… Wärmespeicherung?
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Vorratshaltung hat die Menschheit deutlich nach vorne gebracht. Um im kargen Winter zu überleben haben unsere Vorfahren Kornspeicher angelegt aus denen dann nach und nach etwas entnommen wurde. Der Anlagenmechaniker schlägt sich heute ebenfalls mit einem Problem herum, das mit Überfluss und späterem Mangel zu tun hat.
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Denn auch Energie will gebändigt und verwaltet werden. Und nicht etwa der schwierige Umgang mit elektrischer Energie ist das Thema dieses Berichts. Vielmehr wird die Speicherung von Wärmeenergie thematisiert. Welches sind die Standardanwendungen und was ist schon eher exotisch und daher seltener anzutreffen? Was kann und was sollte uns die Zukunft bringen? Den kompletten Beitrag lesen »

Ist eine Entfernung zwischen Kessel und Lagerraum von ca. 1 bis 5 Metern zu überwinden, kann dies mit Hilfe einer flexiblen Förderschnecke (4) erfolgen. Bei größerer Entfernung zwischen Lagerraum und Pelletkessel ist zwingend ein anderes Austragungssystem zu wählen, z.B die Saugaustragung.

Der Übergabekopf mit Antrieb (3) bringt das Schneckensystem in Rotation. Bedingt durch die sich drehende Schnecke, werden die Pellet mittels der Zubringerschnecke (5) dem Lager entnommen, durch den Mauerdurchbruch transportiert und dem Kessel mit Hilfe der flexiblen Förderschnecke (4) zugeführt. Die Laufzeit der Schnecke variiert in Abhängigkeit der variablen Kesselleistung.

Legende:
1 – Pellet-Kessel    5 – Zubringerschnecke
2 – Aschen- und Flugaschenlade     6 – Pelletlagerraum
3 – Übergabekopf mit Antrieb     7 – Befüllstutzen
4 – Flexible Förderschnecke     8 – Prallmatte

Die Grafik zeigt in schwarz eine Kennlinie, die für die Druckverluste in einem Heizkreis steht. Diese Kennlinie wird Anlagenkennlinie genannt. Die waagerechte Achse zeigt die Wassermenge an, die senkrechte Achse gibt den
Druckverlust wieder.
Je mehr Heizungswasser durch die Heizungsanlage fließen soll, desto mehr Druckverluste sind zu überwinden. Die grauen Kurven geben die physikalischen Möglichkeiten einer 3-stufigen Pumpe wieder. Jede dieser 3 Pumpen-Kennlinien schneidet die Anlagenkennlinie. So können sich bei dieser Pumpe und dieser Anlage drei verschiedene Betriebspunkte ergeben.
Mit der Pumpe ist somit die Wassermenge einstellbar. Die benötigte Wassermenge muss im Vorfeld berechnet werden.

Die Leistungszahl “ε” (Epsilon) gibt das Verhältnis der abgegebenen Heizleistung der Wärmepumpe zur eingesetzten wieder. Sie bezieht sich immer auf klar definierte Bedingungen zum Zeitpunkt der Messung und ermöglicht so den Vergleich unterschiedlicher Wärmepumpensysteme und Fabrikate (Momentaufnahme). Nichts anderes beschreibt der COP = Coefizient of Performance

Die Leistungszahl ist abhängig vom Wärmepumpentyp, von der Temperatur der Wärmequelle sowie den erforderlichen Temperaturen auf der Heizungsseite. Grundsätzlich gilt:
Je höher die Wärmequellentemperatur und je niedriger die Temperatur in der Wärmenutzungsanlage, desto wirtschaftlicher wird der Betrieb der Wärmepumpenanlage.

Ein 2-stufiger Ölbrenner stellt sich besser auf den jeweils benötigten Wärmebedarf ein. Besonders in den Übergangszeiten im Frühjahr und Herbst benötigen Heizkessel in unseren Breiten nur ca. 50 % ihrer Leistung; der Brenner
schaltet dann genau in dieser Zeit in die erste Stufe und versucht so lange wie möglich den Wärmebedarf zu decken.
Daraus ergeben sich folgende Vorteile:
− Verringerung der Schalthäufigkeit von bis zu 70 % (im Vergleich zu einem herkömmlichen 1-stufigen Ölkessel)
− gleichmäßige Energieeintragung ins System (längere Betriebszeiten, kältere Rücklauftemperaturen = höherer Brennwertnutzen)
− Einsparung von Energie
− Schonung der Brennerbauteile (z. B. der Zündelektroden)
− Niedrige Schadstoff-Emissionen

Vergleich der Schalthäufigkeiten vom 1-stufigen zum 2-stufigen Brenner.

Was ist eigentlich ein Zeolith Modul? Wie sieht es innen aus? Kommt es ohne mechanische Teile aus? Ist es wirklich wartungsfrei?Fragen über Fragen. Wir haben uns mal ein wenig umgesehen und dabei einige interessante Entdeckungen gemacht.

