Lange Zeit war die Verbindung von solarthermischen Anlagen und Wärmepumpen in einem System aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsweisen nicht möglich. Denn bei einer konventionellen Anwendung würde die Solaranlage die Rücklauftemperatur anheben und dadurch zu einer Verschlechterung der Arbeitszahl der Wärmepumpe führen. Und eine umgekehrte Verbindung würde die Temperaturschichtung im Solarspeicher zunichte machen. Dank einer neuen Art der Verschaltung, eines speziell für diesen Einsatz entwickelten Hybridkollektors und einem äußerst effektiv arbeitenden Eis-Latentwärmespeichers ist es gelungen, die beiden gegensätzlichen Technologien erfolgreich miteinander zu verbinden (Bild 1).
Hybridkollektor mit Luftwärmetauscher und Ventilator
Mit der Möglichkeit, neben der Sonnenwärme auch die Umgebungsenergie sowohl bei Bewölkung als auch nachts nutzen zu können, unterscheidet sich das „Therma exklusiv“-System von allen anderen herkömmlichen thermischen Solaranlagen. Die eingesetzten Hybridkollektoren (Gewicht: je ca. 55kg, Bruttofläche: 2,73m²) verfügen dazu über einen zusätzlichen Luftwärmetauscher mit integriertem Ventilator (Bild 2). Als Ventilatoren kommen Axiallüfter mit einer Nennspannung von 230 V/ 50 Hz und einer maximalen Leistungsaufnahme von 26 W zum Einsatz (Volumenstrom Luft: 300 m³/h). Über eine Impulsansteuerung wird die Drehzahl in einem Leistungsbereich von 30 bis 100 % geregelt. Die Mindestdrehzahl ergibt sich aus dem benötigten Mindestluftvolumenstrom.
Die Kollektoren können somit neben der direkten Sonneneinstrahlung auch die in der Umgebungsluft enthaltene Wärmeenergie nutzen. Je nach Temperaturniveau arbeitet der Hybridkollektor wie ein herkömmlicher Flachkollektor und deponiert die gewonnene Solarenergie im Kombi-Pufferspeicher oder im Eis-Latentwärmespeicher ab. Ist die Sonneneinstrahlung zu gering, wird nur die Wärme der Umgebungsluft genutzt.
Der Kollektor gibt die Wärmeenergie der Umgebung durch den Luftwärmetauscher an die Solarflüssigkeit ab. Die so gewonnene Energie wird jetzt zur Versorgung der Wärmepumpe oder zur Beladung des Eis-Latentwärmespeichers verwendet. Für eine optimale Leistung sollten die Kollektoren nach Süden ausgerichtet und in einem Winkel von mindestens 60° montiert werden. Dieser Winkel und eine erhöhte Positionierung sorgen im Winter dafür, dass die Zu- und Abluftöffnungen nicht durch abgerutschten Schnee blockiert werden. Die individuellen Montagemöglichkeiten der Hybridkollektoren – ob auf dem Dach, in der Hausfassade oder die Aufständerung im Garten – ermöglichen eine optische Integration.
Eis-Latentwärmespeicher, Wärmepumpe und Kombi-Pufferspeicher
Im „Therma exklusiv“-System wird diese Umweltwärme verlustfrei im Eis-Latentwärmespeicher zwischengespeichert. Insbesondere bei der Aggregatszustandsänderung des Wassers beim Gefrieren und Tauen wird durch den Effekt der latenten (lat. für „verborgen“) Energie eine große Menge an Wärme auf kleinstem Raum gespeichert. Durch die Änderung des Aggregatzustandes von Wasser zu Eis ist seine Wärmekapazität achtmal höher als bei herkömmlichen Wasserspeichern bei einem Temperaturhub von 10 K (typischer für eine Wärmepumpe nutzbarer Bereich). Der Eis-Latentwärmespeicher mit einem Volumen von ca. 320 l entspricht dadurch einem herkömmlichen Speicher mit ca. 2500 l Inhalt.
