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Kompakt-Speichersystem Zortström

So lässt sich eine Wärmepumpe auch in komplexen Gebäuden einsetzen

Multivalente Wärmeversorgungsanlagen liegen im Trend. Hohe Effizienzgrade und die Einbindung erneuerbarer Energien machen sie zu einer zukunftsfähigen Investition für Bauherren und Modernisierer. Zahlreiche dieser Versorgungskonzepte basieren auf Wärmepumpen, die ein Vielfaches der zugeführten Energie als Wärme zur Verfügung stellen können.

Bedarfsgerecht geplante Wärmepumpenlösungen sind in der Lage, die objekt- und abnehmerspezifischen Raumwärme- und Trinkwarmwasseranforderungen weitestgehend zu erfüllen.

Erst im Spitzenlastfall und in den kalten Jahreszeiten ergänzen zusätzliche Wärmeerzeuger mit primären oder sekundären Energieträgern die Versorgung. Zudem erlauben es Wärmepumpen in Kombination mit einem passenden Verteilsystem, Gebäude passiv oder aktiv zu kühlen.

Damit die Gesamtanlage ihre Effizienz ausspielen kann, muss ein energetischer Verbund aus technischen Komponenten exakt aufeinander abgestimmt sein. Das beginnt bei der sorgfältigen Planung und endet bei der fachgerechten Montage und Inbetriebnahme. Gerade die Integration von Wärmepumpen in das multivalente Gesamtsystem ist jedoch häufig eine Herausforderung.

Planerische Herausforderung : Die optimale Wärmepumpenlösung einsetzen

Ein zu hoher Energieverbrauch und damit nicht genutzte Effizienzpotenziale resultieren häufig aus einer unzureichend geplanten Integration unterschiedlicher Wärmeerzeuger und einer Wärmepumpenlösung. Die Folgen sind eine zu hohe Taktungsfrequenz sowie ein hoher Verschleiß und verringerte Laufzeiten aufgrund der kontinuierlichen Übersteuerung der ergänzenden Wärmeerzeuger, wie z. B. Gas-, Biomasse- oder Ölkessel.

Ein weiterer oft unterschätzter Aspekt ist die Anlagenhydraulik. Ist diese nicht ausbalanciert, führen die daraus resultierenden hohen Vor- und Rücklauftemperaturen sowie eine erhöhte Pumpenstromaufnahme zu deutlichen Effizienzeinbußen und Mehrkosten. Zudem muss gewährleistet sein, dass die Wärmepumpe die erzeugte Wärme problemlos abgeben kann, etwa an einen Puffer. Ansonsten drohen Hochdruckstörungen.

Besondere Anforderungen an die Hydraulik stellen neben der Kopplung mit zusätzlichen Wärmeerzeugern auch die gleichzeitige Versorgung mehrerer unterschiedlicher Heizkreise, etwa für Fußbodenheizung, Frischwassermodule oder Schwimmbäder.

Hohe energetische Verluste können auch Resultat einer unzureichenden Schichtungseffizienz sein. Durchmischen sich warmes und kaltes Wasser im Speicher, sinkt das nutzbare Temperaturniveau. Das führt insbesondere im Winter und zu Spitzenlastzeiten zu einem zusätzlichem Brennstoffeinsatz bzw. Stromverbrauch der Heizungsanlage.

Das Zortström-Speicherkonzept realisiert eine exakte Temperaturtrennung in beliebig vielen Temperaturschichten. Der Vortmix vermischt in der Stufe das ankommende und das vorhandene Wasser. Die Flowsplit-Einheit stellt die zuverlässige Trennung der Temperaturschichten sowie den strömungsberuhigten Wasseraustausch zwischen den Stufen sicher.

Bild: Zortea

Das Zortström-Speicherkonzept realisiert eine exakte Temperaturtrennung in beliebig vielen Temperaturschichten. Der Vortmix vermischt in der Stufe das ankommende und das vorhandene Wasser. Die Flowsplit-Einheit stellt die zuverlässige Trennung der Temperaturschichten sowie den strömungsberuhigten Wasseraustausch zwischen den Stufen sicher.

