Heizen mit Eisspeicher: Wärme aus dem Eis?

Die physikalische Voraussetzung

Wärmeenergie strömt immer vom höheren zum niederen Temperaturniveau. Wird ein Gefäß mit Wasser dabei in ein Gefrierfach gestellt, gibt es also Wärme an die Umgebung ab. Die Temperatur sinkt und irgendwann beginnt die Flüssigkeit zu erstarren. Bis zu dem Zeitpunkt, an dem das gesamte Wasser zu Eis geworden ist, gibt die Flüssigkeit konstant die gleiche Energiemenge ab. Diese Energie wird Erstarrungsenergie genannt und ist etwa 80-mal höher als die, die im Normalfall bei der Abkühlung von Wasser um 1°C freigesetzt wird. Durch die Erstarrungs- oder Kristallisationsenergie wird es möglich, Umweltenergie über Eisspeicher zu nutzen.

Die technische Umsetzung einer Eisspeicher-Heizung

Um die beschriebenen physikalischen Effekte nutzen zu können, sind im Wesentlichen drei Komponenten notwendig. Diese sind:

• ein Eisspeicher
• eine Wärmepumpe
• ein Solarabsorber 

Der Eisspeicher als Wärmereservoir

Als Eisspeicher kommt in der Regel ein mit Leitungswasser befüllter unterirdischer Betonspeicher zum Einsatz. Da die Temperatur darin sehr niedrig ist, kann im Gegensatz zu einem Pufferspeicher auf aufwendige Dämmmaßnahmen verzichtet werden.

Um den nötigen Phasenübergang des Wassers zu ermöglichen, strömt kaltes, mit Frostschutzmittel versetztes, Wasser durch eine Rohrschlange im Speicher. Diese Sole hat eine niedrigere Temperatur als das Wasser im Eisspeicher, entzieht diesem kontinuierlich Wärme und führt so allmählich zur Vereisung. Die Sole nimmt dabei die Wärme des Speichers auf und erwärmt sich um einige Grad Celsius. Sobald alles Wasser im Speicher zu Eis erstarrt ist, kann nur noch wenig Energie entzogen werden. Um trotz dessen kontinuierlich Energie beziehen zu können, muss der Eisspeicher regelmäßig getaut werden.

Diese Regeneration erfolgt über warmes Wasser einer Solaranlage, das über eine zweite Rohrschlange durch den Speicher fließt.    

Der Energieentzug über eine Wärmepumpe

Selbst ein Niedertemperatursystem, wie die Fußbodenheizung, benötigt je nach Gebäudestand mindestens eine Systemtemperatur von 30°C bis 40°C um ein Haus mollig warm zu heizen. Die Sole, die sich im Eisspeicher auf etwa 0°C erwärmt hat, kann also noch nicht ohne Weiteres zur Beheizung eingesetzt werden. Der benötigte Temperaturhub erfolgt über eine Wärmepumpe. Diese entzieht der Sole Energie und schickt das Medium mit gesunkener Temperatur wieder in den Eisspeicher

Mehr über die Funktion und Arbeitsweise einer Wärmepumpe erfahren Sie im Beitrag Funktion der Wärmepumpe!

Wärmepumpen für Eisspeicher arbeiten bei ähnlichen Bedingungen wie Erd-Wärmepumpen. Das heißt, sie erreichen auch ähnliche Leistungszahlen. Auch hier gilt: Die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe steigt, mit sinkender Systemtemperatur der Heizungsanlage. Eisspeicher-Systeme sollten dabei also nur in gut gedämmten Gebäuden mit Niedertemperatursystemen, wie Fußboden- oder Wandheizungen eingesetzt werden. In Gebäuden ohne entsprechenden Wärmeschutz, die allein über Heizkörper beheizt werden, können die Energiekosten mit einem Wärmepumpen- oder Eisspeichersystem stark ansteigen.

Die Regenerierung über einen Solarabsorber

Um dem Eisspeicher kontinuierlich Energie entziehen zu können, ist er in regelmäßigen Abständen aufzutauen. Die dafür benötigte Wärme kommt zum einen vom umliegenden Erdreiche, zum anderen aber auch von Solarabsorbern.

Der Solarabsorber kann dabei aus einfachen Matten bestehen. Diese nehmen die Strahlungswärme der Sonne auf und übertragen sie auf ein integriertes Rohrsystem. Mit Frostschutzmittel versetztes Wasser transportiert diese Wärme in den Eisspeicher und gibt sie dort über eine Rohrschlange ab.

Der Wärmeeintrag führt dabei dazu, dass der Speicher langsam aufgetaut und der Vereisungsprozess erneut ablaufen kann. 

Eine übergeordnete Regelung stimmt den Betrieb aller Komponenten aufeinander ab und gewährleistet damit einen effizienten Betrieb der Eisspeicher-Heizung, angepasst an die Anforderungen des Gebäudes.

Der Eisspeicher im Einfamilienhaus

Mit Volumen von ca. 10 m³ lassen sich die Eisspeicher in Einfamilienhäusern mit ca. 10 kW Heizlast einsetzen. Die Gesamtanlage sollte aber immer individuell auf das jeweilige Bauvorhaben angepasst sein, um höchste Effizienz zu gewährleisten.

Wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll sind Eisspeicher in Gebäuden mit höheren Wärmestandards, die über Niedertemperatursysteme wie Fußboden- oder Wandheizungen verfügen.

Fazit und Zusammenfassung

Einen idealen Einsatz finden Eisspeicher zum Beispiel dann, wenn Erdsondenbohrungen aufgrund von Gewässerschutzrichtlinien nicht genehmigt werden oder mit zu hohen Investitionen verbunden sind. Im Vergleich zu Flächenkollektoren oder Wärmekörben zur Nutzung der Erdwärme ermöglichen Eisspeicher trotz kompakterer Bauformen häufig einen höheren Energieentzug.

Aufgrund der niedrigen Temperaturen im Speicher von etwa 0 bis 4°C kann neben der solaren Energie auch die in der Erde gespeicherte Energie genutzt werden. Mit einer ganzjährigen Temperatur von 6 bis 12°C gibt das Erdreich dabei kontinuierlich Wärme an den Eisspeicher ab und erhöht die Effizienz der Gesamtanlage.

Ein weiterer Vorteil: Im Sommer lässt sich das Eis im Speicher zur natürlichen Kühlung einsetzen. Dafür wird dem Speicher gegen Ende der Heizperiode alle Energie entzogen und ein Großteil des Wassers vereist.

Zusammenfassend bieten Eisspeicher in Kombination mit Wärmepumpen eine gute Alternative zu herkömmlichen Anlagen. Entscheidend für den effizienten Betrieb ist die Beachtung der Einsatzgrenzen sowie die individuelle Auslegung und Planung der Anlage.