Die eingesetzte Wärmepumpe, die zusammen mit dem Eis-Latentwärmespeicher und der Systemregelung in einem kompakten Energiezentrum aus Stahlblech (79,5 x 84 x 200cm) untergebracht ist (Bild 3), arbeitet wie eine herkömmliche Sole-Wasser-Wärmepumpe. Sie besitzt eine Leistungsaufnahme von 1,56 kW bei einer Leistungsziffer (COP) von 4,4 bei B0/W35 – das entspricht einer Wärmeleistung von 6,9 kW. Als Wärmequelle nutzt sie den Eis-Latentwärmespeicher und die darin enthaltene Energie.
Der Kombi-Pufferspeicher speichert alle von den Hybridkollektoren, der Wärmepumpe sowie dem Biomasseofen bereitgestellte Energie und stellt sie bei Bedarf dem Heizkreis oder zur Warmwasserbereitung wieder zur Verfügung. Bei ausreichender direkter Sonneneinstrahlung wird die gewonnene Wärmeenergie wie bei herkömmlichen thermischen Solaranlagen zur Erwärmung des Heiz- und Warmwassers im Pufferspeicher (PSSF) genutzt. Durch große Leistungsreserven ist ein schnelles Aufheizen des Gebäudes gewährleistet. Die hohe Effizienz ist auf die geschichtete Be- und Endladung des Speichers sowie auf die Minimierung von Wärmeverlusten durch eine extra starke Wärmedämmung zurückzuführen. Die Warmwasserbereitung erfolgt über einen Kupfer-Wärmetauscher mit 6 m² Fläche und einer max. Zapfrate von 20 l/min bei 45 °C.
Neun Feldtestobjekte im Zeitraum von zwei Jahren
Vor der Serienfertigung des „Therma exklusiv“-Systems wurde dieses Komplett-Heizsystem unter realen Bedingungen in Feldtestanlagen erprobt und optimiert. Innerhalb von zwei Jahren konnten dafür insgesamt neun Feldtestanlagen in verschiedenen Haustypen (auch Altbau) und Regionen installiert, messtechnisch erfasst und ausgewertet werden. Es wurden sämtliche Energieverbräuche, System- und Medientemperaturen und meteorologische Daten wie solare Einstrahlung und Außentemperatur aufgezeichnet.
Mit den gewonnenen Ergebnissen der Feldtestanlagen wurden die angewandten Berechnungs- und Simulationsverfahren während der Entwicklungsphase mit den Ergebnissen im Feld verglichen. Die teilnehmenden Objekte hatten folgende Voraussetzungen zu erfüllen:
– Gebäude in Niedrigenergiebauweise (auch sanierter Altbau)
–Jahres-Heizwärmebedarf durfte 13000 kWh nicht überschreiten; in Kombination mit einem wasserführenden Pellets- oder Stückholzofen Erhöhung auf 18000 kWh möglich
– eine maximale zulässige Heizlast von 8 kW
– Niedertemperatur Flächenheizsystem
– genügend Platz für 22 bis 28 m² Kollektorfläche (Fassade, Dach oder Garten)
– 60° Mindestneigung der Kollektoren
– DSL-Internetverbindung für Datenübermittlung
– Stellfläche für Energiezentrum und Pufferspeicher von 1,2 x 3 m
– Zugänglichkeit der Anlage durch Fachpersonal für Service, Wartung und Update
Interessante Ergebnisse einer konkreten Feldtestanlage
Die nachfolgend vorgestellte Anlage im Raum Frankfurt a.M. besitzt zusätzlich zum beschriebenen „Therma exklusiv“-System einen Biomasse-Kaminofen, der parallel zur Solaranlage an den Kombi-Pufferspeicher angeschlossen ist. Aus dem Kombi-Pufferspeicher erfolgt über ein Durchflusssystem direkt die Versorgung der Warmwasserbereitung. Die Fußbodenheizung des Wohnhauses mit einer Systemauslegungstemperatur von 35/25 °C ist über eine hydraulische Weiche an Wärmepumpe und Kombispeicher angeschlossen. Das Objekt ist ein Neubau mit etwa 300 m² beheizter Wohnfläche. Die Feldtestanlage ist mit neun Hybridkollektoren bestückt, die einer Vorversion angehören. Mittlerweile wurde eine verbesserte Version für die Serienproduktion entwickelt und getestet.