Kombispeicher als Schaltzentrale

Um die Integration unterschiedlicher Energieerzeuger und die Installation der komplexen Wärmeversorgungssysteme sicher, einfach und platzsparend umzusetzen, wurden in den letzten Jahren zunehmend effiziente, kompakte Kombispeicher für (Wohn-)Gebäude mit kleineren Wärmelasten entwickelt. Die am Markt gängigen Modelle unterscheiden sich zunächst in den verschiedenen Möglichkeiten der Trinkwassererwärmung über einen internen Trinkwasserwärmetauscher, einen innen liegenden Trinkwarmwasserspeicher (Tank-in-Tank-System) oder einen externen Wärmetauscher (Frischwassermodul).

Mit Temperaturschichtung Speicherverluste reduzieren

Ein entscheidendes Effizienzkriterium der kompakten Anlagen ist die Temperaturschichtung und deren Erhalt bei der Be- und Entladung des Speichers. Denn nur ein optimales Temperaturschichtverhalten ermöglicht eine effiziente Wärmeverteilung, reduziert Speicherverluste und erhöht die Speicherleistung.

Vereinfacht gilt, dass ein gut geschichteter Speicher auch dann noch Wärme aufnehmen kann, wenn er bereits geladen ist, und Wärme abgeben kann, wenn er schon relativ entladen ist. Die Grenze zwischen den Temperaturschichten sollte möglichst exakt verlaufen.

Eine Durchmischung im Speicher mit durchgängig warmem Wasser bzw. mittlerer Temperatur schränkt die effektiv nutzbare Wärmemenge ein. Ist die Speicherschichtung nicht ausreichend stabil, müssen die Wärmepumpen in Folge höhere Temperaturen – mit zusätzlichem Energieaufwand – für die Speicherbeladung bereitstellen.

So beeinflusst die Schichtungseffizienz die Gesamtleistung der Wärmepumpenanlage

Eine Temperaturschichtung in Wasserspeichern findet gemäß Schwerkraft und der temperaturabhängigen Dichte von Wasser zunächst automatisch statt. Diese natürliche Schichtung wird unter anderem durch Wärmeleitung und Diffusionen im Wasser, mitreißende Strömungen und Bewegungsenergien bei der direkten Speicherbeladung zerstört, wenn das Trägermedium (mit hoher Geschwindigkeit) einfließt. In der Folge wird die Temperatur im unteren Speicherbereich angehoben und sinkt im oberen (eigentlich heißen) Bereich ab.

Den signifikanten Einfluss der Schichtungseffizienz auf die Gesamtleistung von Anlagen mit Wärmepumpen belegen Forschungsergebnisse des Instituts für Solartechnik (SPF) der Hochschule für Technik in Rapperswil, Schweiz. Demnach hat die Reduktion der Schichtungseffizienz um 10% bei einer Standardheizlast (3450kWh Warmwasser und 8000kWh Raumwärme mit Vor-/Rücklauftemperatur bei Auslegung von 35/30°C) eine Steigerung des elektrischen Energiebedarfs für die Wärmepumpen-Zusatzheizung um 16% (413kWhel/a) zur Folge.

Hingegen reduziert eine Steigerung der Schichtungseffizienz von 10% den elektrischen Energiebedarf der Wärmepumpen um 13%. Im Betrieb von kondensierenden Gasthermen (statt Wärmepumpe) bedeutet eine um 10% tiefere Schichtungseffizienz einen Erdgas-Mehrverbrauch von 4%. Bei einem Pelletkessel mit Rücklaufhochhaltung steigt der Pelletbedarf um ca. 2%.

Die exakte Temperaturverteilung innerhalb der Speicherzentrale Zortström wird durch die präzise Wasserzufuhr in die jeweils entsprechende Temperaturstufe erzielt. Die Trennung der Temperaturschichten hat auch dann Bestand, wenn das Wasser mit hoher Geschwindigkeit einfließt.

