Basiswissen Klempnergie

Nachdem sich Teil 1 des Beitrages in BAUMETALL-Ausgabe 6/2009 unter anderem mit Technik der Wärmepumpe und der Bedeutung der Quellentemperatur als Heizwärme aus der Umwelt beschäftigte, stellen sich weitere Fragen. Beispielsweise wie effiziente Quellensysteme mit Energie vom Klempner aussehen oder wie ganzjährig hohe Quellentemperaturen erreicht werden können. Da das Wärmeverteilsystem in Gebäuden unabhängig vom Wärmeerzeuger immer auf die höchste Heizlast bei -14 °C ausgelegt werden muss, ist die Gestaltung der Umweltquelle der entscheidende Faktor für hohe Jahresarbeitszahlen. Sie sollte Wärme mit möglichst hohen Durchschnittstemperaturen liefern, die von der Wärmepumpe entsprechend genutzt werden können.

Doch was genau haben wir Klempner damit zu tun? Sicher ist, dass unsere Dachflächen hervorragend zur Energieerzeugug geeignet sind. Fraglich ist jedoch, welcher Kollektortyp favorisiert werden kann und genau hier wird es für uns Klempner interessant: Wenn unsere Dächer thermisch aktiviert werden, können sie viel Energie liefern! Die Absorber sollten dabei so gestaltet sein, dass sie von außen nicht von den Dachsystemen zu unterscheiden sind. Derzeit stehen zwar nur wenige fertige Produkte (Rheinzink Quick-Step-SolarThermie, Bemo-Sol, Energie Solaire, Solarwall) und einige individuelle, eher experimentelle Lösungen zur Verfügung. Diese zeigen aber eindrucksvoll, dass unverglaste Absorber in Wärmepumpensystemen höchst wirtschaftlich und energetisch sinnvoll eingesetzt werden können. Der Klempner ist der Fachmann zur Montage dieser gebäudeintegrierten Technologie.

Großvolumige Niedertempe­ratur-Wärmespeicher

Die höchsten Heizlasten entstehen nachts. In klaren Nächten sinkt zudem die Oberflächentemperatur unserer Dächer infolge Abstrahlung weit unter die Lufttemperatur ab. Dies ist für Wärmepumpensysteme nicht zuträglich. Daher sollte die zweite Komponente des klempnertechnischen Wärmepumpen-Quellensystems ein Wärmespeicher sein. In diesen wird tagsüber Wärme eingelagert, die nachts entzogen werden kann. Dafür sind das Erdreich (Erdkollektor, Sondenbohrungen), Regenwasserzisternen, Gartenteiche, Kies-Wasser-Speicherrinnen oder andere massereiche Speicher geeignet. Die Speichertemperatur von Quellenspeichern ist idealerweise relativ niedrig (unter 25 °C). Das vermeidet unnötige Wärmeverluste.

Das beste Speichermedium ist Wasser mit seiner hohen Wärmekapazität (c=1,163 Wh/kgK). Zudem kann Wasser leicht vereist und auch wieder aufgetaut werden. Bei der Vereisung werden pro m³ Wasser 92,2 kWh Wärme frei. Das ist genau so viel Energie, wie zur Erwärmung von 0°C auf 79 °C erforderlich ist.

Regenwasser-Management gehört zum Berufsbild des Klempners. Die energetische Nutzung natürlicher Ressourcen steht im Vordergrund. Mit der latenten Energie, die durch die Vereisung eines Kubikmeters Wasser frei wird, kann ein Gebäude mit 120 m² Wohnfläche und einer Heizlast von 7,2 kW durch eine Wärmepumpe mit ε = 4,0 circa 17 Stunden lang beheizt werden!

Effiziente Quellensysteme

Wie oben beschrieben, sollte ein Quellensystem möglichst lange möglichst hohe verwertbare Temperaturen liefern. Dem stehen je nach der Einzelquelle folgende Faktoren entgegen:

• Sonnenkollektoren werden unter Umständen tagsüber für Wärmepumpensysteme zu warm, unterkühlen in klaren Nächten stark und sind an kalten Tagen wärmtechnisch unbrauchbar.
• Die üblicherweise als Umweltquelle für Wärmepumpen eingesetzten Erdsonden und Erdkollektoren kühlen im Laufe des Winters stark aus und regenerieren nur sehr langsam. Das führt zu verhältnismäßig schlechten Leistungszahlen im Frühjahr.
• Wasserspeicher jeglicher Art haben nur ein begrenztes Speichervolumen, das zeitnah regeneriert werden muss.

