Systemintegration mit geeigneten Sole-Wärmepumpen
Grundsätzlich können die "SOLINK"-Wärmepumpenkollektoren mit jeder herkömmlichen Sole-Wärmepumpe gekoppelt werden. Neben wenigen hydraulischen und regelungstechnischen Maßnahmen ist allerdings Voraussetzung für einen effizienten Betrieb, dass die Wärmepumpe bei tieferen Wärmequellentemperaturen arbeiten kann als bei Erdsonden üblich. Von milderen Gegenden, wie zum Beispiel in Meeresnähe, abgesehen, sollte die Wärmepumpe in Deutschland eine minimale Sole-Eintrittstemperatur von etwa -15 °C ermöglichen. Mehrere Wärmepumpenanbieter bieten solche Wärmepumpen mittlerweile an.
Besonders vorteilhaft sind Wärmepumpen mit Leistungsregelung aus zwei Gründen: Eine einstufige Wärmepumpe, die für die maximale Heizlast ausgelegt ist, liefert bei höheren Umgebungstemperaturen bis zu einem Vielfachen der benötigten Heizleistung, so dass die Wärmepumpe nur kurze Zeit läuft (taktet) und in dieser Zeit der Temperaturabfall am Kollektor, im Verdampfer und ggf. im Wärmeübertrager eines Warmwasserspeichers größer ist als bei angepasster Leistung. Weiterhin ermöglicht ein modulierender Betrieb die Anpassung der elektrischen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe an den aktuellen PV-Stromertrag. Abbildung 7 zeigt anhand einer Simulationsstudie das Potential der Stromeinsparung (Netzbezug), das sich hieraus ergibt. Bei der Simulation wurde die oben beschriebene verbesserte Effizienz in den Wärmeübergängen und damit dem COP nicht berücksichtigt. Bei PV-Überschussstrom erfolgt eine sogenannte Lastverschiebung, das heißt, der Kombispeicher wird auf Vorrat beladen (bis max. 56 °C). In den Sommermonaten kann damit der Netzstrombezug auf nahezu Null reduziert werden, im Jahresmittel wird er um etwa zehn Prozent gegenüber Lastverschiebung einer ungeregelten Wärmepumpe verringert. Um den gleichen Wert der SJAZ_PVT zu erreichen wie mit einer einstufigen Wärmepumpe, kann im Beispiel die Kollektorfläche um etwa ein Drittel reduziert werden!
Regler und Hydraulik für Kombination mit Standard-Wärmepumpen
Um "SOLINK"-Kollektoren mit einer Sole-Wärmepumpe betreiben zu können, sind folgende Vorkehrungen nötig:
- Begrenzung der Sole-Eintrittstemperatur auf die für die Wärmepumpe maximal zulässige, insbesondere beim Anlagenstart im Sommer.
- Vorkehrung zur Enteisung und Schneeabrutschen. Beide Effekte (Eis und Schnee) werden im Rahmen des "SOLINK"-Projekts untersucht, ggf. kann in einigen Regionen und Fällen darauf verzichtet werden.
Abbildung 8 zeigt als Beispiel das Hydraulikschema einer "SOLINK"-Anlage mit Dreiwegemischventil im Solekreis zur Temperaturbegrenzung. Der Kombispeicher ermöglicht die Verlängerung der Wärmepumpenlauf- und -stillstandszeiten, kann weiterhin zur Lastverschiebung (Energiemanagement) genutzt werden und dient als Wärmereservoir für Enteisung oder Schneeabrutschen. Über den Wärmeübertrager kann der Kombispeicher in den Sommermonaten auch direkt von den "SOLINK"-Kollektoren vorgewärmt werden, allerdings ist der Nutzen vergleichsweise gering.
Grundsätzlich sind, falls auf diese Funktionen verzichtet werden kann, auch einfachere Verschaltungen (z.B. nur mit Warmwasserspeicher und ohne Heizungspuffer) möglich. Darüber hinaus sind zahlreiche weitere Hydrauliken realisierbar.
