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PVT-Energieversorgungssystem für Wärmepumpen

Lösung für Alt- und Neubau

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.

Die Grafik zeigt einen Feldaufbau aus drei Reihen parallel verschalteter Kollektoren, nach Tichelmann verschaltet.
Quelle: Consolar
Feldaufbau aus drei Reihen parallel verschalteter Kollektoren, nach Tichelmann verschaltet. Zwischen unterem und oberem Sammler eines Kollektors beträgt die Temperaturdifferenz im Betrieb nur 4 K, so dass die PV-Module genügend gleichmäßig gekühlt werden. Alternativ ist auch der Anschluss (Vor- und Rücklauf) von der gleichen Seite möglich.

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

Vereiste Photovoltaik-Module.
Quelle: Consolar
Abb.2: Vereiste PV-Oberfläche.

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.

Schneebedeckte PVT-Kollektoren.
Quelle: Consolar
Abb. 3a: Schneebedeckte PVT-Kollektoren bei Schneefall.
Schnee PV-Modulen.
Quelle: Consolar
Abb. 3b: Schnee rutscht auf ungekühlten PV-Modulen schneller ab.

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.

Die Tabelle zeigt den  U-Wert an der Testanlage Lörrach.
Quelle: Consolar
Abb.4: U-Wert an der Testanlage Lörrach ermittelt.

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.

Schema einer Systemkonfigurationen mit Sole/Wasser-Wärmepumpe kombiniert mit PVT-Kollektor und Elektro-Direktheizung für ein Einfamilienhaus.
Quelle: Consolar
Abb.5a: System Einfamilienhaus – Sole/Wasser-Wärmepumpe kombiniert mit PVT-Kollektor und Elektro-Direktheizung.

Schema einer Systemkonfiguration mit Sole/Wasser-Wärmepumpe kombiniert mit PVT-Kollektor und Gaskessel für ein Mehrfamilienhaus.
Quelle: Consolar
Abb.5b: System Mehrfamilienhaus – Sole/Wasser-Wärmepumpe kombiniert mit PVT-Kollektor und Gaskessel.

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.

Die Tabelle zeigt die Simulationsparameter des Modells für die Gebäude.
Quelle: Consolar
Tabelle 1: Simulationsparameter des Modells für die Gebäude.

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.

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

Donnerstag, 13.09.2018

Autoren dieses Artikels

Ulrich Leibfried
Consolar Solare Energiesysteme
Andreas Wagner
Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau (fbta), KIT, Karlsruhe
Amar Abdul-Zahra
Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau (fbta), KIT, Karlsruhe