Effizienz durch Kombination

Beide Komponenten, das Absorberdach und der Niedertemperaturspeicher, können jedoch zu einem Quellensystem kombiniert werden, das über die längste Zeit der Heizperiode konstant deutlich höhere Temperaturen liefert, als eine der Quellenkomponenten alleine. Daher können Wärmepumpensysteme mit einer Kombination der Quellen bis zu 20 % effektiver arbeiten.

Sogar entsprechend kleine Solardachflächen können in Kombination mit relativ kurzen Erdsonden zu guten Jahresarbeitszahlen führen: Eine 30 m² große Solardachfläche erreicht in Kombination mit einer nur 10 m tiefen Sondenbohrung etwa dieselbe Jahresarbeitszahl wie eine Sondenbohrung von etwa 100 m Tiefe ohne Solardach! Als Konsequenz daraus kann man herleiten, dass bei einer gut ausgelegten Dachfläche vollständig auf die Erdsonde verzichtet werden kann. Als Speichermedium genügt ein relativ kleines Wasservolumen. Hierfür kann entweder eine sowieso vorhandene/geplante Regenwasserzisterne durch einen Wärmetauscher thermisch aktiviert werden oder im Garten sehr kostengünstig ein relativ kleiner, mit Teichfolie ausgelegter und mit Kies gefüllter Graben als Speicher dienen. Der Wärmespeicher ist Regenwasser, das vom Dach kommt und nach dem Speicher auf dem Grundstück versichert wird. Als Wärmetauscher dienen Polyethylenrohre, die im Kiesbett des Grabens verlegt werden.

Aus der Grafik können noch weitere Schlüsse gezogen werden:

• Bestehende Wärmepumpensysteme mit Erdsonden oder -kollektoren können durch Einbau von 10 m²Solardachfläche deutlich verbessert werden. Das Institut für Solarenergieforschung (ISFH) schätzt die Verbesserung der Jahresarbeitszahl auf etwa 0,5 ein.
• Schlechte Jahresarbeitszahlen bestehender Erdwärmeanlagen können durch Einbau von Solardachflächen deutlich verbessert werden.
• In der Altbausanierung können auch bei weniger gut gedämmten Gebäuden bivalente Anlagen mit Bestandskesseln und Wärmepumpen verwirklicht werden, die ein Solardach als alleinige Quelle haben. Der Bestandskessel übernimmt zu den Zeiten die Heizung, in denen das Wärmepumpensystem keine effiziente Versorgung sicherstellt. Hieraus ergeben sich interessante Sanierungskonzepte mit hohem Effizienzpotenzial.

Multifunktionalität

Der in der vorherigen Ausgabe beschriebene Wärmepumpenprozess ist umkehrbar. Moderne Wärmepumpen sind geeignet, Gebäude nicht nur im Winter zu heizen, sondern auch im Sommer zu temperieren. Die beschriebenen Quellensysteme mit Speicher und unverglastem Solardach sind ebenfalls dazu geeignet, tagsüber überschüssige Wärme zu speichern und nachts über die Kollektoren in die Umwelt zu emittieren. Ein von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördertes Projekt des ZAE- Bayern in Zusammenarbeit mit Rheinzink zeigte, dass Gebäudekühlung durch klempnertechnisch erstellte Solardächer mit hoher Gütezahl möglich ist.

Hieraus ergeben sich sehr interessante Nutzungspotenziale, die mit keiner anderen Heiztechnik so einfach zu erreichen sind. Viele Bauteile können ohne große Mehrinvestitionen multifunktional genutzt werden. Die Gebäude erreichen dabei einen hohen Komfortstandard. Wesentliche Komponente ist das unverglaste Metall-Absorberdach vom Klempner. Es kann auf Gebäuden wärmetechnisch so funktionieren, wie die Haut des menschlichen Körpers. Es liegt an uns, dieses Potenzial zu nutzen. Ziel ist es, mit unseren Mitteln dazu beizutragen, dass Gebäude immer weniger Energie verbrauchen. Grundlage ist das Wissen um die geeigneten Techniken.

BAUMETALL stellt sich auch in Zukunft dieser Aufgabe und wird in regelmäßigen Abständen über neueste Entwicklungen und damit verbundene Chancen berichten. Eine Übersicht zum Thema Klempnergie ist in der neuen Online-Rubrik Klempnergie auf https://www.baumetall.de/ abrufbar.

