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PVT-Energie für Wärmepumpen

Systemvalidierung und zwei Jahre Praxiserfahrung

Für das Projekt "SOLINK" wurde ein PVT-Wärmepumpenkollektor entwickelt und ab Winter 2016/17 erprobt - die Ergebnisse sind vielversprechend.

Ein Feld, dahinter Berge und Wolken.
Quelle: 11sherrypatterson / https://pixabay.com/
PVT-Wärmepumpenkollektoren stellen neben Luft und Erdreich eine neue alleinige Wärmequelle für Wärmepumpen dar: Durch die kombinierte Nutzung von Umweltwärme und solarer Abwärme von PV-Modulen wird eine Versorgung ohne Bedarf an Erdsonden oder Niedertemperaturspeichern ermöglicht.

Um die Dekarbonisierung der Energieversorgung für Heizung und Warmwasser zu erreichen, wird davon ausgegangen, dass neben einer deutlichen Reduzierung des Wärmebedarfs durch Gebäudesanierung sowie passiver und aktiver Solarwärmenutzung elektrisch betriebene Wärmeerzeuger – sprich: Wärmepumpen – zukünftig in großem Maße eingesetzt werden [1].

Damit – insbesondere in Verbindung mit der Mobilitätswende – der hierdurch steigende Bedarf an elektrischer Energie nicht den Zuwachs an erneuerbar erzeugtem Strom übersteigt, sind Systeme nötig, die zum einen deutlich effizienter sind als heute übliche Luft-Wärmepumpen, zum anderen sollte sichergestellt sein, dass der Stromverbrauch des Systems zumindest bilanziell durch lokale regenerative Produktion gedeckt ist.

Speziell hierfür entwickelte PVT-Wärmepumpenkollektoren stellen neben Luft und Erdreich eine neue alleinige Wärmequelle für Wärmepumpen dar: Durch die kombinierte Nutzung von Umweltwärme und solarer Abwärme von PV-Modulen wird eine Versorgung ohne Bedarf an Erdsonden oder Niedertemperaturspeichern ermöglicht, bei höheren mittleren Temperaturen als dies bei einer Luft-Wärmepumpe der Fall ist.

Gleichzeitig produzieren die PVT-Kollektoren elektrischen Strom – durch die Kopplung mit der Wärmepumpe mit höherem Ertrag als reine PV-Module. Zwar wird der Strom zum größeren Teil dann produziert, wenn kein Heizbedarf vorhanden ist: Bei entsprechendem Lastmanagement mit Wärme- und Batteriespeicher kann der direkte Verbrauch zu 30 bis 50 Prozent gedeckt werden [2]. Aber in der gesamten regenerativen Stromerzeugung erfolgt ein guter Ausgleich der PV-Produktion mit der produzierten Windenergie, wenn der Ausbau beider Technologien im abgestimmten Maße weiter fortgeführt wird [1].

Im Rahmen des mit Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) bearbeiteten Projekts "SOLINK" wurde von Consolar in Zusammenarbeit mit dem niederländischen Partner Triple Solar sowie wissenschaftlicher Unterstützung des KIT, Karlsruhe, ein PVT-Wärmepumpenkollektor entwickelt und ab Winter 2016/17 erprobt [2]. Er kann aufgrund seines hohen Wärmeübertragungsvermögens zur Umgebungsluft als einzige Wärmequelle für Wärmepumpen eingesetzt werden. Innerhalb der zweiten Projektphase mit dem Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart als wissenschaftlichen und der Ruoff Energietechnik GmbH als Praxispartner wurde sowohl der Kollektor als auch die gesamte Systemintegration für den Serieneinsatz entwickelt. Hierfür wurde von Triple Solar mit Unterstützung von Consolar im vergangenen Jahr eine automatisierte Serienproduktion aufgebaut.

Kollektorprüfung

Die Serientauglichkeit des Kollektors wurde in 2018 mit der erfolgreichen Leistungs- und Qualitätsprüfung sowie einem Werksaudit gemäß "Solar Keymark"-Zertifizierung nachgewiesen [3]. Die dabei ermittelten Kennwerte zeigen ein im Vergleich zu anderen üblichen PVT-Kollektoren wesentlich höheres Wärmeübertragungsvermögen zur Umgebungsluft und auch eine erhöhte Windabhängigkeit [4].

