Energieeffizientes Wärmepumpensystem

Elektrisch angetriebenen Wärmepumpen kommt bei der Wärmewende eine Schlüsselrolle zu. Um die Auswirkungen einer breiten Verwendung auf die öffentliche Stromversorgung klein zu halten, helfen energieeffiziente Systeme und ein möglichst hoher Anteil gebäudenah erzeugter Antriebsenergie. Gleichzeitig müssen die System- und Gesamtkosten für die Investoren attraktiv sein. Eine Antwort auf diese Anforderungen ist das PVT-Wärmepumpensystem Solink, das sich nach erfolgreicher Entwicklung und System­validierung bereits in der Praxis bewährt.

Um die Dekarbonisierung der Energieversorgung für Raumwärme und Trinkwassererwärmung zu erreichen, wird davon ausgegangen, dass neben einer deutlichen Reduzierung des Wärmebedarfs durch die energetische Verbesserung der Gebäudehüllen sowie die passive und aktive 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/Wasser-Wärmepumpen, zum anderen sollte sichergestellt sein, dass der Stromverbrauch des Systems zumindest bilanziell durch lokale regenerative Produktion gedeckt ist.

Speziell hierfür entwickelte PVT-Wärmepumpenkollektoren (PVT: Photovoltaik-Thermie) 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/Wasser-Wärmepumpe der Fall ist.

Gleichzeitig produzieren die PVT-Kollektoren elektrischen Strom – durch die Kopplung mit der Wärmepumpe mit höherem Ertrag als reine Photovoltaik(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 aber zu 30 bis 50 % gedeckt werden [2]. In der gesamten regenerativen Stromerzeugung erfolgt aber ein guter Ausgleich der PV-Produktion mit der produzierten Windenergie, wenn der Ausbau beider Technologien im abgestimmten Maße weiter fortgeführt wird [1].

Entwicklung des PVT-Wärmepumpenkollektors

Im Rahmen des mit Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt bearbeiteten Projekts Solink wurde von Consolar in Zusammenarbeit mit dem niederländischen Partner Triple Solar sowie wissenschaftlicher Unterstützung des Karlsruher Instituts für Technologie KIT 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) als wissenschaftlichem 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 Jahr 2018 eine automatisierte Serienproduktion aufgebaut.

Bild: IGTE

Kollektorprüfung

Die Serientauglichkeit des Kollektors wurde 2018 mit der erfolgreichen Leistungs- und Qualitätsprüfung sowie Werksaudit gemäß Solar-Keymark-Zertifizierung nachgewiesen [3]. Die 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 ca. 35…50 W/(m² ∙ K) erreicht, wobei der Wert aufgrund des Windeinflusses im Winter höher ist (Bild 2), 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.

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

Grundsätzlich zeigen die bisherigen Ergebnisse einen robusten Betrieb des Systems auf. Beispielsweise 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 des 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 des Simulationsmodells

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 TRNSYS 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 einige Tage mit Schneefall und geschlossener Schneedecke auf.

Das Gebäude besitzt einen prognostizierten Gesamtwärmebedarf von 11 100 kWh/a für Raumheizung und Trinkwassererwärmung und wird durch eine Flächenheizung mit einer maximalen Vorlauftemperatur von 35 °C beheizt. Es ist noch nicht bewohnt, wird aber regulär beheizt. Es besteht somit praktisch kein Warmwasserverbrauch, der Nachheiz­bedarf für das Warmwasser resultiert nur aus dem Vorhalten der Warmwassertemperatur im Kombispeicher.

Bilder: IGTE

Das Solink-Wärmepumpen-Heizsystem besteht in der hier eingesetzten Konfiguration aus einem PVT-Kollektorfeld (40 m², Neigung 26°), einer 7-kw-Sole/Wasser-Wärmepumpe, einem 300-l-Eisspeicher und einem 1000-l-Kombispeicher (Bild 3).

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.

Bild: IGTE

Abweichend von der Standardmontage wurde der PVT-Kollektor bei der betreuten Anlage zusätzlich zur Dachneigung nochmals geringfügig aufgeständert; die dafür eingesetzten Aufständerungsprofile behindern die rückseitige Luftzirkulation (Bild 4) und reduzieren dadurch die thermische Leistungsfähigkeit des Kollektors. Für die Validierung der Systemsimulation wurden deshalb angepasste Kollektorkennwerte verwendet. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Messdaten erreicht (Bild 5).

Bild: IGTE

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 zeitlicher Verteilung über das Jahr eine akzeptable Übereinstimmung der System-Bewertungsgrößen SJAZ und SJAZ_PVT erreicht. Diese beiden Größen sind wie folgt definiert:

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

Bild: Consolar/IGTE

Jahresergebnisse

Die Messdaten eines kompletten Jahres wurden ausgewertet, Bild 6 zeigt die wich­tigsten Ergebnisse. In Bild 7 sind die Monatswerte der System-Arbeitszahlen SAZ und SAZ_PVT aufgetragen, zusammen mit den
mittleren Kollektortemperaturen, der mittleren Umgebungstemperatur und der monatlichen Einstrahlungssumme.

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 WW-Bereitschaftsteils des Speichers.

Bild: IGTE

Bei der WW-Nachheizung steht aber dem Stromverbrauch, da kein Warmwasser entnommen wird, kein Nutzen gegenüber. Der Stromverbrauch hierfür und für Peripherie (Umwälzpumpen, Regler, Ventile und Pumpen) fällt deshalb überproportional ins Gewicht. In den Sommermonaten gibt es weder Heiz- noch Warmwasserverbrauch – und damit auch keine sinnvollen Systemarbeitszahlen.

