Das Sonnen-plus für die Arbeitszahl

Wärmepumpen, die Umweltwärme wie Luft oder Erdreich nutzen, sind weit verbreitet. Viel seltener findet man aber Projekte, bei denen die Sonne der Wärmepumpe einen Teil der Arbeit abnimmt. Kommt dann sogar die Betriebsenergie aus regenerativen Quellen, kann man dem Bauherren ein voll regeneratives System übergeben.

Im bayerischen Burgsinn bei Gemünden am Main ist ein solches Konzept realisiert worden: Dort hat die Haustechnik Kern aus Eichenberg in einem neuen Einfamilienhaus mit 210 m² Wohnfläche ein Solar-Wärmepumpen-Energiesystem der Roth Werke GmbH installiert. Dieses ermöglicht einem Vier-Personen-Haushalt, gegenüber einer Gas-Brennwertheizung mit Solaranlage rund drei Viertel der jährlichen Energiekosten einzusparen, wie der Hersteller aus dem hessischen Dautphetal berichtet.

Zu diesem Ergebnis tragen sechs Solarkollektoren bei, die zur Brauchwassererwärmung, der Einspeisung in die Heizung oder der Versorgung der Wärmepumpe dienen. Wird die Wärme nicht gebraucht, kann sie ins Erdreich abgegeben werden, um sie zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen. Indem die Sonne die Quelltemperatur der Wärmepumpe erhöht, steigert sie merklich deren Effizienz. Bei Roth spricht man davon, dass so eine System-Jahresarbeitszahl von 5,3 zu erreichen sei – ­einem Drittel mehr als bei üblichen geothermisch versorgten Wärmepumpen.

Einige Komponenten der Anlage verdienen eine besondere Erwähnung:

So gibt es einen Solar-Kombi-Schichtenspeicher, mit 800, alternativ auch 1.000 l Inhalt, in dem sich in der oberen Hälfte ein Solarwärmeübertrager für Brauchwasser und im unteren Bereich einer für die Heizung befinden.

Neben einem Flächenheizsystem, einer KfW-40-Dämmung, einer kontrollierten Wohnraumlüftung (KWL) mit Wärmerückgewinnung (WRG) und einem Holzofen verfügt das Haus vor allem über eine Erdregisteranlage, die in acht Gräben in bis zu 2 m Tiefe im Garten angelegt wurde. Jedes dieser Erdregister ermöglicht, eine Leistung von rund 1.000 W bereitzuhalten.

Nach Fertigstellung ist Installateur Daniel Kern vom "Solargeo"-System der Firma Roth überzeugt: "Die Installation des Gesamtsystems dauerte rund zwei Wochen und funktionierte reibungslos. Aus dem Fach kommend, kann ich sagen, dass »Solargeo« eine geniale Innovation ist und mit Roth haben wir einen kompetenten Partner gefunden." Die Philips-Universität Marburg bestätigte Roth, dass sich die höheren Investitionskosten einer solchen Anlage unter Berücksichtigung der staatlichen Förderung für Wärmepumpen und Solar innerhalb von acht bis neun Jahren amortisieren können.

Solar-Wärmepumpe erst wenig verbreitet

Auf der Suche nach einer Heizung, die möglichst hohe Anteile an Umweltwärme nutzt, und dazu verlässlich, preiswert und umweltfreundlich Energie bereitstellt, stößt man immer wieder auf die Grenzen bisheriger Wärmepumpensysteme:

Luft-Wärmepumpen erzielen in vielen Fällen keine ausreichenden Jahresarbeitszahlen, mit Sonden gekoppelte sind oft teuer und dürfen aus Gründen des Grundwasserschutzes nicht überall realisiert werden. Und große solarthermische Anlagen liefern bisweilen im Sommer zu viel Wärme, während sie im Winter fehlt oder mittels großvolumiger und teurer Speicher zwischengelagert werden müsste.

Die Kombination von Solarthermie und Wärmepumpe könnte da der Königsweg sein, wobei als Wärmequelle nicht nur Luft und Erdreich, sondern auch Eisspeicher infrage kommen. Neben der Gewinnung von Wärme eröffnet dies auch Möglichkeiten einer Kühlung durch die Sonne.

Doch vor allzu großer Euphorie sei auch gewarnt: Solare Wärmepumpensysteme werden von nur wenigen Herstellern als Gesamtsystem angeboten, selbst wenn etliche die Komponenten dafür im Portfolio hätten. Zudem gibt es nur wenige Planer und Handwerker, die mit der Realisierung solcher Anlagen Erfahrung haben.

Die Aussage der Internationalen Energieagentur, die von 2010 bis 2013 in Task 44 die Kombination von Solar- und Wärmepumpensystemen untersucht hatte, war ernüchternd: So hieß es, echte integrierte Systeme seien noch relativ neu und in vielen Fällen seien es mehr Hinzufügungen als optimale Kombinationen.

