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HSR entwickelt hoch effizientes Heizsystem

26.11.15 - Am SPF Institut für Solartechnik der HSR Hochschule für Technik Rapperswil wurde in einem vierjährigen EU-Forschungsprojekt („MacSheep“) ein neues Solar-WärmepumpenHeizsystem entwickelt, gebaut und getestet. Die neuartige Anlage benötigt für den Betrieb bis zu 30 Prozent weniger Strom als vergleichbare Systeme. Gerade im Hinblick auf die Energiewende verspricht das neue System deshalb grosses Potenzial.

Mit dem SPF als koordinierende Stelle waren an dem Projekt fünf Forschungspartner und vier Industriepartner aus sechs Ländern beteiligt. Insgesamt wurden vier Prototypen von Heizsystemen entwickelt, welche Raumwärme und Warmwasser für Einfamilienhäuser auf der Basis von Solarenergie und Wärmepumpe zur Verfügung stellen.

Prototyp an der HSR

Einer der vier Prototypen wurde in der vergangenen Woche an einem Workshop an der HSR rund 200 Interessierten aus Industrie und Gewerbe vorgestellt. Dieses System besteht aus einer Kombination aus Wärmepumpe, Wärmespeicher und Solarabsorber. Die Verbesserung der Effizienz gegenüber vergleichbaren Heizsystemen wird zu einem Teil erreicht durch die Verwendung neuester Technologien der Wärmepumpen-Technik, der Beschichtung von Solarabsorbern, und der Isolationstechnik. Weit wichtiger war jedoch für die Entwicklung die Tatsache, dass die Forscher den Fokus mehr auf das Gesamtsystem gerichtet haben als auf einzelne Komponenten der Anlage. Vor jedem Entwicklungsschritt wurde nicht nur die Frage beantwortet, was die Vorteile für die entsprechende Komponente sind, sondern auch, was dies für eine Auswirkung auf die Effizienz des gesamten Systems hat. So wurden während dem Projekt Entwicklungsideen mit zu geringem Nutzen im Vergleich zu den Kosten frühzeitig aussortiert.

Kompakt, hoher Vorfertigungsgrad, und installationssicher

Umgesetzt wurde eine Reihe von Entwicklungen, welche in der Summe ein hocheffizientes Heizsystem ergeben. Zu den wichtigsten Merkmalen des neuen Systems gehört eine kompakte und platzsparende Anordnung aller Komponenten, sowie ein hoher Vorfertigungsgrad. Heute werden üblicherweise ein oder zwei Wärmespeicher im Keller platziert, eine Wärmepumpe daneben gestellt, und dann eine Solarstation und eine Heizkreisverteilung an die Wand geschraubt. Danach beginnt der Installateur, alle Komponenten miteinander zu verbinden, sowie die Temperaturfühler zu setzen und an das Regelgerät anzuschliessen. Oft kommt es zu Planungs- oder Installationsfehlern. Dies führt dazu, dass entweder der Installateur nochmals auf die Anlage kommen und den Fehler beheben muss, oder noch schlimmer, dass die Anlage lange Zeit sehr ineffizient läuft und viel zu hohe Energiekosten verursacht. Durch eine kompakte und aufeinander abgestimmte Anordnung aller Komponenten in Kombination mit einem hohen Vorfertigungsgrad ab Werk, welche auch die Wärmedämmung beinhaltet, können Planungs- und Installationsfehler praktisch ausgeschlossen werden. Auch eine nachträgliche Isolation einzelner Rohre oder Armaturen vor Ort erübrigt sich. Der Installationsaufwand im Feld wird dadurch erheblich reduziert, so dass ein Installateur mehr Anlagen in der gleichen Zeit installieren kann. Weil kaum mehr etwas falsch gemacht werden kann, ist auch das Risiko gering, dass er noch einmal gerufen wird um Fehler zu beheben. Eine hohe Effizienz ist auf diese Weise von vornherein gewährleistet.

Optimierter Wärmespeicher

So wurden zum Beispiel die Wärmeverluste des Systems durch Vakuum-Isolation erheblich reduziert. Die Temperaturschichtung im Speicher, welche verhindert, dass es im Speicher zur Vermischung von kaltem und warmem Wasser kommt, wurde für den Wärmepumpen-Betrieb optimiert. Dies stellte sich als besonders wichtig heraus, da die Vermischung von warmem und kaltem Wasser im Speicher zu höheren Betriebstemperaturen und damit zu höherem Stromverbrauch der Wärmepumpe führt. 

Hocheffizienter Wärmepumpen-Kreislauf

Die Wärmepumpe selber wurde mit der neusten Generation von Scroll-Kompressoren ausgestattet, welche dank einer sogenannten „economizer“-Schaltung auch bei hoher Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und Wärmeabgabe ans Heizsystem zulässt. Dies erlaubt neben der klassischen Nutzung für Erdsonden-Anlagen und Niedertemperaturheizungen auch den Einsatz für Wärmequellen mit zeitweise tieferen Temperaturen wie zum Beispiel Solarabsorber als Wärmequellen wie sie in SolarEis-Systemen eingesetzt werden. Auch Altbauten mit höheren Verteiltemperaturen 60 °C oder Legionellen-Schaltungen für Warmwasser können damit realisiert werden. Eine weitere Systemverbesserung konnte erreicht werden, indem bei Raumheizung auf niedrigen Temperaturen gleichzeitig eine geringe Wärmemenge auf höherer Temperatur aus der Wärmepumpe ausgekoppelt wird und für die Warmwasseraufbereitung verwendet wird. Dank dieser „Heissgasnutzung“ wird im Winter Warmwasser als Nebenprodukt der Raumheizung erstellt, was die Effizienz der Anlage weiter erhöht. 