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).

Bild 7 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.

Bild: IGTE

Bild 8 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 zeigen ein hohes Potenzial für ein intelligentes Energiemanagementsystem:

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 mit Wärmepumpe und dem vorhandenen Kombispeicher realisieren. Simulationen lassen erwarten, dass die System-Jahresarbeitszahl mit PV-Berücksichtigung dadurch deutlich höher ausfallen wird, vgl. auch Bild 9.

Systemintegration der Wärmepumpen

Grundsätzlich können die Solink-Wärmepumpenkollektoren mit jeder herkömmlichen Sole/Wasser-Wärmepumpe gekoppelt werden. Neben wenigen, weiter unten beschriebenen hydraulischen und regelungstechnischen Maßnahmen ist allerdings Voraussetzung für einen effizienten Betrieb, dass die Wärmepumpe bei tieferen Wärmequellentemperaturen arbeiten kann, als sie bei Erdsonden üblich sind. Von milderen Gegenden (z. B. in Meeresnähe) abgesehen, sollte die Wärmepumpe in Deutschland eine minimale Sole-Eintrittstemperatur von ca. –15 °C ermöglichen. Mehrere Wärmepumpenanbieter bieten solche Wärmepumpen mittlerweile an.

Bild: IGTE

Besonders vorteilhaft sind Wärmepumpen mit Leistungsregelung. Das hat zwei Gründe: Eine einstufige Wärmepumpe, die für die maximale Heizlast ausgelegt ist, liefert bei höheren Umgebungstemperaturen bis zu einem Vielfachen der benötigten Heizleistung, sodass die Wärmepumpe nur kurze Zeit läuft, taktet und in dieser Zeit der Temperaturabfall am Kollektor, im Verdampfer und gegebenenfalls im Wärmeübertrager eines Warmwasserspeichers größer als bei angepasster Leistung ist.

Weiterhin ermöglicht ein modulierender ­Betrieb die Anpassung der elektrischen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe an den aktuellen PV-Stromertrag. Bild 9 zeigt anhand einer Simulationsstudie das Potenzial der Stromeinsparung (Netzbezug), das sich hier­aus ergibt. Bei der Simulation wurde die oben beschriebene verbesserte Effizienz in den Wärmeübergängen und damit der COP nicht berücksichtigt.

Bei PV-Überschussstrom erfolgt eine Lastverschiebung, 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 10 % gegenüber Lastverschiebung einer ungeregelten Wärmepumpe verringert. Um den gleichen Wert der SJAZ_PVT einer einstufigen Wärmepumpe zu erreichen, kann im Beispiel die Kollektorfläche um etwa ein Drittel reduziert werden.

Regler und Hydraulik

Um Solink-Kollektoren mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe betreiben zu können, sind folgende Vorkehrungen nötig:

Bild: Consolar

Bild 10 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 (siehe oben) 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, beispielsweise nur mit Warmwasserspeicher und ohne Heizungspufferspeicher, ausführbar. Darüber hinaus sind zahlreiche weitere Hydrauliken möglich.

Zur einfachen Realisierung der beiden Funktionen – Temperaturbegrenzung und Enteisung – wurde zusammen mit einem Hersteller von Armaturen und Pumpengruppen eine vorgefertigte Hydraulikgruppe in zwei Größen entwickelt.

Auch 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 einer alten Wärmepumpe 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, sodass mittelfristig der Ergänzungsregler entfallen könnte.

Felderfahrung und Ausblick

Bis Ende 2019 wurden durch Triple Solar, Consolar und deren Vertriebspartner über 200 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.

Das Solink-System hat sich sowohl im Rahmen der detaillierten wissenschaftlichen Prüfungen und Untersuchungen, der tiefgehenden Analyse einer Anlage im Feld über mehr als zwei Jahren 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.

Literatur

[1] Henning, Hans-Martin: Energiesystem Deutschland 2050 – Zur Rolle von Erdgas und „grünem“ Gas in der Energiewende. Berlin: Berliner Energietage 2018, 9. Mai 2018

[2] Leibfried, Ulrich; Wagner, Andreas; Abdul-Zahra, Amar: Hocheffiziente, auf intelligenter Verknüpfung von PVT- und Wärmepumpentechnik basierende Wärmeversorgung für Gebäudebestand und Neubau. Karlsruhe, Lörrach: 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] Lampe, Carsten; Kirchner, Maik; Littwin, Matthias; Giovannetti, ­Federico; Asenbeck, Sebastian; Fischer, Stephan: Experimentelle Untersuchungen an Testfeldern mit Solink-photo­voltaisch-thermischen Kollektoren.
Bad Staffelstein: Symposium Thermische ­Solarenergie 2019, 21. bis 23. Mai 2019

[5] Helbig, S.; Kirchner, M.; Giovanneti, F.; Lampe, C.; Littwin, M.; Kastner, O.: PVT-Kollektoren als bisolare Wärmepumpenquelle – Ein Simulationsvergleich zwischen Polysun und TRNSYS. Bad Staffelstein: Symposium Thermische Solarenergie 2018, 13. bis 15. Juni 2018

Dieser Artikel ist eine Überarbeitung des Artikels „Aus der Forschung in die Praxis“ von Ulrich Leibfried, Stephan Fischer und Sebastian Asenbeck, erschienen in der SBZ 03-2020.