PVT-Energieversorgungssystem für Wärmepumpen

Der Erfolg der Energiewende hängt in großem Maße von der Wärmewende ab und hier insbesondere von der energetischen Sanierung des Gebäudebestands. Während im Neubau der Wärmebedarf bereits drastisch gesenkt ist, gibt es im Altbau einen Sanierungsstau – sowohl, was die Gebäudehülle betrifft als auch die Wärmeerzeuger. Ein Grund dafür ist, dass vor allem für den Altbau eine zukunftsweisende Heiztechnik fehlt. In Deutschland sind 46 Prozent aller Wohnungen in Ein- und Zweifamilienhäusern und über 50 Prozent in Mehrfamilienhäusern mit drei und mehr Wohneinheiten realisiert.

Mehrheitlich werden heute Gas-Brennwertkessel für Heizungssanierungen eingesetzt, gegebenenfalls kombiniert mit Solarwärme. Hier kann zwar eine Effizienzverbesserung erreicht werden, aber die nötige drastische Reduzierung des CO₂-Ausstoßes wird so für die nächsten 15 bis 20 Jahre verpasst.

Elektrisch an­getriebene Kompressionswärmepumpen, insbesondere Luftwärmepumpen, sind im Gebäudebestand nur sehr eingeschränkt einsetzbar, da in der Regel kein Niedertemperatur-Heizsystem vorhanden ist. Das heißt, sie würden zu sehr hohen Stromkosten sowie einem hohen Primärenergieeinsatz führen. Effizientere Erdreich-Wärmepumpen können wegen der Erdsonden vor allem im städtischen Umfeld im Gebäudebestand nur begrenzt eingesetzt werden; im Vergleich zu konkurrierenden Systemen sind sie auch oft wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig.

Die systematische Erneuerung von Heizsystemen durch ineffizient betriebene Luft-Wärmepumpen wären für ein Stromnetz, das auf immer mehr erneuerbarer Energie basieren soll, kontraproduktiv: Kohlekraftwerke müssten länger am Netz bleiben und neue herkömmliche Kraftwerkskapazitäten müssten aufgebaut werden.

Als Voraussetzung, dass Wärmepumpen tatsächlich zu einer Klimaentlastung führen, sollten folgende Punkte erfüllt werden:

• Einsatz hocheffizienter Wärmepumpentechnologie (Systemjahresarbeitszahl ≥ 4,3),
• Qualitätssicherung, durch die der effiziente reale Betrieb gewährleistet wird,
• Sicherstellen, dass die von dem System verbrauchte elektrische Energie in der gleichen Menge aus erneuerbaren Energien bereitgestellt wird,
• Nutzen des Heizsystems für das Stromnetz-Lastmanagement – als aktivierbarer oder für eine gewisse Zeit deaktivierter Verbraucher.

In diesem Kontext wird mit "SOLINK" eine intelligente, möglichst einfache und effiziente Verknüpfung von Solarenergie mit der Wärme- und Stromversorgung eines Hauses entwickelt, mit der sichergestellt werden soll, dass die von dem Heizsystem verbrauchte elektrische Energie in der gleichen Menge aus erneuerbaren Energien bereitgestellt wird.

Dabei wird eine Wärmepumpe – gegebenenfalls ergänzt durch einen Brennwertkessel – mit PVT-Kollektoren (PVT = Photovoltaik und Thermie) und Wärmespeichern kombiniert. Eine anschlussfertige Einheit mit speziellen PVT-Kollektoren soll insbesondere im Gebäudebestand eine mit geringeren Einschränkungen einsetzbare Alternative zu Erdsonden darstellen und mit wesentlich geringerem Verbrauch von Strom aus dem öffentlichen Netz als bei Luftwärmepumpen verbunden sein. Ergänzend kann ein Energiemanagement dafür sorgen, dass in der Kombination mit einem Brennwertkessel eine Anpassung an die Versorgungssituation durch erneuerbar produzierten Strom und damit eine sehr geringe CO₂-Emission erreicht wird.

Zentrale Projektziele

Innovative fortschrittliche Heizsysteme verzeichnen heute nur eine geringe Marktdurchdringung. Neben oftmals zu hohen Kosten ist ein wichtiger Grund hierfür die zunehmende Komplexität und Vielfalt von Lösungen. Installations-unternehmen und Planer konzentrieren sich aus Zeit und Sicherheitsgründen oftmals auf Produkte und Fabrikate, die sie kennen und mit denen sie bereits gute Erfahrung gemacht haben.

