Heizen und kühlen ohne CO2

Heizen und kühlen ohne CO2-Emissionen
Null Emission bei Gebäuden – diesem Ziel ist Hansjürg Leibundgut, Professor für
Gebäudetechnik an der ETH Zürich, einen grossen Schritt nähergekommen: eine FirmenAllianz will seinem an der ETH entwickelten, praktisch CO2-emissionsfreien Heiz- und
Kühlsystem namens 2SOL zum Durchbruch verhelfen.
Verschiedene Medien berichteten in den letzten Tagen darüber (Tages-Anzeiger, SRF, ETH).
Ein Video macht das System für Laien verständlich.
Kernstück des Systems ist ein Hybridkollektor, der Teil der Dachkonstruktion ist. Folgender
Auszug aus seinem Buch LowEx Building Design erläutert die genaue Funktionsweise des
Kollektors sowie der Koaxial-Erdwärmesonde und der Turbo-Wärmepumpe, die mit ihm
verbunden sind.
aus: © Hansjürg Leibundgut: LowEx Building Design, 2011
Fotovoltaik- und der PVT-Hybridkollektor als Erntemaschinen für Strom und Wärme
Ein sogenannter Fotovoltaikkollektor erzeugt Elektrizität aus Solarstrahlung, also Energie in
Form von elektromagnetischer Strahlung. Dazu aber muss die Solarstrahlung perfekt
absorbiert werden, damit innerhalb der fotoelektrischen Schicht der gewünschte Prozess
ablaufen kann. Dabei werden bei Dünnschichtzellen 10 %, bei monokristallinen Siliziumzellen
als Maximalwert 22 % der Strahlungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Ein Zehntel der Strahlung wird bei diesen Prozessen nicht absorbiert, sondern von der Zellenoberfläche reflektiert.
Fig. 1: Fotovoltaische Vorderseite PVT-Hybridkollektor
Pel, peak = 150 Wel / m2
Der Wirkungsgrad nimmt bei steigender Temperatur der Panele erfahrungsgemäss ab.
Fig. 2: Kennlinie Fotovoltaik
PV-Panele erwärmen sich bei solarer Einstrahlung. Die dabei erreichte Temperatur hängt von
verschiedenen Faktoren ab: von der Strahlungsintensität etwa, der Stromauskopplung, der
Temperatur der Umgebungsluft oder der Windgeschwindigkeit. Eine Rolle spielt aber auch
die Art, wie die Panele aufgestellt wird und wie es mit der Kühlung steht. Thermisch gesehen
funktioniert ein PV-Panel wie eine schwarze Glasplatte. Bei unserem Low Ex-Ansatz
verwenden wir das PV-Panel als Grundelement für das, was sich eine solarthermische
«Erntemaschine» nennen liesse. Ihre Funktion ist es, einen möglichst grossen Anteil der
Abwärme des PV-Panels in eine verwertbare Energieform zu übersetzen. Ein Flüssigkeitsstrom wird dabei im Panel um eine bestimmte Temperaturdifferenz erwärmt. Je nachdem,
wie der Massenstrom variiert und die Eintrittstemperatur bestimmt wird, kann die
Austrittstemperatur in diesem Prozess beeinflusst und damit auch definiert werden. Dies
führt dazu, dass sowohl der energetische wie auch der exergetische Output des Systems
variabel gestaltet werden kann.
Fig. 3: Kennlinie Thermik
Je höherwertiger der Wärmestrom aus dem Panel ausfällt, desto kleiner wird logischerweise
der Energiestrom. Bei tiefer Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums steigt der
elektrische Wirkungsgrad des elektrischen Teils des PVT-Hybridkollektors. Die Folge: Der
gewonnene Wärmestrom steigt quantitativ, die exergetische Qualität des Wärmestroms
sinkt.
Fig. 4: Rückseite PVT-Hybridkollektor
Der PVT-Hybridkollektor ist im Low Ex-System ein sehr differenziert einsetzbarer Apparat zur
Induktion von Solarenergie in das System.
