"Die Wärmepumpen-Funktionsspeicher-Anlage (WPFS) kombiniert die Wärmepumpentechnik mit der Großraumspeichertechnik und verbindet die bewährten Eigenschaften beider Elemente. Diese innovative Kombination erzielt einen deutlich höheren Wirkungsgrad bei der Umsetzung von Primär- in Gebrauchsenergie als herkömmliche Techniken. Auf diese Weise lassen sich erhebliche Mengen fossilen Brennstoffs und Kosten sparen.

Diese Einsparung wird durch den besseren Ausgleich der auftretenden Leistungsspitzen und -tiefen mit der Schichtspeicherung erreicht sowie durch die Maximierung der Speicherkapazität durch ein entsprechend gestaltetes Wärmepumpensystem.

Allgemeines

Das in den Industrienationen weltweite Bestreben, die universell einsetzbare und sicher handhabbare Energieform "Elektrischer Strom" kostengünstig bei gleichzeitig geringstmöglichem Mitteleinsatz zur Verfügung zu stellen, ist die Basisorientierung der hier vorgestellten Technik.

Bei steigendem Bedarf in immer verzweigteren Anwendungsbereichen werden sich auch die Investitionen für größere Stromausbeuten aus den eingesetzten Primär-Energieträgern amortisieren. Die Edelenergie "Elektrischer Strom" wird durch den Arbeitseinsatz wieder in Wärmeenergie bei vorwiegend niederem Temperaturniveau überführt. Dabei werden ganze Produktionsbetriebe nicht selten wärmeüberversorgt. Schon aus diesem Grunde liegt der Gedanke nahe, Wärmespeicher als Energieinseln vor Ort, also in großer Entfernung vom Stromerzeuger, aufzustellen. Stark wechselnde Wärmeverbräuche in benachbarten Versorgungsgebieten können damit effektiver bedient werden.

Die auch aus anderen Quellen in Versorgungsgebieten in großen Mengen vorhandene Niedertemperatur-Wärme ist am effektivsten durch den Wärmepumpeneinsatz auf ein Gebrauchsniveau zu heben. Deshalb ist die Bedeutung der Wärmepumpe als technisches Hilfsmittel zur Einsparung erheblicher Mengen fossiler Brennstoffe und damit zur Reduzierung des umweltbeeinträchtigenden Schadstoffausstoßes allgemein bekannt. Elektrisch betriebene Wärmepumpen müssen in Einzelanlagen allerdings stets für den maximalen Wärmebedarf eines zu versorgenden Heizungssystems ausgelegt sein (wie Kesselanlagen auch).

Für diesen Betriebsfall muß auch die erforderliche Wärmequelle ausreichend dimensioniert werden. Außerdem darf der Temperatur-Hub für eine ökonomisch und ökologisch sinnvolle Betriebsweise nicht zu hoch sein. Andernfalls werde nur am Betriebsort der Wärmepumpe gute ökologische Werte erreicht, der Wirkungsgrad bei der über die Wärmeenergie bekannten Stromerzeugung würde aber nicht mehr kompensiert werden. Die Temperatur, bei der Wärme an das Heizungssystem abgegeben werden soll, ist demzufolge nach oben begrenzt, was immer große Heizflächen bedingt (z.B. Fußbodenheizung in der Haustechnik). Diese grundsätzlichen und damit relativ hohen Investitionskosten verursachenden Randbedingungen haben in der Vergangenheit wesentlich dazu beigetragen, daß mögliche Anwender bzw. Investoren - bei allem Wohlwollen im Sinne eines ökologischen Bewußtseins - Abstand von dieser eigentlich fortschrittlichen Technik genommen haben. Die Abhängigkeit von vorwiegend niedrigen Importpreisen für das Heizöl haben die Entwicklungstendenzen für die Wärmepumpentechnik zusätzlich ungünstig beeinflußt.