In diesem Projekt wird daher ein Ansatz verfolgt, bei dem Planer und Heizungsbauer ein hocheffizientes, aber gleichzeitig sehr montagefreundliches und wenig fehleranfälliges System mit marktgängigen Wärmeerzeugern realisieren können. Sie müssen dafür nicht selbst eine aufwändige regelungstechnische Verschaltung mit einem unbekannten Regler planen und aufbauen.

Eine Zielsetzung des Projektes ist daher die Entwicklung einer PVT-Einheit zur vollständigen Wärmeversorgung und teilweise direkten Stromversorgung einer Wärmepumpe als anschlussfertiges System für herkömmliche Sole/Wasser-Wärmepumpen. Zur Produktentwicklung gehören neben den PVT-Modulen für optimierten Luft-Sole-Wärmeübergang eine sehr montagefreundliche Systemtechnik und ein Vorschaltmodul zur Wärmepumpe, um eine gleichmäßige Wärmeversorgung ohne Temperatursprünge zu ermöglichen und um gegebenenfalls Zeiten mit tiefen Außentemperaturen und geringer Einstrahlung zu überbrücken. Dabei kann der von Consolar im "SO-LAERA"-System eingesetzte Eisspeicher verwendet werden [1].

Zentrales Projektziel ist es, eine ökonomisch konkurrenzfähige Lösung im Vergleich zu Standard-Luftwärmepumpen zu ermöglichen und dabei in der Anschaffung günstiger als Erdsonden-Wärmepumpen-Systeme zu sein. Dabei soll die Effizienz deutlich über der von Luftwärmepumpen liegen. Um eine große Verbreitung des Systems zu ermöglichen, soll es offen für die Verwendung unterschiedlicher Wärmepumpenfabrikate sein.

Um eine zielgerichtete Entwicklung sicherzustellen, wurde ein Konsortium mit interessierten Marktpartnern aufge-baut. Dazu gehören aktuell Vertreter folgender Branchen aus vier Ländern: Stadtwerke, Bauträger, Planungs-, Vertriebs- und Installationsunternehmen im Bereich Solarwärme, PV, Heizung sowie ein Wärmepumpenhersteller. Die Konsortiumsmitglieder profitieren unter anderem von einem früheren Zugriff auf das Produkt und Exklusivität, die in einer Mitgliedsvereinbarung geregelt werden.

Der Beitritt weiterer Konsortiumsmitglieder ist noch möglich.

Neben den aufgeführten Unternehmen sind auch führende Planer und Architekten an der "SOLINK"-Entwicklung sehr interessiert. Aufgrund der dort gewünschten Produktneutralität begleiten diese Firmen die Entwicklung, ohne offizielles Mitglied zu sein.

Weiterhin haben mehrere Wärmepumpenhersteller starkes Interesse an der Entwicklung gezeigt. Europäische Wärmepumpenanbieter sind an einer Alternative zu Erdsonden und Luftwärmepumpen interessiert, da Erdsonden-Anlagen im Wachstum begrenzt sind und Luftwärmepumpen aufgrund der Geräuschproblematik und im Bestand zusätzlich aufgrund des hohen Stromverbrauchs ebenfalls zunehmenden Einschränkungen unterliegen bei gleichzeitig starker Konkurrenz durch billige Split-Wärmepumpen aus Fernost.

Entwicklung von wärmepumpenoptimierten PVT-Kollektoren

Zentraler Bestandteil des Konzepts ist ein Photovoltaik-Thermie-Modul zur kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung, das einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten von der Umgebungsluft zum Wärmeträgermedium aufweist und dabei kostengünstig in Herstellung und Montage sowie sicher und langlebig im Betrieb ist. Weiterhin sollen folgende Punkte ermöglicht werden:

• Ein von PVT-Modulen, die mit Wärmepumpen gekoppelt sind, bekannter nachteiliger Effekt ist die Vereisung, die auf der Oberfläche des PV-Moduls insbesondere bei Lufttemperaturen etwas über 0 °C (feuchte Luft) und Wärmeträgertemperaturen unter 0 °C auftritt. Dieser Effekt soll minimiert werden.
• Auch ohne Kühlung des Moduls durch das Wärmeträgerfluid soll das PV-Modul gut durch Umgebungsluft gekühlt werden, um den PV-Stromertrag zu erhöhen.
• Minimierung von thermischen Spannungen, übertragen durch die Wärmeübertragerstruktur auf das PV-Modul, unter anderem bei Thermoschock.
• Nutzung von Standard-PV-Modulen ermöglichen, um von deren Kostendegression zu profitieren.
• Nutzung von verbreiteten rationellen industriellen Fertigungsverfahren für den Wärmeübertrager.

