PVT-Energie für Wärmepumpen

Für das Projekt "SOLINK" wurde ein PVT-Wärmepumpenkollektor entwickelt und ab Winter 2016/17 erprobt - die Ergebnisse sind vielversprechend.

Um die Dekarbonisierung der Energieversorgung für Heizung und Warmwasser zu erreichen, wird davon ausgegangen, dass neben einer deutlichen Reduzierung des Wärmebedarfs durch Gebäudesanierung sowie passiver und aktiver 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-Wärmepumpen, zum anderen sollte sichergestellt sein, dass der Stromverbrauch des Systems zumindest bilanziell durch lokale regenerative Produktion gedeckt ist.

Speziell hierfür entwickelte PVT-Wärmepumpenkollektoren 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-Wärmepumpe der Fall ist.

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

Im Rahmen des mit Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) bearbeiteten Projekts "SOLINK" wurde von Consolar in Zusammenarbeit mit dem niederländischen Partner Triple Solar sowie wissenschaftlicher Unterstützung des KIT, Karlsruhe, 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) der Universität Stuttgart als wissenschaftlichen 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 vergangenen Jahr eine automatisierte Serienproduktion aufgebaut.

Kollektorprüfung

Die Serientauglichkeit des Kollektors wurde in 2018 mit der erfolgreichen Leistungs- und Qualitätsprüfung sowie einem Werksaudit gemäß "Solar Keymark"-Zertifizierung nachgewiesen [3]. Die dabei 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 etwa 35 bis 50 W/(m² K) erreicht, wobei der Wert aufgrund des Windeinflusses im Winter höher ist, 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 wurden an den Instituten ISFH, Hameln, und IGTE im Winter 2018/19 jeweils ein Test-Kollektorfeld intensiv hinsichtlich unterschiedlicher Einflussfaktoren auf die Kollektorkennwerte untersucht: Meteorologie, Dimensionierung, Montageart, Feldaufbau und Vereisung und anderes [4].

Grundsätzlich zeigen die bisherigen Ergebnisse einen robusten Betrieb des Systems auf: Zum Beispiel 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 dieses 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 Simulationsmodell

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 "TRN-SYS" 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 noch einige Tage mit Schneefall und geschlossener Schneedecke auf.

Das Gebäude besitzt einen prognostizierten Gesamt-Wärmebedarf von 11.100 kWh/a für Raumheizung und Warmwasser und wird durch eine Flächenheizung mit einer max. Vorlauftemperatur von 35 °C beheizt. Es ist noch nicht bewohnt, wird aber regulär beheizt. Es besteht praktisch kein Warmwasserverbrauch, der Nachheizbedarf für das Warmwasser resultiert nur aus dem Vorhalten der Warmwassertemperatur im Kombispeicher.

Das "SOLINK"-Wärmepumpen-Heizsystem besteht in der hier eingesetzten Konfiguration aus einem PVT-Kollektorfeld (40 m², Neigung 26°), einer Sole/Wasser-Wärmepumpe (7 kW), einem Eisspeicher (300 l) und einem Kombispeicher (1.000 l).

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. Abweichend von der Standard-Montage wurde der PVT-Kollektor bei der betreuten Anlage zusätzlich zur Dachneigung nochmals geringfügig aufgeständert. Die dafür eingesetzten Aufständerungsprofile behindern die rückseitige Luftzirkulation und reduzieren dadurch die thermische Leistungsfähigkeit des Kollektors.

Aus diesem Grund wurden für die Validierung der Systemsimulation angepasste Kollektorkennwerte verwendet. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Messdaten erreicht.

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

Die System-Jahresarbeitszahl SJAZ, siehe Gleichung (1), stellt das Verhältnis der Nutzwärme (Warmwasser und Heizung) zum gesamten Stromverbrauch des Wärmeerzeugersystems, das heißt, inklusive Pumpen, Regler, Ventilen und ggf. Elektroheizstab, dar.

Bei der System-Jahresarbeitszahl mit Berücksichtigung des PV-Direktverbrauchs (SJAZ_PVT, s. Gleichung (2)) wird der Anteil des PV-Ertrags erfasst, der direkt (zeitgleich) zum Betrieb des Heizsystems verwendet werden kann. Dieser wird nicht als Stromverbrauch (vom Netz) gewertet.

(1) SJAZ = Nutzwärme/Stromverbrauch Heizsystem

(2) SJAZ_PVT = Nutzwärme/(Stromverbrauch Heizsystem – PV-Direktverbrauch)

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

Jahresergebnisse

Die Messdaten eines kompletten Jahres wurden ausgewertet, Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Ergebnisse.

In Abbildung 5 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 Warmwasser-Bereitschaftsteils des Speichers. Bei der Warmwasser-Nachheizung steht aber dem Stromverbrauch, da kein Warmwasser entnommen wird, kein Nutzen gegenüber. Der Stromverbrauch hierfür und für Peripherie (Umwälzpumpen, Regler, Ventile) fällt daher überproportional ins Gewicht. In den Sommermonaten gibt es weder Heiz- noch Warmwasserverbrauch – und damit auch keine sinnvollen System-Arbeitszahlen.

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).

Die Grafik 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.

Abbildung 6 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 zeigt ein hohes Potential für ein intelligentes Energiemanagement-System: 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 mithilfe von Wärmepumpe und dem vorhandenen Kombispeicher realisieren. Simulationen lassen erwarten, dass die System-Jahresarbeitszahl mit PV-Berücksichtigung dadurch deutlich höher ausfallen wird.

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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.