500€ Investition notwendig gewesen. Das entspricht einer jährlichen Rendite von 2,5% – damit könnten nicht einmal die Zinsen für den notwendigen Zusatzkredit unter Marktbedingungen finanziert werden. Bei Hinzuziehung von Investitionsförderungs-möglichkeiten und der Auswahl geeigneter staatlich subventionierter Kredite ergibt sich in der Beispielrechnung eine geringere jährliche Belastung von 651 €/Jahr durch Nutzung der Wäsust – Anlage im Vergleich zur Nutzung einer Flächenkollektor basierten Wärmepumpe.

Abbildung 4

 

Abbildung 4 jährliche finanzielle Belastung ohne Tilgung eines Wäsust – Hauses und eines Vergleichshauses

 

Mit der Anlage in Leipzig – Lausen ist eine Referenzanlage geschaffen worden, die den Bedürfnissen zukünftiger Nutzer entspricht. Auf verschiedenen Messen zu Haustechnik, Umwelttechnik und auf speziell für potentielle Bauherren zugeschnittenen Veranstaltungen (Dresden, Halle, Erfurt, Ingolstadt) wurde die Technologie mit Handzetteln, Plakaten und Vorträgen einem breiten Publikum dargelegt. Mit einer Vielzahl von Interessenten werden derzeit verbindliche Angebote diskutiert. Eine weitere Anlage in einem Bauobjekt im Großraum Leipzig ist bereits realisiert worden, weitere vier Anlagen stehen unmittelbar vor dem Vertragsabschluss.

Wie dargestellt, wurde das Projekt den geplanten Arbeitsschritten folgend bearbeitet, an verschiedenen Stellen ergab sich aus den erhaltenen neuen Erkenntnissen die Notwendigkeit, zusätzliche Arbeiten zu realisieren. Dadurch wurde ein höherer Personaleinsatz als geplant realisiert. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die geplanten Ziele des Projektes erreicht wurden, sich die Zusammenarbeit mit dem ATZ Entwicklungszentrum als überaus hilfreich und erfolgversprechend erwiesen hat und die Marktresonanz aufgrund der sich geänderten bzw. avisierten Änderungen der Rahmenbedingungen größer als erwartet ist. Es kann nunmehr eine Technologie dem Markt zur Verfügung gestellt werden, welche einen Beitrag zur Realisierung der hochgesteckten Ziele der Klimapolitik leisten kann.

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2.      Zusammenfassung und Ausblick

Die Arbeiten am Projekt wurden weitgehend nach dem im Antrag dargestellten Plan durchgeführt. Über die geplanten Tätigkeiten hinausgehend wurden die erste Versuchsanlage zum Gesamtsystem am Produktionsstandort in Coswig, die Untersuchungen zum Brucheisspeicher und die aus der Kaltgasvorwärmung resultierenden Untersuchungen durchgeführt. Aufgrund der am ATZ Entwicklungszentrum gewonnenen Erkenntnisse zur Korrosion wurde auf ein Zerlegen der genutzten Komplettsysteme weitgehend verzichtet.

Die Versuchsanlage im realen Wohnobjekt hat sich drei Heizperioden bewährt. Aufgrund der durchgeführten Änderungen an dieser Anlage konnte eine Anpassung der bereit stellbaren Wärme an die Bedürfnisse der Bewohner bei partieller Verringerung des Primärenergiebedarfes erreicht werden. Das mathematische Modell wurde anhand erkannter Differenzen zwischen Messwerten und Berechnungsergebnissen modifiziert, so dass jetzt eine enger kalkulierte Auslegung neuer Anlagen möglich ist.