Eine Recherche zum Stand der Technik (Patente, Entwicklungen in Instituten und am Markt) zeigte kein der obigen Zielstellung angemessenes Konzept auf. Zusammen mit dem niederländischen Projektpartner Triple Solar wurde ein neues Konzept erarbeitet und als Patent-Schutzrecht angemeldet.

Im Wesentlichen besteht das Konzept darin, dass der Wärmeübertrager auf der Rückseite des PV-Moduls nicht nur die nicht in Strom umgewandelte Solarenergie nutzt, sondern für die Wärmeaufnahme von der Umgebungsluft optimiert ist.

Die Kollektorverrohrung wurde so gestaltet, dass eine einfache hydraulische Verschaltung und Kollektorfeld-Planung möglich ist. Dies ist bei in den Modulen integrierten Sammlerrohren und Parallelverschaltung gegeben. Notwendig für eine gleichmäßige Felddurchströmung ist, dass der Strömungswiderstand durch ein Modul wesentlich größer ist als der Widerstand in den Sammlerrohren. Es wurde daher eine Mäanderverrohrung zwischen zwei Sammlerrohren gewählt.

Der Kollektoraufbau ohne Kollektorrahmen ermöglicht, dass Luft möglichst ungehindert den rückseitigen Wärmeübertrager umströmen kann. Als Ausgangsmodul wird ein rahmenloses PV-Laminat verwendet.

Aus mehreren Gründen wurde als Standardbauform die Queranordnung gewählt:

• besser geeignet für auf Schrägdächern aufgeständerte Felder,
• kürzerer Durchströmungsweg für Luft bei Paralleldachmontage,
• kostengünstigerer Wärmeübertrager, weil weniger Rohrbiegungen und Lötstellen.

Ebenfalls aus Kostengründen – sowohl hinsichtlich Produktion als auch Montage – wurde als Standardformat die XL-Größe von PV-Modulen, das heißt, 2 x 1 m gewählt. Der gesamte Kollektor inkl. PV-Modul wiegt dann 32 kg, was noch gut zu montieren ist.

Erste Erprobung

Seit Januar 2017 wurden die Module in einer Testanlage in Lörrach und einer weiteren in Amsterdam getestet. Ziel der Tests war eine qualitative Überprüfung der Funktion und Robustheit der Module während der Wintermonate sowie der Wärmeübertragung von Luft.

Vereisung

Um verschärfte Testbedingungen zu realisieren, wurde die Kollektorfläche kleiner dimensioniert, als eine übliche Auslegung ergeben hätte: 8 Kollektoren (16 m²) statt 24 bis 28 m² für eine Wärmepumpe mit 7 kW Heizleistung. Auf diese Weise stellt sich bei reiner Wärmeübertragung von der Luft ein 1,5- bis 1,75-facher Temperaturunterschied zur Umgebungsluft ein.

Die kritischsten Bedingungen stellen Außentemperaturen etwas über 0 °C bei hoher Luftfeuchte in Verbindung mit Modultemperaturen unter 0 °C dar.

Abbildung 2 zeigt die maximal beobachtete Vereisung bei folgenden Bedingungen:

• Außentemperatur: 4 bis 5 °C
• Luftfeuchte: 89 Prozent
• Sole-Austrittstemperatur: -3,5 °C bis 2 °C

Auf der PV-Seite wurde nur eine geringe, immer lichtdurchlässige Vereisung beobachtet. Dies ist ein wichtiges Ergebnis, denn derart vereiste Module können bei Sonneneinstrahlung leicht wieder auftauen.

Auf der Wärmeübertragerseite (Rückseite der PV-Module) war die Vereisung stärker, aber auch bei vierundzwanzig-stündigem Betrieb nicht so groß, dass der Wärmetransport von der Luft massiv eingeschränkt worden wäre.