Einen erheblichen Beitrag zur Fehlentwicklung hat auch übertriebenes Sicherheitsdenken durch Aufteilung auf mehrere Energieträger bei der Versorgung eines Objektes geleistet. Obwohl die Gebrauchstemperaturen bei der Versorgung der meisten Heizungs- und Kühlsysteme nicht allzu weit voneinander entfernt liegen, wird vorwiegend - saison- oder produktionsbedingt - auf getrennte Energieträger zurückgegriffen. Durch integrierende Systemlösungen aber entsteht erst der umweltschonende Effekt, und es lassen sich dadurch deutliche Investitionskosten-Minderungen erzielen. Dabei muß die höhere, sicher handhabbare Energieform (hier elektrischer Strom) die niederwertigere führen. Energiestudien an betriebenen Anlagen haben zu den vorgenannten Erkenntnissen geführt und die Wärmepumpen als stark integrierendes Anlagen-Element erscheinen lassen, wenn mit dem Wärmepumpen-Effekt ein Schichtspeicher zur Vorhaltung der betriebs- und verbrauchsbedingten und zeitlich versetzten Leistungsspitzen für die Versorgung der kalten und warmen Seiten eines Systems eingesetzt wird.

Beschreibung und Funktion der WPFS-Anlage

Aus den gewonnen Erkenntnissen lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zu schaffen, die in der Lage ist, den in einem Zyklus (z.B. Jahres- und/oder Produktionszyklus) zeitlich versetzten, stark wechselnden und sich verändernden Bedarf und Überschuß an Wärme verlustarm, fossile Brenstoffe sparend und umweltschonend mit nur einer Wärmepumpe kleiner Leistung und gleichbleibend hoher Leistungsziffer auszugleichen und die zur Versorgung von Wohngebieten, öffentlichen Einrichtungen, Produktionsbetrieben oder dergleichen mit Wärme und/oder Kälte geeignet ist. Bei dieser Anlage bilden zur Beschaffung, Speicherung und Verteilung von Heizenergie eine Wärmepumpe und ein für Temperaturschichtung ausgelegter Großraumspeicher (Schichtspeicher) eine Funktionseinheit. Diese wurde deshalb "Wärmepumpen-Funktionsspeicher" (WPFS) genannt.

Die Wärmepumpe übernimmt dabei zusammen mit den im Mediumkreislauf vorgesehenen Regel- und Umschaltventilen die Konstanthaltung der eingestellten Nutz-Temperaturen zur Kühlung im unteren Bereich des unteren Volumenteils und durch Umschaltung zur Heizung im oberen Bereich des oberen Volumenteils des Großraum-Schichtspeichers. Die Wahl der Wärmepumpenleistung ergibt sich aus dem durchschnittlichen Zykluswärme- und/ oder -Kühlbedarf und der Wärmepumpenbetriebszeit, z.B. im Niedertarifbereich der öffentlichen Stromversorgungsnetze, sowie der gleichbleibend hohen Auslastung bei hoher Leistungsziffer und fällt dadurch bei der WPFS-Anlage klein aus. Der isolierte Trennsteg im Speicher, der den oberen und unteren Volumenteil im Verhältnis der abgegebenen Wärme am Kondensator - bei fossil betriebener Wärmepumpe zuzüglich der Motorabwärme - und der aufgenommenen Wärme am Verdampfer der Wärmepumpe teilt, unterstützt die auf Langzeit angelegte Temperaturschichtung im Speicher.

Durch die Umschaltung der Wärmepumpe, je nach Energiebedarf auf der kalten oder warmen Seite (z.B. orientiert an der Jahresmitteltemperatur oder am Zyklus eines Produktionsablaufes), werden unmittelbar oberhalb und unterhalb des Trennsteges Mediumtemperaturen mittleren Niveaus eingelagert, die zusätzlich eine Durchmischung der Nutztemperaturen, die vorzeitig durch freie und erzwungene Konvektion im Speicher hervorgerufen würde, über einen längeren Zeitraum verhindern und so zur stabilen Temperaturschichtung im Speicher beitragen.

Bei der Einspeicherung als auch Entnahme von Heiz- und Kühlenergie, entstehen zwischen oberem und unterem Volumenteil des Speichers Mengenströme unterschiedlicher Größenordnungen, für die der Trennsteg an einer Stelle durchlässig ist. Die von den Wärmeverbrauchern und -lieferern zurückfließenden Mengenströme unterschiedlichster Temperaturen werden dem mittleren Temperaturniveau im Speicher, also unmittelbar ober - und unterhalb des Trennsteges, zugeordnet und mischen sich durch entsprechend gestaltete Ein- und Ausläufe nur dort mit dem umgebenden Medium. Wärmeleitung an der Hülle des Großraumspeichers, dessen Geometrie wegen der geringsten Wärmeverluste vorzugsweise Kugelform hat, wird durch eine innen aufgebrachte Isolierung stark unterbunden. Auch hierdurch wird der Vorgang der Durchmischung stark reduziert. 

