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Solare Wärmepumpe
Übersicht
>> Prinzip solarer Wärmepumpen
>> Funktion des Solarkollektors
>> Funktion des Latentwärmespeichers
>> Heizen und Kühlen mit Latentspeicher
>> Neueste Beiträge und Fragen zum Thema
Prinzip solarer Wärmepumpen
- Funktionsschema Solarer Wärmepumpen (Quelle: Stoltenberg Energie GmbH)
Solare Wärmepumpen beruhen auf dem Konzept, solarthermische Anlagen zur alleinigen Versorgung einer Wärmepumpe einzusetzen. Herkömmliche Solaranlagen wandeln hauptsächlich im Sommer und in den Übergangsmonaten Sonnenenergie in Wärme um. Die so gewonnene Energie wird dann in einem Solarspeicher zeitweise zwischengespeichert und dann dem Heiz- oder Brauchwasserkreislauf direkt zugeführt. Der Solarkollektor einer solaren Wärmepumpe dient im Gegensatz dazu, zuerst die Wärmepumpe zu versorgen und die so „hoch gepumpte“ Wärme anschließend über einen oder mehrere herkömmliche Speicher dem Heiz- und Trinkwasserkreislauf zuzuführen.
Um die tageszeitabhängig schwankende Gestehung von Solarwärme insbesondere im Winter der Wärmepumpe als nutzbare Umweltenergie zur Verfügung zu stellen, bedarf es jedoch einer anderen Speichertechnik: einem Latentwärmespeicher. Dieser speichert Temperaturen um den Gefrierpunkt und ermöglicht es daher der Solaranlage auch Niedertemperaturwärme im Winter zu sammeln und über den Latentwärmespeicher der Wärmepumpe zuzuführen. Die Solaranlage wird somit auch im Winter genutzt und die Installation eines Erdwärmetauschers wird nicht zwangsläufig notwendig. Als Latentspeicher können Zisternen mit Regenwasser ebenso verwendet werden wie Kies-Wasser- oder Paraffinspeicher. Solare Wärmepumpen lassen sich zudem zum Heizen und Kühlen der Immobilie nutzen.
Funktion des Solarkollektors
Soll die Wärme der Sonne möglichst optimal für die Heizung und das Warmwasser genutzt werden, so sind der Solarkollektor und der Wärmespeicher im Haus (Pufferspeicher) größer als sonst auszulegen. Hat der Wärmespeicher nach mehreren Tagen Sonnenschein seine maximale Temperatur erreicht, so kann die Wärme vom Solarkollektor genutzt werden, indem diese dem Latentwärmespeicher zugeführt wird. Vornehmlich im Sommer erfolgt also eine Speicherung von überschüssiger Sonnenwärme im Latentwärmespeicher. Dies schützt den Solarkollektor zudem vor Überhitzung. Die Wärme des Latentwärmespeichers kann dann während einer längeren Schlechtwetterperiode oder im Herbst durch eine Wärmepumpe zur Deckung des Wärmebedarfs genutzt werden. Die Leistungszahl der Wärmepumpe ist dann besonders hoch und somit der Verbrauch an elektrischem Strom nur gering.
Im Winter entzieht die Wärmepumpe dem Latentwärmespeicher viel Wärme, sodass sich dieser im Winter auf 0°C abkühlt. Bei weiterem Wärmeentzug gefriert das Wasser. Von da an kommt das Latentwärmeprinzip zum Tragen, das beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand funktioniert. So kann der Wärmebedarf des Winters mit einem relativ kleinen Latentspeichervolumen gedeckt werden. Im Sommer wird dann durch Sonnenwärme der Latentwärmespeicher wieder aufgewärmt. Die besondere Funktion des Solarkollektors liegt nun darin, in Kombination mit dem Latentwärmespeicher auch Wärme mit niedrigerer Temperatur sinnvoll zu nutzen. Diese Niedertemperatur-Solarwärme wird im Latentwärmespeicher zwischengespeichert und bei fehlender Solarwärme durch die Wärmepumpe genutzt. Der Solarkollektor erfährt dadurch einen höheren Ausnutzungsgrad.