Dabei kann der dazu benötigte Apparat sehr einfach konstruiert werden. Der technische
Zusatzaufwand zum PV-Panel ist gering, der energetische Nutzen aber sehr gross.
Das Fenster stellt eine weitere Induktivität dar und funktioniert im Zusammenspiel mit einer
absorbierenden Fläche im Innern des Gebäudes. Die Verglasung alleine bewirkt keinerlei
Effekt. Erst nach Absorption an einer opaken Fläche, beispielsweise einem Fussboden, wird
die Solarstrahlung in Wärme umgewandelt. Die Verglasung verhindert eine Rückströmung
der Wärme nach aussen.
Die durch die Solarstrahlung induzierte Wärme im Innern erwärmt die Raumluft. Erwünscht
ist dies bis zu einem Schwellwert von rund 23 °C Lufttemperatur. Höhere Werte sind
unerwünscht und in diesem Fall müsste über eine externe Verschattung oder eine interne
Wärmeabfuhr die Temperatur wieder auf ein als angenehm empfundenes Mass reduziert
werden. Klar ist, dass das Fenster nicht nur eine thermische Induktivität darstellt, sondern
auch zur natürlichen Belichtung der Innenräume dient.
Fig. 5: Kennlinie Sonnenschutzglas
In der Regel ist eine hohe Transparenz τv im sichtbaren Teilspektrum der Solarstrahlung
erwünscht. Je nach Umgebung und Anforderung kann es sinnvoll sein, dass die über das
ganze Spektrum gemittelte Transparenz τe kleiner ist als τv. Das Verhältnis S = τv / τe wird als
Selektivität bezeichnet.
Ist Heizen das Thema, ist eine tiefe Selektivität S = ca. 1.0 bei hohem τv-Wert erwünscht; bei
der Notwendigkeit der Kühlung bringt eine relativ hohe Selektivität S > 1.8 Vorteile.
Sonnenschutzglas mit S > 1.8 kann bewirken, dass eine externe Verschattung ganz oder
teilweise weggelassen werden kann. Die induzierte Restenergie kann intern weggeführt
werden, ohne dass die Raumtemperatur über 24–25 °C ansteigt. Der Anteil der Ultraviolettstrahlung ist dabei von besonderer Bedeutung. Wird diese dank hoher Selektivität
ausgefiltert, vergilben Möbel, Holzböden oder Teppiche im Innenraum weniger.
In ZE-Low Ex-Gebäuden muss der S-Wert sorgfältig ausgewählt werden, da zahlreiche Parameter wie der COP der Wärmepumpe oder die Leistungsfähigkeit der Raumkühlung stark
beeinflussbar sind.
Erdspeicher als externer Kondensator
Bei einem Aktiv-Solarhaus wie auch beim Passiv-Solarhaus begrenzt der interne Speicher Cint
das System. Dagegen wirkt der ZE-Low Ex-Ansatz besonders vorteilhaft, sofern dem Gebäude
ein Speicher mit sehr grosser Kapazität C zugeordnet werden kann. Evident ist dabei
zweierlei: Sehr grosse Speicher können keineswegs im Gebäude selbst platziert werden, und
grosse und gleichzeitig kostengünstige Speicher können nicht wärmegedämmt sein. Die
Lösung sind grosszügig dimensionierte Erdreichspeicher, deren Ladetemperatur unter der
Nutztemperatur der anvisierten Wärme liegt. Der Transformator, die Wärmepumpe also, soll
für den Transport der Wärme aus dem Erdreich in das Gebäude wenig Exergie benötigen.
Was aber ist ein Speicher? Ein Speicher ist ein Volumen, das mit einer bestimmten Masse
eines Materials gefüllt ist, mit einer spezifischen Dichte ρ, einer spezifischen
Wärmekapazität cp und einer Wärmeleitfähigkeit λ. Ein leistungsfähiger Speicher benötigt
eine ideale Lade- und Entladevorrichtung mit geeigneter Leistung sowie eine
Speicherumgebung, die so beschaffen ist, dass die Speicherverluste vernachlässigbar bleiben.