Solarenergienutzung vielseitig einsetzbar

Der Fokus lag im EU Projekt auf der Nutzung von Solarwärme zur Unterstützung der Wärmepumpe und zur Verbesserung der System-Effizienz. Der thermische Speicher kann jedoch auch für die Speicherung von Wärme verwendet werden, welche durch den Betrieb der Wärmepumpe in Kombination mit Photovoltaik erzeugt wird. 

Vielversprechende Tests

In den vergangenen Wochen wurde das neue Heizsystem in einem eigens entwickelten Teststand des Instituts für Solartechnik SPF in Betrieb genommen und getestet. Dabei wurden Betriebsverhalten und Energieeffizienz des Prototyps unter realistischen Bedingungen ermittelt. Das Besondere: Das komplette Heizsystem ist dabei so aufgebaut, wie es im Keller eines Einfamilienhauses der Fall wäre. Dabei wird der Wärmebedarf eines Hauses mit den Wetterdaten einzelner Tage im Jahr simuliert, und durch den Teststand realitätsnah emuliert. So können innerhalb von sechs Tagen mehr und genauere Informationen über das reale Verhalten von Heizsystemen gesammelt werden, als in aufwändigen, mehrmonatigen Feldtests. 

Energieeinsparung über 25%

Die vorliegenden Messungen bestätigen, dass mit diesem System – je nach Heizlast und Klima - Energieeinsparungen von 26 bis 30 Prozent erreicht werden können. Damit wurden die zu Beginn des Projektes gesteckten Ziele von 25% Einsparung gegenüber vergleichbaren Heizsystemen sogar übertroffen. In einem Folgeprojekt soll das Heizsystem nun zur Serienreife gebracht werden. Derzeit werden Investoren und Industriepartner gesucht, welche dieses hocheffiziente Heizsystem gemeinsam mit der HSR weiter in Richtung Serienreife entwickeln.

 

Erläuterung:

Eine Wärmepumpe bezieht Wärme aus einer Wärmequelle niedriger Temperatur. Diese Wärme verwendet sie, um eine Flüssigkeit, das sogenannte Kältemittel, zu verdampfen. Der Kältemittel-Dampf wird mit einem elektrisch angetriebenen Kompressor komprimiert auf einen höheren Druck, wobei die Temperatur ansteigt. Der überhitzte Dampf wird danach für die Erwärmung von Heizwasser oder Brauchwarmwasser verwendet, dabei kühlt er ab und kondensiert wieder. Da der Druck nach der Kondensation immer noch hoch ist, wird dieser über ein Expansionsventil wieder reduziert, wobei sich das Kältemittel weiter abkühlt auf eine Temperatur welche tiefer ist als die Temperatur der Wärmequelle, und der Kreislauf beginnt wieder von vorne. Generell gilt, dass weniger Strom für den Kompressor gebraucht wird, je geringer die Temperaturdifferenz ist zwischen Wärmequelle und Wärmeabgabe. Die Effizienz von WärmepumpenHeizsystemen wird üblicherweise ausgedrückt als das Verhältnis von Wärmelieferung zu Strombezug ab Steckdose. Dieses Verhältnis bezeichnet man als Jahresarbeitszahl. Eine Jahresarbeitszahl von 3 bedeutet, dass das Heizsystem dreimal mehr Wärmeenergie liefert als es Energie in Form von Strom verbraucht. So erreicht eine Luft-Wärmepumpe in Kombination mit einer Niedertemperaturheizung typischerweise eine Jahresarbeitszahl von drei, während eine Erdsonden-Wärmepumpe eine Jahresarbeitszahl von vier erreichen kann. Damit benötigt eine Erdsonden-Anlage auf Grund der höheren Quellentemperaturen die ihr zu Verfügung stehen deutlich weniger Strom als eine Anlage welche als Wärmequelle Luft verwendet. Deutlich effizienter ist jedoch die direkte Nutzung von Solarenergie durch Sonnenkollektoren. Solarwärme-Anlagen „ernten“ bis zu hundertmal mehr Wärme, als sie Strom für den Betrieb von Pumpen und Regelung aufwenden. Der Nachteil ist hier, dass dies nur immer dann möglich ist, wenn die Sonne scheint, was im Winter meist nicht ausreicht, um den gesamten Wärmebedarf zu decken. Mit einer Kombination von Solarwärme und Wärmepumpe kann jedoch eine ganzjährige Deckung erreicht werden, bei insgesamt höheren System-Jahresarbeitszahlen als mit einer Wärmepumpe alleine. 

 

Bildlegende:

((_BEN0660)): Die Projektverantwortlichen vom Institut für Solartechnik SPF, Igor Mojic und Michael Haller (v.l.). 

((_BEN0665)): Präsentation des innovativen Heizungssystems beim SolarWärmepumpen Workshop an der HSR. 

((_BEN0675)): Solar-Wärmepumpen-Workshop an der HSR mit 200 Teilnehmern 

((_BEN0655)): Die kompakte Bauweise ermöglicht eine einfache Installation im Keller, sehr robust gegen Fehler bei der Installation. Hier fotografiert bevor die Isolation angebracht wurde.

((_BEN0670)): Design des Heizungssystems vor dem Aufbau im Labor. 

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