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2020-11-25T21:41:19.9696094+01:00 BAUDATENBANK.AT - Österreichische Baudatenbank

zeoTHERM: Erdgas-Solarwärmepumpe serienreif


zeoTHERM: Erdgas-Solarwärmepumpe serienreif
Als einer der führenden europäischen Heiztechnikunternehmen bietet die Vaillant Group heute ein breites und innovatives Produktsortiment für Heizung, Warmwasserbereitung, Lüftung und Klima an. Mit neuen Technologien aus der eigenen F & E Abteilung setzt man immer wieder neue Akzente für noch mehr Effizienz und Umweltfreundlichkeit. So auch mit der neuen zeoTHERM Wärmepumpe, welche eine Hybridlösung ist, die die Erdgas-Brennwerttechnik, die Solarthermie und die Wärmepumpentechnologie auf engstem Raum miteinander kombiniert.

Erdgas-Solarwärmepumpe zeoTHERM
Die zeoTHERM ermöglicht eine effiziente Nutzung der Sonnenenergie für die Heiz- und Warmwasserbereitung. Das System besteht aus drei Sonnenkollektoren, dem Wärmepumpenmodul und einem 300 Liter Solarspeicher. Bei herkömmlichen teilsolaren Heizungen müssen großvolumige Speicher (> 1.500 Liter) und mindestens 20 m² Kollektorfläche installiert werden, welche aber bei der zeoTHERM entfallen. Die verbleibende Dachfläche im Vergleich zur teilsolaren Raumheizung kann für Photovoltaikanlagen genutzt werden, denn in Zukunft wird die Dachfläche ein „Engpassfaktor“ werden. Die Einspeisung des Solarertrags (Umweltwärme) erfolgt entweder indirekt über den Wärmepumpen-Adsorptionsprozess bzw. direkt über die drei Flachkollektoren. Die Nutzwärme für Heizzwecke entsteht dadurch, in dem in einem Vakuumbehälter befindlicher keramischer Werkstoff (Zeolith) mit Wasser befeuchtet wird und sich anschließend erhitzt (exotherme Reaktion). Der feuchte Zeolith wird dann in der Desorptionsphase getrocknet, wobei als „thermischer Antrieb“ ein Erdgas-Brennwertgerät dient. Durch abwechselndes Be- und Entfeuchten entsteht ein Kreislauf, welcher die Nutzung von niedrigen Kollektortemperaturen (ab +3°C) für Heizzwecke ermöglicht. Den „Pumpprozess“ und das zugrundeliegende Prinzip werden nun in der Folge detailliert beschrieben.

Grundprinzip: Zeolith + Wasser = Hitze
Zeolithe sind kristalline Alumosilikate, die Wasser oder andere niedermolekulare Stoffe aufnehmen und bei Erhitzung wieder abgeben. Dieser Prozess ist reversibel, die Kristallstruktur des Zeolith bleibt erhalten. Daher können Zeolithe in ihren großen Poren viel Wasser unter Wärmeabgabe aufnehmen bzw. beim Erhitzen das gespeicherte Wasser wieder abgeben. Diese Eigenschaften des Zeolithes werden bereits seit Jahrzehnten in der Gastrennung/Gasreinigung als sogenannte Molekularsiebe genutzt. Seit Beginn der 80er Jahren haben sie in Haushaltswaschmitteln die Polyphosphate ersetzt und  dienen zur umweltfreundlichen Wasserenthärtung. Zeolithe kommen in der Natur in zahlreichen Varianten vor, können aber auch synthetisch hergestellt werden. Der eingesetzte Zeolith der erdgasbetriebenen Solarwärmepumpe wird wegen seiner hohen Anforderungen an seine Oberflächenbeschaffenheit für Vaillant eigens synthetisch hergestellt. Die Aluminiumdioxid- (AlO2) und Siliciumdioxid- (SiO2) Atome bilden sogenannte Sodalithkäfige. Durch diese Makroporenstruktur erhält der Zeolith eine extreme Porösität und somit eine sehr große innere Oberfläche (1 cm³ hat 800 – 1.200 m²). Die freien Wassermoleküle vollziehen im ungebundenen Raum eine Eigenbewegung – die sogenannte Brownsche Molekularbewegung. Trifft nun ein Wassermolekül in die Poren eines Zeolith, wird die Eigenschwingung des Wassers „abgebremst“. Die Bewegungsenergie des Wassermoleküls wird in Wärme umgewandelt – der Zeolith erwärmt sich bis zu 90°C und kann für Heizzwecke genutzt werden. Mit Temperaturen von ca. 110°C kann dann das Wasser wieder als Wasserdampf aus dem Zeolith „ausgetrieben“ werden.
 