Zur für den Installateur einfachen Realisierung der beiden Funktionen Temperaturbegrenzung und Enteisung wurde eine vorgefertigte Hydraulikgruppe in zwei Größen zusammen mit einem Hersteller von Armaturen und Pumpengruppen entwickelt.
Die notwendigen regelungstechnischen Funktionen einschließlich automatischer Plausibilitäts- und Fehlerkontrolle und der Möglichkeit zur Online-Überwachung wurden entwickelt und programmiert. Der "SOLINK"-Ergänzungsregler ermöglicht weiterhin den Betrieb von "SOLINK"-Kollektoren in Kombination mit Erdsonden, eine Anwendung, die insbesondere beim Austausch alter Wärmepumpen durch eine effizientere interessant ist, um die dann meist unterdimensionierte Erdsonde zu unterstützen. Die gleiche Logik kann auch für den Einsatz von "SOLINK" in kalten Nahwärmenetzen angewendet werden. Diese Kombination ermöglicht Netze, in denen auf Erdsonden verzichtet werden kann.
Es ist davon auszugehen, dass interessierte Wärmepumpenhersteller zumindest die wichtigsten der obigen Funktionen in Zukunft in die Regellogik des Wärmepumpenreglers aufnehmen, so dass mittelfristig der Ergänzungsregler entfallen könnte.
Felderfahrung
Bis Ende 2018 wurden durch Triple Solar, Consolar und deren Vertriebspartner über 50 Anlagen realisiert. Bei zwei Anlagen lag während zwei Wochen über 1 m hoher Schnee. Der Betrieb der Anlagen über den Winter 2018/19 verlief – von Installationsfehlern wie Befüllung mit falschem Frostschutzmittel abgesehen – störungsfrei und zur Zufriedenheit der Kunden.
Fazit und Ausblick
Das "SOLINK"-System hat sich sowohl im Rahmen der detaillierten wissenschaftlichen Prüfungen und Untersuchungen, der tiefgehenden Analyse einer Anlage im Feld über mehr als ein Jahr als auch bei mittlerweile zahlreichen weiteren Kundenanlagen bewährt. Die produktionstechnischen Grundlagen für ein starkes Stückzahlenwachstum wurden geschaffen, was aufgrund des starken Interesses am Markt zu erwarten ist.
Parallel zur Markteinführung des jetzigen Serienstands wird das System im Rahmen des "SOLINK"-Projekts weiter optimiert.
Die Arbeiten am Projekt "SOLINK" wurden ermöglicht durch die freundliche finanzielle Unterstützung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, welcher der herzliche Dank der Autoren gilt.
Literatur
[1] Hans-Martin Henning, Energiesystem Deutschland 2050 – Zur Rolle von Erdgas und "grünem" Gas in der Energiewende, Berliner Energietage 2018, Berlin, 9. Mai 2018.
[2] Ulrich Leibfried, Andreas Wagner, Amar Abdul-Zahra: Hocheffiziente, auf intelligenter Verknüpfung von PVT- und Wärmepumpentechnik basierende Wärmeversorgung für Gebäudebestand und Neubau, Teil 1, Abschlussbericht DBU-Projekt 33226/01, 4. August 2017.
[3] Prüfbericht zur Solar-Keymark-Prüfung (SOLINK-PVT-Kollektor der Fa. Consolar) am IGTE, Universität Stuttgart, 2018; noch nicht veröffentlicht.
[4] Carsten Lampe, Maik Kirchner, Matthias Littwin, Federico Giovannetti, Sebastian Asenbeck, Stephan Fischer: Experimentelle Untersuchungen an Testfeldern mit SOLINK-photovoltaisch-thermischen Kollektoren, Symposium Thermische Solarenergie 2019, Bad Staffelstein, 21. bis 23. Mai. 2019.
[5] Helbig S., Kirchner M., Giovanneti F., Lampe C., Littwin M., Kastner O., PVT-Kollektoren als bisolare Wärmepum-penquelle – Ein Simulationsvergleich zwischen Polysun und TRNSYS, Symposium Thermische Solarenergie 2018, Bad Staffelstein, 13. bis 15. Juni 2018.
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