Für die Windverhältnisse in Würzburg wird bei frei aufgestellten "SOLINK"-PVT-Kollektoren im Mittel ein Wärmeübertragungsvermögen von etwa 35 bis 50 W/(m2 K) erreicht, wobei der Wert aufgrund des Windeinflusses im Winter höher ist, was für viele Gebiete Deutschlands so zu erwarten ist. Dieser Effekt wirkt sich positiv auf die Gesamtsystemperformance aus, denn im Winter wird der größere Anteil der Wärme für den Wärmepumpenbetrieb über Wärmeentzug aus der Luft bereitgestellt.

Das Diagramm zeigt das Wärmeübertragungsvermögen des
Quelle: Consolar
Wärmeübertragungsvermögen des "SOLINK"-PVT-Kollektors zur Umgebung für monatlich gemittelte Windgeschwindigkeiten am Standort Würzburg. Durchgezogene Linien: Windgeschwindigkeit nach Wetterdaten, in 10 m Höhe, gestrichelte Linien: Windgeschwindigkeit umgerechnet auf Kollektorebene (Paralleldach), in Anlehnung an [5] abgeschätzt mit einem Windkorrekturfaktor von 0,5.

Über die "Solar Keymark"-Prüfungen hinaus wurden an den Instituten ISFH, Hameln, und IGTE im Winter 2018/19 jeweils ein Test-Kollektorfeld intensiv hinsichtlich unterschiedlicher Einflussfaktoren auf die Kollektorkennwerte untersucht: Meteorologie, Dimensionierung, Montageart, Feldaufbau und Vereisung und anderes [4].

Grundsätzlich zeigen die bisherigen Ergebnisse einen robusten Betrieb des Systems auf: Zum Beispiel tritt keine den Luftaustausch verhindernde Vereisung der Luftspalte zwischen den Wärmeübertragerlamellen auf. Die ermittelten Kennwerte ermöglichen eine gute Effizienz des Gesamtsystems. Die Arbeiten sind noch nicht abgeschlossen. Die noch ausstehenden Untersuchungen können voraussichtlich Ansätze für weitere Optimierungen dieses neuartigen Kollektortyps aufzeigen. Im Rahmen des "SOLINK"-Projekts ist geplant, diese Optimierungen in einem überarbeiteten Design umzusetzen und hierfür einen erneuten Leistungs- und Qualitätstest durchzuführen.

Monitoring und Validierung Simulationsmodell

Vom IGTE wird seit Winter 2017/18 eine "SOLINK"-Feldanlage in einem sanierten Einfamilienhaus im Großraum Stuttgart (Anlage Korb) messtechnisch überwacht und ausgewertet. Auf der Basis der Messdaten für einen ausgewählten Zeitraum von Mitte März bis Mitte April 2018 erfolgte die Validierung der Systemsimulationen mit "TRN-SYS" und "Polysun". Dieser Zeitraum deckt eine große Bandbreite möglicher Anlagenzustände ab, die sich aus unterschiedlichen Umgebungstemperaturen (Mittelwert 8,1 °C, min. -6 °C, max. 25 °C), Windgeschwindigkeiten (Mittelwert 0,7 m/s, max. 6,1 m/s) und Einstrahlungsverhältnissen ergeben. Im März 2018 traten zudem noch einige Tage mit Schneefall und geschlossener Schneedecke auf.

Ein Haus mit PV-Kollektoren auf dem Dach.
Quelle: Consolar
Im Monitoring betreute "SOLINK"-Anlage mit 40 m² PVT-Kollektorfläche.

Kombispeicher, Wärmepumpe und Eisspeicher in einem Technikraum.
Quelle: Consolar
Komponenten der "SOLINK"-Anlage (Kombispeicher, Wärmepumpe und Eisspeicher).

Das Gebäude besitzt einen prognostizierten Gesamt-Wärmebedarf von 11.100 kWh/a für Raumheizung und Warmwasser und wird durch eine Flächenheizung mit einer max. Vorlauftemperatur von 35 °C beheizt. Es ist noch nicht bewohnt, wird aber regulär beheizt. Es besteht praktisch kein Warmwasserverbrauch, der Nachheizbedarf für das Warmwasser resultiert nur aus dem Vorhalten der Warmwassertemperatur im Kombispeicher.

