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 (vereinfachtes Modell aus SimRoom) mit dem der Energiebedarf eines Gebäudes oder eines Baugebietes bestimmt werden kann. Diese Informationen werden aufbereitet und mit einem Anlagenmodell kombiniert. Darüber können dynamische Effekte sowie technische Aspekte wie Speichersysteme, Laufzeiten von Wärmepumpen, etc. systemisch bewerten werden. In IceCalC kommt ein vereinfachtes stündliches Gebäude-Anlagen-Modell zum Einsatz.
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Die Einbeziehung eines stündlichen Gebäudemodells ist wichtig, damit der Gebäudeentwurf vor der Auslegung eines Eisspeichersystems optimiert werden kann. Eisspeicher sind eine verhältnismäßig teure Alternative. Um einen sparsamen Einsatz von Technik und Ressourcen zu ermöglichen, sollte zuerst der Energiebedarf des Gebäudes reduziert werden, bevor man die technischen Systeme dimensioniert. Efficiency First eben. Ich habe IceCalC entwickelt, weil die energetische Bewertung von Gebäuden in vergleichbaren Ansätzen meist nicht im Berechnungsgang enthalten ist. Und das ist wichtig.
Markus

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 zum Beispiel auch der Einfluss der Speicherwirkung des Erdreiches - mit einbezogen werden, um die Komponenten zu berechnen. In der Regel ist dafür eine mehrjährige Simulation erforderlich, da die Randbedingungen im Erdreich und im Eisspeicher zum Simulationsstart nicht eingeschwungen bekannt sind. Folgende Diagramme zeigen die Energiebilanz im Speicher. Das Bild zeigt im positiven Bereich (dunkelblau) den Entzug durch den Betrieb der Wärmepumpe. Im negativen Bereich (hellblau) wird die Regenerierung des Speichers durch den Kollektor 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 Eisspeicher 0°C – solange Eis vorhanden ist. Die übrigen 30 % entsprechen der Wassererwärmung von 0 °C auf 25 °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. Dieser Zeitpunkt liegt in der Regel kurz vor dem Ende der Heizperiode, bei noch kalten Außentemperatur und bei wenig solarer Einstrahlung. Pauschale Speichergrößen, wie man sie oft findet, berücksichtigen das energetische Verhalten des Gebäudes meist nicht ausreichend. Das ist gerade bei energieeffizienten Gebäuden wichtig zu berücksichtigen, da hier beispielsweise auch der Energiebedarf für die Warmwassererwärmung im Verhältnis steigt.

Dateneingabe

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Zuerst werden die Randparameter für die Gebäude-Energiebilanz festgelegt. Das Programm erzeugt automatisiert ein dynamisches Gebäudemodell. Die Berechnung erfolgt stündlich aufgelöst und es werden die Leistungsdaten des Gebäudes berechnet. Standortspezifische Wetterdaten (EnergyPlus-Format *epw) können bei Bedarf geladen werden. Dabei können, neben dem energetischen Standard des Gebäudes auch Effekte wie zum Beispiel eine passive Nachtauskühlung, die Steuerung des Sonnenschutzes individuell mit einbezogen werden. Die Ergebnisse werden an die Anlagenberechnung übergeben. Änderungen am Gebäudemodell wirken sich direkt auch im Anlagenmodell aus. Die Berechnung erfolgt simultan.
Anschließend werden die technischen Systemparameter abgefragt. So zum Beispiel ob ein zweiter Wärmeerzeuger vorhanden ist oder die vorgesehenen Systemtemperaturen. Es sind 5 verschiedene Absorbertypen für die direkte Auswahl integriert. Eigene Kollektoren können einbezogen werden. Für die Dimensionierung des Eisspeichers sind verschiedene Geometriekenngrößen festzulegen und das Auslegungsvolumen ist iterativ in Abhängigkeit des Simulationsergebnisses festzulegen.
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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

Übersicht Energiefluss

In einem Schema werden die Energieflüsse in Kacheln dargestellt. Dadurch können die berechneten Energieanteile nachvollzogen werden.
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Auswertungen - Gebäudemodell

Berechnet werden die stündliche Heiz- und Kühllast des Gebäudes als Grundlage für das Anlagenmodell. Hier fließen alle baulichen und technischen Randbedingungen mit ein. So zum Beispiel der Wärmeschutz des Gebäudes, die thermische Speichermasse, das Lüftungsverhalten und die Art und Steuerung des Sonnenschutzes - sowie auch passive Maßnahmen wie die Nachtkühlung.
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Durch Aggregation der Berechnungswerte kann der monatliche Energiebedarf für Heizen, Warmwassererwärmung und Kühlen ausgegeben werden.
Je besser der Wärmeschutz des Gebäudes ist, desto kürzer ist die Heizperiode und Gebäude müssen erst bei tieferen Außentemperaturen aktiv geheizt werden. Die Darstellung des Energiebedarfs in Abhängigkeit der Außentemperatur kann hier hilfreich zur Interpretation der Ergebnisse sein. Analog dazu auch beim Kühlen.
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Der Verlauf der Raumtemperaturen gibt Aufschluss auf das thermische Verhalten des Gebäudes und zeigt insbesondere für den Sommerfall, ob der Entwurf zum Überwärmen neigt oder nicht. Entsprechend kann das Gebäudemodell optimiert werden. Zum Beispiel durch Verringerung des Fensterflächenanteils oder Anpassung des vorgesehenen Sonnenschutzes.
Damit die Temperaturrgebnisse besser interpretieren können, kann zum Beispiel die Überschreitungshäufigkeit einer Raumtemperatur im Jahr betrachtet werden. Alternativ dazu stehen auch Auswertungen zum Komfort nach EN 15251 zur Verfügung.
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Da der Eisspeicher im Energieaustausch mit dem Erdreich steht, ist es hilfreich die Berechnung über mehrere Jahre laufen zu lassen, da der energetische Zustand beim Simulationsstart nur für das ungestörte Erdreich bekannt ist. Folgendes Diagramm zeigt die Berechnung für 5 Jahre und die entsprechenden Einschwingvorgänge. Bei alternativen Berechnungen werden oft nur festgelegte Kapazitäten berücksichtigt (z.B. die Speicherkapazität pauschal mit 50 cm Erdreich festgelegt). In IceCalC wird das Erdreich vereinfacht dynamisch mit simuliert.
Das stündliche Lastprofil des Gebäudes oder eines Baugebiets ist das Resultat der Berechnung und gleichzeitig die Grundlage für die weiteren Berechnungen zum Wärmepumpen-Eisspeichersysem.
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Auswertungen - Anlagenmodell