Das auf Vorder- und Rückseite gebildete Eis löst sich schnell, sobald die Kollektortemperatur über 0 °C steigt. Das Eis an der Rückseite muss nicht komplett aufgeschmolzen werden, es genügt ein Antauen der Kontaktfläche, dann fällt das Eis ab.

Schnee

Während des Erprobungszeitraums gab es mehrfach Schneefall. Es wurde beobachtet, dass Schnee auf den gekühlten PVT-Modulen länger liegen bleibt, als auf ungekühlten PV-Modulen mit gleicher Neigung, siehe Abbildung 3a und b.

Aus diesen ersten Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass eine kombinierte Enteisungs- und Schneeabrutschfunktion vermutlich in entsprechenden klimatischen Regionen sinnvoll ist und entwickelt werden sollte.

Wärmeübertragung Luft-Wärmeträger

Der Wärmeübertragungskoeffizient (U-Wert) zwischen Luft und Solarflüssigkeit wurde ermittelt, wobei für die Temperatur der Flüssigkeit der Mittelwert zwischen Kollektorein- und -austrittstemperatur gewählt wurde. Die Auswertung wurde zu Zeitpunkten ohne oder mit sehr geringer Einstrahlung vorgenommen. Da die Wärmepumpe nicht kontinuierlich läuft, werden für die Auswertung stationäre Zustände gewählt. Der so ermittelte U-Wert liegt bei etwa 50 W/(m² K) (s. Abbildung 4), das ist ein höherer Wert, als in den Anforderungen und System-Simulationen mit 40 W/(m2 K) angesetzt.

Der U-Wert wurde auch von Triple Solar an deren Testanlage in Amsterdam ermittelt. Dort sind die Kollektoren auf einem Dach mit ca. 15° Neigung aufgebracht. Der über mehrere Nächte gemittelte U-Wert beträgt 39 W/(m2 K) bei keinem oder sehr schwachem Wind. Bei größeren Windstärken wurden dort dagegen Werte bis 70 W/(m2 K) gemessen.

Bei der Testanlage Lörrach sind die Module mit 60° Neigung frei aufgeständert und sind damit von hinten von Luft überall frei anströmbar. Die Module sind allerdings nach hinten durch das Firmengebäude von Wind geschützt, so dass die hier gemessenen Werte i. d. R. für Windstille gelten.

Systemuntersuchungen und Gesamtkostenbetrachtungen

Zur Vorbereitung der Simulationen wurden zunächst Referenzfälle definiert und die daraus resultierenden Systemvarianten mit den notwendigen Basis-Komponenten konzipiert. Für diese wurden im nächsten Schritt die Hydraulik und die Regellogik ausgearbeitet. Berücksichtigt wurden Regelungsstrategien üblicher Wärmepumpen und Kessel sowie eines Energiemanagers zur Anpassung der Betriebsstunden der Wärmepumpe an die PV-Stromproduktion. Die Logik für den Energiemanager wurde basierend auf den Ergebnissen vom Projekt "Sol2Heat" ausgearbeitet [2].

Auf dieser Grundlage erfolgte dann die Modellierung und Implementierung des Gesamtsystems und seiner Varianten in der Simulationsumgebung "TRNSYS". Die in der Studie betrachteten Wärmepumpen (Luft/Wasser- und Sole-Wärmepumpe) wurden über ein Kennlinienmodell abgebildet, das die Heizleistung als Funktion der Wärmequellentemperatur (mit dem Scharparameter Vorlauftemperatur) wiedergibt. Im Fall der Erdreich-Wärmepumpe wurden zwei Sonden à 100 m Tiefe angenommen. Im Folgenden werden Vergleiche von Performance-Indikatoren und Gesamtkosten für verschiedene Gesamtsystemkonfigurationen vorgestellt.

Systemkonfiguration für Ein- und Mehrfamilienhaus

Abbildung 5 zeigt schematisch zwei grundlegende Systemkonfigurationen für ein Einfamilien- (links) und ein Mehrfamilienhaus (rechts), die zu den Parameterstudien herangezogen wurden.

Der dargestellte Eisspeicher war dabei im Basisfall nicht vorhanden, sein Einfluss auf die Systemperformance wird jedoch noch untersucht. Das Mehrfamilienhaus weist einen schlechteren Energiestandard auf (entspricht gängiger energetischer Sanierung). Tabelle 1 enthält die Gebäudeparameter für die Simulationen.