Die Unterbringung des Speichers erfolgt entweder

• ganz im Erdreich,
• halb im Erdreich, wobei die obere Hälfte mit dem Aushub abgedeckt und landschaftlich und/oder architektonisch gestaltet werden kann,

• wird als hochgebautes oder teilweise hochgebautes Funktionselement errichtet, das durch architektonische Umbauung (z.B. Wohnungen Geschäftsräume, Garagen) gestaltet wird.

• Abwärme aus Produktionsprozessen; 
• Abwärme aus Klimaanlagen; 
• Wärme aus Umgebungsluft; 
• Wärme aus abfließendem Brauchwarmwasser;
• Wärme aus Sonnenkollektoren; 
• Wärme aus Kühlräumen;
• Wärme aus Kühlwasser von Kraftwerken;
• Wärme aus Grund- und Grubenwasser.

• Aufteilung der gleichbleibenden Temperaturdifferenz im Arbeitsprozeß der Wärmepumpe auf ein unteres Temperaturniveau, um Wärme einzusammeln und zu speichern, und durch Umschaltung auf ein oberes Temperaturniveau, um Heizwärme mit erforderlicher Temperatur bereitzustellen. Dabei wird für den Ablauf des Bedarfszyklus 

• Zusammmenlegung der Sammel-, Verteil- und Bereitstellungsfunktionen für die Wärmeenergie in einem Großraum-Schichtspeicher, wodurch die externen Wärmeverluste klein bleiben;
• Verzicht auf die Verwendung von fossilen Brennstoffen während des gesamten Bedarfszyklus bzw. erhebliche Reduktion des Verbrauchs fossiler Brennstoffe bei fossil betriebener Wärmepumpe;
• Beschränkung der Warmepumpen-Betriebszeit bei elektrischem Betrieb mit öffentlicher Stromversorgung auf die Niedertarifzeit oder auf die Zeit alternativer Stromversorgung, z.B. aus der Photovoltaik oder durch Windenergie;
• Forderung nach konsequenter Nutzung von Umwelt- und regenerierbarer Wärme.


Der Jahresnutzungsgrad bezogen auf die eingesparte Primärenergie bei Verwendung des WPFS im Verhältnis zum Einsatz fossiler Brennstoffe vor Ort unter Berücksichtigung des Kraftwerkswirkungsgrades ergibt sich aus der Beziehung:


Dabei bedeuten:



Zahlenwerte für die Jahresarbeitszahl (Jahresmittelwert der Leistungsziffer) und die Wirkungsgrade sind abhängig von den zu befolgenden Betriebsbedingungen und schwanken daher innerhalb einer gewissen Bandbreite.

Die nachfolgend aufgeführten Zahlenwerte stellen somit zeitliche und betriebsbedingte Mittelwerte dar.

Dabei ist hervorzuheben, daß die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe trotz eines Temperaturhubes von ca. 60 bis 70°C wegen der Ausnutzung der 'I'emperaturschichtung im Speicher sehr hoch liegt.



Damit läßt sich bei Verwendung einer WPF-Anlage der Einsatz der Primärenergie im Verhältnis zum konventionellen Betrieb bei den getroffenen Annahmen auf 52 - 42 % reduzieren.

Beispielrechnung bezogen auf die Wirtschaftlichkeit:

Bezogen auf ein Projekt mit einem Jahreswärmebedarf von 25.000 MWh ergeben sich mit obigen Zahlenwertannahmen und 500 DM/m³ für leichtes Heizöl und 140 DM/MWh aus dem öffentlichen Stromnetz Verbrauchseinsparungen von 819.250,-DM pro Jahr.

Bei einem Zinsfuß von 10% und einer Laufzeit von 5 Jahren könnte ein Kapital von 3.100.000,- DM eingesetzt werden.

Allein diese Zahlen lassen die wirtschaftlichen Vorteile der WPFS-Anlage erkennen.