Das "SOLINK"-Wärmepumpen-Heizsystem besteht in der hier eingesetzten Konfiguration aus einem PVT-Kollektorfeld (40 m², Neigung 26°), einer Sole/Wasser-Wärmepumpe (7 kW), einem Eisspeicher (300 l) und einem Kombispeicher (1.000 l).

Im "TRNSYS"-Simulationsmodell für das "SOLINK"-System wurde die Anlagenhydraulik und -regelung realitätsnah nachgebildet. Für den PVT-Kollektor wurden die im Rahmen einer erweiterten "Solar-Keymark"-Prüfung bestimmten thermischen Kollektor-Kennwerte [4] verwendet. Abweichend von der Standard-Montage wurde der PVT-Kollektor bei der betreuten Anlage zusätzlich zur Dachneigung nochmals geringfügig aufgeständert. Die dafür eingesetzten Aufständerungsprofile behindern die rückseitige Luftzirkulation und reduzieren dadurch die thermische Leistungsfähigkeit des Kollektors.

Aufgeständert montierter PV-Kollektor auf einem Dach.
Quelle: Consolar
Aufgeständerte Kollektormontage bei der untersuchten Anlage: das geschlossene Aufständerungsprofil (Oberkante Kollektor) behindert die rückseitige Luftzirkulation.

Aus diesem Grund wurden für die Validierung der Systemsimulation angepasste Kollektorkennwerte verwendet. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Messdaten erreicht.

Auf Basis der validierten "TRNSYS"-Simulationen wurde im zweiten Schritt das System im Simulationsprogramm "Polysun" abgebildet, angepasst und validiert. Auch hier wird bei identischen Vorgaben, insbesondere bezüglich Wetterdaten, Wärmelast des Gebäudes und deren zeitliche Verteilung über das Jahr eine akzeptable Übereinstimmung der System-Bewertungsgrößen SJAZ und SJAZ_PVT erreicht. Diese beiden Größen sind wie folgt definiert:

Die System-Jahresarbeitszahl SJAZ, siehe Gleichung (1), stellt das Verhältnis der Nutzwärme (Warmwasser und Heizung) zum gesamten Stromverbrauch des Wärmeerzeugersystems, das heißt, inklusive Pumpen, Regler, Ventilen und ggf. Elektroheizstab, dar.

Bei der System-Jahresarbeitszahl mit Berücksichtigung des PV-Direktverbrauchs (SJAZ_PVT, s. Gleichung (2)) wird der Anteil des PV-Ertrags erfasst, der direkt (zeitgleich) zum Betrieb des Heizsystems verwendet werden kann. Dieser wird nicht als Stromverbrauch (vom Netz) gewertet.

(1) SJAZ = Nutzwärme/Stromverbrauch Heizsystem

(2) SJAZ_PVT = Nutzwärme/(Stromverbrauch Heizsystem – PV-Direktverbrauch)

Nach Vorliegen der Messdaten eines kompletten Jahres wurden die Simulationsmodelle nochmals mit diesen Daten überprüft und validiert.

Das Diagramm gibt einen Überblick über den thermischen Kollektorertrag der
Quelle: Consolar
Validierung der Systemsimulation anhand von Messdaten des Monitorings: gute Übereinstimmung des thermischen Kollektorertrags mit entsprechend angepassten Kenndaten (gelb). Größere Abweichungen im PV-Ertrag (blau) gibt es nur zu Zeiten mit Schneebedeckung der Kollektoren – ein geeigneter Speicher für die Schneeabrutschfunktion ist in dieser Anlage noch nicht integriert.

Jahresergebnisse

Die Messdaten eines kompletten Jahres wurden ausgewertet, Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Ergebnisse.

Die Tabelle zeigt die Umgebungsbedingungen und System-Kenngrößen der
Quelle: Consolar
2 An wenigen Tagen wurden ausgefallene Messdaten durch Messdaten von Tagen des gleichen Monats ersetzt.

In Abbildung 5 sind die Monatswerte der System-Arbeitszahlen SAZ und SAZ_PVT aufgetragen, zusammen, mit den mittleren Kollektortemperaturen, der mittleren Umgebungstemperatur und der monatlichen Einstrahlungssumme.