Es wurden Simulationen zum Einfluss der Fläche der PVT-Kollektoren, der Lastverschiebung, des Luft-Sole-Wärmeübergangskoeffizienten, des optischen Wirkungsgrads, der Abschalttemperatur der Wärmepumpe, des Standortes, des Pufferspeichervolumens sowie der Orientierung und Neigung der Kollektoren durchgeführt.

Systemvergleich mit herkömmlichen Heizsystemen

Für den Vergleich verschiedener Systemvarianten wurden verschiedene Konfigurationen in "TRNSYS" modelliert. Für den Fall des Einfamilienhauses werden die Varianten:

• Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Elektro-Direktheizung, mit/ohne PV-Module,
• Gaskessel, mit/ohne thermische Sonnenkollektoren,
• Erdreich-Wärmepumpe mit Elektro-Direktheizung, mit/ohne PV-Module,
• Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Elektro-Direktheizung und PVT-Kollektoren,

miteinander verglichen, wobei die vierte Variante noch ohne Eisspeicher betrachtet wird. Die Elektro-Direktheizung ist nur als Reserve-System für besonders tiefe Außentemperaturen gedacht und läuft nur wenige Stunden im Jahr.

Für den Fall des Mehrfamilienhauses werden die Varianten:

• Gaskessel, mit thermischen Sonnenkollektoren,
• Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Gaskessel und PVT-Kollektoren,

untersucht, auch hier die zweite Variante zunächst noch ohne Eisspeicher.

Für den Vergleich der Systeme wird die Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems herangezogen, die bei den Systemen mit Wärmepumpe als Verhältnis von Gesamtwärmeerzeugung der Wärmepumpe (Heizung und Warmwasser) zum Gesamtstrombedarf des Heizsystems (Netzbezug minus erzeugter Solarstrom zum Heizen) definiert wird:

SPF: Seasonal Performance Factor/Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems

Q_SH: Space Heating Demand/ Heizenergiebedarf

Q_DHW: Domestic Hot Water demand/ Energiebedarf Warmwasser

E_hp: Electrical Energy Consumption of the Heat Pump/elektrischer Energiebedarf der Wärmepumpe

E_ERH: Electrical Energy Consumption of the Electrical Resistance Heater/ Energiebedarf der Elektroheizung

E_control: Electrical Consumption of the Control System and Valves/elektrischer Hilfsenergiebedarf

PV_heat: Electrical Energy generated by PV for Heating/erzeugter Solarstrom zum Heizen

P₂: Electrical Energy Consumption of Solar Circuit Pump/elektrischer Hilfsenergiebedarf

P₁:Electrical Energy Consumption of Heat Pump Circuit Pump/elektrischer Hilfsenergiebedarf.

Vergleicht man die Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems (mit und ohne Ertrag der Solarsysteme) für die vier Varianten, so ergeben sich die in Abbildung 6 dargestellten Zahlen.

Die Variante mit PVT-Kollektoren wurde nicht ohne den Solarertrag aus den PV-Modulen betrachtet, da diese nicht optional sind. Aus diesem Grund sind in Abbildung 6 zwei gleiche Balken zu sehen. Die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe ohne PV-Strom zum Heizen (in der SPF-Formel entfällt PV_heat im Nenner) würde 3,2 betragen – sie liegt damit zwischen der Luft/Wasser-Wärmepumpe und der Erdreich-Wärmepumpe.

Die höchste Jahresarbeitszahl für das Gesamtsystem weist die Erdreich-Wärmepumpe mit PV-Modulen auf, da die Wärmepumpe aufgrund der gleichmäßig hohen Temperatur der Wärmequelle Erdreich schon selbst die höchste Jahresarbeitszahl erreicht. Die PV-Module decken weiterhin einen Teil des elektrischen Energiebedarfs zum Heizen ab. Direkt danach folgt die Sole/Wasser-Wärmepumpe mit PVT-Kollektoren, die ebenfalls von einer höheren Wärmequellentemperatur im Vergleich zur Luft/Wasser-Wärmepumpe profitiert.

Die Systemjahresarbeitszahl des Gaskessels mit und ohne Solarunterstützung ist aufgrund der verschiedenen Primärenergiefaktoren nicht mit den strombetriebenen Systemen direkt vergleichbar, die Bewertung ist jedoch bei der im Folgenden dargestellten Untersuchung der CO₂-Emissionen beim Mehrfamilienhaus möglich.

