Wärme, die aus der Kälte kommt

Wärme, die aus der Kälte kommt Sonne, Erde, Lu6 und Wärmepumpe – Eisspeicher als Primärquellenpuﬀer Energie-‐Technik Plamenig Isocal Generalvertretung Schweiz & Liechtenstein Stöckackerstr. 30 4142 Münchenstein www.isocal.ch Isocal HeizKühlsysteme GmbH 2006 2007 
Beginn der innovaDven und konstrukDven Entwicklung des SolarEis-‐Speichers in Verbindung mit einer gasbetriebenen Wärmepumpe Entwicklung eines geräuschlosen Dachabsorbers als mulDfunkDonale Wärmequelle und Wärme-‐
senke; Patent auf das System der Wärmetauscher-‐ anordnung beim SolarEis-‐Speicher 2008 
FerDgstellung aller Komponenten Namensschutz für "isocal" und "SolarEis“ 2009 
Entwicklung der Steuerungstechnik; Aufnahme Projektgeschä] SEi; DeﬁniDon und Entwicklung Standardprodukt SE 12 2010 
Generalvertretung Schweiz & Liechtenstein Serienreife SE 12 KooperaDon Viessmann/KWT Lieferprogramm SE 12 6, 8, 10 bis 20kW , Serienreife SolarLu]-‐Kollektor, Ausbau Projektgeschä] und Solare KlimaDsierung 2011 
2012 
Groß-‐Projekte EBV Hamburg Tilemannhöhe, Evonik Köln-‐Porz, Ecolab Langenfeld, D´dorf Heerdt Viessmann wird Hauptgesellscha6er isocal HeizKühlsysteme GmbH Donaustraße 12 D-‐88046 Friedrichshafen www.isocal.de Bessere Fragen liefern bessere Antworten Wie kann man die Wärme des Sommers für den nächsten Winter nutzen -‐ und umgekehrt? Wie kann man die Wärme des Tages für die nächste Nacht nutzen -‐ und umgekehrt? Wie kann man die Wärme und Kälte einer Wärmepumpe gleichermaßen nutzen? Indem man Wärme und Kälte speichert! Bessere Fragen liefern bessere Antworten Wie kann man die Wärme des Sommers für den nächsten Winter nutzen -‐ und umgekehrt? Wie kann man die Wärme des Tages für die nächste Nacht nutzen -‐ und umgekehrt? Wie kann man die Wärme und Kälte einer Wärmepumpe gleichermaßen nutzen? In der Physik gibt es nur Wärme, alles oberhalb -‐ 273,15 °C ist im physikalischen Sinne „warm“. Während andere Speicherkonzepte Wärme auf hohem Temperaturniveau speichern, geht SolarEis einen anderen Weg: SolarEis speichert Wärme verluslrei auf niedrigem Temperaturniveau. In einem unterirdisch eingebrachten Speicher. Sicher, wirtscha6lich und umwelIreundlich. Fünf regeneraLve Energiequellen im opLmalen Zusammenspiel Komponenten des SolarEis-‐Systems SolarLu]-‐Kollektor SolarLu6-‐Kollektor Er nimmt die Wärme der Sonne und der erwärmten Umgebungslu] auf -‐ auch bei Bewölkung oder diﬀuser Strahlung. Sein Energieertrag ist somit höher als der klassischer Solaranlagen. Überschüsse im Sommer werden im SolarEis-‐Speicher eingelagert.
OpLmale Nutzung von Solarer Energie und Umgebungswärme Während der SolarLu]-‐Kollektor in der Horizontalen die Solare Energie aufnimmt, bietet der Kollektor in der VerDkalen eine große Fläche zur Aufnahme der in der Umgebungslu] enthaltenen Energie – auch dann, wenn die Sonne nicht scheint. SolarLu]-‐Kollektor SolarEis-‐Speicher unterhalb Frostgrenze (ca. 1 m) SolarEis-‐Speicher In der warmen Jahreszeit werden hier überschüssige Sonnenenergie und Wärme aus der Umgebungslu] auf niedrigem Temperaturniveau gespeichert. Die umgebende Erdwärme ermöglicht die Speicherung über längere Zeit und ohne Isolierung. Mit Beginn der kalten Jahreszeit wird die Wärme dem Speicher entzogen und über die Wärmepumpe dem Warmwasserspeicher und dem Heizsystem zugeführt. Beim kontrollierten Phasenübergang von Wasser zu Eis werden große Mengen an KristallisaDonsenergie freigesetzt. Das Eis steht nun zur kostenlosen Kühlung zur Verfügung.