Bis November wird der Kombi-Pufferspeicher beladen
Insgesamt wurde der Betrieb der Anlage über einen Zeitraum von März bis Dezember 2008 überwacht und ausgewertet. Bild 4 visualisiert die aufgenommenen Tagesmittelwerte der Feldtestanlage über vier Monate (September bis Dezember 2008). Der solare Ertrag zur Beladung des Kombi-Pufferspeichers wird als roter Balken und der des Eis-Latentwärmespeichers als dunkelblauer Balken dargestellt. Der Ertrag aus der Umweltwärme zur Beladung des Eis-Latentwärmespeichers ist grün eingefärbt. Der Verbrauch an elektrischer Energie durch die Wärmepumpe ist gelb abgebildet. Die schwarze Linie zeigt das Tagesmittel der Außentemperatur an.
Im Diagramm ist deutlich zu erkennen, dass bis in den November die Kollektoren ausreichende Solarerträge erzielen um den Kombi-Pufferspeicher zu beladen. Sollte die solare Strahlung für die Beladung des Kombi-Pufferspeichers zu gering sein, wird der Eis-Latentwärmespeicher mit solaren Erträgen geringeren Temperaturniveaus beladen. Wenn die Solarstrahlung zur Beladung des Eis-Latentwärmespeichers nicht ausreicht, wird die Energie der Umweltwärme genutzt. Die gewonnene Energie wird durch den Solarkreis zum Eis-Latentwärmespeicher geleitet und die Wärmequelle der Wärmepumpe somit wieder aufgeladen. Dieser Prozess findet, wie im Diagramm ersichtlich, erst ab Oktober statt.
Effizientes Arbeiten auch mit niedrigen Solarkreistemperaturen
Auffällig ist, dass ab Mitte Dezember, bei sehr niedrigen Außentemperaturen, sehr hohe solare Erträge für den Eis-Latentwärmespeicher sowie zur direkten Beladung des Kombi-Pufferspeichers eingebracht werden konnten. Hier kann der meteorologische Effekt genutzt werden, dass an sehr kalten Wintertagen eine stabile Hochdrucklage mit ausreichend Sonnenschein herrscht. Im Umkehrschluss ist die Außentemperatur bei einer Tiefdrucklage mit Bewölkung höher und damit die in der Umwelt enthaltene Energie. Durch die doppelte Nutzung der Hybridkollektoren ist es dem System möglich, auch mit niedrigen Solarkreistemperaturen höchst effizient zu arbeiten.
Der Bedarf an Wärmeenergie für Warmwasser und Heizung betrug während des gesamten Auswertungszeitraums von zehn Monaten rund 6700 kWh. Demgegenüber steht der Verbrauch an elektrischer Energie für Pumpen, Lüfter und der Wärmepumpe von weniger als 1200 kWh. Die Energieeinsparung betrug im Vergleich mit einem konventionellen Wärmeversorger, Heizkessel mit Wirkungsgrad von 0,85 ca. 5800 kWh. Die Anlage erreichte im Feldtest in diesem Zeitraum (ohne Biomasseofen) eine Systemarbeitszahl von 5,2.
Fördermöglichkeiten durch das Marktanreizprogramm
Die Förderhöhe von Wärmepumpen und thermischen Solaranlagen im Rahmen des Marktanreizprogramms richtet sich nach dem Stand der Gebäudedämmung, der beheizten Nutzfläche und der installierten Kollektorfläche sowie dem technologischen Stand der Komponenten. Die Basisförderung der Solaranlage mit Heizungsunterstützung beträgt 105 Euro pro m² Kollektorfläche und kann – falls das Gebäude einen besonders guten Wärmeschutz besitzt – durch den zweistufigen Effizienzbonus auf 157,5 Euro für Stufe 1 und auf 210 Euro für Stufe 2 erhöht werden. Alternativ zum Effizienzbonus kann auch ein Kombinationsbonus für die gleichzeitige Nutzung von Solarwärme und Wärmepumpe in Höhe von 750 Euro beantragt werden, der aber nicht mit dem Effizienzbonus kombinierbar ist. Zusätzlich gibt es noch eine Förderung der hocheffizienten Solarpumpe von 50 Euro.
