Eisspeicherheizungen

Wärmepumpen kommen in der Wärme- und Kältetechnik gleichermaßen in unterschiedlicher Art und Weise zum Einsatz; das zugrundeliegende verfahrenstechnische Prinzip ist jedoch stets das gleiche. Aufgrund ihrer vielseitigen Anwendbarkeit können Wärmepumpen sogar dazu verwendet werden, um unter Ausnutzung von Wasser als Wärmespeicher mit Eis zu heizen – was zunächst erst einmal widersprüchlich klingt, physikalisch aber durchaus möglich ist. Eine solche Ausführung wird auch als Eisheizung, Eisspeicherheizung oder Latentwärmespeicherheizung bezeichnet und soll in diesem Beitrag in ihren wesentlichen Grundzügen vorgestellt werden.

Diese integrierte Anlagenkombination besteht aus mehreren technischen Komponenten in Form des Eisspeichers, der strombetriebenen Wärmepumpe sowie einer Vorrichtung zur externen Wärmeversorgung und Enteisung des Wasserreservoirs, die meist eine solarthermische Installation zu seiner Versorgung mit thermischer Energie darstellt. Der Eisspeicher besteht in der Regel aus einer Zisterne, die im Boden neben dem zu beheizenden Gebäude eingelassen ist. Dieses unterirdische Wasserreservoir darf zwecks Aufnahme thermischer Energie aus der Umgebung nicht isoliert sein und ist daher meist aus Beton gegossen. Die Zisterne sammelt das Regenwasser und ist über einen Zu- und Ablauf von Kunststoffrohren aus Polyethylen (PE) durchzogen, die ein spezielles Wärmemedium zwischen den einzelnen vorgenannten Anlagenbestandteilen transportieren bzw. zirkulieren lassen.

Dieser kontinuierliche Kreislauf des Thermomittels (zum Beispiel ein Sole-Wasser-Gemisch), das die thermische Wasser-, Luft- und Solarenergie aufnimmt, wird durch den Motor der Wärmepumpe im Gebäude gewährleistet. Diese ist wiederum mit der Heiz- sowie mit der Warmwasserinstallation des Gebäudes verbunden und versorgt beide Systeme mit thermischer Energie, die sie über den Leitungszyklus aus dem Eisspeicher bzw. viemehr aus der sogenannten latenten Wärme erhält, die bei einem Phasenwechsel, also bei einer Änderung des Aggregatzustand eines Mediums, freigesetzt wird. Im Falle des (Regen-)Wassers in der Zisterne ist dies die sogenannte Kristallisationswärme, die durch die Kristallisierung der Wassermoleküle in Form von freiwerdender thermischer Energie entsteht, wenn Wasser – hier von innen nach außen und somit ohne Sprengwirkung – bei 0 °C gefriert und somit seinen Aggregatzustand von flüssig in fest (kristallines Eis) ändert. Sie entspricht der freigesetzten Energiemenge bei der Erhitzung von Wasser von 0 auf 80 °C.

Aber nicht nur die Kristallisationsenthalpie (Enthalpie = Wärmeinhalt eines thermodynamischen Systems) wird genutzt, sondern auch die Umgebungswärme aus dem Erdreich sowie aus der Umgebungsluft einerseits und der diffusen oder direkten Sonnenstrahlung andererseits. Der erstgenannte geothermische Effekt ergibt sich aus der den Wasserbehälter umgebenden Erdwärme, die von der praktisch unisolierten Zisterne aufgenommen und im Regenwasser gespeichert wird. Der solarthermische Effekt wird über Solar-Luft-Absorber auf dem Dach des Gebäudes genutzt. In beiden Fällen wird die aufgenommene thermische Energie an das Wärmemedium im PE-Rohrsystem übertragen und von dort zur Wärmepumpe transportiert, die den Heizungs- sowie den Warmwasserkreislauf des Gebäudes mit Nutzwärme versorgt.

Der Vorteil einer solchen Eisheizung besteht neben den geringeren CO2-Emissionen sowie Energie- und Betriebskosten darin, dass im Winter und somit während der Heizperiode über den Eisspeicher geheizt werden kann, während im Sommer das Gebäude durch das langsame Schmelzen des Eises über die Rohrleitungen gekühlt werden kann, was auch als „Natural Cooling“ bezeichnet wird, so dass Kältemaschinen wie beispielsweise Klimaanlagen überflüssig werden. Außerhalb der Heizperiode übernimmt die Solarthermieanlage auf dem Dach die Warmwasserversorgung des Gebäudes. Nachteilig ist der höhere Investitionspreis gegenüber herkömmlichen Heizsystemen wie Gas-, Öl-, Holz- oder normalen Wärmepumpenheizungen, was jedoch auch darauf zurückzuführen ist, dass es sich bei der Eisspeicherheizung noch um eine vergleichsweise neue Methode zur Wärmeversorgung handelt.