EnergieVisionen

Heizen mit Eis

IceCalC - heizen und kühlen mit Eis

Mit IceCalC können Eisspeicher-Absorber-Wärmepumpensysteme auf der Grundlage einer stündlichen Berechnung bewertet werden. Grundlage der Berechnung ist ein dynamisches Raummodell (siehe SimRoom) mit dem der Energiebedarf eines Gebäudes oder eines Baugebietes bestimmt werden kann. Diese Informationen werden mit einem Anlagenmodell kombiniert, um zum einen dynamische Effekte und Einflüsse von Pufferspeichern, Laufzeiten von Wärmepumpen, etc. systemisch bewerten zu können. In IceCalC kommt daher ein vereinfachtes stündliches Gebäude-Anlagen-Modell zum Einsatz.

Funktionsweise eines Eisspeichers

Eine Alternative zu üblichen Saisonalspeichern können auch Speicher genutzt werden, mit denen die Kristallisationsenergie von Eis für die Wärmeerzeugung genutzt wird, dadurch reduziert sich das erforderliche Volumen um ein vielfaches. Im Phasenübergang des Wassers von flüssig zu fest steckt so viel Energie, wie erforderlich ist, um Wasser von 0°C auf 80°C aufzuheizen. Diese Eisspeicher dienen an kalten Tagen als Leistungsreserve für die Wärmepumpen. Das Temperaturniveau ist über die gesamte Heizperiode auf einem guten Niveau für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb. Vergleichend mit der Geothermie werden ähnliche Jahresarbeitszahlen erreicht. Werden weitere Quellen zur Regeneration genutzt (z.B. Abwärme), kann die Effizienz zudem deutlich gesteigert werden. Dadurch kann zum einen der Platzbedarf um ein Vielfaches reduziert werden und es kann nahezu jede Wärmequelle über 0°C genutzt werden, um das entstandene Eis wieder aufzutauen.

Folgendes Schema zeigt die Betriebsweise einer Wärmepumpe mit Eisspeicher im zugrundeliegenden Modell. Das während der Heizperiode erzeugte Eis muss regeneriert (geschmolzen) werden, damit der Eispeicher in der nächsten Heizperiode wieder als Leistungsreserve zur Verfügung steht. Diese Regenerierung kann über verschiedene Quellen erfolgen. Dazu werden die Solar-Luft-Absorber genutzt. An Zeiten mit Außenlufttemperaturen im positiven Bereich oder an Tagen mit hoher solarer Einstrahlung funktioniert die Wärmepumpe wie eine Luftwärmepumpe und bezieht die Umweltwärme direkt aus der Außenluft bzw. durch solare Einstrahlung über den Absorber – im Vergleich zu konventionellen Luftwärmepumpen jedoch geräuschlos. Liegt kein Heizwärmebedarf vor oder die Pufferspeicher des Heizsystems sind geladen, kann der Absorber zur Regenerierung der Eisspeicher genutzt werden. Die Auslegung muss so erfolgen, dass die Eisspeicher genügend Kapazität aufweisen, um in der Heizperiode eine längere Kälteperiode zu überbrücken.
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Mit IceCalC können die wesentlichen Einflussfaktoren, so auch zum Beispiel der Einfluss der Speicherwirkung des Erdreiches - mit einbezogen werden, um die Komponenten zu dimensionieren. In der Regel ist dafür eine mehrjährige Simulation erforderlich, da die Randbedingungen im Erdreich und im Eisspeicher zum Simulationsstart nicht bekannt sind. Folgende Diagramme zeigen die Energiebilanz im Speicher. Das Bild zeigt im positiven Bereich (grüne Linie) den Entzug durch den Betrieb der Wärmepumpe. Im negativen Bereich (gelbe Linie) wird die Regenerierung des Speichers durch den Kollektor und (orange) das Erdreich dargestellt. Die Temperaturen im Eisspeicher schwanken zwischen 0°C und 20°C.
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Analog zum vorstehenden Bild zeigt die folgende Abbildung den jeweiligen Ladezustand des Speichers für jede Stunde des Jahrs. Zwischen 0 % und etwa 70 % Ladezustand beträgt die Temperatur im Eis-speicher 0°C – solange Eis vorhanden ist. Die übrigen 30 % entsprechen der Wassererwärmung von 0 °C auf 20 °C
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Der Eisspeicher darf unter keinen Umständen vollständig einfrieren, da dann seine Leistungsreserve erschöpft ist. Als Auslegungskriterium für die Simulation kann ein minimaler Ladezustand von üblich 15 bis 20 % festgelegt werden.
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Die Simulation lässt sich mit Variation der folgenden Parameter durchführen