SolarLu]-‐Kollektor SolarEis-‐Speicher unterhalb Frostgrenze (ca. 1 m) Sole/Wasser-‐Wärmepumpe elektronisches ExpansionsvenDl soleseiDg bis -‐10 °C Vorlau]emperatur Wärmepumpe Sie entzieht dem unterirdischen SolarEis-‐Speicher Wärme und führt sie dem Warmwasserspeicher und dem Heizsystem zu. GleichzeiDg versorgt sie die Räume mit Wärme.
SolarLu]-‐Kollektor Steuerung „Energiequellenmanagement“ SolarEis-‐Speicher unterhalb Frostgrenze (ca. 1 m) Sole/Wasser-‐Wärmepumpe elektronisches ExpansionsvenDl soleseiDg bis -‐10 °C Vorlau]emperatur SolarEis-‐Steuerung Sie dirigiert das Gesamtsystem und entscheidet, wann der SolarLu]-‐Kollektor Wärme in den SolarEis-‐Speicher einspeist oder ob die zur Verfügung stehende Energie direkt über die Wärmepumpe an das Gebäude abgegeben werden soll.
SolarEis -‐ Heizen mit Eis Das SolarEis-‐System strebt eine hohe Primärquellentemperatur an, diese wird durch das ständige Laden des Speichers mit Erdwärme, Umgebungswärme und solarer Energie gewährleistet. Die KristallisaDonswärme wird nur in folgenden Fällen genutzt: •  Die regeneraDven Wärmemengen aus Erde, Lu] und Sonne reichen nicht aus und das System muss seine Reserven nutzen. •  Das beim Phasenwechsel entstehende Eis soll später zur Kühlung genutzt werden. Intelligentes Wärmequellenmanagement macht den Unterschied 50
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Mehr als 65 % des Jahresenergie-‐
bedarfs werden durch Umgebungs-‐
wärme und solare Energie über das Wärmequellenmanagement direkt abgedeckt. 35 % 22 % 7 % 20
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Außentemperatur in °C
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Heizleistung Vorlau6emperatur erforderliche Heizleistung in kW Heizsystemtemperatur in °C
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Wärmeentzug durch patenLertes Verfahren Eis ist ein guter Isolator und verhindert bei zunehmender Dicke den weiteren Entzug von Wärme. Entgegen Plawenwärmetauschern mit konstanter Oberﬂäche bildet sich um das Wärmetauscherrohr ein Eiszylinder, der somit die Oberﬂäche vergrößert. Die größere Oberﬂäche gleicht den schlechteren Wärmedurchgang des Eises aus und stellt den konstanten Wärmeentzug sicher. 0 °C Wasser und 0 °C Eis. EnergeLsch ein Unterschied wie Tag und Nacht SolarEis – Leistungsproﬁl SE 12 InvesLLons-‐ und Betriebskosten in 15 Jahren Investitions- und Betriebskosten in 15 Jahren
60.000 €
45.000 €
34.681 €
40.487 €
30.000 €
13.456 €
29.214 €
10.532 €
9.031 €
22.500 €
23.400 €
15.000 €
19.900 €
19.500 €
15.580 €
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Invest Heizung
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11.470 €
Betriebskosten Heizen 15 Jahre
InvesLLons-‐ und Betriebskosten in 15 Jahren Investitions- und Betriebskosten in 15 Jahren
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6.007 €
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40.487 €
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100 €
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10.532 €
9.031 €
2.750 €