Funktion des Latentwärmespeichers
Als latente Wärme ("latent" lat. für "verborgen") bezeichnet man die bei einem Phasenübergang aufgenommene oder abgegebene Wärmemenge. Latent heißt sie deshalb, weil die Aufnahme bzw. Abgabe dieser Wärme nicht zu einer Temperaturänderung führt. Spezielle Beispiele sind die Verdampfungswärme, Sublimationswärme, Kristallisationswärme und Schmelzwärme, die den Phasenübergang von fest zu flüssig beschreibt. So wird beispielsweise beim Erstarren von Wasser, dem Phasenübergang vom flüssigen Wasser zum festen Eis bei 0°C, ungefähr soviel Wärme frei, wie zum Erwärmen der selben Menge Wasser von 0°C auf 80°C benötigt wird. Die spezifische Phasenumwandlungsenthalpie ist also im Vergleich zur spezifischen Wärmekapazität relativ hoch. Für Wasser liegt die Schmelzenthalpie bei 334 kJ/kg und die spezifische Wärmekapazität bei ca. 4,19 kJ/kg. Dadurch ist die Energiedichte im Vergleich zu Heißwasserspeichern erheblich größer ist.
Funktion der Wärmepumpe
Um im Winter Heiz- oder Brauchwasser zu erhitzen, kühlen Wärmepumpen das ihnen zugeführte Umweltmedium teilweise bis unter den Gefrierpunkt ab. Wird das Wasser eines Speichers dazu genutzt, so gefriert dieses bei zunehmendem Heizbetrieb. In einem solchen System liegt dann der die Wärme entziehende Verdampfer nicht in der Wärmepumpe, sondern am Ort des Wärmeentzugs. Er wird von FCKW-freiem Kältemittel durchströmt, das rund 5 °C kälter ist als das außen befindliche Wasser. Ist das Wasser auf etwa 0°C abgekühlt, bildet sich an der Verdampferoberfläche Eis. Weil dieses Eis den Wärmeübergang behindert, vertauscht eine Automatik nur für Sekunden die Funktion von Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe. Auf der dadurch leicht erwärmten Oberfläche des Verdampfers kann sich das Eis nicht halten und rutscht in den "Eis-Speicher".
Heizen und Kühlen mit Latentspeicher
Die Kälte des Latentwärmespeichers kann während der Sommermonate aber auch zum Kühlen verwendet werden. Die bei der Kühlung dem Gebäude im Sommer entzogene Wärme wird umgekert dem „Eisspeicher“ zum Auftauen wieder zugeführt und sorgt so für die zur Regenerierung notwendige Energiemenge für die nächste Heizperiode. Da in der Heizperiode ca. 2000 h geheizt wird, stehen somit auch 2000 h Kälte zur Verfügung, die zum großen Teil in den Speicher eingelagert werden. Da die Kühlperiode im Sommer aber nur ca. 600 bis 1000 h dauert, ist ein entsprechend großer Speicher nötig, in dem mehr Eis (Kälte) gebildet werden kann, als im Sommer zum Kühlen benötigt wird.
Im Sommer kann das Eis somit nahezu ohne energetischen Zusatzaufwand zum Kühlen nutzbar gemacht werden. Der Speicher nimmt dabei die dem Gebäude entzogene Solarwärme auf, welche im nachfolgenden Winter wieder zum Heizen genutzt wird. Kann jedoch die Entzugsleistung nicht komplett durch den Eisspeicher gedeckt werden, kann durch Flachdachabsorber, Erdwärme, Regenwasser oder Abwärmenutzung die fehlende Wärmemenge ergänzt werden. Kann am Ende des Sommers der Eisspeicher keine Kälte mehr liefern, so stellt insbesondere die Kombination von solarer Wärmpumpe und Erdwärme eine sinnvolle Systemlösung dar.
Hier finden Sie weitere Informationen zu Erdwärme und Solar
>> Solarthermie
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