Gebäude

  • Wärmedämmung des Gebäudes (Isolierung, Wärmebrücken, etc.)
  • Wärmekapazität der Bauteile (innere Gebäude- und Bauteilstruktur)
  • Lüftung (Infiltration, Luftwechsel (Fenster und RLT-Anlagen), Wärmerückgewinnung)
  • Erhöhter Nacht-Fensterluftwechsel im Fall der passiven Nachtauskühlung
  • Erhöhter Tages-Fensterluftwechsel zur Verringerung der Überwärmung;
  • Interne Gewinne durch Beleuchtung, Personen und Geräte
  • Energiegewinne durch Sonneneinstrahlung (Fenster und opake Außenbauteile)
  • Verschattung infolge horizontaler Verbauung, Überhänge und Seitenblenden
  • Sonnenschutz und dessen Aktivierung in Abhängigkeit der Einstrahlungsintensität und der Außenlufttemperatur
  • Zeitlich differenzierte Nutzungsprofile für Tag- und Nachtlüftung und interne Gewinne
  • Stündliche Wetterdaten für Strahlung, Wind und Außenlufttemperatur
  • Berücksichtigung des Jahresverlaufs der Erdreichtemperatur
  • Verlauf der Gebäudeknotentemperatur (~ operative Raumtemperatur)
  • Stündlicher Wärme- und Kühlkältebedarf der Gebäude
  • Abbildung von Typengebäuden für die Bewertung von Gebäudegebieten

Anlagen
  • Stündlicher Warmwasserbedarf und Vorrangschaltung mit Zapfprofilen
  • Variable Größe des Pufferspeichers
  • Bestimmung der erforderlichen Wärmeanforderung in Abhängigkeit des Ladezustands des Pufferspeichers
  • Prüfung und Berechnung der Erforderlichkeit eines 2. Wärmeerzeugers
  • Außenlufttemperaturabhängige Vorlauftemperatur für das Heizsystem
  • Es können unterschiedliche Kollektoren (Absorber) als Wärmequelle für die Wärmepumpen und zur Regeneration des Eisspeichers bewertet werden
  • Berücksichtigung des dynamischen Betriebsverhaltens von Wärmepumpen
  • Stündliche Bewertung des COP's einer Wärmepumpe in Abhängigkeit des zur Verfügung stehenden Quellentemperatur und der erforderlichen Heiztemperatur (über Heizkurve)
  • Das Ergebnis ist eine Jahresarbeitszahl JAZ für das Gesamtsystem
  • Variable Bewertung des Eisspeichers
  • Energieaustausch mit dem Erdreich, sofern der Eisspeicher im Boden vorgesehen ist.

Ausgaben in der Jahressimulation
  • Jahres-Temperaturverlauf im Gebäude
  • Heiz- und Kältebedarf
  • Heiz- und Kälteleistung
  • Energie- und Leistungsbedarf für die Warmwassererwärmung
  • Kollektor- bzw. Absorbertemperaturen
  • Temperaturverlauf im Erdreich und im Eisspeicher
  • Energiefluss im Eisspeicher, stündlich, monatlich und jährlich
  • Energiebilanz und Effizienzbewertung von Gebäude, Pufferspeicher, Wärmepumpe, Absorber und Eisspeicher
  • Bewertung des Potentials einer passiven Kühlung über den eingefrorenen Eisspeicher im Sommer

Sonstige Features
  • Online-Update
  • Per Knopfdruck können alle Grafiken als hochauflösendes Bild kopiert und weiter verwendet werden
  • Einfacher Export der stündlichen Ergebnisse in einer separaten Arbeitsmappe mit automatisierten Diagrammen
  • Laden und Speichern von Projekten als leicht austauschbare Text-Datei

Grafische Auswertungen

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