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Betriebskosten Kühlung 15 Jahre
Kostenbeispiel UMBAU / SANIERUNG Projekt Maisprach, BL -‐ Komplewe Heizungssanierung, Gebäude (1912) steht unter Denkmalschutz •  SE-‐12 10kW Heizlast, 3 SLK-‐F, SolarEis Steuereinheit XL Kostenbeispiel UMBAU / SANIERUNG SolarEis CHF SolarEis CHF SolarEis System 10kW, inkl. SLK-‐F, Steuereinheit XL 18‘500 Wärmeerzeugung 22‘500 TWW / BWW 2‘500 Anschluss SolarEis-‐
Speicher, SLK-‐F an WP 7‘500 Wärmeverteilung 15‘500 Durchbruch 1‘000 Elektrische Arbeiten 6‘500 WP & SolarEis-‐
System Gartenarbeiten / Aushub 12‘500 Zwischentotal TOTAL 86‘500 32‘500 SubvenLon Amt für 6‘000 CHF Umwelt & Energie BL TOTAL 80‘500 CHF Kostenbeispiel UMBAU / SANIERUNG Erdsonde CHF Erdsonde CHF Erdsonden & Zubehör 32‘500 Wärmeerzeugung 22‘000 Zwischentotal 32‘500 Wärmeverteilung, 20‘000 inkl. Elektrische Arbeiten, Transport & Montage TOTAL 74‘500 TOTAL SolarEis 80‘500 CHF Diﬀerenz SolarEis VS Erdsonde im UMBAU 6‘000 CHF Kostenbeispiel UMBAU / SANIERUNG SolarEis CHF SolarEis System 10kW, inkl. SLK-‐F, Steuereinheit XL 18‘500 Anschluss SolarEis-‐
Speicher, SLK-‐F an WP 7‘500 Gartenarbeiten / Aushub TOTAL SubvenLon Amt für 6‘000 CHF Umwelt & Energie BL TOTAL SolarEis 32‘500 CHF Erdsonde CHF 12‘500 Erdsonden & Zubehör 32‘500 38‘500 TOTAL 32‘500 Gleicher Preis der beiden Systeme im UMBAU / SANIERUNG Bereich Kostenbeispiel NEUBAU SolarEis CHF SolarEis System 10kW, inkl. SLK-‐F, Steuereinheit XL 18‘500 Anschluss SolarEis-‐
Speicher, SLK-‐F an WP 7‘500 TOTAL 26‘000 SubvenLon Amt für 6‘000 CHF Umwelt & Energie BL TOTAL SolarEis 20‘000 CHF Erdsonde CHF Erdsonden & Zubehör 32‘500 TOTAL 32‘500 SolarEis System 12‘500 CHF günsLger im NEUBAU EinsparpotenDal Bsp. an Hand 10 kW SolarEis System ausgelegt auf 1‘800 Betriebsstunden der WP •  18‘000 kWh / Jahr ≈ 1‘500 kg Heizöl ≈ 1‘800 Liter •  Kosten vor Einsatz SolarEis ≈ 1‘890 CHF / Jahr Nach Einsatz einer Wärmepumpe (JAZ 4.0) •  4‘500 kWh / Jahr Antriebsenergie WP ≈ 450 CHF Nach Einsatz einer WP in Komb. mit SolarEis-‐System (JAZ 5.0) •  3‘600 kWh / Jahr Antriebsenergie WP ≈ 360 CHF EinsparpotenDal Bsp. an Hand 10 kW SolarEis System ausgelegt auf 1‘800 Betriebsstunden der WP Einsparung pro Jahr: 1‘530 CHF Energiekostenentwicklung "PrognosLzierte Preisentwicklung Heizöl" 30 25 20 15 10 5 0 "PrognosDzierte Preisentwicklung Heizöl" SE-‐12 zu SEi SolarEis SE-‐12 SolarEis SEi •  Paket-‐Lösung für Heizlasten von 6, 8, 10 kW mit einem SolarEis Speicher – und 12, 14, 16, 18 und 20 kW Heizlast mit 2 SolarEis Speichern geschalten in Kaskade •  Lieferumfang: SolarEis Speicher 12m3, SolarLu]-‐Kollektoren S, SolarEis-‐Steuereinheit L / XL •  Einsatzbereiche: EFH / MFH •  Voraussetzung: Sole/Wasser Wärmepumpe •  Ausgelegt auf 1‘800 Betriebsstunden der WP •  Für Heizlasten grösser als 20 kW •  Betonspeicher wird bauseiDg vor Ort gebaut •  SolarEis Speicher kann mit diversen anderen Systemen kombiniert werden •  Lieferumfang: nach Kundenwunsch individuell •  Einsatzbereiche: Industrie, Gewerbe, Hotels, Spitäler, nahe Kaltewärmeverbundsnetze •  Nach Kundenwunsch konﬁgurierbar SolarEis im Stadtarchiv Stumgart SolarEis im Stadtarchiv Stumgart • 