Für das Mehrfamilienhaus werden nur die beiden Systeme mit Solarsystemen gegenübergestellt. Abbildung 7 zeigt, dass die Variante Gaskessel mit thermischen Sonnenkollektoren gegenüber dem "SOLINK"-System deutlich höhere Emissionen aufweist.

Die thermischen Kollektoren können im Winter nur einen geringen Beitrag zur Wärmebereitstellung leisten und der Haushaltsstrom muss komplett aus dem Netz bezogen werden.

CO₂-Emissionen und Wirtschaftlichkeitsvergleich verschiedener Wärmepumpensysteme mit PV-Anlage

Im Folgenden werden drei Systemvarianten für ein Einfamilienhaus miteinander verglichen, die eine gleiche Jahresarbeitszahl gemäß der obigen Definition von 4,21 aufweisen. Damit soll untersucht werden, ob das "SO-LINK"-System sich aus ökonomischer Sicht gegenüber konkurrierenden Wärmepumpensystemen mit zusätzlichem PV-Generator behaupten kann. Abbildung 8 zeigt die Schemata der drei modellierten Varianten:

• Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Elektro-Direktheizung und 6,8 kWp PV-Generator,
• Erdreich-Wärmepumpe mit Elektro-Direktheizung und 3,06 kWp PV-Generator,
• Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Elektro-Direktheizung und 4,76 kWp PVT-Kollektoren.

Die Varianten 1 und 3 wurden dabei ohne Eisspeicher betrachtet. Für die Simulationen wurden wieder die Parameter des Einfamilienhauses aus Tabelle 1 herangezogen.

Zusätzlich zu der oben definierten Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems wurden zur Bewertung der Systeme die CO₂-Emissionen ermittelt. Dafür wurden der Gesamtenergiebedarf des Heizsystems (Heizung und Warmwasser) sowie der Haushaltsstrombedarf berücksichtigt. Die CO₂-Emissionen berechnen sich wie folgt:

CO₂-Emissions = [∫(E_heating + E_househould – PV_{self_consumption}) · dt] * f_co2

mit

E_heating: Electrical Energy Consumption of the Heating System/elektrischer Energiebedarf des Heizsystems (Heizung und Warmwasser)

E_household: Electrical Energy Consumption of the Household/Bedarf Haushaltsstrom

PV_{self_consumption}: Electrical Energy Generated by PV/PVT Panels and Used locally for Heating System and House-hold/erzeugter Solarstrom, der lokal für das Heizsystem und den Haushalt genutzt wird

f_co2: CO₂-Emissionsfaktor (0.631 für Elektrizität; GEMIS, Version 4.93).

Gemäß der Formel wird nur der Anteil des erzeugten Solarstroms, der lokal genutzt wird, für die Reduktion der CO₂-Emissionen angerechnet; Effekte auf den Strom-Mix bleiben unberücksichtigt.

Tabelle 2 zeigt den Unterschied der drei Varianten in der Größe der Solarsysteme bei gleicher Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems.

Man erkennt, dass für die Luft/Wasser-Wärmepumpe eine deutlich größere PV-Fläche notwendig ist, um die gleiche Jahresarbeitszahl zu erzielen. Grund hierfür ist wiederum die geringe Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe selbst wegen der niedrigen Quellentemperatur der Außenluft. Allerdings produziert die PV-Anlage auch die größte Menge an Überschussenergie.

Tabelle 3 zeigt die elektrische Energieaufnahme der Wärmepumpe insgesamt sowie die für den Betrieb vom öffentlichen Netz bezogene Energie.

In allen drei Fällen wird über das Jahr mehr Strom von der PV-Anlage produziert als die Wärmepumpe verbraucht. Weiterhin wird der Eigenstromverbrauch, das heißt, der Anteil der PV-Produktion, der direkt verbraucht wird, verglichen. Luftwärmepumpe und PVT-System liegen hier ähnlich, was an dem größeren Verbrauch der Wärmepumpe liegt.

In Abbildung 9 sind die CO₂-Emissionen der Systeme dargestellt. Diese liegen für alle drei Varianten sehr eng beieinander.

Der leicht höhere Wert für das System mit Erdreich-Wärmepumpe hängt mit dem kleinen PV-Generator zusammen, so dass hier mehr Strom aus dem Netz bezogen werden muss.