Das Diagramm ist die monatliche Auswertung der Systemarbeitszahlen der
Quelle: Consolar
Monatliche Auswertung der Systemarbeitszahlen ohne (SAZ) und mit Berücksichtigung des PV-Direktverbrauchs (SAZ_PVT), der Einstrahlungssumme in Kollektorebene (Q_str(40m²)), der mittleren Umgebungstemperatur (T_außen*), der mittleren Kollektoraustrittstemperatur im Solar-Betrieb (T_Koll_aus) und der mittleren Verdampferaustrittstemperatur im WP-Betrieb (T_Verd_aus). Ab Sep- tember 2018 zusätzlich der mittlere Taupunkt der Umgebungsluft (T_tau). Ab September 2018 wurde die Umgebungstemperatur zusätzlich zu dem Außen-Wandfühler in Bodennähe auch auf dem Dach erfasst; für die Auswertung wurde der Minimalwert der beiden Temperaturfühler verwendet (Abb.5).

In den Wintermonaten (November bis Februar) liegt die System-Arbeitszahl meist über 4. Dagegen sinkt sie im April auf 3,4 und im Mai auf nur 2,3 ab. Dies liegt daran, dass in diesen Monaten der Heizungsverbrauch gering wird und die Wärmepumpe nur noch wenig läuft und wenn, dann vor allem für das Nachheizen des Warmwasser-Bereitschaftsteils des Speichers. Bei der Warmwasser-Nachheizung steht aber dem Stromverbrauch, da kein Warmwasser entnommen wird, kein Nutzen gegenüber. Der Stromverbrauch hierfür und für Peripherie (Umwälzpumpen, Regler, Ventile) fällt daher überproportional ins Gewicht. In den Sommermonaten gibt es weder Heiz- noch Warmwasserverbrauch – und damit auch keine sinnvollen System-Arbeitszahlen.

Ein normaler Warmwasserverbrauch würde im Sommer eine Nutzung des PV-Ertrags ermöglichen und zu hohen Werten für SAZ_PVT führen. Simulationsrechnungen zeigen, dass im Jahresmittel durch Warmwasserverbrauch die System-Jahresarbeitszahl zwar geringfügig sinken würde (ca. 0,1) wegen der ungünstigeren Betriebszustände der Wärmepumpe, die System-Jahresarbeitszahl mit PV-Berücksichtigung aber geringfügig stiege (ebenfalls ca. 0,1).

Die Grafik zeigt auch, dass die mittlere Kollektoraustrittstemperatur in den Monaten April bis Oktober über der Umgebungstemperatur liegt, in den anderen Monaten um 2 bis 5 K darunter. Hierbei sind nur Zustände mit Wärmepumpenbetrieb berücksichtigt.

Abbildung 6 zeigt die monatliche Auswertung der Stromquellen- und -senken des "SOLINK"-Systems: PV-Ertrag und Netzbezug, Stromverbrauch von Wärmepumpe und Elektroheizstab, Stromverbrauch für zusätzliche Pumpen und Ventile sowie die Netzeinspeisung. Diese und auch die tagesgenaue Auswertung zeigt ein hohes Potential für ein intelligentes Energiemanagement-System: An einer Vielzahl von Tagen könnte bilanziell ein Teil des Netzbezugs (orange) durch die noch vorhandene Netzeinspeisung (rot) eingespart werden. In der kommenden Heizperiode soll der installierte Energiemanager aktiviert werden und zukünftig eine entsprechende thermische Lastverschiebung mithilfe von Wärmepumpe und dem vorhandenen Kombispeicher realisieren. Simulationen lassen erwarten, dass die System-Jahresarbeitszahl mit PV-Berücksichtigung dadurch deutlich höher ausfallen wird.

Das Diagramm zeigt eine monatliche Auswertung der Stromquellen- und -senken des SOLINK
Quelle: Consolar
Monatliche Auswertung der Stromquellen- und -senken des SOLINK"-Systems: PV-Ertrag (Wel_PV) und berechneter Netzbezug (Wel_Netzbezug), Stromverbrauch von Wärmepumpe (Wel_WP) und Elektroheizstab (Wel_Estab), Stromverbrauch für zusätzliche Pumpen und Ventile (Wel_Periph) sowie berechnete Netzeinspeisung (Wel_PV_Einsp) (Abb.6).

Weiterführende Informationen: https://www.consolar.de

Donnerstag, 26.12.2019