Bild: Zortea

Die exakte Temperaturverteilung innerhalb der Speicherzentrale Zortström wird durch die präzise Wasserzufuhr in die jeweils entsprechende Temperaturstufe erzielt. Die Trennung der Temperaturschichten hat auch dann Bestand, wenn das Wasser mit hoher Geschwindigkeit einfließt.

Zortström: Speicherzentrale mit patentierter Technologie

Wie das Ziel einer stabilen und hohen Schichtungseffizienz planungs-, konstruktions- und betriebsseitig umgesetzt werden kann, zeigt beispielsweise die patentierte Zortström-Technologie des Gebäudetechnikspezialisten Zortea. In einem Sammel- und Verteilzentrum realisiert sie bedarfsgerechte und entkoppelte Volumenströme, die Bereitstellung erforderlicher Vor- und Rücklauftemperaturen sowie die sichere Abführung der thermischen Energie. Erzeuger- und Verbraucherseite werden dabei exakt nach individueller Bedarfslage bzw. technischer Anforderung flexibel und laufzeit­optimiert angesteuert.

Zum einen erlaubt es das Prinzip einer hydraulischen Entkopplung aller Erzeuger- und Verbraucherkreisläufe, sämtliche (konventionell oder regenerativ erzeugten) Energieflüsse ohne wechselseitige Beeinträchtigung des Pumpenbetriebs in einem gemeinsamen Speichersystem zusammenzuführen und zu verteilen. Zum anderen sorgt ein speziell entwickeltes Temperaturtrennkonzept für die optimale Temperaturverteilung innerhalb der Speicherzentrale.

Durch die präzise Zufuhr des Wassers in die entsprechend passende Temperaturstufe und integrierte Flowsplit-Einheiten, die einen strömungsberuhigten Wasseraustausch zwischen den Temperaturstufen ermöglichen, wird eine dauerhaft exakte Trennung der Temperaturstufen gewährleistet.

Das Ergebnis ist ein störungsfreier Puffer ohne Bildung von Turbulenzen und Strömungswalzen – auch beim Einsatz von Wärmepumpen mit typischerweise hohen Volumenströmen. Die präzise Wasserzufuhr in getrennte Temperaturstufen ermöglicht es zudem, Wärmequellen mit niedriger Temperatur, wie etwa Solaranlagen bei geringer Einstrahlung, oder Abwärme optimal zu nutzen und die Schichtungseffizienz bzw. die exergetische Bilanz des Speichers zu erhalten und die kostenlose Energie zu nutzen.

Mit der Speicherzentrale Zortström MH1000 lassen sich multivalente Energieversorgungskonzepte auch in kleineren Leistungsbereichen per Plug-and-play umsetzen.

Bild: Zortea

Mit der Speicherzentrale Zortström MH1000 lassen sich multivalente Energieversorgungskonzepte auch in kleineren Leistungsbereichen per Plug-and-play umsetzen.

Kompaktzentrale für kleine und mittlere Leistungen

Die ursprünglich für große Wärme- und Kältebedarfe entwickelte Technologie ist seit Kurzem in Serie als Speicherzentrale Zortström MH1000 für kleinere und mittlere Leistungsabfragen bis circa 30kW Heizlast (mit Zusatzpuffer bis 100kW) verfügbar. Die kompakte, steckerfertig vorkonfektionierte Verteillösung – bedarfsweise mit anpassbarem Frischwassermodul und Heizkreismodulen – besteht aus zwei internen Puffern und arbeitet mit vier ansteuerbaren Temperaturstufen.

Damit lassen sich multivalente Energieversorgungskonzepte (mit gekoppelter Wärmepumpe) auch in kleineren Leistungsbereichen und bei beengten Platzverhältnissen schnell und effektiv etablieren. Eine optional integrierte Regelung steuert die Wärmeerzeuger über einfache Sollwertvorgaben in den Temperaturstufen, sodass die Leistung der Wärmepumpe maximal genutzt werden kann und nur noch zur Spitzenlastabdeckung von anderen Wärmeerzeugern ergänzt werden muss.