Der Wirtschaftlichkeitsvergleich wurde auf Basis der Annuitäten-Methode nach VDI 2067 durchgeführt. Die Grundannahmen hierfür sind in Tabelle 4, Tabelle 5 und Tabelle 6 aufgeführt.

In Abbildung 10 sind die Vollkosten der drei Systemvarianten dargestellt.

Wie in Tabelle 4 erwähnt, wurden für das System "Sole/Wasser-Wärmepumpe mit PVT-Kollektoren" zwei Preisansätze gewählt: BWHP+PVT_1 bei Serienfertigung des PVT-Kollektors mit mehr als 20.000 m² pro Jahr und BWHP+PVT_2 bei Kleinserie; die Differenz beträgt ca. 2.100 Euro für die simulierte Anlage mit 4,76 kWp.

Die Luft/Wasser-Wärmepumpe mit PV-Modulen weist die niedrigsten Vollkosten über den Betrachtungszeitraum auf. Dies ist auf die im Vergleich zu den anderen Systemen niedrigeren Investitionskosten zurückzuführen (vgl. Tabelle 4) und die große Menge an erzeugter elektrischer Energie (vgl. Tabelle 2), die für Haushalt und Wärmpumpe eingesetzt werden kann.

Die Sole/Wasser-Wärmepumpe mit PVT-Kollektoren weist auch schon heute niedrigere Vollkosten als ein System mit Erdreich-Wärmepumpe auf; bei letzterem beeinflussen die Gesamtinvestitionskosten des Wärmepumpensystems sowie die geringere Menge an erzeugtem Solarstrom das Ergebnis.

Auch für eine Luftwärmepumpe ohne PV-Anlage wurden die Vollkosten ermittelt. Diese betragen 3.332 Euro (ohne MwSt.) und sind damit höher als die Werte für alle mit PV bzw. PVT gerechneten Systeme.

Wenn der PVT-Kollektor in größerer Serie gefertigt wird, dann nähern sich die System-Vollkosten denen des Systems mit Luft/Wasser-Wärmepumpe und PV-Anlage an.

Ein entscheidender Vorteil des "SOLINK"-Systems gegenüber der Luft/Wasser-Wärmepumpe mit PV-Anlage ist der geringere Flächenbedarf für die PVT-Kollektoren (bei gleicher Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems); insbesondere bei Mehrfamilienhäusern ist die verfügbare Dachfläche im Verhältnis zur beheizten Wohnfläche begrenzt. Bei frei verfügbarer Fläche kann die Systemperformance des "SOLINK"-Systems mit weiteren PVT-Kollektoren verbessert werden: die Fläche erhöht sowohl die Arbeitszahl der Wärmepumpe als auch die PV-Stromproduktion; dies ist bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mit PV-Anlage nicht der Fall.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die nicht vorhandene Lärmbelastung beim "SOLINK"-System. Der Betrieb von Luft/Wasser-Wärmepumpen mit im Freien aufgestellten Verdampfern ist insbesondere in dichteren Wohnquartieren problematisch. Bei Erdreich-Wärmepumpen erweisen sich häufig – insbesondere in innerstädtischen Situationen – der notwendige Platzbedarf bzw. geologische oder andere Voraussetzungen für Erdsonden (bzw. Bohrungen zur Nutzung von Grundwasser) als Hinderungsgrund für die Ausführung. Auch hier stellt das "SOLINK"-System eine attraktive Alternative dar.

Der Deutschen Bundestiftung Umwelt sei herzlich gedankt für die finanzielle Unterstützung des Projekts.

¹ Aus simulationstechnischen Gründen ergab sich die SJAZ = 4,2 statt der Auslegungsgröße 4,3. Mit etwas größeren Flächen oder System-Optimierungen – z. B. Regelung/Energiemanager, PVT-Modul oder Eisspeicher – ist auch der Wert 4,3 erreichbar.

Literatur

[1] Ulrich Leibfried: Integrierte Systemlösungen für Bestand und Neubau als Weg zum Erreichen der Klimaziele. 21. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, Mai 2011.

[2] Ulrich Leibfried, Tillman Faßnacht, Christian Glück: Solarwärmepumpensystem als aktives Ausgleichelement im Erneuerbare Energien-Stromnetz – ein Modelltest, Tagungsband 25. Symposium Thermische Solarenergie OTTI, 6. bis 8. Mai 2015, Kloster Banz, Bad Staffelstein.