Das Erdreich mit einer Dichte ρ ~ 2'000 kg/m3, einer spezifischen Wärmekapazität cp = 2.5
kJ/kgK sowie der spezifischen Wärmeleitfähigkeit λ = 1.8–2.5 W/mK stellt dabei eine
ausreichend gute Speichermasse für Wärme dar. 300 Meter im Erdinnern herrscht in
geografischen Zonen mit Heizbedarf eine Temperatur von 18 bis 19 °C (geothermischer
Gradient ca. 0.03 K/m). Diese Speichermasse kann einfach und relativ kostengünstig mittels
vertikalen Erdsonden thermisch be- und entladen werden. Die Materialeigenschaften ρ, cp
und λ sowie die radiale Wärmeausbreitung um die Erdsonde bewirken, dass der exergetische
Speicherwirkungsgrad γs,e auch bei Speicherzeiten über 2'000 Stunden einen Wert von über
50 % erreicht und damit relativ hoch bleibt, sofern die Speichertemperatur die natürliche
Umgebungstemperatur nur maximal 3–4 K (bei einem Radius von 3 m) übersteigt und das
Erdreich auf maximal 2–3 K unter die natürliche Gesteinstemperatur ausgekühlt wird.
Pro Meter Erdsondenlänge kann ein Speichervolumen von rund 30 m3 Erdreich mit einer
Speichertemperaturdifferenz von 6 K bewirtschaftet werden. Dies bedeutet rund 100 kWh
Wärmespeicherkapazität pro Meter Erdsonde – bei einer Entladetemperatur, die im Jahresmittel rund 4 K unter der natürlichen Temperatur des Erdreichs in der entsprechenden Tiefe
entspricht.
In Fig. 11 wird gezeigt, dass eine Wärmepumpe einen COP > 7 erreicht, sofern die Temperatur T2 über 15 °C beträgt. Diese Temperatur tritt erst in einer Tiefe von rund 300 m im
Erdreich auf. Die darüberliegenden rund 200 m sind als Speicherumgebung ungeeignet und
sollten deshalb ohne Temperaturabfall durchquert werden.
Unter dem Stichwort «minimale Fassade» wird später gezeigt, dass der Heizleistungsbedarf
für die Deckung der Transmissionsverluste rund 20 W/m2 EBF beträgt. Für die Deckung der
Lüftungsverluste und für die Warmwasseraufbereitung werden maximal 10 W Heizleistung
pro Quadratmeter Energiebezugsfläche benötigt. Die Volllaststundenzahl der Wärmeerzeugung liegt bei rund 1800 h/a, weshalb die spezifische Wärmeenergiekennzahl bei rund
54 kWh/m2a zu liegen kommt.
Dies bedeutet: Pro Quadratmeter Energiebezugsfläche im Gebäude muss demnach ein
Speicher mit rund 0.65 m Sondenlänge gebaut werden. Optimal sind dabei Erdsonden mit
rund 350 bis 450 m Tiefe. Eine einzige Sonde kann über 600 m2 Energiebezugsfläche
versorgen – die Fläche von 4 bis 5 Wohnungen. Die natürliche Erdreichtemperatur ist am
unteren Ende der Sonde in 450 m Tiefe rund 14 °C höher als am Punkt des Erdeintritts.
Fig. 6: Koaxial-Erdsonde
Ziel ist es, dass Wasser mit möglichst hoher Temperatur aus der Sonde in die Wärmepumpe
eintritt. Die Sonde muss so gebaut sein und betrieben werden, dass die höchste im Erdreich
gemessene Temperatur oben an der Wärmepumpe zur Verfügung steht. Sogenannte URohrsonden erfüllen diese Bedingung keineswegs, wohl aber KOAX-Erdsonden, Sonden mit
einem wärmegedämmten Zentralrohr.