Entwicklungsbedarf

Die physikalischen Erkenntnisse über das thermohydraulische Verhalten von Wasserschichten unterschiedlicher Temperaturen sind wissenschaftlich grundsätzlich erforscht und nachgewiesen. Siehe hierzu folgende Berichte:

• BMFT-FB-T 86-066 "Meßprogramm zur Untersuchung der Speichervorgänge an einem 2000 m³-Wasserspeicher" (Pforzheim Speicher) von Dipl. Ing. V. Fritsche;
• BMFT-FB-T 83-239 "Einfluß der Konvektion auf die Temperaturverteilung im thermischen Speichersee" von Prof. J. Straub und Prof. A. Staudt;
• Sonderdruck Nr. 3439 in "Fernwärme international": "Konstruktive und wirtschaftliche Aspekte des Kurzzeitwärmespeichers in Flensburg" von Wolfgang Prinz.


Der Betrieb der WPFS-Anlage stellt sich jedoch wegen der vielen Möglichkeiten von Betriebszuständen sehr viel komplexer dar als der isolierte Betrieb eines Speichers oder einer Wärmepumpe.

Es sind die der Erfindung zugrundeliegenden regelungs- und schaltungstechnischen Besonderheiten des Wärmepumpen-Effekts an einem Schichtspeicher im praktischen Betrieb nachzuvollziehen und die Auswirkungen der Speicherbeschickung auf die Temperaturschichtung zu untersuchen.

Da der nutzbare Temperatur-Hub bei hohen Leistungsziffern erheblich höher liegt als bei Einzelanlagen - Mischzone und Grundzone im Schichtspeicher also wesentlich weiter voneinander entfernt liegen - soll der isolierte Trennsteg für Langzeitspeicherung die Einmischung- und Gradientenzone möglichst kurz und stabil halten.

Für den Entwicklungsbedarf der Besonderheiten sind erfahrene Fachunternehmen heranzuziehen und zwar für:

Kälte- und Wärmepumpentechnik

• Wahl der verfügbaren Kältekompressoren;
• Wahl des Kältemittels und des Kältemaschinenöls;
• Auslegung der Antriebstechnik;
• Ausarbeitung der regeltechnischen Erfodernisse.


Speichertechnik

• Optimierung der Formgebung nach technischen und kostenmäßigen Kriterien;
• Wahl des Mantelmaterials;
• Wahl und Einbringung der Innenisolierung mit wasserdichter und beständiger Abdichtung;
• Auslegung der Ladetassen für laminare Einströmungen zur Vermeidung von Durchwirbelungen;
• Konstruktive Auslegung des Trennsteges und dessen Einbringung.


Schaltung und Regelung

• Ausarbeitung und Aufbau aller schalt- und regelungstechnischen Erfodernisse in enger Zusammenarbeit mit der Planung;


Randbedingungen für das Pilotprojekt

Grundsätzlich eignen sich fast alle Versorgungsysteme, die neu eingerichtet werden und einen für die Wirtschaftlichtkeitsbetrachtung genügend großen Umfang aufweisen. Bei Sanierungen sind insbesondere solche Anlagen in Betracht zu ziehen, die sowohl hohen elektrischen Strombedarf, fossilen Brennstoffverbrauch und hohen Wasserbedarf verzeichnen. 

Dazu zählen Molkereien, Färbereien, Großschlachtereien, Brauereien, Großmarkthallen, Krankenhäuser, Hotels und andere Einrichtungen. Aber auch größere Wohnsiedlungen eignen sich ganz besonders dann, wenn sie mit Abwärme naheliegender Produktionsbetriebe, die oft durch die Vielzahl elektrischer Antriebe wärmeseitig überversorgt sind, oder mit Wärme aus Sonnenkollektoren versorgt werden können.

Bedeutung und Relevanz für die Öffentlichkeit

Eine sehr effektive und patentierte Umwelttechnik sollte auch im Anspruch internationaler Wirtschaftichkeitsbetrachtungen durchgesetzt werden, weil sie:

• einen deutlichen Beitrag liefert zur Energieeinsparung und somit die Ziele der CO2-Reduzierung unterstützt;
• einen deutlichen Beitrag liefert zur Minimierung der Emmissionsbelastung global wie auch in Ballungsräumen;
• nach Durchführung rechnerischer Analysen/Auslegung und Erprobung in einem Pilotprojekt problemlos in den Wirtschaftskreislauf eingeführt werden kann;
• unsere exportorientierte Wirtschaft stützt;
• Arbeitsplätze schafft;
• Vertrauen in jene Umweltpolitik setzt, die sich durchsetzt.


Dieses Vorhaben entspricht in vollem Umfang den förderpolitischen Zielen der Bundesrepublik Deutschland.

