Dreifach leistungsstark, dreifach umweltfreundlich: neuartige Systeme für den Energiebedarf von Mehrfamilienhäusern
Zwölf Partner schlossen sich im Rahmen des EU-finanzierten Projekts TRI-HP zusammen, um innovative Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungssysteme zu entwickeln. Ihr Ziel war die Gestaltung umweltfreundlicher, erschwinglicher Energiesysteme für Mehrfamilienhäuser durch die Verknüpfung von Wärmepumpen, Solarenergie und Energiespeicherung, für die 80 % der zu 100 % selbst erzeugten erneuerbaren Energie vor Ort genutzt werden.
Die Umstellung von synthetischen auf natürliche Kältemittel
Das Team wusste um die schädlichen Auswirkungen synthetischer Kältemittel – die seit den 1930er Jahren verwendet und mit Ozonabbau, globaler Erwärmung und Gesundheitsproblemen in Verbindung gebracht werden – und suchte daher nach umweltfreundlichen Alternativen. Kältemittel sind Kernbestandteile von Wärmepumpen. Somit sind nachhaltige natürliche Kältemittel von entscheidender Bedeutung, um die Umweltauswirkungen des Systems zu minimieren. Projektkoordinator Daniel Carbonell betont, dass natürliche Kältemittel (Kohlenwasserstoffe, Wasser, Ammoniak und Kohlendioxid) die zuverlässigste langfristige Lösung für Wärmepumpen darstellen. Vor diesem Hintergrund entwickelte das Team von TRI-HP zwei Wärmepumpen mit Propan und eine mit Kohlendioxid. Die Projektmitglieder entwarfen zwei bahnbrechende Konzepte für die Versorgung der Wärmepumpen mit erneuerbarer Wärme: das Solareisbrei-System mit der Unterkühlungsmethode und das Zweiquellen-Senke-System.
Wärmepumpensystem, das das Erdreich und die Umgebungsluft anzapft
Die Zweiquellen-Senke-Umkehrwärmepumpe nutzt Propan als Kältemittel. Sie ist so konzipiert, dass zwei erneuerbare Wärmequellen (Erdreich und Umgebungsluft) im Verdampfer der Wärmepumpe für die Heizung genutzt werden. Die gleichen Quellen dienen auch als Wärmesenken, um den Kühlungsbedarf zu decken. Vereinfacht ausgedrückt, kann dieses Wärmepumpensystem effizient zwischen der Nutzung von Wärme aus dem Erdreich und Wärme aus der Umgebungsluft wechseln, je nachdem, welche Quelle zu einem bestimmten Zeitpunkt besser geeignet ist. Ein wesentlicher Vorteil dieses dualen Systems besteht darin, dass es nachweislich die Notwendigkeit umfangreicher Bohrungen in Mitteleuropa verringert.
Die Sonne nutzen und Wärme im Frost speichern
Das Solareisbrei-System ist eine nachhaltige Lösung für die Beheizung von Gebäuden mit der Möglichkeit der kostenlosen Kühlung, wodurch bestimmte Einschränkungen herkömmlicher Erdwärmepumpensysteme ausglichen werden. Durch den Einsatz von Solarkollektoren und Eisspeichern fängt das System in den Sommermonaten die Sonnenenergie ein, speichert sie beim Schmelzen des Eises und sorgt so im Winter für Wärme. Das System lädt und entlädt sich auch täglich im Winter teilweise, um Zeiten ohne ausreichende Sonneneinstrahlung, z. B. in der Nacht, auszugleichen. „Ein bemerkenswerter Durchbruch war die Entwicklung des Eisbrei-Konzepts, bei dem eine Unterkühlungsmethode und eisabweisende Beschichtungen eingesetzt werden. Diese Innovation ermöglicht es, interne Wärmetauscher aus dem Eisspeicher zu entfernen, was zu erheblichen Kosteneinsparungen bei der Systeminstallation führt“, merkt Carbonell an. „Zum ersten Mal in Europa wurde ein Eisbrei-Wärmepumpensystem mit Unterkühlungsmethode erfolgreich im Labor demonstriert, was einen wesentlichen Fortschritt bei dieser Technologie darstellt“, ergänzt Carbonell. „Unsere Simulationen zeigen, dass Solareisbrei-Systeme höhere Wirkungsgrade bei vergleichbaren Kosten wie moderne Erdwärmepumpensysteme erreichen können und mehrere zusätzliche Vorteile bieten“.
Weichenstellung für eine nachhaltige Energiezukunft von Wohngebäuden
Die Forschungsgruppe entwickelte einen quelloffenen Simulationsrahmen namens pytrnsys, um das Kosten- und Energiepotenzial ihrer TRI-HP-Systeme in Europa zu bewerten. Das auf Propan beruhende Solareisbrei-System erreichte hohe jährliche Systemleistungsfaktoren um 4 und verbesserte die Energieeffizienz von Erdwärmepumpen in bestimmten Städten um 5-8 %. Die Stromgestehungskosten lagen je nach Standort zwischen 16 ct/kWh und 26,7 ct/kWh. Die innovativen Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungssysteme von TRI-HP, für die natürliche Kältemittel und erneuerbare Quellen genutzt werden, werden den Weg für eine umweltfreundlichere Zukunft des Energiemanagements von Wohngebäuden ebnen.
Schlüsselbegriffe
TRI-HP, Wärmepumpe, natürliche Kältemittel, Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungssysteme, Kühlung, Heizung, Strom, Wohngebäude, Energiespeicherung