Die Fliessrichtung ist im Winter umgekehrt zur Fliessrichtung im Sommer. Dadurch wird
erreicht, dass die natürliche Schichtung im Erdspeicher nicht gestört wird. Im Winterbetrieb
wird die Temperatur zum Verdampfer der Wärmepumpe um rund 3 bis 4 °C höher liegen als
bei U-Rohrsonden.
Ein solcher Betrieb wirkt sich auf den COP der Wärmepumpe besonders vorteilhaft aus,
wenn Niederhubsysteme mit einem Temperaturhub von < 20 K zum Einsatz gelangen.
Fig. 7: Wirkung der KOAX-Sonde auf den COP der Wärmepumpe
Dabei gilt: Je kleiner der Temperaturhub, desto grösser die Auswirkung der KOAX-Sonde.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Erdreich «überladen» wird, also auf eine deutlich
höhere Temperatur aufgeheizt wird, als dies den natürlichen Bedingungen entspricht.
Kollektiv bewirtschaftete Speichersysteme sind wirkungsvoller als individuell betriebene.
Erdsondenfelder (vgl. Bürogebäude HPZ, → S. 134) bestehen aus einer grossen Zahl von
Sonden, die in einem Abstand von 5 bis 6 m verbaut sind. Bei grossflächigen Feldern mit
über 50 Sonden kann der Kern eines Speichers auf über 30 °C aufgeladen werden, da die
umliegenden Sonden isolierend wirken. Interessant ist dies vor allem dann, wenn grosse
Mengen anderweitig nicht verwertbarer Sommer-Abwärme mit 30–35 °C zur Verfügung
stehen. Bei aktiv gekühlten Gebäuden ist dies gewöhnlich der Fall.
Fig. 8: Erdsondenfeld ETH Zürich Hönggerberg
Die Temperatur T2 sowie die Kapazität Cext des Speichers bestimmen darüber, wie effizient
der Transformator (die Wärmepumpe) bei einer gegebenen Vorlauftemperatur T1 des
Heizkreislaufs im Winter die bei niederer Temperatur gespeicherte Wärme wieder veredeln
kann. Der Bedarf an hochwertiger, im Winter von aussen zugeführter Energie (Exergie) in
Form von CO2-freiem Strom hängt von der Effizienz der Transformation ab. Die Wärmepumpe ist eng mit dem Speicher verknüpft. Die energetischen und vor allem exergetischen
Verluste von Erdsondenfeldern sind deutlich geringer als jene von Einzelsonden. Es ist
zudem möglich, den Kern eines Erdspeichers auf eine Temperatur aufzuladen, die deutlich
über der natürlichen Temperatur des Erdreichs liegt. Abwärme im Sommer weist in jedem
Fall eine Temperatur von über 20 °C auf, und mit einer Wärmepumpe lässt sie sich um 10 °C
auf 30 °C hochtransformieren. Der COP dieser Transformation liegt bei 15. Dieser Wert liegt
deutlich höher als derzeit übliche Werte für Kälteanlagen, welche die Sommerabwärme der
Aussenluft übertragen. Dies bedeutet: Im Sommer wird weniger Strom benötigt, sofern
Wärme im Erdreich eingelagert wird. Mit Erdsondenfeldern wird zudem erreicht, dass im
Winter die durchschnittliche Temperatur des Wärmestroms aus dem Erdspeicher in keinem
Fall unter 16 bis 18 °C fällt. Dadurch wird auch der Winter-COP der Wärmepumpe deutlich
höher.
Wärmepumpe als Transformator
Wir haben bereits dargestellt, dass eine Wärmepumpe in der Lage ist, mithilfe von Exergie E
– in unserem Fall in Form von elektrischem CO2-freiem Strom – Wärme aus einem Reservoir
mit tiefer Temperatur T2 in ein Reservoir mit höherer Temperatur T1 zu transportieren. Bei
der Kühlung von Gebäuden geht es darum, den Wärmestrom Φ2 einem Raum zu entziehen.
Ist es das Ziel, einen Raum mit der gleichen Maschine zu heizen, interessiert der Wärmestrom Φ1.