Wasserschutzgebiet • 
Hohe Anforderungen an Wirtscha]-‐ lichkeit, Umweltverträglichkeit und Sicherheit • 
2 Gasbrennwertkessel mit 250 und 300 kW Leistung • 
4 GasabsorpDonswärmepumpen mit je 40 kW • 
Speichervolumen 400.000 Liter InvesLLons-‐ und Betriebskosten Gewerbeobjekt Au]eilung der Entzugsenergie Q_Fremdwärme Neubau, gewerbliche Nutzung (50 W/qm), miwleres Klima, 2.000 Vollbenutzungsstunden, benöDgte Q_Erde Jahresheizenergie 80 kW, 160.000 kWh Speichervolumen: 409 m3 11%
Kosten für Wärmetauscher: ca. 39.800 Euro / 47‘760 Fr. Kosten für RegeneraDon: ca. 15.300 Euro / 18‘360 Fr. Kosten für Speicher: ca. 37.000 Euro / 44‘400 Fr. Jährliche Heizkosten: ca. 7.200 Euro / 8‘640 Fr. Kostenlos zur Verfügung stehende 28%
Kühlleistung: 25.800 kWh/a Diese Kühlleistung muss in anderen System für 4.644 Euro / 5‘572.80 Fr. eingekau] werden (zzgl. Aggregate) Q_latent Q_amb (Sonne+Lu]) 6%
46%
9%
Q_sens (25/0) Aktuelle Projekte Klimaschutzsiedlung
Köln-Porz
Die Zukun6 Nah-‐Kaltwärmenetze mit SolarEis-‐
Primärenergiespeicher Lage Ihrer Gemeinde Das Nahwärmenetz mit SolarEis-‐
Primärenergiespeicher an einem Projektbeispiel Das Versorgungsprinzip Anbindung an das Nahwärmenetz (Eisspeicher) Das Leitungssystem – die Verlegung Das Leitungssystem – die Qualität Entscheidende Preistreiber bei der Fernwärmeversorgung sind die hohen Kosten für die Leitungsrohre, z.B.: PE100 Wasserrohr ca. 40 €/m DN 200 vs. Kunststoﬀmantelrohr isoliert für Fernwärmeleitungen ca. 220 €/m DN 200. Hinzu kommt der durch den Transport entstehende Wärmeverlust, der laut AGFW bei bundesweit durch-‐schniwlich 12% liegt. Faserverbundrohre
PE-HD 100 – Rohre und Formteile
Das Versorgungsprinzip Umgebungstemperatur Erdreich Sommer = +13°C Winter
= + 3°C •  durch angepasste Systemtemperaturen kein Wärmeverlust der Transportleitung •  Winterbetrieb – Wärmegewinn durch Temperatur-‐Unterschied zwischen Erdreich und Medium Das Versorgungsprinzip Einspeisung von Stromüberkapazitäten aus: •  Kra]werk •  Wasserkra] •  Photovoltaik •  Windkra] Das Versorgungsprinzip Der grundsätzliche Vorteil bei dem Transport der Wärme auf einem niedrigerem Temperaturniveau als dem der Umgebung ist, dass auf dem W e g z u m E n e r g i e v e r b r a u c h e r zusätzliche Wärmegewinne ent-‐
stehen. Das Kaltwärmenetz übernimmt damit die FunkDon eines Erdkollektors. Entscheidend für diese Überlegung sind die Temperatur im Boden und die der Transportleitung. Wärme strömt immer von dem System niedrigerer Temperatur zu dem System höherer Temperatur. Das Versorgungsprinzip Leistungsbereich der Wärmepumpe Zusammenfassung Das vorliegende Konzept, zeigt die Machbarkeit eines Primärspeichersystems mit hieran angebundener Versorgung der Liegenscha]en, über ein kaltgehendes Nahwärmenetz. Das vorgestellte System stellt eine AlternaDve zu den bisher bekannten, warmgehenden Nahwärmenetzen dar. Bedingt durch die niedrigen Systemtemperaturen können lokale Wärmequellen erschlossen und in das System eingebunden werden. Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau kann nutzbar gemacht werden und in das System eingebunden werden (Abwasser). Ziel ist ein Wärmetransport auf einem niedrigen Temperaturniveau. Die im Erdreich verlegten Rohrleitungen sind nicht isoliert und können über das Erdreich im Jahresdurchschniw Wärmegewinne erzielen. Zusammenfassung Das Kaltwärmenetz stellt eine Form des Erdkollektors dar. Dezentral installierte Wärmepumpen erzeugen die gewünschten Temperaturen für die Wärme-‐ und Warmwasserversorgung, in den angeschlossenen Gebäuden. Das Kaltwärmenetz dient hierbei als Wärmquelle und stellt die Primärenergie zur Verfügung. Jeder Nutzer hat aufgrund seiner GebäudecharakterisDk, die Möglichkeit den Energiebezug und die notwendige Heiztemperatur selbst zu besDmmen. Der Nutzer hat die Möglichkeit, vorhandene Wärmequellen z.B. Solarkollektoren mit dem Wärmpumpensystem eﬃzient zu verknüpfen. Zusammenfassung Die ProdukDon von Wärme und die Einspeisung kann über ein Tarifmodel vergütet werden. Hierdurch lassen sich die Primärkosten senken und der Wärmemengenpreis sinkt. Als Wärmequellen und Wärmeerzeuger lassen sich auch Stromüberkapazitäten (Smart Grid) einbinden. Abwärme aus Windenergieanlagen, Wechselrichter von PV-‐Anlagen, AbsorpDons-‐ und Kompressionskältemaschine kann nutzbar gemacht werden. Das Netz ist fast beliebig erweiterbar, der örtliche Ausstoß von Schadstoﬀen wird deutlich gemindert. Referenzen Nah-‐Kaltwärmenetze mit SolarEis-‐Primärenergiespeicher – Bereits realisierte Bauvorhaben / Projekte 1.586.000 Liter Wasservolumen 19 Meter Durchmesser, 6 Meter lichte Höhe Versorgung von 466 Bestandswohnungen Wirtscha6lichkeit und NachhalLgkeit Ergebnisse CO2 Vermeidung Heute 6 7 4 1 2 3 8 9 10 11 12 5 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 1.511 to/a 336 to/a Der CO2-‐Austoß kann um 78 Prozent verringert werden – ohne zusätzliche Maßnahmen an der Gebäudehülle. 1.100.000 Euro / 466 WE = 2.360 Euro/WE Das entspricht den Kosten für eine Lü]ungsanlage Förderung: 50 Prozent durch die Stadt Hamburg und KfW MehrgeneraLonen-‐Wohnen und Mehrfamilienhäuser zur Miete Etwa 50 m vom Rhein und ca. 10 km von der Kölner Innenstadt enlernt ist innerhalb einer großzügigen Parkanlage, auf einer Fläche von 8.000 m² ein überschaubares WohnquarDer entstanden. •  4 einzelne Baukörper
•  4-geschossig + Staffelgeschoss
•  112 Wohnungen = 7.650 m² beheizte Fläche
•  Wohnungsgrößen von 46m² bis 116m²
•  jedes Haus hat eine Wärmepumpe
•  jedes Haus hat Flachdach – Solar-Absorber
•  ein gemeinsamer Eisspeicher
Leistung Heizen:
Heizbedarf:
Heizlast:
Jahreszahl Wärmepumpe:
CO²-Wert:
26,1 kW/m²
19,0 W/m²
5,6
7,5 kg/m²a
Solar-‐ Eisspeicher: Länge Breite Höhe 19,00 m
14,00 m
4,50 m Volumen: 1.197,00 m³ Wärmetauscher: 9.000,00 m MehrgeneraLonen-‐Wohnen und Mehrfamilienhäuser zur Miete Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Energie-‐Technik Plamenig Isocal Generalvertretung Schweiz & Liechtenstein Stöckackerstr. 30 4142 Münchenstein www.isocal.ch