Abhängig von der Außentemperatur variiert der für den Frostschutz notwendige Wärmebedarf von dem Maximum bis Null. Wenn kein Kontrollsystem angewendet werden würde, wäre die Leistungsübertragung bei Teillast zu hoch, und selbst bei Außentemperaturen über der Frostschutztemperatur würde ein Überschuss an Vorerwärmung verbleiben. Diese “Überhitzung” würde in Folge also unnötigerweise die Ablufttemperatur des Gegenstrom Luft-Luft-Wärmeübertragers erhöhen und so die Gesamteffizienz des Systems reduzieren. In den folgenden Absätzen werden verschiedene Arten der Regelung beschrieben.
Wie in Abbildung 3 dargestellt, ermöglicht eine Heatpipe mit getrennter Dampf- und Kondensatrückleitung eine Leistungsregelung mittels Magnetventil im Kondensatrücklauf. Wenn der Rückfluss des Kondensats blockiert wird, wird auch der die Verdampfung und damit die Wärmeübertragung unterbrochen. Dieses Prinzip kann zum Frostschutz angewendet werden. Ein zu einer Kontrolleinheit verbundener Temperatursensor ist notwendig, um die Magnetventile über der Frostschutztemperatur-Grenze zu schließen.
In Abbildung 4 wird ein Anwendungsbeispiel gezeigt, bei welchem die Wärme aus dem zentralen Wärmeversorgungssystems des Gebäudes eingespeist wird, in diesem Fall ist es ein Wärmekreis für Raumheizung und Warmwasser (Zweileitersystem). Die Regelung der Wärmezufuhr für den Frostschutz wird mit einem 3-Wege Thermostatventil mit Fernfühler im Fortluftstrom der Wärmerückgewinnung gelöst.
Eine Temperaturkontrolle, die alleine durch thermodynamische Prinzipien funktioniert, hätte den Vorteil, dass keine elektronischen Komponenten und Ventile benötigt werden, die Fehler verursachen können und mehr Wartungsarbeit benötigen. Mittels Heatpipe mit variabler Leitfähigkeit (engl. „variable conductance heat pipe” (VCHP)) ist die Wärmeabgabe zwischen Verdampfer und Kondensator variabel. In einem VCHP wird zusätzlich zum Arbeitsmittel eine geringe Masse nicht-kondensierbaren Gases hinzugefügt. Der Dampf des Arbeitsmittels spült das nicht-kondensierbare Gas zum offenen Ende des Kondensators. Damit wird ein Teilabschnitt des Kondensators blockiert und der Leitwert der VCHP nimmt ab. Dieser Effekt kann auch für eine automatische Konstanttemperaturregelung verwendet werden. Jedoch braucht man zur Nutzung einer Heatpipe für den Frostschutz keine konstante Temperatur der Heatpipe, sondern eine konstante Temperatur der Luft hinter dem Vorheizregister. Um dies zu erreichen, kann ein Sammelbehälter für das nicht-kondensierbare Gas angeschlossen und als Sensor in der Austrittsseite des Heatpipe- Wärmetauschers genutzt werden. Wenn die Temperatur hinter dem Wärmetauscher über die Frostschutzgrenze steigt (z.B. –3°C), wird die Expansion des nicht-kondensierbaren Gases die aktive Fläche des Kondensators, wie in Abbildung 7 dargestellt, verringern. So wirkt das nicht-kondensierbare Gas in dem VCHP als Leistungsregelung für den Frostschutz und verhindert damit unnötige Vorerwärmung.
Um ein Standard System mit Sole-Kreis (Frostschutzmittel) mit einem Heatpipe-System vergleichen zu können, ist eine vollständige Lebenszykluskosten-Betrachtung notwendig, die sowohl die Investitions- und Installationskosten als auch die Betriebs- und Wartungskosten berücksichtigt. Die Tabelle 2 vergleicht alle notwendigen Bauteile und Wartungsarbeiten eines Standardsystems mit einem Heatpipe-System. Die Lebensdauer-Analyse wurde für durchschnittliche Energie, Wartungs- und Investitionskosten im im Lebenszyklus für Lüftungssysteme mit einem Volumenstrom von 3500 m³/h durchgeführt. Die Investitionskosten basieren auf einem realen Projekt und sind mit aktuellen Preisen berechnet. Die Parameter und Annahmen für die Lebenszykluskostenbetrachtung sind in Tabelle 1 vermerkt.
Um die Differenz eines Standardsystems und eines Heatpipe-System berechnen zu können, wurden nur die Einzelteile des Systems und deren Wartungskosten betrachtet. Als Ersatzteile wurden die Sole-Pumpe (410 €) und das Motorventil (600 €) angesetzt. Der Stromverbrauch der Sole-Pumpe (gemessene Jahresmittelwerte) liegt bei 165 kWh/a. Bis jetzt wurde (nach Kenntnis des Autors) noch kein Heatpipe-System in dieser Größe für den Frostschutz hergestellt, daher konnten die Investitionskosten lediglich abgeschätzt werden. Wenn für das Heatpipe-System ähnliche Kosten wie für ein System mit Solekreis veranschlagt wird (konservative Annahme), ergibt sich bereits eine jährliche Ersparnis von 134 €. Wenn man von 30% geringeren Kosten (im Vergleich zum Sole-Kreis) ausgeht, beträgt der jährliche Profit bereits 255 €.
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Tabelle 2: Annahmen für eine Lebenszykluskostenbetrachtung für verschiedene Elemente der Frostschutz- systeme. |
Heatpipes für den Frostschutz von Passivhaus-Lüftungsanlagen - Einführung, Fazit und Literaturangaben