Aufgrund der sehr zeitig erkennbaren Alltagstauglichkeit dieser Heizungstechnologie wurde der Weg in die Öffentlichkeit zeitiger als geplant realisiert. Im Rahmen einer Hausmesse mit geladenen Gästen wurden die Technologie und die bisherigen Ergebnisse mit Vertretern von Ingenieurbüros, Bauunternehmen und Architekturbüros diskutiert. Aufgrund der positiven Resonanz seitens dieses Fachpublikums wurden die Ergebnisse im Rahmen von Vorträgen auf fünf Messen mit Tagungsprogramm einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt. Weiterhin wurde eine Internetseite zu diesem Thema eingerichtet und Flyer erarbeitet, welche potentiellen Kunden übergeben werden. Mit interessierten Kunden wurde die Anlage im Einfamilienhaus in Leipzig – Lausen besichtigt.

Abbildung 5

Im Ergebnis dessen hat sich bereits ein Kunde entschlossen, ein solches Heizungssystem in sein neu zu errichtenden Einfamilienhaus einzubauen. Die  Baumaßnahme wurde Anfang 2011 beendet.

 

Auf diesem Gebäude wurden eine 30m² Solaranlage installiert. Das EFH hat 214m² WF davon sind 154 vollbeheizt. Der Jahresheizwärmebedarf + Brauchwasser des Gebäudes beträgt ca. 15.000 kWh. Die bis zu diesem Zeitpunkt gesammelten Erfahrungen flossen in dieses Projekt mit ein. In diesem Haus wurden 2 Indoorspeicher mit je 400l Volumen, und außen einen Erdtank mit 10.000 l Volumen installiert. Der Solarwärmetauscher wurde als Doppelrohr ausgeführt wobei das Innenrohr als Verdampfer für die Wärmepumpe fungiert. Die Heizung/Solaranlage wurde Ende Dez 2010 Inbetrieb genommen. Da der Aufheizvorgang und das Trockenheizen im Winter erfolgte ist der Erdtank fast durchgängig vereist.

 

Da zu dieser Zeit eine lange kalte Frostperiode mit wenig Sonneneinstralung vorlag, musste mit dem 6 kW Elektroheizstab der Austrocknungsprozeß des Estrichs fortgeführt werden.

Am  22.02.2011 wurde der Heizstab abgeschaltet und die Wärmepumpe eingeschaltet.

Obwohl der Erdtank noch fast vereist war schaffte die Sonne eine Aufheizung des Erdtankes bis zum 22.03.2011 auf 5°C und völliger Eisfreiheit.

Die Sauggastemperatur der Wärmepumpe stieg von -5°C am 22.02.11 auf +5°C am 22.03.2011. Die Arbeitszahl (Bereitstellungsverluste Brauchwasser müßten noch aufgerechnet werden) betrug 1:3

In diesem Zeitraum hat die Sonne 2.242 kWh eingetragen und die Wärmepumpe 1.185 kWh Wärme entnommen.

Abbildung 6

Bereits Ende April war der Erdtank auf 20°C erwärmt. Der Bauherr hat sich bereit erklärt die Messwerte monatlich fortzutragen und uns zur Verfügung zu stellen.

Abbildung 7

Die 3. reale Anlage wird im gewerblichen Bereich verbaut. Für die geplante Anlage in einer Werkhalle + Sozialanbau in Coswig Köhlerstr. hat sich der Bauherr für das WÄSUST Konzept entschieden. Bei diesem Objekt werden eine 40m² Solaranlage gestellt mit einem 1000l Indoorspeicher und ein 10.000l Stahltank (ehemaliger Öltank unterhalb des Heizraumes)  verwendet. Die Solaranlage ist als Fassadenkollektor 50% senkrecht und 50% 67°-Winkel Schrägaufstellung geplant. Es sollen aber nur ca. 30% der Gesamtheizbedarfes gedeckt werden.

Abbildung 8

Vorrangig geht es hier um die Teildeckung des Heizwärmebedarfes. Das in der Sanierung befindliche Objekt bekommt überall Fußbodenheizung bzw. Wandheizung. Die Fertigstellung der Wäsust-Anlage ist für 10/2011 geplant, so daß noch vor dem Heizzeitraum des größten Bedarfes Wärme eingelagert werden kann.

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