Fig. 9: Energieflüsse Pumpprozesse: Heizen
Fig. 10: Energieflüsse Pumpprozesse: Kühlen
Der Coefficient of Performance (COP) der Wärmepumpe beschreibt das Verhältnis von
erwünschter Gesamtleistung Φ1 zu zugeführter Arbeit W (work) und wird mit folgender
Prozessgleichung beschrieben:
COPcarnot = Φ1 / W = T1 / (T1 - T2)
Die Temperaturen T1 und T2 müssen in °K und nicht in °C angegeben werden.
Die Anergietemperatur wird mit T2, die Nutzwärmetemperatur mit T1 bezeichnet. Die
Differenz dieser beiden Werte ergibt den so genannten Temperaturhub. Dieser Faktor ist
von grosser Bedeutung, da er die Effizienz der Wärmepumpe zu grossen Teilen ausmacht.
Für den realen COPreal ist der COPcarnot mit dem Gütegrad der Wärmepumpe zu multiplizieren.
Dieser berücksichtigt die auftretenden Verluste im Innern der Maschine. Je nachdem, von
welcher spezifischen T2 zu welcher T1 zu gelangen ist, muss die Wärmepumpe für diesen Hub
ausgelegt sein. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, muss die Wärmepumpe für
den anvisierten Hub ausgelegt sein und dieser hängt wiederum ab von der Differenz
zwischen spezifischer T2 und anvisierter T1.
COPreal,WP = ζ × COPcarnot
ζ wird als isentroper Wirkungsgrad der realen Wärmepumpe
Damit wird (Φ1 / W)real = COPreal = ζ × COPcarnot = ζ × T1 / (T1 - T2)
bezeichnet.
Fig. 11: Coefficient of Performance (COP) der Wärmepumpe
Im optimierten Einsatzgebiet erreichen Wärmepumpen ζ-Werte von 0.55 bis 0.65. Die
Temperaturdifferenz – der Temperaturhub der Wärmepumpe – ist das entscheidende Qualitätskriterium eines ZE-Low Ex-Gebäudes.
Darin kommen Maschinen zum Einsatz, die auf einen kleinen Temperaturhub ausgelegt sind,
sogenannte Niederhubwärmepumpen. Sie zeichnen sich durch einen hohen Gütegrad ζ bei
kleinem Hub aus und erreichen damit optimale Effizienz und einen hohen COPeff.
Der ζ-Wert ist abhängig vom Absolutdruck in der Maschine, also auch von der kinematischen
Viskosität des Kältemittels und damit von der Temperatur T1. Diese sollte demnach so tief
wie möglich sein, damit der Temperaturhub klein wird. Damit bleibt auch der absolute Druck
des Kältemittels bescheiden.
T1 bezeichnet im Heizsystem die Vorlauftemperatur zu den Heizflächen. Je höher T1 ist, desto
mehr Wärme kann eine Heizfläche an die 20 °C warme Raumluft abgeben. Um eine Systemoptimierung geht es auch hier: Die Vergrösserung einer bestehenden Heizfläche in einem
Raum verursacht Kosten, ermöglicht aber auch eine tiefere Vorlauftemperatur T1 und damit
einen höheren COP der Wärmepumpe. Damit reduzieren sich auch die Kosten der elektrischen Antriebsleistung der Wärmepumpe.
Fig. 12: hoher COP bei kleinem Hub
Der kritische Faktor bei ZE-Low Ex-Wohngebäuden ist die Warmwasseraufbereitung. Die
Temperatur T1 für den Warmwasserwärmepumpenprozess darf nicht unter 315 K (42 °C)
liegen, weil tiefere Temperaturen für Duschen und Baden nicht erwünscht sind. Hier sei auf
das Beispiel B35 verwiesen, in dem eine exergetisch optimierte Warmwasseraufbereitung
realisiert wurde (→ S. 92). Grundsätzlich gilt auch hier: Kleiner Temperaturhub und geeignetes Kältemittel für die Warmwasserwärmepumpe erhöhen den COP der Maschine.
Fig. 13: die Bauteile der Wärmepumpe