SolSpaces

Forschungsgebäude

Das neue Heizungskonzept wurde in dem innovativen Gebäudetyp „Flying Spaces“ der Firma SchwörerHaus KG, erprobt. Diese flexiblen Wohngebäude sind vollständig vorgefertigt und werden aufgebaut per LKW angeliefert. Das SolSpaces Gebäude hat eine Wohnfläche von 43 Quadratmetern. Das Heizungskonzept ist grundsätzlich auf größere Gebäude mit gutem Wärmedämmstandard übertragbar.

Abbildung 1: SolSpaces Forschungsgebäude, Vakuumröhren-Luftkollektor

Heizungskonzept

Die Gebäudebeheizung basiert auf einer thermischen Solaranlage in Verbindung mit einem Sorptionswärmespeicher zur saisonalen Wärmespeicherung, der in das Lüftungssystem des Gebäudes integriert wird. In Abbildung 2 sind die drei wesentlichen Betriebsarten des solaren Heizsystems gezeigt. Darüber hinaus ist eine Kombination dieser Betriebsarten sowie ein reiner Lüftungsbetrieb möglich.

Heizen mit Sonnenkollektor: Ist während der Heizperiode Solarstrahlung verfügbar, wird Luft mit dem Sonnenkollektor (Vakuumröhren-Luftkollektor) erwärmt und für die Gebäudebeheizung verwendet.

Heizen mit Sorptionswärmespeicher (Adsorption): Ist nicht genügend Solarstrahlung vorhanden, wird der Sorptionswärmespeicher von der Raumabluft durchströmt. Dabei wird die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit adsorbiert. Dieser Prozess setzt Wärme frei, die zur Beheizung des Gebäudes genutzt wird.

Regeneration des Sorptionswärmespeichers (Desorption): Im Sommer, wenn Solarstrahlung im Überschuss vorhanden ist, wird im Sonnenkollektor Luft erhitzt, mit welcher das Speichermaterial getrocknet wird. Anschließend steht der Speicher wieder zur Gebäudebeheizung zur Verfügung.

(a)	(b)	(c)
Abbildung 2: Betriebsarten des solaren Heizsystems: (a) Heizen mit Sonnenkollektor, (b) Heizen mit Sorptionswärmespeicher (Adsorption), (c) Regeneration des Sorptionswärmespeichers (Desorption)

Sorptionswärmespeicher

Der Speicher funktioniert nach dem Prinzip der Adsorption. Adsorption bezeichnet die Anlagerung von Molekülen (hier Wasserdampf der Luft) an die Oberfläche eines Feststoffs (hier Zeolith, siehe Abbildung 3). Zeolithe sind hochporöse Materialien mit einer großen inneren Oberfläche, an der sich Wassermoleküle anlagern können. Bei der Anlagerung wird Wärme frei die zu Heizzwecken genutzt wird. Ist das Speichermaterial mit Feuchtigkeit gesättigt, muss es regeneriert (desorbiert) werden. Dazu wird es mit heißer Luft aufgeheizt.

Adsorption: trockener Zeolith + Wasser = Wärmefreisetzung + feuchter Zeolith

Desorption: feuchter Zeolith + Wärmzufuhr = trockener Zeolith + Wasser

Solange Wasser und trockener Zeolith getrennt bleiben, kann die Energie beliebig lange ohne Verluste gespeichert werden. So lässt sich auf gleichem Raum etwa dreimal soviel Energie speichern wie in einem Warmwasserspeicher.

Abbildung 3: Zeolith in Form von kugelförmigen Pellets

Die Besonderheit des neu ent­wickelten Sorptionswärmespeichers ist dessen Seg­mentierung, d.h. die Unterteilung des Speichervolumens in mehrere Segmente, die den Einsatz von großen Material­volumina und damit die Realisierung großer Spei­cher­kapazitäten erst ermöglicht. Der kubische Speicher ist  in vier Quadran­ten aufgeteilt, die jeweils horizontal in sechs Segmente unterteilt sind (ver­gleiche Abbildung 4). Dadurch entstehen insgesamt 24 flache Segmente mit großen Strömungs­querschnitt und kurzer Durchströmungs­länge, wodurch ein geringer Druckverlust bei der Durchströmung erreicht wird. Immer zwei über­ein­ander­liegende Seg­mente bilden ein Segmentpaar, das gemeinsam durch­strömt wird. Die Luft tritt in den zentralen Eintrittskanal ein, strömt, wie in Abbildung 4 rechts dar­gestellt, durch ein Segmentpaar und tritt über einen der vier Austritts­kanäle ent­lang der Speicher­kanten wieder aus dem Speicher aus.