Das Zeolith-Modul kann als „Black Box“ betrachtet werden. Es enthält keine beweglichen Teile, ist vollständig wartungsfrei und kann im Fall eines Defektes nicht repariert werden. Das Modul besteht aus folgenden Komponenten:
• Edelstahl Modulbehälter
• Adsorber/Desorber
• Verdampfer/Kondensator
• Kältemittel Wasser

Herz des Moduls ist der Adsorber/Desorber. Es handelt sich dabei um einen Edelstahl-Lamellenwärmetauscher. Der Zwischenraum der Lamellen ist vollständig mit Zeolith in Kugelform gefüllt. Damit die Kugeln dort verbleiben, ist der
gesamte Wärmetauscher von einem Gitter eingefasst.
Die Zeolithfüllung wiegt ca. 10 kg. Der Adsorber/Desorber ist so aufgebaut, das einerseits ein inniger Kontakt zwischen Zeolith-Kugeln und Wärmetauscheroberfläche besteht, anderseits ein ungehindertes Ab- und Zuströmen von
Wasserdampf als Kältemittel zum Zeolithen gewährleistet ist.

An der Unterseite des Moduls befindet sich der Verdampfer/Verflüssiger. Er besteht aus Edelstahl-Wellrohr. Aufgabe des Wärmetauschers ist es, das im Modul enthaltene Wasser während der Desorption zu kondensieren, bzw. für die Adsorption zu verdampfen.

Als Kältemittel schließlich dient Wasser. Es handelt sich dabei um ca. 2.5 l entionisiertes, entgastes Reinstwasser. Alle Komponenten werden in den Edelstahl-Modulbehälter eingebaut und der Behälter luftdicht verschlossen. Anschließend wird der Behälter auf ein Hochvakuum gesetzt und das Kältemittel eingefüllt. Dieses Vakuum ist für die Funktion des Moduls elementar, da dadurch die niedrige Verdampfungstemperatur des Kältemittels sichergestellt wird.
Ein Modul, welches das Vakuum verloren hat, ist irreparabel defekt und muss ausgetauscht werden.

Die Auslegung und Ausführung einer Erdwärmesondenanlage muss gemäß der VDI Richtlinie 4640 (Thermische Nutzung des Untergrundes) und nach dem Stand der Technik unter Einhaltung der geltenden rechtlichen Vorschriften durchgeführt werden.
Grundlegendes
Bei erdgekoppelten Wärmepumpen ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes erwünscht, um so die Wärme des Erdreiches gut zur Erdsonde gelangen zu lassen. Das Wärmetransportvermögen kann im stationären Bereich durch die Wärmeleitfähigkeit λ beschrieben werden (Einheit = W / m K).
Erdsonden erlangen ihre Wärmeenergie durch den geothermischen Wärmestrom (vom Erdinneren zur Oberfläche) und dem Grundwasserfluss. Lediglich bis zu einer Tiefe von 15 m ist der Einfluss der Sonnenstrahlung und des Sicker- bzw.
Regenwassers von Bedeutung. Erdsonden können üblicherweise Tiefen von 10 bis über 200 m erreichen. Bei Erdsonden kann eine Unterdimensionierung zu niedrigen Soletemperaturen führen. Langfristig kann dadurch die Soletemperatur
von Heizperiode zu Heizperiode absinken.
Genehmigungen
Wasserhaushaltgesetz (WHG):

Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund, sind die Bestimmungen des Wasserhaushaltgesetzes (WHG) und die dazu erlassenen Verwaltungsvorschriften der Länder zu beachten. Durch den Bau und Betrieb einer Erdsondenanlage kann ein erlaubnispflichtiger Benutzungstatbestand nach § 3 Abs. 2 des WHG erfüllt sein (unabhängig ob auf Grundwasser gestoßen wird oder nicht). Die geringfügige Temperaturveränderung beim Betrieb einer Wärmepumpe in Verbindung mit einer Erdsonde in EFH und ZFH stellt in der Regel keinen Benutzungstatbestand dar. Ob eine Bohranzeige oder eine Genehmigung notwendig ist, hängt von den örtlichen Bedingungen und
behördlichen Vorschriften ab.
Ferner sind folgende wasserwirtschaftlichen Ziele zu berücksichtigen:
– Die Wärmeträgerflüssigkeit muss den Anforderungen der VDI 4640 Teil 1 entsprechen.
– Bohrspülungen dürfen keine Wassergefährdenden Stoffe enthalten.
– Der Kurzschluss von 2 oder mehreren Grundwasserstockwerken ist zu unterbinden (durch Verpressen des Bereiches).
– In ergiebigen Grundwasserstockwerken für die Trinkwassergewinnung wird der Einbau einer Erdwärmesonde i. d. R. abgelehnt. Den kompletten Beitrag lesen »

Definition Klein- und Großanlagen
Nach Arbeitsblatt W551 des DVGW sind Kleinanlagen – alle Anlagen in Ein- oder Zweifamilienhäusern, unabhängig vom Inhalt des Trinkwassererwärmers
- Gebäude, in denen ein Speicher mit < 400 l steht und einem Inhalt < 3 l in jeder Rohrleitung zwischen dem Abgang Trinkwassererwärmer und der Entnahmestelle. Die Zirkulationsleitung wird dabei nicht berücksichtigt.