Im Betriebstest mit einer 15-kW-Wärmepumpe und einem Volumenstrom von 2570 kg/h erzielte die Kompaktzentrale einen Schichtungseffizienzgrad von 83,5 %. Das entspricht der Effizienzklasse A und die Zortström-Technologie zählt damit nach Herstellerangaben zu den energetisch effektivsten Vorhaltesystemen am Markt.

Fazit

Das Interesse an der Nutzung multivalenter Energiesysteme für Wohnhäuser und Gebäude unter Einbezug von Wärmepumpentechnologie und gegebenenfalls Solarthermie ist hoch. Doch vor allem im Bestand stellen fest vorgegebene Platzverhältnisse, bestehende Infrastrukturen der technischen Gebäudeausrüstung oder spezifische Nutzungsverhältnisse Planer und Installateure vor große Herausforderungen.

Das Schema zeigt die maximal möglichen Anschlussoptionen von Wärmeerzeugern und –verbrauchern an die kompakte Speicherzentrale Zortström MH1000. Das System erfüllt parallel drei Aufgaben: die einer hydraulischen Weiche, eines Pufferspeichers und eines Verteilers.

Bild: Zortea

Das Schema zeigt die maximal möglichen Anschlussoptionen von Wärmeerzeugern und –verbrauchern an die kompakte Speicherzentrale Zortström MH1000. Das System erfüllt parallel drei Aufgaben: die einer hydraulischen Weiche, eines Pufferspeichers und eines Verteilers.

Neben der von Haus aus geforderten flexiblen und objektspezifischen Planung neuer Wärmeerzeugungs- und Verteilsysteme ist die Verbindung einer Wärmepumpe mit multiplen Wärmeerzeugern (Solar, Gas oder Holzofen etc.) sowie die Einbindung unterschiedlicher Heizkreise (Frischwassermodul, Fußboden, Radiatoren etc.) anspruchsvoll, zeitintensiv und letztlich auch fehleranfällig.

Kombitechnologien wie die Kompaktzentrale MH1000 vereinfachen als voll funktionsfähige Plug-and-play-Lösungen die Planung und Umsetzung energetischer Versorgungsanlagen in Neubau und Bestand. Eine erfahrungsgemäß zeitaufwendige Programmierung und Inbetriebnahme entfallen. Ausführende Unternehmen können ihren Zeit- und Kostenaufwand dadurch bereits in der Angebotslegung belastbar planen und kalkulieren.

Die wartungsfreundlichen Systeme erlauben eine ökonomische und ökologische Nutzung von konventionellen als auch regenerativen Energiequellen. Zentraler Effizienzhebel der Kompaktanlagen ist und bleibt die Schichtungseffizienz der Puffertechnologie. Sie erst ermöglicht die maximale Ausschöpfung vorhandener Leistungspotenziale einer Gesamtinstallation.

Dieser Artikel erschien zuerst in der Heftausgabe 03-2020 der SBZ unter dem Titel „Effizienzoptimierung per Plug-and-play“ von Dipl.-Ing. Martin Steinhart.


© Bild: Zortea
Erneuerbare Energien

Öko-smartes Hocheffizienzhaus

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Speicher- und Verteilkonzept für erneuerbare Energien ▪ Bis 2050 soll der Gebäudestand in Deutschland nahezu klimaneutral sein. Die intelligente Verbindung aus ökologischen Baumaterialien, erneuerbaren Energien und hochentwickelten Technologien rückt dieses Ziel in greifbare Nähe. Ein kürzlich fertiggestelltes Bauprojekt im unterfränkischen Marktheidenfeld zeigt, wie der Zukunfts(t)raum, nachhaltige Gebäude klimaneutral zu bauen und zu betreiben, bereits heute realisiert werden kann. → Christian Zortea-Soshko

