Innovativer Energieschub für Wärmepumpen

Elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen, insbesondere Luftwärmepumpen, sind im Gebäudebestand nur sehr eingeschränkt einsetzbar. Denn falls kein Niedertemperatur-Heizsystem vorhanden ist, können sie viel Primärenergie benötigen und hohe Stromkosten verursachen. Und die effizienteren Erdreichwärmepumpen sind, z. B. wegen der notwendigen Erdsondenbohrungen, vor allem im städtischen Umfeld im Gebäudebestand nur begrenzt einsetzbar und im Vergleich zu konkurrierenden Systemen oft auch wirtschaftlich nicht wettbewerbsfähig.

Als Voraussetzung, dass Wärmepumpen tatsächlich zu einer beträchtlichen Klimaentlastung führen, sollten folgende Punkte erfüllt werden:

• Einsatz von 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

Um eine auch für die Vermarktung zielgerichtete Entwicklung eines PVT-Kollektors für die Kombination mit Sole-Wasser-Wärmepumpen sicherzustellen, wurde ein Konsortium von Marktakteuren, bestehend aus Stadtwerken, Bauträgern, Planungs-, Vertriebs- und Installationsunternehmen im Bereich Solarwärme/PV/Heizung sowie Wärmpumpenherstellern, gegründet.

Die besonderen Eigenschaften des PVT-Kollektors

Das gemeinsam entwickelte Photovoltaik-Thermie(PVT)-Modul zur kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung weist einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten von der Umgebungsluft zum Wärmeträgermedium auf. Außerdem ist es vergleichsweise kostengünstig in Herstellung und Montage sowie sicher und langlebig im Betrieb. Die Entwickler hatten dabei folgende Optimierungsziele im Vergleich zu herkömmlichen PVT-Modulen im Fokus:

• die Vereisung bei kühlen Temperaturen um die 0 °C zu minimieren
• das PV-Modul auch ohne Wärmeträgerfluid mit Umgebungsluft zu kühlen und so den PV-Stromertrag zu erhöhen und thermische Spannungen zu minimieren
• die Kostendegressionen zu nutzen, indem Standard-PV-Module sowie verbreitete industrielle Fertigungsverfahren für Wärmeübertrager verwendet werden sollten

Im Wesentlichen besteht das Konzept des so entstandenen PVT-Moduls 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 ist so gestaltet, dass eine einfache hydraulische Verschaltung und Kollektorfeld-Planung möglich sind. Dies ist bei in den Modulen integrierten Sammlerrohren und der 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 (Bild 2).

Der Kollektoraufbau ohne Kollektorrahmen ermöglicht dabei, dass Luft weitgehend ungehindert den rückseitigen Wärmetauscher umströmen kann. Als Ausgangsmodul wird ein rahmenloses PV-Laminat verwendet.

Aus mehreren Gründen wurde als Standardbauform außerdem die Queranordnung gewählt:

besser geeignet für auf Schrägdächern aufgeständerte Felder

kürzerer Durchströmungsweg für Luft bei Paralleldachmontage

kostengünstigerer Wärmetauscher, weil weniger Rohrbiegungen und Lötstellen

Ebenfalls aus Kostengründen – sowohl hinsichtlich Produktion als auch Montage – entschieden sich die Entwickler als Standardformat für die XL-Größe von PV-Modulen, also 2 x 1 m. Der gesamte Kollektor wiegt inkl. PV-Modul etwa 32 kg, was noch gut zu montieren ist.

Die wichtigsten Ergebnisse aus der Erprobung in Testanlagen

Seit Januar 2017 befinden sich die Module in jeweils einer Testanlage in Lörrach und Amsterdam. Ziel der Tests ist eine qualitative Überprüfung der Funktion und Robustheit der Module während der Wintermonate sowie der Wärmeübertragung von Luft. Um verschärfte Testbedingungen zu realisieren, wurde die Kollektorfläche kleiner dimensioniert, als eine übliche Auslegung ergeben hätte: acht 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.

Hinsichtlich der Vereisung stellen die kritischen Bedingungen Außentemperaturen von etwas über 0 °C bei hoher Luftfeuchte in Verbindung mit Modultemperaturen unter 0 °C dar. Bild 3 zeigt die maximal beobachtete Vereisung bei Außentemperaturen von 4 bis 5 °C, einer Luftfeuchte von 89 % und einer Sole-Austrittstemperatur zwischen -3,5 °C und -2 °C. 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 Wärmetauscherseite (Rückseite der PV-Module) dagegen war die Vereisung stärker, aber auch bei 24-stündigem Betrieb nicht so groß, dass der Wärmetransport von der Luft massiv eingeschränkt worden wäre. Das auf Vorder- und Rückseite gebildete Eis löste sich schnell, sobald die Kollektortemperatur über 0 °C stieg. Das Eis an der Rückseite musste nicht komplett aufgeschmolzen werden. Es genügte ein Antauen der Kontaktfläche, dann fiel das Eis ab.

