Sonnenwärme bis zum Winter speichern

SolSpaces Forschungsgebäude mit Sorptionsspeicher für Wärme (Bild: ITW)

SolSpaces Forschungsgebäude mit Sorptionsspeicher für Wärme (Bild: ITW)

Um sommerliche Wärme im Winter für die Heizung nutzen zu können, müssen Warmwasser­speicher sehr groß sein. Denn kleine Speicher kühlen zu schnell aus. Deshalb werden saisonale Speicher fast ausschließlich für Siedlungen oder für sehr große Verbraucher konzipiert. Nun haben Forscher einen neuen Langzeit­speicher entwickelt, der sich auch für Einfamilien­häuser eignet.

Seit November 2013 steht in Stuttgart ein Forschungshaus für energie­effizientes Wohnen. Innerhalb des Projektes SolSpaces statteten Wissen­schaftler das 43 Quadratmeter große Forschungs­gebäude zunächst mit konven­tioneller Heizungs­technik aus. Ein Jahr lang untersuchten Wissen­schaftler des Instituts für Thermodynamik und Wärme­technik ITW der Universität Stuttgart das Gebäude mess­technisch. Das Ergebnis: Der jährliche Heizwärmebedarf des SolSpaces-Gebäudes beträgt ohne Wärmerück­gewinnung im bewohnten Zustand rund 3.000 kWh/a. Mit Wärme­rück­gewinnung liegt der Wert etwa 30 % darunter bei 2.000 kWh/a. „Das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen des Forschungsgebäudes ist relativ groß – das führt zu einem vergleichs­weise hohen spezifischen Wärme­bedarf pro Quadratmeter“, sagt Henner Kerskes, Leiter des SolSpaces-Projekts. Der absolute Wärmebedarf größerer energie­effizienter Gebäude liegt in einer ähnlichen Größenordnung. Daher lässt sich das neue Heizungs­konzept auch auf größere Gebäude übertragen.

Prinzip des Sorptionspeichers für Wärme (Bild: ITW)

Prinzip des Sorptionsspeichers für Wärme (Bild: ITW)

Die Forscher des ITW entwickelten nach dem einjährigen Monitoring ein neues solares Heiz­system. Zu den zentralen Komponenten gehören ein Sorptions­wärmespeicher zur saisonalen Wärme­speicherung, ein Vakuumröhren-Luft­kollektor mit 26 Quadrat­meter Kollektor­fläche auf dem Dach des Forschungs­gebäudes und ein Wärme­übertrager zur Wärmerück­gewinnung. Der thermo­chemische Wärme­speicher speichert solare Wärme des Sommers verlustfrei für die Beheizung des Gebäudes im Winter. Bisher werden in der Regel Warmwasser­speicher eingesetzt. Diese benötigen aber sehr viel Platz und sind teuer. „Daher entwickelten wir einen saisonalen Sorptions­wärmespeicher, der sich auch für Einfamilien­häuser eignet“, fügt der Projekt­leiter hinzu.

Das Prinzip des Sorptions­wärme­speichers beruht auf der Ad- und Desorption. Als Adsorbens verwenden die Forscher das als Trocknungs­mittel bekannte Zeolith, welches im Speicher als kugel­förmiges Granulat fest eingebettet ist. Die natürliche Luftfeuchte der Raumluft dient als Adsorptiv. Die Raumluft wird durch das Zeolith-Granulat geleitet. Wasser­moleküle lagern sich an der porösen Oberfläche des Zeoliths an und es wird Adsorptions­wärme frei. Umgekehrt lässt sich der Speicher beladen, indem im Sommer solare Wärme das Wasser austreibt. Verluste entstehen nur beim Be- und Entladen.

Das Besondere des 4,3 Kubikmeter großen Sorptions­wärme­speichers ist die Unterteilung in vier Quadranten. Diese sind jeweils horizontal in sechs Segmente unterteilt. Es entstehen 24 flache Segmente. So ist eine abschnitts­weise Durch­strömung innerhalb des Speichers mit geringem Druck­verlust möglich. Luft tritt in den zentralen Eintritts­kanal ein, strömt durch ein Segmentpaar und tritt entlang der vertikalen Speicher­kanten zum Austritts­kanal wieder aus dem Speicher aus. Jedem Segmentpaar ist eine gemeinsame Luft­austritts­öffnung zum Austritts­kanal hin zugeordnet, sodass die Segmentpaare separat durchströmt werden können. „Dadurch wird eine flexible Be- und Entladung des Speichers ermöglicht“, erklärt Kerskes.

Der Speicher wird bei einer Temperatur von 180° C beladen. Um diese für Solar­systeme hohen Temperaturen zu erreichen, werden konzentrierende Vakuumluft­kollektoren eingesetzt. Bei Warmwasser­speichern liegt die typische Speicher­dichte direkt nach der Beladung bei etwa 70 kWh/m³ und sinkt durch Wärme­verluste stetig. Demgegenüber errechneten die Wissen­schaftler für den verlust­freien Zeolith-Speicher eine Energiedichte von 163 kWh/m3. Die gesamte Speicher­kapazität dürfte damit bei 700 kWh liegen. Bis Ende Februar wurden dem Speicher circa 573 kWh entnommen. Eine  genaue Analyse und Bewertung kann am Ende der Heizperiode 2015/2016 erfolgen, wenn alle Messdaten der Heizperiode vorliegen. (Quelle: BINE)

Links: Projekt SolSpaces, Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (K. Spindler), Universität Stuttgart

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