TriValent

Zur Effizienzsteigerung eines Wärmepumpenheizsystems, werden drei Wärmequellen eingesetzt: Solar-Massivabsorber, Mittelfrist-Erdkollektorwärmespeicher und Außenluftwärmeübertrager. Zusätzlich wird der Wärmespeicher über den Solar-Absorber regeneriert. Die Regelstrategie für den Einsatz der unterschiedlichen Wärmequellen wird optimiert.

Die Effizienz von Wärmepumpen steigt mit steigender Quellentemperatur. Der Einsatz von mehreren Wärmequellen erlaubt es, die Quelle mit der höchsten Temperatur einzusetzen und so die Verdampfungstemperatur der Wärmepumpe zu erhöhen. Das Forschungsprojekt TriValent verwendet, wie der Name schon andeutet, drei Wärmequellen, nämlich die Außenluft, die Solarstrahlung mittels eines fassaden-integrierten Massivabsorbers und einen Erdkollektor, der zur Speicherung der Solarenergie verwendet wird. Der Erdkollektorspeicher besteht aus horizontal verlegten Wärmeübertragerrohren - ähnlich einer Fußbodenheizung - die unterhalb der Wärmedämmung der Bodenplatte eines Gebäudes verlegt sind. Der Speicher ist somit nach oben isoliert und auf die Größe des Gebäudes beschränkt. Das Erdreich unterhalb des Gebäudes wird thermisch aktiviert und als Speicher verwendet. Als Solar-Massivabsorber dient die äußere Betonschale eines Sandwich-Fertigbauelements, in die eine Wärmeträgerrohrschleife eingegossen ist.

Die drei Wärmequellen sind über einen Solekreis mit der Wärmepumpe verbunden. Abhängig von der Quellentemperatur können diese einzeln, parallel oder in Serie als Quelle für die Wärmepumpe eingesetzt werden. Gleichzeitig ist ein Regenerieren des Erdkollektorspeichers möglich.

Da der Erdkollektorspeicher auf die Grundfläche des Gebäudes beschränkt ist, reicht der Wärmeinhalt nicht aus, um als saisonaler Speicher den gesamten Wärmebedarf des Gebäudes zu decken. Für den Einsatz als Mittelfristwärmespeicher ist ein geringeres Speichervolumen ausreichend und die Investitionskosten werden gegenüber einem Saisonspeicher verringert. Um den Wärmebedarf des Gebäudes zu decken, wird zusätzlich ein Außenluftwärmeübertrager eingesetzt, der in der Übergangszeit einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe sicherstellt.

Da die Außenluft an kalten Wintertagen eine sehr niedrige Quellentemperatur bietet, soll in dieser Zeit der Erdkollektorspeicher als Quelle dienen. Dazu muss eine Betriebsstrategie für das System erstellt werden, welche die gespeicherte Energie bestmöglich einsetzt. Diese soll über eine Systemsimulation und die Validierung durch eine Pilotanlage entwickelt werden.