Während des Erprobungszeitraums gab es mehrfach Schneefall. Es wurde beobachtet, dass Schnee auf den gekühlten PVT-Modulen länger liegen blieb als auf ungekühlten PV-Modulen mit gleicher Neigung. Aus diesen ersten Ergebnissen konnte abgeleitet werden, dass eine kombinierte Enteisungs- und Schneeabrutschfunktion in entsprechenden klimatischen Regionen sinnvoll ist und entwickelt werden sollte.

Systemuntersuchungen und Gesamtkosten

Zur Vorbereitung der Simulationen definierten die Konsortiumpartner zunächst Referenzfälle und konzipierten die daraus resultierenden Systemvarianten mit den notwendigen Basiskomponenten. Für diese arbeiteten sie im nächsten Schritt die Hydraulik und die Regellogik aus. Dabei berücksichtigten sie 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 eines Vorläuferprojektes ausgearbeitet.

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 Solewärmepumpe) wurden über ein Kennlinienmodell abgebildet, das die Heizleistung als Funktion der Wärmequellentemperatur (mit dem Scharparameter Vorlauftemperatur) wiedergibt.

Im Fall der Erdreichwärmepumpe nahmen die Partner zwei Sonden à 100 m Tiefe an. Im Folgenden werden Vergleiche von Performance-Indikatoren und Gesamtkosten für verschiedene Gesamtsystemkonfigurationen vorgestellt. Hinweise: Der 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).

Bild 5 enthält die Gebäudeparameter für die Simulationen. 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.

Vergleich mit herkömmlichen Heizsystemen

Für den Vergleich von Systemvarianten wurden verschiedene Konfigurationen in TRNSYS modelliert und zunächst die Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems herangezogen. Für das Einfamilienhaus zeigen sich die in Bild 6 dargestellten Ergebnisse.

Die höchste Jahresarbeitszahl für das Gesamtsystem weist die Erdreichwärmepumpe mit PV-Modulen auf, da die Wärmepumpe aufgrund der gleichmäßig hohen Temperatur der Wärmequelle Erdreich schon selbst die höchste Jahresarbeitszahl erreicht. Die PV-Module decken weiterhin einen Teil des elektrischen Energiebedarfs zum Heizen ab. Direkt danach folgt die Sole-Wasser-Wärmepumpe mit PVT-Kollektoren, die ebenfalls von einer höheren Wärmequellentemperatur im Vergleich zur Luft-Wasser-Wärmepumpe profitiert.

Um die CO2-Emissionen zu vergleichen, wurden drei Systemvarianten für ein Einfamilienhaus miteinander verglichen, die eine gleiche Jahresarbeitszahl aufweisen. Damit sollte untersucht werden, ob das neue System sich aus ökonomischer Sicht gegenüber konkurrierenden Wärmepumpensystemen mit zusätzlichem PV-Generator behaupten kann.

Betrachtetet wurden die folgenden Varianten: Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Elektro-Direktheizung und 6,8-kWp-PV-Generator, Erdreichwärmepumpe mit Elektro-Direktheizung und 3,06-kWp-PV-Generator sowie Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Elektro-Direktheizung und 4,76-kWp-PVT-Kollektoren. Untersucht haben die Partner auch den Eigenstromverbrauch der verschiedenen Varianten. Anschließend ermittelten sie die CO2-Emissionen und konnten zeigen, dass diese für die drei Systemvarianten eng beieinanderliegen. Außerdem wurde noch ein Wirtschaftlichkeitsvergeich auf Basis der Annuitätenmethode nach VDI 2067 durchgeführt. Die Grundannahmen hierfür sind in Bild 7 dargestellt.

Entsprechend ergeben sich dann die Vollkosten der drei Systemvarianten wie in Bild 8 dargestellt. Auch für eine Luftwärmepumpe ohne PV-Anlage wurden die Vollkosten ermittelt. Diese betragen 3332 Euro (ohne MwSt.) und sind damit höher als die Werte für alle mit PV bzw. PVT gerechneten Systeme.

„Die Wahrheit liegt auf dem Platz“

Beschrieben wird die Entwicklung einer neuen Wärme- und Stromquelle für Solewärmepumpen mit einer Reihe von Vorteilen zum Stand der Technik.

Gegenüber der Luft-Wasser-Wärmepumpe mit PV-Anlage ist der Flächenbedarf für die PVT-Kollektoren (bei gleicher Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems) deutlich reduziert, was insbesondere bei Mehrfamilienhäusern mit begrenzten Dachflächen neue Einsatzbereiche erschließt.

Bei frei verfügbaren Flächen kann die Systemperformance mit weiteren PVT-Kollektoren verbessert werden. Die Fläche erhöht sowohl die Arbeitszahl der Wärmepumpe als auch die PV-Stromproduktion, was bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe mit PV-Anlage nicht der Fall ist.

