Kaltes Nah­wär­me­netz für Walldürn

Soge­nannte kalte Nah­wärme ist eine Vari­ante eines Nah­wär­me­ver­sor­gungs­netzes, wel­ches mit nied­rigen Über­tra­gungs­tem­pe­ra­turen im Bereich nahe der Umge­bungs­tem­pe­ratur arbeitet und daher sowohl Wärme als auch Kälte bereit­stellen kann. Im Regel­fall sind Über­tra­gungs­tem­pe­ra­turen im Bereich von ca. 0–25 °C üblich, wodurch diese Sys­teme mit Tem­pe­ra­turen deut­lich unter­halb der her­kömm­li­chen Fern- oder Nah­wär­me­sys­teme arbeiten. Somit können ver­schie­dene Ver­brau­cher unab­hängig von­ein­ander zeit­gleich heizen und kühlen.

Im Wall­dürner Bau­ge­biet „Neuer Wasen“ soll ein Wär­me­kon­zept umge­setzt werden, wel­ches im Wär­me­sektor den Ener­gie­be­darf der Ein­wohner voll­ständig aus Erneu­er­baren Ener­gien deckt. Dazu ist geplant ein kaltes Nah­wär­me­netz zu errichten, an wel­ches die Gebäude ange­schlossen sind und die mit­tels einer Wär­me­pumpe Raum­wärme und Warm­wasser erzeugen. Zusätz­lich werden auf den Gebäuden Solar­ab­sorber ver­baut. Über­schüs­sige, nicht im Haus genutzte Wärme, wird über einen Wär­me­tau­scher in ein gemein­sames Wär­me­netz ein­ge­speist. Ein unter­ir­di­scher zen­traler Spei­cher (der soge­nannte „Eis­spei­cher“) spei­chert die Wärme sai­sonal, so dass die im Sommer erzeugte Wärme für die Tem­pe­rie­rung der Gebäude im Winter genutzt werden kann. Im Winter wird dem erwärmten Spei­cher die Energie ent­zogen, bis der Spei­cher gefriert. Über den Sommer wird diese Kälte wieder zur pas­siven Küh­lung der Gebäude genutzt.

Im Ver­gleich zu her­kömm­li­chen Wär­me­netzen erfolgen hier Warm­was­ser­er­zeu­gung und Gebäu­de­hei­zung über Wasser-Wär­me­pumpen, die ihre Wär­me­en­ergie aus dem Wär­me­netz und dem zen­tralen Sai­sonal Spei­cher („Eis­spei­cher“) gewinnen. Der Eis­spei­cher spei­chert im Sommer die Wärme und im Winter die Kälte aus der Umge­bung. Die Küh­lung der ange­schlos­senen Gebäude kann direkt über das Netz mit dem ver­bun­denen Spei­cher erfolgen. Das kalte Nah­wär­me­system funk­tio­niert ver­bren­nungs­frei. Für den Betrieb des kalten Nah­wär­me­sys­tems benö­tigt man aus­schließ­lich den Ener­gie­träger Strom, wobei nur ein sehr geringer Anteil für den Betrieb des Netzes benö­tigt wird. Der Haupt­an­teil des Stroms wird für die jewei­ligen Haus­an­lagen (Wär­me­pumpen, Puf­fer­spei­cher) benö­tigt. Durch die auf den Gebäu­de­dä­chern instal­lierten Pho­to­vol­taik Anlagen ist es mög­lich, das System zu einem hohen Grad mit selbst pro­du­ziertem Strom zu betreiben.

Der Eis­spei­cher ist das Herz­stück des Gesamt­sys­tems. Ohne ihn kann das System nicht arbeiten. Ein Eis­spei­cher ist ein im Erd­boden ein­ge­bauter Zylinder, wel­cher mit Wasser gefüllt ist. Im Inneren sind die Wär­me­tau­scher-Schlangen ver­legt, durch die eine frost­si­chere Flüs­sig­keit (Wasser/Glykol) fließt. Diese ent­zieht dem Wasser im Spei­cher die Wärme bzw. lie­fert die Energie zur Rege­ne­ra­tion zurück. Sogar wenn die Tem­pe­ratur des Was­sers unter den Gefrier­punkt sinkt, kann das System weiter Energie gewinnen. Im Ver­lauf des Gefrier­pro­zesses, wäh­rend dem die Tem­pe­ratur des Was­sers kon­stant bei 0°C liegt, wird die soge­nannte Kris­tal­li­sa­ti­ons­wärme frei. Wie bereits schon erwähnt, wird zum Schmelzen eines Stoffes – in diesem Falle Wasser bzw. Eis – genauso viel Energie benö­tigt, wie beim Gefrieren frei wird.

Die Rege­lung der Wär­me­pumpe über­nimmt die Steue­rung der Anlage. Um eine best­mög­liche Effi­zienz der Haus­an­lage zu errei­chen, ent­scheidet diese anhand der vor­ge­ge­benen Para­meter, wo die höhere Quel­len­tem­pe­ratur zwi­schen Netz und Solar­ab­sorber vor­handen ist. Liegt eine höhere Tem­pe­ratur auf den Dächern über den Solar­ab­sorber vor, wird diese Energie vom Dach in erster Linie vor­rangig in der Anlage auf der Quel­len­seite der Wär­me­pumpe genutzt. Liegt die Tem­pe­ratur jedoch unter der Netz­tem­pe­ratur, z.B. an kalten Win­ter­tagen oder in der Nacht, wird die benö­tigte Quel­len­en­ergie für die Wär­me­pumpe aus dem Wär­me­netz ent­nommen. Ist dann noch über­schüs­sige Wärme vom Solar­ab­sorber vor­handen welche gerade nicht für den Betrieb der Wär­me­pumpe benö­tigt wird, wird diese in das Netz zurück gespeist und somit Wärme wieder im Netz selbst und im Spei­cher ein­ge­la­gert. Dadurch erhält man der Effekt des bidi­rek­tio­nalen Netzes.