* Markus Patschke ist Klempnermeister und Energie- berater sowie Geschäftsführer des Beratungsbüros 3E Consult in Nordkirchen

Leistungszahl

Das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung wird durch die Leistungszahl (COP= Coefficient Of Performance) ausgedrückt. Sie ist der Maßstab für die Effizienz einer Wärmepumpe unter definierten Bedingungen. In den Datenblättern von Wärmepumpen werden meist zwei Leistungszahlen angegeben: Ein höherer COP A,B oder W0/W35 und ein deutlich geringerer COP …0/W50. A, B und W sind dabei Quellentemperaturen für Außenluft (Air), Boden (Brine) oder Wasser (Water) und W die Vorlaufstemperatur des Heizungssystems in °C. Die angegebenen Leistungszahlen wurden im Labor ermittelt und gelten nur für diese Bedingungen. Leistungszahl 4,0 bedeutet, dass die Wärmepumpe aus einem Teil Strom vier Teile Wärme erzeugt. 3/4 dieser Wärme werden der Umwelt entzogen!

Jahresarbeitszahl

Für die Bewertung eines Wärmepumpensystems ist allerdings nicht die Leistungszahl, sondern die Jahresarbeitszahl (JAZ) maßgeblich: Sie drückt das Verhältnis zwischen der in einem Jahresgang eingesetzten Strommenge zur im gleichen Zeitraum abgegebenen Wärmemenge aus. Die JAZ ist stark abhängig vom gesamten wärmetechnischen System eines Gebäudes. Dazu gehören die Umweltquelle und die Wärmepumpe selbst genauso, wie das Wärmeverteilsystem, die energetische Qualität eines Gebäudes und das Nutzerverhalten. Jahresarbeitszahl 4,0 bedeutet, dass das System im Jahresgang 4mal so viel Wärme erzeugt hat, als Strom eingesetzt wurde. 3/4 dieser Wärme wurde der Umwelt entzogen!

• <b>Sonnenstrahlung</b> ist eine Quelle, die an jedem bewohnbaren Punkt der Erdoberfläche im Überfluss zur Verfügung steht. In unseren Breiten beträgt die Einstrahlung an klaren Tagen bis zu 1000 W/m². An trüben Tagen beträgt sie immerhin noch 50 bis100 W/m². Wir alle wissen, dass die Metalldachtemperaturen auch an kühleren Tagen höher liegen als die Umgebungsluft. Diesen Effekt gilt es zu nutzen. Handelsübliche verglaste Sonnenkollektoren liefern auch bei diffusem Licht Temperaturen über 25 °C. Das kann unter Umständen sogar schädlich für Wärmepumpen sein. Als alleinige Umweltquelle sind sie in der Wärmepumpentechnik nicht oder nur bedingt geeignet.
• <b>Unverglaste Sonnenkollektoren </b>Absorber, auch unverglaste Sonnenkollektoren genannt, liefern Wärme auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau. Die höchsten Stagnationstemperaturen liegen bei 70 bis 80 °C. Um die Energie abzuführen, werden sie von einem Wärmetransportmittel (Glycol-Wasser-Gemisch oder Luft) durchflossen. Dabei sinken die Kollektortemperaturen sehr stark ab. Daher können sie durch geeignete Wärmepumpen auch direkt als Umweltquelle genutzt werden. Es gibt noch einen zweiten Grund für die Eignung unverglaster Absorber in Wärmepumpensystemen: Im Direktbetrieb können Wärmepumpen die Kollektoren unter die Umgebungstemperatur abkühlen. Neben der Sonneneinstrahlung wird so eine Menge latenter Umwelt-energie nutzbar:

Je nach Kollektortyp bis 500 W/m²,Umweltwärme je nach Kollektortyp bis 20 W/m²K, Luftaustausch über Absorber etwa durch Wind bis 5 W/m^³K, Luftfeuchtigkeits-Kondensation 627 Wh/l, Regen, im Temperaturbereich um den Gefrierpunkt 92,2 Wh/l.

Außer der Solarstrahlung stehen die genannten Quellen auch nachts zur Verfügung. Dadurch wird die kontinuierliche Nutzung der Absorber möglich. Dies ist der Grund für die hohen Jahreserträge unverglaster Kollektoren in Wärmepumpensystemen.