Vorhaben und Arbeitsschritte

Aus der Basis der vorstehenden Ausführungen soll nach rechnerischen Analysen und Auslegungen eine Modellanlage errichtet werden, an der insbesondere die Wirksamkeit des Zusammenwirkens der Komponenten, der Regelung und Steuerung und insbesondere die Funktion des Schichtspeichers erprobt werden soll. Dabei soll die Gesamtanlage möglichst einfach gebaut werden, um zunächst die Funktion des Schichtspeichers zu erproben.

Bei positivem Ausgang soll dann die Pilotanlage mit definierten Wärme- und Kälteverbrauchern erprobt und durch erforderliche Messungen analysiert werden. Es wird davon ausgegangen, daß sich die Ergebnisse der Berechnungen/Analysen und der Erprobung und Messung positiv gestalten, so daß dann eine entsprechende Planung für eine Installation in einem Produktionsbetrieb o.ä. durchgeführt werden kann. Es ist zu erwarten, daß entsprechend dem Ergebnis der Untersuchungen eine gute Vermarktungschance besteht. 

Umweltpolitische Bedeutung der WPFS-Anlage

Durch seine energiesparende Wirkung trägt der WPFS dazu bei, den umweltbelastenden Schadstoffausstoß zu verringern und Rohstoffvorkommen zu schonen. Der Wärmepumpen-Funktionsspeicher wird also einem umweltbewußten Planungskonzept besonders gerecht.

Nachweis für die politische Durchsetzung

Mit diesem innovativen Anlagenkonzept ist der Nachweis erbracht, daß integriertes Planen auch bei der Energieversorgung zu praktikablen Lösungen beim Verbraucher führt, wobei Umweltaspekte in bedeutender Weise berücksichtigt werden. Integriertes Planen auf diesem Sektor läßt außerdem eine Minderung der anlagetechnischen Investitionen erwarten, besonders wenn Entwicklung und Herstellung der prinzipiell bekannten Komponenten in die Fachroutine münden. Die für alle Belange des Umweltgeschehens motivierte Öffentlichkeit wird auch diese Technik mit Interesse für ihren Einsatz mittragen.

Wirtschaftliche Bedeutung der WPFS-Anlage

Das Einsetzen energiesparender Techniken hat neben dem ökologischen Aspekt auch den Vorteil einer größeren Unabhängigkeit von Rohstoffimporten. In der weltweit laufenden Forschung an neuen Umwelttechniken ist es für die eigenen Volkswirtschaft von größter Wichtigkeit, hierbei den Anschluß nicht zu verlieren. Es ist daher sinnvoll, deutsche Entwicklungen auf diesem Gebiet zu unterstützen und gegebenenfalls zu exportieren, anstatt sie später importieren zu müssen. Der WPFS ist gerade in dieser Hinsicht eine praktikable und förderungswürdige Neuerung.

Die Wirtschaftlichkeit der WPFS-Anlage setzt Maßstäbe

Einer verbreiteten Einführung der Wärmepumpentechnik in Einzelanlagen standen vornehmlich die erhöhten Anschaffungskosten und die niedrigen Energiekosten entgegen. In der Vergangenheit durchlebte Krisen bei der Heizölversorgung und die damit verbundenen erheblichen Preissteigerungen haben das Geschäft mit den Wärmepumpen spontan belebt, wodurch die mangelnde Wirtschaftlichkeit des Wärmepumpenbetriebes bei zu niedrigen Heizölpreisen bestätigt wurde.

Der Einsatz der hier vorgestellten Anlagentechnik wäre auch unter dem Aspekt geboten, daß mit ihr, zusammen mit sinnvollen Tarifgestaltungen bei der Stromversorgung, der für das Umweltgeschehen sehr belasteten Abhängigkeit von Importpreisschwankungen des Heizöls begegnet werden kann.

Für eine breite Einführung dieser Technik müßten auch die politischen Randbedingungen entsprechend abgesteckt werden, was mit hoher Wahrscheinlichkeit in Zukunft der Fall sein wird."

Aus der Informationsschrift zum 1. Erfinderkongreß der Mittelstandsvereinigung der CDU/CSU in Bonn.
Nachgedruckt in "Brauwelt - Zeitschrift für das gesamte Brauwesen und die Getränkewirtschaft" Nr. 37/1996


  Passt, wackelt und hat Luft.

E-Mail: arminwitt@t-online.de