Herzstück: Vakuum-Zeolith-Modul
Das Zeolith-Modul ist mit zwei Wärmeaustauscher ausgestattet. Der obere Wärmeaustauscher ist der Adsorber/Desorber. In den Zwischenräumen seiner Lamellen sind Zeolithkugeln einlagig lose eingefüllt. Über diesen Wärmeaustauscher wird dann die entstandene Hitze des Zeolith ausgekoppelt. Der zweite untere Wärmeaustauscher ist der Verdampfer/Kondensator. Über den die auf niedrigem Temperaturniveau befindliche Umweltwärme eingekoppelt wird. Das Zeolith-Modul ist hermetisch verschlossen – das in ihm enthaltene Wasser (Kältemittel) verweilt über die gesamte Lebensdauer im Modul und kann ab +3°C zum „Sieden“ gebracht werden. Der Unterdruck (Vakuum) beträgt 5 – 200 mbar. Auch eine spätere Entsorgung stellt keine besonderen Anforderungen dar, denn die verwendeten Materialien – Zeolith und Wasser sind absolut umweltverträglich und besitzen kein Treibhauspotenzial. Die zeoTHERM ist die erste Erdgas-Solarwärmepumpe, die mit reinem Wasser als Kältemittel betrieben wird und somit auch völlig FCKW-frei ist. Nachdem die Sorption eine rein physikalische Reaktion ist, kann der „Wärmepumpen-Prozess“ beliebig oft wiederholt werden und zeigt auch keine Verschleißerscheinungen.

Zwei Phasen der Energiegewinnung
Der „Wärmepumpenprozess“ läuft in zwei Phasen ab, die sich stets wiederholen.

Phase 1: Desorption
Der Zeolith wird durch die Gas-Brennwertzelle über den ersten Wärmeaustauscher (Adsorber/Desorber) auf ca. 110°C erwärmt. Dabei desorbiert das Wasser und strömt als Dampf in den unteren, kühleren Teil des Moduls. Hier kondensiert der Wasserdampf und setzt dabei Kondensatwärme frei, die als Nutzwärme in das Heizsystem abgeführt wird. Wenn der Zeolith trocken ist und das gesamte Wasser sich im unteren Teil des Moduls befindet, ist die Desorptionsphase beendet, das Brennwertgerät schaltet sich ab.

Phase 2: Adsorption
Sobald die Temperatur des zweiten Wärmeaustauschers (Verdampfer/Kondensator) unter die Umgebungstemperatur gefallen ist, wird Energie aus dem Kollektorkreis hinzugefügt, was ein Verdampfen des Wassers bewirkt. Der Dampf strömt in den oberen Teil des Moduls und wird dort vom Zeolith adsorbiert (Sodalitheffekt). Die dabei frei werdende Adsorptionswärme kann für Heizzwecke genutzt werden (ca. +90°C). Wenn das Wasser vollständig verdampft ist, beginnt der Prozess von vorne. Je nach Betriebszustand und Wärmeanforderung dauert der Desorptions- bzw. Adsorptionsprozess ca. 10 – 30 Minuten. Da das Zeolith-Modul ein Vakuumsystem ist, erfolgt die Verdampfung des Wassers sehr schnell. Der Prozess verläuft problemlos auch bei niedrigen Kollektortemperaturen (von
+3°C bis +35°C) ab.

Brauchwasser-Solaranlage inklusive
Die Erdgas-Solarwärmepumpe zeoTHERM ist ein Hybridsystem, welches erstmals die Vorzüge von zwei ausgereiften und einer innovativen Technologie der Wärmegewinnung kombiniert:

•    Gas-Brennwerttechnik
•    Solarthermie
•    Wärmegewinnung über Sorptionsprozess auf Zeolithbasis

Die zeoTHERM koppelt somit die effiziente Brennwerttechnik mit kostenloser Umweltwärme, die durch den Einsatz von drei Solarkollektoren gewonnen wird. Ziel ist es, maximale Wärmeleistung effizient zu erzeugen und das bei möglichst geringen fossilem Energieträgereinsatz. So ergeben sich drei unterschiedliche Betriebszustände der zeoTHERM, je nach Soletemperatur der Kollektoren:

•    unter +3°C nur Gas-Brennwertbetrieb
•    von +3°C bis +35°C Wärmepumpenbetrieb
•    ab +35°C Direktsolarbetrieb für Heizung bzw. Warmwasser

Im Set mit einem solaren 300 Liter Trinkwasserspeicher und drei Flachkollektoren bildet die zeoTHERM ein abgestimmtes Gesamtsystem für Heizung und Warmwasser. Das Haupteinsatzgebiet für dieses innovative Heizsystem ist das Einfamilienhaus, insbesondere in jenen Bundesländern, wo es bereits eine Solarpflicht im Neubau gibt. Sowohl Systemkosten, als auch Betriebskosten entsprechen in etwa die einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe. Die Erdgas-Solarwärmepumpe hat einen Modulationsbereich von 1,5 – 10 kW und ist inklusive dem Dienstleistungspaket Wärmegarantieplus (Prinzip Babyfon) in Österreich bereits verfügbar.