Zudem entsteht keine Lärmbelastung wie bei herkömmlichen Luft-Wasser-Wärmepumpen. Auch geothermische Arbeiten, wie bei Erdreichwärmepumpen, entfallen.

Das hier aufgezeigte System stellt somit eine attraktive Alternative dar und lässt sich darüber hinaus einfach montieren. Es erhielt den Produktnamen „Solink“ und der Hersteller Consolar wurde 2017 mit dem 1. Platz des Umwelttechnikpreises des Landes Baden-Württemberg im Bereich Energieeffizienz ausgezeichnet. Die Entwicklung wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt finanziell unterstützt.

Daten zum PVT-Kollektor

Ausgewählte Daten zum Kollektor/Modul „Solink“ im Überblick:

• Kollektormaße (B x H x T) in mm: 994 x 1984 x 63
• Bruttoäche: 1,97 m2
• Aperturäche: 1,91 m2
• Gewicht: 32 kg
• Nennleistung*: 340 Wp
• Zellen-/Modulwirkungsgrad*: 19,4 % / 17,5 %
• Optischer Wirkungsgrad**: 25,3 %
• Wärmeübertragungskoefzient Luft-Wärmeüberträger b1**: 60 W/m2K
• Stillstandstemperatur: 70 °C
• Kollektorausrichtung: Optimal ist Südausrichtung bei 30° bis 60° Anstellung (in Gebieten mit Schnee sollten keine geringeren Winkel gewählt werden)

* Elektrische Daten wurden bei PV-Standardbedingungen gemessen. Verbesserungen durch Modulkühlung sind nicht berücksichtigt. Die Modulleistung wird kontinuierlich weiterentwickelt. Künftig können sich die Werte verbessern.

** TNO-Bericht 2017 R10903 2.

Nutzen für Fachhandwerker

• Auch im städtischen Bereich einsetzbare, hocheffiziente Wärmepumpen mit Wärme- und Stromquelle als Alternative zu Luft- oder Erdsonden-Wärmepumpen
• Keine Probleme mit Lärmbelastung im Freien und keine geothermischen Arbeiten erforderlich
• Steckmontagesystem für Wärme- und Stromanbindung ermöglicht schnelle und einfache Montage
• Auf eine Fixierung der hydraulischen Steckverbinder zwischen den Kollektoren kann verzichtet werden
• Panzerschläuche sind schnell ohne Werkzeug über steckbare Spangen montiert
• Für die Installation ist kein Kälteschein notwendig

Wärmepumpenkollektor „Solink“

Der PVT-Kollektor verbindet ein Photovoltaikmodul (PV) und Solarthermie (T) sowie einen Hochleistungs-Luftwärmetauscher zu einer Strom- und Wärme-energiequelle. Er lässt sich mit Solewärmepumpen verschiedener Hersteller koppeln.

Nutzen für PV-Betreiber

• Energiequelle für Strom und Wärme
• 7 bis 10 % Mehrertrag durch großen Luftwärmetauscher und daher auch hohe Effizienz bzw. sehr hohe Systemjahresarbeitszahl im Vergleich zu anderen Systemkombinationen von Luftwärmepumpen und PV
• Flexibler und sehr platzsparender Einsatz auf Dächern und Fassaden; Anwendung deshalb in vielen Bereichen möglich: vom EFH/MFH bis hin zu Gewerbegebäuden
• Nach Consolar-Recherche wird im Vergleich zu anderen Hybridkollektoren für den gleichen Wärmeertrag bei „Solink“ eine mind. 30 % geringere Installationsfläche benötigt
• Lautloser Betrieb, da „Solink“ ganz ohne Ventilatoren und ohne ein Außengerät auskommt

Kostenbeispiel für ein Einfamilienhaus

Die Kosten für das „Solink“-PVT-System liegen bei einem Einfamilienhaus mit 14 Kollektoren, Energiemanager mit Lastverschiebung, 1050 l Kombi-Pufferspeicher und 320 l Eisspeicher bei rund 34 000 Euro (inkl. MwSt.).

In Deutschland können zurzeit in der Regel zwischen 5000 und 7000 Euro an Bafa-Zuschuss abgezogen werden (Altbau/Neubau).

Für die Amortisationsberechnung ist die Einsparung durch die eigene Stromproduktion für die Wärmepumpe und den Haushaltsstrom relevant sowie die Einspeisevergütung in das öffentliche Netz bei Überproduktion.

Dr. Ulrich Leibfried ist geschäftsführender Gesellschafter der Consolar Solare Energiesysteme GmbH und pomovierter Maschinenbau-Ingenieur. Er verantwortet den Bereich Entwicklung im Unternehmen.

Andreas Siegemund ist Diplom-Maschinbauingenieur und bei Consolar verantwortlich für Marketing und Vertrieb. www.consolar.de