Die Förderung der Wärmepumpe erfolgt als Luft-Wärmepumpe, da die Energie zeitweise aus der Außenluft gewonnen wird. Bei Luft-Wärmepumpen beträgt die Basisförderung im Neubau 5 Euro pro Quadratmeter beheizter Wohnfläche, maximal jedoch 850 Euro pro Wohneinheit beziehungsweise 8 % der Investitionskosten – vorausgesetzt die Wärmepumpe erreicht eine Jahresarbeitszahl von mindestens 3,5. Im Altbau beträgt die Höhe der Basisförderung 10 Euro pro m² beheizter Wohnfläche, maximal aber 1500 Euro pro Wohneinheit oder 10 % der Investitionskosten, bei einer Jahresarbeitszahl von mindestens 3,3. Wichtig: Die Berechnung der Jahresarbeitszahl muss individuell erfolgen.
Flexibles Nischenprodukt für energie- und umweltbewusste Kunden
Mit „Therma exklusiv“ gibt es ein Gesamtkonzept zur nahezu ganzheitlichen regenerativen Energieversorgung eines Hauses. Durch die intelligente Kombination aus bereits bekannten Technologien wie Sole-Wasser-Wärmepumpe, Kombi-Pufferspeicher in Verbindung mit dem neuartigen Eis-Latentspeicher und Hybridkollektor stellt „Therma exklusiv“ eine hocheffiziente Lösung zur Beheizung und Warmwasserbereitung in Ein- und Zweifamilienhäusern sowohl im Neubau wie auch im Sanierungsfall dar. Das solare Wärmepumpensystem eignet sich vor allem für den Einbau in Neubauten, da so die Kollektoren mit einem Neigungswinkel von 60 bis 90° ideal in der Gestaltung des Gebäudes berücksichtigt werden können.
Das System ist sicherlich ein Nischenprodukt für eine spezielle Kundenzielgruppe mit besonderen, energie- und umweltbewussten Ansprüchen. Doch im Rahmen einer integrativen Planung kann durch die Flexibilität der Komponenten auf die unterschiedlichen Bedürfnisse und Ansprüche von Bauherr, Architekt, Planer und Fachhandwerker reagiert werden kann. Wichtig ist hierbei, dass sich alle Baubeteiligten bei der Realisierung geplanter Vorhaben frühzeitig verständigen.
Der solaren Komplettheizung gehört die Zukunft
Die SBZ-Redaktion stellte vier ergänzende Fragen an Bernhard Mertel, Geschäftsfeldleiter Umwelttechnik und Produktmanager.
SBZ: Warum hat Westfa in die Einführung der solaren Wärmepumpe investiert?
Mertel: Der solaren Komplettheizung gehört unserer Meinung nach die Zukunft. Unsere Neuheit „Therma exklusiv“ ermöglicht den künftigen Besitzern eine nahezu unabhängige, dezentrale Energieversorgung. Wir sind stolz darauf, zu den Pionieren zu gehören.
SBZ: Wie sind die Feldtests, die seit zwei Jahren durchgeführt werden, gelaufen?
Mertel: Wir sind mit den Ergebnissen sehr zufrieden. Denn die Feldtests liefen tatsächlich noch besser als die Simulation.
SBZ: Wie geht es nun weiter?
Mertel: In wenigen Wochen werden wir die Testphase abschließen. „Therma exklusiv“ ist marktreif und wird voraussichtlich ab Juni vertrieben werden.
SBZ: Was ist nötig, damit Ihr innovatives System auch auf Kaufinteresse stößt?
Mertel: Wir brauchen eine neue, frische und moderne Denkweise im Bereich Bauen. Wir stellen fest, dass aufgrund der Energiepreisentwicklungen die Energiekonzepte langfristiger ausgelegt werden. Mittlerweile steht nicht mehr der möglichst günstige Anschaffungspreis der Heizungsanlage im Fokus, sondern vielmehr eine durchgängige Energieeinsparung. Dafür sind Menschen auch immer stärker bereit, Geld in die Hand zu nehmen, da sich nach kurzer Zeit ihre Investition amortisiert und sich Energiekosten einsparen lassen.
Weitere Informationen
Unsere Autorin Dipl.-Ing. Kerstin Kranich ist Leiterin des Bereichs Anwendungstechnik bei Westfa; 58099 Hagen, Telefon (0 18 01) 47 11 47, Telefax (0 18 01) 48 11 48, Mail: info@westfa.de, https://www.westfa.de/