Großanlagen sind Wassererwärmungsanlagen mit Speicherinhalten über 400 l und Rohrleitungsinhalten großer 3 l.

Daraus ergeben sich die Anforderungen an Trinkwassererwärmer
Bei Speicher-Trinkwassererwärmern mit einem Inhalt > 400 l muss durch die Konstruktion und andere Maßnahmen (z. B. Umwälzung, bei Mehrfachspeichern gleichmäßige Beaufschlagung der einzelnen Speicher) sichergestellt sein, dass das Wasser an allen Stellen gleichmäßig erwärmt wird. Hierbei wird nicht zwischen Klein- oder Großanlagen unterschieden (nach DVGW-Arbeitsblatt W551). Vorwärmstufen müssen so konzipiert sein, dass der gesamte Wasserinhalt der Vorwärmstufen einmal am Tag auf > 60°C erwärmt werden kann. Gleiches gilt bei bivalenten Speichern.
Bei Großanlagen muss das Wasser am Warmwasseraustritt des Trinkwassererwärmers stets eine Temperatur von > 60 °C einhalten. Der gesamte Trinkwasserinhalt von Vorwärmstufen ist einmal am Tag auf > 60°C zu erwärmen.

Unter Kaskade (franz. cascade, ital. cascata, Wasserfall) versteht man in der Heiztechnik:

Das statt eines einzigen großen Wärmeerzeugers, der den gesamten Leistungsbereich abdeckt, bei einer Kaskade mehrere kleine Teillast abdeckende Geräte parallel oder in Reihe miteinander verschaltet werden. Dabei übernimmt zum Beispiel ein Gerät die Grundlastabdeckung, die weiteren Aggregate schalten sich dann je nach Anforderungsprofil schrittweise bis zur Spitzenlastabdeckung hinzu. Neben dem geringen Ausfallrisiko der Gesamtanlage bietet eine Kaskadenlösung den Vorteil, dass im Teillastbereich, der am häufigsten vorkommt, nicht alle Geräte laufen müssen. Bei einer ausgewogenen Verteilung der Betriebsstunden unter den Heizgeräten, verringert sich die Störanfälligkeit, was sich positiv auf den Lebenszyklus einer Heizanlage auswirkt.

Je nach Heizwärmebedarf und Kaskaden-System können mehrere Heizgeräte zu einer Kaskade zusammengeschlossen werden. Die bedarfsgerechte Regelung (Kesselfolgeschaltung) übernehmen dabei spezielle Kaskadenregler.

Bei dem Gerät handelt es sich um eine gasbetriebene Adsorptionswärmepumpe mit Zeolith als Sorptionsmittel und Wasser als Kältemittel. Es laufen im stetigen Wechsel folgende Prozessphasen ab:

Die Trocknung des Zeolithen (Desorptionsphase)

Legende
1 Brennwerteinheit
2 Zeolitheinheit
3 Wasserdampf
4 Wasser (kondensiert)
5 Heizkreis

Das feuchte Zeolith wird indirekt über einen geräteinternen Wasserkreislauf, den Primärkreis (auch Zeolithkreis genannt), der vom Gas-Brennwertgerät (= Antriebsenergie) beheizt wird, erhitzt. Das im Zeolith gespeicherte Wasser verdampft. Der Wasserdampf strömt nach unten und kondensiert an einem Wärmetauscher, der die Kondensationswärme direkt in den Heizkreis eingespeist.

Die Befeuchtung des Zeolithen (Adsorptionsphase)

Legende
1 Heizkreis
2 Zeolitheinheit
3 Wasserdampf
4 Solarkollektoren
5 Wasserdampf

Nachdem der Zeolith seine Maximaltemperatur erreicht hat –also vollständig getrocknet ist-, wird er wieder abgekühlt. Das Wasser wird durch Einkopplung von Umgebungswärme aus den Flachkollektoren (= Wärmequelle) bereits bei niedriger Temperatur verdampft (ca.3°C) und strömt nach oben. Der Zeolith nimmt den Dampf auf und gibt dabei die vorher von der Brennwertzelle zuzüglich der vom Solarsystem zugeführte Energie in form von Wärme wieder ab. Diese Wärme wird ebenfalls an den Heizkreis abgegeben.
Nachdem das gesamte Wasser wieder im Zeolith gespeichert ist, beginnt der Prozess von neuem mit der Desorptionsphase.

Hauptbaugruppen der Zeolith-Gas-Wärmepumpe

Gas-Brennwert-Einheit
1 Gas-Brennwertzelle
Zeolith-Einheit
2 Zeolith-Modul – evakuierter Edelstahlbhälter mit Adsorber/Desorber und
Verdampfer / Kondensator sowie Zeolith und Wasser
3 Ausdehnungsgefäß Primärkreis (auch Zeolith-Kreis genannt)
4 Hocheffizienzpumpen im Primärkreis
5 Hocheffizienz-Solarpumpe (Verdampfer und Kondensator)
6 Umschaltventile 1 + 2
7 Hocheffizienz-Heizungspumpe