© Bild: Bosch

Wärmepumpe und Photovoltaik vernetzen

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Energiemanagementsysteme ▪ In Deutschland leisten etwa 1,8 Millionen Photovoltaikanlagen und bald eine Million Wärmepumpen einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende. Durch die Kombination beider Systeme, etwa in einem Einfamilienhaus, entsteht allerdings ein noch größerer Nutzen, als wenn jedes für sich allein eingesetzt wird. Für das optimale Zusammenspiel beider Komponenten sorgen dabei Energiemanagementsysteme. Wird hier noch ein Batteriespeicher integriert, sind Autarkiegrade und Eigenverbrauchsquoten von über 70 % möglich. → Martin Weiss

© Bild: Buderus

Nachhaltig investieren

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Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik ▪ Systeme zur Nutzung regenerativer Energien schonen Klima und Ressourcen. Nicht zuletzt tragen sie auch dazu bei, die Kosten für die Wärmeerzeugung nachhaltig zu senken. Ein Beispiel sind Wärmepumpen im Neubau, die in Kombination mit Photovoltaikanlage und Stromspeicher sowie Energiemanagementsystem noch höhere Einsparpotenziale aufweisen. In diesem Beitrag werden hier drei Systemkombinationen in Hinsicht auf ihre Wirtschaftlichkeit verglichen. → Wolfgang Diebel und Hans-Jörg Risse

© Bild: Wolf

Ein Doppel für die Zukunft

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Kombination von fossiler und erneuerbarer Heiztechnik ▪ Die Ziele sind klar: ein möglichst klimaneutraler Gebäudebestand bis spätestens 2050 und eine deutliche Absenkung der von Gebäuden ausgestoßenen CO2-Emissionen bis 2030. Weit weniger klar ist, wie dies im Einzelfall – ob Bestandsgebäude oder Neubau – unter Berücksichtigung aller An- und ­Herausforderungen mit möglichst geringen Kosten zu meistern ist. Eine praktikable Lösung sind Hybrid-Heiz­systeme, mit denen auch flexibel auf künftige Veränderungen reagiert werden kann. Sie bieten aber noch weit mehr Vorteile. → Martin Bauer

© Remko

Möglichst leise und unauffällig

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Installation von Wärmepumpen Insbesondere im Ein- und Zweifamilienhausneubau kommen Luft/Wasser-Wärmepumpen immer häufiger zum Einsatz. Angesichts der schrumpfenden Grundstücksgrößen gewinnt dabei auch das Thema Schallemissionen zunehmend an Bedeutung. Wer hier aber die wichtigsten Einflussfaktoren kennt und berücksichtigt, kann bereits vorab abschätzen, ob die einschlägigen Grenzwerte eingehalten werden, und so möglichen Konflikten vorbeugen. Marion Paul-Färber

© BWP

Das Klima und die Kältemittel

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Kältemittel für Wärmepumpen Der Umstieg auf alternative Kältemittel ist im Rahmen der aktuellen Klimaschutzdebatte und nicht zuletzt durch die Preisentwicklung am Kältemittelmarkt ein wichtiges Thema. Für die Wärmepumpenbranche gilt es hier, die Erfordernisse hoher Energieeffizienz, größtmöglicher Anlagensicherheit und der Nachhaltigkeit in Einklang zu bringen. Mit dem Fokus auf die Klimaauswirkungen beleuchtet dieser Beitrag die Herausforderungen der F-Gase-Verordnung und zeigt Möglichkeiten und Grenzen neuer Kältemittel auf. Alexander Sperr

© Margot Dertinger-Schmid

Weniger ist mehr

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Trends und Entwicklungen Geothermie Mangelndes Planungswissen sowie die Auslegung nach Standardverfahren haben überdimensionierte Erdwärmesonden und Wärmepumpen zur Folge. Dies führt in der Regel zu einer schlechten Wirtschaftlichkeit – gerade in kleineren Projekten. Auf der Kongressmesse Geotherm zeigten Experten von der Gebäudesimulation über Quartierskonzepte bis hin zum Monitoring praxiserprobte Ansätze, wie sich hier gegensteuern lässt. Wolfgang Schmid