Der wei­tere Vor­teil dieses Sys­tems im Ver­gleich zu einer Luft­wär­me­pumpe ist, dass keine Schallim­mis­sionen ent­stehen. Gerade in neuen Bau­ge­bieten oder inner­städ­ti­schen Berei­chen mit enger Bebauung kommt es immer wieder zu Stör­fak­toren durch die Ven­ti­la­toren der Außen­luft­ge­räte. Dies ist gerade im Winter und spe­ziell in der Nacht ein wich­tiger Punkt und ein wesent­li­cher Vor­teil des Nah­wär­me­netzes. Zudem erzielt gerade in der Heiz­pe­riode eine Luft­wär­me­pumpe keine guten COP-Werte. Der Wert “COP” benennt das Ver­hältnis von auf­zu­wen­dender Energie zu erzeugter Wärme unter Norm­be­din­gungen. Ein Bei­spiel: mit der Jah­res­ar­beits­zahl wird die Effi­zienz einer Wär­me­pum­pen­hei­zung bezif­fert. Diese wird indi­vi­duell für ein bestimmtes Gebäude und eine bestimmte Heiz­an­lage ermit­telt. Eine Jah­res­ar­beits­zahl von 5 sagt aus, dass die Heiz­an­lage 5 kWh Wärme mit­tels 1 kWh elek­tri­scher Energie bereitstellt.

Ther­mi­sche Energie aus der Umwelt ist auch dann noch tech­nisch nutzbar, selbst wenn die Tem­pe­ratur der Quelle sehr niedrig ist. So arbeitet eine Erd­wär­me­pumpe zum Bei­spiel mit Boden­tem­pe­ra­turen von fünf bis zehn Grad Cel­sius beson­ders effi­zient. Mög­lich ist dies durch einen immer wieder ablau­fenden Pro­zess, wel­cher das Tem­pe­ra­tur­ni­veau der Umwelt­wärme anhebt. Im Kern basiert die Eis­spei­cher-Funk­tion eben­falls auf dieser Technik. Dazu gehört zu der im Boden ein­ge­las­senen Zis­terne, (der eigent­li­chen Eis­spei­cher­hei­zung) welche meist aus Beton besteht, ebenso eine Sole-Wasser-Wärmepumpe.

Eis­spei­cher-Funk­tion:
Wäh­rend des lau­fenden Betriebs schickt die Wär­me­pumpe ein Gemisch aus Wasser und Glykol durch die Lei­tungen des unter­ir­di­schen Spei­chers. Das Wär­me­trä­ger­me­dium hat hierbei eine gerin­gere Tem­pe­ratur als das Wasser in der Zis­terne, wodurch es dieser Wärme ent­ziehen kann. Kommt die Flüs­sig­keit bei der Wär­me­pumpe an, über­trägt sie dort die auf­ge­nom­mene ther­mi­sche Energie an ein Käl­te­mittel. Dieses ver­dampft und strömt im nächsten Schritt durch einen Ver­dichter. Dieses mit Strom (oder Gas) betrie­bene Bau­teil erhöht mit dem ent­ste­henden Druck auch die Tem­pe­ratur und leitet den Käl­te­mit­tel­dampf zu einem Wär­me­über­trager weiter. Hier speist es Wärme in das Heiz­system ein, erkaltet und ver­flüs­sigt anschlie­ßend wieder vollständig.

Latente Wärme:
Mit jedem wei­teren Durch­lauf des Pro­zesses sinkt die Tem­pe­ratur im Spei­cher weiter und das Wasser beginnt, all­mäh­lich zu ver­eisen. Das ist jedoch nicht pro­ble­ma­tisch, son­dern viel­mehr erwünscht. Denn Funk­tion des Eis­spei­chers setzt auf soge­nannte latente Wärme: Energie, welche das Wasser bei dem Pha­sen­über­gang vom flüs­sigen zum festen Aggre­gat­zu­stand frei­setzt. Diese ist ver­gleichs­weise so hoch, als würde man Wasser von 0 auf 80 Grad Cel­sius auf­heizen bzw. abkühlen.

Umwelt­ener­gie­quellen:
Wenn das gesamte Wasser im Spei­cher ver­eist ist, fällt die Leis­tung der Wär­me­pumpe ab. Um die Eis­spei­cher-Funk­tion effi­zient am Laufen zu halten, muss der Behälter also immer wieder rege­ne­riert, das bedeutet, das Eis auf­ge­taut werden. Mög­lich ist das zum einen durch die pas­sende Eis­spei­cher-Größe, zum anderen durch den Ein­satz kos­ten­freier Umwelt­energie, die neben dem umlie­genden Erd­reich auch aus Solar-Luft-Absor­bern stammen kann.