Hochschule München Nachhaltigkeit Nachhaltigkeitsausstellung

WP-BiLatent - Wärmepumpe mit integrierten Latentwärmespeichern für Raumwärme und Warmwasser

Wärmetransformation: Wärmepumpen & Kältemaschinen

Elektrische Wärmepumpen stellen ein zentrales Element der zukünftigen Wärmeversorgung dar, um im Rahmen der Sektorkopplung elektrische Energie effizient in Nutzenergie für die Heizung und Klimatisierung von Gebäuden zu verwandeln. Als elektrisch angetriebenes Wärmeversorgungssystem spielen Wärmepumpen eine entscheidende Rolle im Hinblick auf das Lastmanagement im elektrischen Versorgungssystem und für die Nutzung von Elektroenergie aus regenerativen Quellen. Durch den Einsatz von Wärmespeichern kann eine Entkopplung von Wärmebereitstellung und Wärmenutzung erreicht werden, so dass die Wärmepumpe als Wärmeerzeuger zeitlich flexibel eingesetzt werden kann. Durch die Flexibilisierung kann einer Überlastung der Stromversorgung infolge von Bedarfsspitzen der Wärmeversorgung entgegengewirkt werden. Neben der zeitlichen Flexibilität des Betriebs des Wärmepumpenheizsystems im Zusammenspiel mit der Stromversorgung ermöglicht ein Wärmespeicher auch die Nutzung günstiger Umgebungsbedingungen für einen besonders energieeffizienten Betrieb der Wärmepumpenheizung. Ziel dieses Vorhabens ist der Einsatz von Latentwärmespeichern in einem Wärmepumpenheizgerät für die Raumheizung und die Brauchwassererwärmung. Damit soll eine verbesserte Speicherwirkung und eine gesteigerte Energieeffizienz im Vergleich mit herkömmlichen Wärmepumpensystemen mit Wärmespeichern erzielt werden.

Projektbeschreibung

Der Einsatz von Latentwärmespeichern in Wärmepumpensystemen bietet eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zur herkömmlichen Wärmeträger-gefüllten Wärmespeichern.

Da die Wärmeaufnahme und abgabe während des Phasenwechsels des Speichermaterials bei annähernd konstantem Temperaturniveau erfolgt, ist eine besonders effiziente Kopplung mit der Wärmepumpe möglich, deren interner Kreislauf ebenfalls durch konstante Temperaturniveaus bei der Verdampfung und Kondensation des Kältemittels bestimmt wird.
Latentwärmespeicher weisen eine hohe Energiedichte innerhalb eines schmalen Temperaturbereiches aus. Damit ist eine gute Anpassung des Wärmespeichers an die Raumwärmeversorgung von Wohngebäuden möglich, die in der Regel mit Temperaturdifferenzen zwischen Heizkreisvorlauf- und rücklauf von etwa 10 K betrieben wird: Durch die Einhaltung der Temperaturwerte des Heizungssystems kann die Wärmepumpe auch bei der Speicherladung mit hoher Effizienz betrieben werden, ausgedrückt durch die Arbeitszahl (COP). Gleichzeitig kann der Speicher basierend auf der hohen spezifischen Wärmeaufnahme während des Phasenwechsels sehr kompakt ausgeführt werden. Herkömmliche Speicher haben bei Erhöhung der Speichertemperatur eine höhere elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe und dadurch eine entsprechend verringerte Arbeitszahl zur Folge. Andernfalls ergibt sich bei Einhaltung der Temperaturwerte des Heizungssystems ein etwa um den Faktor 5 höheres Speichervolumen im Vergleich zur Verwendung eines Latentwärmespeichers.
Bei der Brauchwarmwasserversorgung kann das Temperaturniveau der Wärme-speicherung bei Verwendung eines Latentwärmespeichers passend zur gewünschten Zapftemperatur gewählt werden. Eine Erwärmung des Speicherinhalts auf 60°C zur Vermeidung der Legionellenbildung, wie durch die einschlägigen technischen Regeln beim Einsatz von Brauchwasserbereitschaftsspeichern vorgegeben – ist nicht erforderlich, wenn die Wärmeentnahme aus dem Latentwärmespeicher im Durchlaufprinzip erfolgt. Entsprechend dem niedrigeren Temperaturniveau der Wärmespeicherung kann beim Einsatz von Latentwärmespeichern somit eine höhere Wärmepumpenarbeitszahl im Vergleich zum Einsatz von Brauchwasserbereitschaftsspeichern erreicht werden.