In Abhängigkeit der technischen Eingaben und auf der Basis der Ergebnisse des Gebäude-Modells wird im Anlagenmodell ebenfalls eine stündliche Simulation durchgeführt. Für die Berechnung sind weniger als 10 Parameter einzugeben, die in der Regel auch schon vorbelegt sind. Das Ergebnis ist ein Quellenanforderungsprofil für die Wärmepumpe, die ihre Energie aus dem Eisspeicher oder direkt über die Kollektoren (Außenluft) beziehen kann.
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Aggregiert können die Daten auf Monatsebene zusammengefasst werden. Dabei entspricht die Summe eines Balkens dem monatlichen Energiebedarf des Gebäudes. Unterteilt wird dieser in die drei verschiedenen Quellen (Eisspeicher, Kollektor und Strombedarf der Wärmepumpe).
Mit der monatlichen Bilanz der Quellen und Temperaturen können Aussagen über das Verhalten des Eispeichers abgeleitet werden.
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Der Kollektor dient direkt als Wärmequelle für die Wärmepumpe, sofern die Außentemperaturen ausreichend hoch sind und ebenfalls zur Regeneration des Eisspeichers. Die grafische Darstellung der monatlichen Kollektorbilanz kann helfen, das energetische Verhalten besser zu charakterisieren.
Die kumulierte Energiebilanz im Speicher zeigt alle Zu- und Abflüsse im Eisspeicher aufgetreten über ein Jahr (letztes Simulationsjahr).
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Als Kollektoren stehen verschiedene Systeme zur Auswahl. In der Regel werden einfache Absorber verwendet, da keine hohen Systemtemperaturen erforderlich sind. Die Auswertung der resultierenden Kollektortemperaturen und Kollektorkenngrößen kann hilfreich sein, die Systeme entsprechend aufeinander abzustimmen.
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Neben der Betrachtung im Jahresverlauf kann der Bezug auf die Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und Eisspeicher hilfreich sein. In dem Fall kann mit und ohne die Berücksichtigung von solarer Einstrahlung gerechnet werden. Das ist zum Beispiel dann erforderlich, wenn über dem Absorber ein Photovoltaikmodul vorgesehen ist. Da der Absorber seine Energie im wesentlichen durch die Temperaturdifferenz gewinnt und die solare Einstrahlung weniger dominant ist, kann die erforderliche Fläche hier doppelt genutzt werden.
Die Effizienz einer Wärmepumpe wird über den COP ausgedrückt. Der Kennwert beschreibt das Verhältnis der Stromaufwendung zur abgegebenen thermischen Energie. Je größer diese Zahl ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe, da weniger Strom verbraucht werden muss, um eine kWh thermische Energie zu erzeugen. IceCalC berechnet die COP-Werte für jede Stunde in Abhängigkeit der vorherrschenden Temperaturen über den Carnot-Wirkungsgrad.
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Die Darstellung der COP-Werte kann unterschiedlich erfolgen. Zur Charakterisierung kann auch die Bezugsgröße der Quellentemperatur hilfreich sein.
Einzelne COP-Werte spiegeln jedoch nicht die Gesamtperformance einer Anlage wider. Dafür verwendet man die Jahres- oder Monatsarbeitszahl (JAZ/MAZ). Über diese Kenngröße werden alle Effizienzwerte über einen bestimmten Zeitraum aggregiert - das kann ein Monat oder üblich das Jahr sein. Die Jahresarbeitszahl ist die am Häufigsten verwendete Größe und drückt die Systemeffizienz der Anlage über ein Jahr aus. Diese Größe eignet sich gut, um unterschiedliche Systeme miteinander zu vergleichen.
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Zusammengefasst kann der Strombedarf für die Wärmepumpe berechnet werden (hier monatlich dargestellt). Die Unterteilung erfolgt für das Heizen und für die Warmwassererwärmung.
Neben diesen Auswertungen stehen viele weitere tabellarische und grafische Ergebnisse zur Verfügung. So zum Beispiel die dynamische Anrechnung des Erdreichs in IceCalC (Kombination aus Wärmespeicherung und Wärmeleitung). Dargestellt wird die anrechenbare Wärmespeicherkapazität des Erdreichs in Abhängigkeit des Abstands zum Eispeicher. Der anrechenbare Wert hängt neben Erdreichparametern auch von der Geometrie und Lage des Eisspeichers ab.
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Wenn ein Gebäude stark verglast ist, so muss dem sommerlichen Wärmeschutz eine höhere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Entsprechend sind auch Verschattungssysgteme zu planen. Das Bild zeigt für jeden Monat, wie oft der Sonnenschutz innerhalb eines Tages im Mittel aktiviert wird. Wenn die Häufigkeit sehr hoch ist, hat man von der geplanten guten Aussicht über große Fensterflächen nicht sehr viel.

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