Der im SolSpaces Gebäude aufgebaute Sorptionswärmespeicher fasst 4,3 m³ Sorptionsmaterial. Die theoretische Speicher­kapazität beträgt bei den vor­handenen Randbedingungen damit etwa 700 kWh.

Abbildung 4: Schematischer Aufbau des neu entwickelten segmentierten Sorptions­wärme­speichers (links), vertikaler Schnitt durch den Speicher mit Durchströmung eines Segmentpaars (rechts)

Projektablauf

Im ersten Projektabschnitt erfolgte eine detaillierte messtechnische Analyse des zunächst mit konventioneller Heiztechnik (Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung und Kompaktwärmepumpe) ausgestatteten Gebäudes zur Ermittlung des Heizwärmebedarfs.

Im zweiten Projektabschnitt wurden der Vakuumröhren-Luftkollektor und der neu entwickelte Sorptionswärmespeicher in das Lüftungssystem des Gebäudes integriert und das solare Heizsystem in Betrieb genommen. Die Technologie der offenen sorptiven Langzeitwärmespeicherung konnte damit erstmals im realen Maßstab in einem Wohngebäude demonstriert werden. Die messtechnische Untersuchung in der Heizperiode 2015/2016 hat gezeigt, dass der Speicher entsprechend der Auslegung funktioniert. Die energetische Bilanzierung des Speichers ergab eine gute Übereinstimmung mit der erwarteten thermischen Leistungs- und Speicherfähigkeit.

Eine Weiterentwicklung des solaren Heizsystems erfolgt im Rahmen des Nachfolgeprojekts SolSpaces 2.0.

03/2012 - 02/2016

Abschlussbericht zum Projekt "SolSpaces" (als pdf)

• H. Kerskes, S. Bonk, R. Weber, H. Drück. Thermochemische Wärmespeicher für PV-Anlagen – Möglichkeiten zur effizienten Nutzung von Solarstrom für die Wärmeversorgung von Gebäuden, OTTI 32. Symposium Photovoltaische Solarenergie, 2017, Bad Staffelstein
• R. Weber, S. Asenbeck, H. Kerskes, H. Drück. SolSpaces – Erprobung eines solaren Heizsystems mit Sorptionswärmespeicher, OTTI 2. Fachforum Green Buildings – Innovative Gebäude und Quartiere mit erneuerbaren Energien, 2016, Frankfurt
• R. Weber, S. Asenbeck, H. Kerskes, R. Jaudas. SolSpaces – Entwicklung und Erprobung einer autarken solaren Wärmeversorgung für energieeffiziente Kompaktgebäude, Abschlussbericht, 2016
• Wärme bis zum Winter speichern, Projekt SolSpaces, BINE Informationsdienst, Energieforschung für die Praxis, 2016
• R. Weber, S. Asenbeck, H. Kerskes, H. Drück, SolSpaces – Testing and performance analysis of a segmented sorption store for solar thermal space heating, Energy Procedia 91 (2016) 250–258
• R. Weber, S. Asenbeck, H. Kerskes, H. Drück. SolSpaces – Konzept und Realisierung eines solaren Heizsystems mit Sorptionswärme­speicher, OTTI Fachforum Energieeffizienzhaus-Plus – Innovative Gebäude mit erneuerbaren Energien, 2015, Hamburg
• R. Weber, O. Barrena, H. Kerskes, H. Drück. SolSpaces – Entwicklung einer vollständig solaren Wärmeversorgung für energieeffiziente Kompaktgebäude – Erste Ergebnisse, Gleisdorf Solar, Tagungsband zur 11. Internationalen Konferenz für solares Heizen und Kühlen, 2014
• H. Kerskes, R. Weber, O. Barrena, H. Drück. Development of a segmented sorption store within the project SolSpaces, EuroSun, International Conference on Solar Energy and Buildings, 2014, Aix-les-Bains
• Die Sommerwärme bis zum Winter speichern, Projekt SolSpaces, BINE Informations­dienst, Energieforschung für die Praxis, 2014

Das Forschungsprojekt „SolSpaces – Entwicklung und Erprobung einer autarken solaren Wärme­versorgung für energieeffiziente Kompaktgebäude“ wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert und vom Projektträger Jülich (PtJ) unter dem Förderkennzeichen 0325984 betreut. Die Autoren danken für die Unterstützung.