PDF-Download Magazin - Hochschule für Technik Rapperswil

Im Sommer heizt sich
das Speicherwasser bis
auf 55 Grad Celsius auf.
Die Wärme wird dem
Wasser im Winter kontinuierlich
bis zum
Gefrierpunkt entzogen.
Beim Aggregatswechsel
von flüssig zu
fest wird zusätzliche
latente Wärme frei.
Die Systemvarianten im Vergleich
Systemvariante
Teile Wärme gewonnen. Thermische Solarkollektoren
erhöhen diese Effizienz weiter. Das Problem ist aber, dass
die Sonne dann am schwächsten scheint, wenn es am
meisten Wärme braucht: im Winter. Hier kommt der Eisspeicher
ins Spiel. Der Name ergibt sich aus seinen Eigenschaften:
Beim Wechsel des Aggregatszustands von
flüssigem Wasser zu Eis wird viel latente Wärme frei – der
Speicher nutzt dieses physikalische Phänomen und kann
daher in einem vergleichsweise kleinen Wasservolumen
viel Wärme speichern.
Im Auftrag des Elektrizitätswerks Jona-Rapperswil EWJR
erforschte das SPF bereits früher Systeme mit kombinierter
Solarthermie und Wärmepumpen. Nun sollte das SPF als
Anschlussprojekt ein System mit einem Eisspeicher ausarbeiten
und verwirklichen, das eine Jahresarbeitszahl von
Fläche der
Kollektoren
(m 2 )
Volumen Volumen
warmer Eisspeicher
Speicher (m 3 ) (m 3 )
Wärmepumpen-Typ
0 Luft WP ohne
– 0,5 – Luft-Wasser 2,8
Sonnenkollektoren
1 Luft-WP & Solar 16 1,8 – Luft-Wasser 3,6
2 Luft-WP & Solar 32 2 – Luft-Wasser 4,1
3 Luft-WP & Solar 100 4 – Luft-Wasser 6,2
4 Luft/Sole-WP &
Solar & Eisspeicher
5 Luft/Sole-WP &
Solar & Eisspeicher
6 Luft/Sole-WP &
Solar & Eisspeicher
7 Sole-WP & Solar &
Eisspeicher
JAZ
32 2 0,3 Luft/
Solewasser
4,8
32 2 5 Luft/
5,1
Solewasser
45 2 5 Luft/
5,9
Solewasser
32 2 35 Solewasser 6,0
Simulierte Jahresarbeitszahlen (JAZ) für verschiedene Heizsysteme, mit denen ein Gebäude mit Niedertemperaturheizkörpern
und einer Energiekennzahl von 100 kWh/m 2 a (für Raumheizung) versorgt
werden kann (WP: Wärmepumpe, Solar: Sonnenkollektoren).
sechs erreichen sollte. Das heisst, dass die gesamte Anlage
mit einem Teil Strom die sechsfache Wärmemenge liefert.
Die Ingenieure des SPF Institut für Solartechnik wählten
unterschiedliche Systemkonzepte auf Basis einer Marktrecherche
und werteten die wissenschaftliche Literatur
aus. Sie ermittelten danach das grundsätzliche Anlagendesign
mittels Simulationen. Es galt, die energetisch optimale
Kombination von Kollektorfläche, Wärmespeicher,
Eisspeicher sowie Wärmepumpenart zu finden und
den Materialeinsatz möglichst gering zu halten. Von
sieben Varianten fiel die Wahl auf ein System mit einer
Solewasser-Wärmepumpe, welche die Wärme ausschliesslich
aus einem sogenannten Eisspeicher bezieht,
der wiederum von Sonnenkollektoren erwärmt wird.
Andere Varianten hätten zwar ähnliche Jahresarbeitszahlen
ergeben, aber zu grösseren Kollektorflächen
oder einem komplizierteren Anlagendesign geführt.
Nebst Platzbeschränkungen musste auch der Kostenfaktor
berücksichtigt werden.
Latentwärme und sensible Wärme nutzen
Im ausgewählten Solarthermie-Wärmepumpen-Konzept
verwenden die Ingenieure im Eisspeicher Wasser
zur Speicherung von überschüssiger Wärme. Die Wärmezu-
und -abfuhr erfolgt über Wärmeübertrager, die
von Sole durchflossen werden, welche Wärme vom Dach
einträgt und später an die Wärmepumpe weitergibt. Das
Solewasser ist wichtig, weil die Sole auch bei Temperaturen
unter 0 °C flüssig bleibt. Entzieht man dem Eisspeicher
Wärme mit Soletemperaturen unter 0 °C, vereist
das Wasser im Speicher. Auf diese Weise wird die beim
Phasenwechsel von flüssig zu fest frei werdende Wärme
des Wassers genutzt.
Im Herbst 2012 begannen die Bauarbeiten für die bislang
am Computer designte Anlage. Die Stadt Rapperswil-
16 HSR Magazin 2 / 2013