Daran hat sich bis heute nicht viel geändert, wie eine Nachfrage beim BSW – Bundesverband Solarwirtschaft zeigt: "Zum kombinierten Einsatz von Solarthermie-Anlagen und Wärmepumpen liegen nur wenige belastbare Daten vor", heißt es dort. Im Jahr 2015 habe das BAFA nur 43 "Kombiboni Solar" für reine Brauchwassererwärmung im Zusammenhang mit der Errichtung neuer Wärmepumpenanlagen in Neubau und Bestand gewährt. Von solarer Heizung ist bis dato also nicht einmal die Rede.

Rekord-Arbeitszahl erzielt

Und dennoch tut sich viel draußen im Land: Im Frühjahr vermeldete das Sonnenhaus-Institut, im "Effizienzhaus Plus" Burghausen, im Landkreis Altötting in Oberbayern, habe man eine Rekord-Arbeitszahl von 10,7 für Solar-Wärmepumpensysteme erzielt. Das ist in der Tat ungewöhnlich und der besonderen Ausstattung des Hauses geschuldet: Das Einfamilienhaus in Ziegelbauweise ist besonders gut gedämmt, besitzt auf dem Süddach 51 m² thermische Solarkollektoren, Photovoltaikanlagen mit einer Leistung von 10,7 kWp, eine Wärmepumpe, sowie Strom- und Wärmespeicher.

Herzstück des Hauses aber ist ein GFK-Schichtenspeicher der Ebitsch Energietechnik mit stolzen 48.000 l Speicherkapazität mit zwei unterschiedlich großen Kammern und einer innenliegenden Wärmepumpe. Diese wird entweder aus den Kollektoren oder dem Speicher bedient. Die einzelnen Bereiche des Speichers können je nach Bedarf zugeschaltet werden. Das über zwei Jahre im Rahmen einer Forschungsarbeit begleitete Projekt zeigte, dass vom Strombedarf der Wärmepumpe rund ein Drittel aus der Photovoltaikanlage stammte.

Projekte wie diese zeigen, dass Solar-Wärmepumpe-Konzepte ernstzunehmende Alternativen sind. Der Straubinger Solararchitekt und Vorsitzende des Sonnenhaus-Instituts, Georg Dasch, der das Technikkonzept entwickelt hat, ist stolz: "Das Projekt hat gezeigt, dass mit dem Konzept in den zwei Messjahren eine solare Wärmeversorgung von 100 Prozent möglich war." Die Kombination von guter Baukonstruktion und effizienter Haustechnik sei somit die Lösung für sehr sparsame Häuser.

Zahlreiche Systemtypen

Das Burghausener Projekt schöpft sicherlich die technologischen Spielräume zu einem großen Umfang aus. Je nach örtlichen Gegebenheiten und den finanziellen Möglichkeiten der Bauherren bieten sich aber auch kleinere Systemlösungen an. Diese sind allgemein dadurch zu unterscheiden, an welcher Stelle des Systems die Solarthermie eingebunden wird bzw. ob diese eine aktive Regeneration des Erdreiches ermöglicht. Dabei kommen unterschiedlichste Kollektoren, Wärmespeicher und Wärmepumpen zum Einsatz und auch die Wärmequellen variieren über die gesamte Bandbreite der Möglichkeiten.

Beim womöglich einfachsten System einer Solar-Wärmepumpe, wofür es zahlreiche Anbieter gibt, speisen Solarkollektor und Wärmepumpe unabhängig voneinander und mit getrennten Regelungen in den Trinkwasserspeicher ein. Der Heizkreislauf wird dabei nur über die Wärmepumpe versorgt und diese arbeitet dadurch indirekt effizienter: Indem die Solaranlage den Speicher erwärmt, wird weniger Energie von der Wärmepumpe benötigt. Dadurch sinkt deren Stromverbrauch und die Arbeitszahl verbessert sich. Einziger Nachteil dieses Systems ist, dass die Sonnenwärme das Erdreich nicht regenerieren kann, aus dem sich die Wärmepumpe bedient.

Andere Systeme sind um einen großen Pufferspeicher auf der Quellen­seite der Wärmepumpe ergänzt. Die Solarkollektoren speisen dann sowohl in einen Trinkwasserspeicher als auch in den Pufferspeicher von beispielsweise 800 l Volumen ein. Letzterer versorgt primär die Wärmepumpe. Braucht diese mehr Energie als im Pufferspeicher enthalten ist, greift sie auf eine Sole-Wärmequelle zu. Durch den zusätzlichen Pufferspeicher erhöht sich die Vorlauftemperatur für den Verdampfer der Wärmepumpe. Das System kann aufgrund der größeren Anzahl an Komponenten, des größeren Platzbedarfs sowie einer aufwändigeren Regelung unter anderem Mehrkosten mit sich bringen.

System der maximalen Integration

Technologisch besonders ausgeklügelt ist das System der maximalen Integration. Sein Kernstück ist ein zentraler Schichtwärmespeicher, wie ihn die Solvis GmbH aus Braunschweig anbietet. Dieser wird unabhängig voneinander von Solarthermie und einer Wärmepumpe versorgt. Der Verflüssiger der Wärmepumpe befindet sich dabei direkt im Wärmespeicher und das Brauchwasser wird über einen externen Wärmeübertrager erwärmt.

Die Vorteile liegen auf der Hand: das System ist sehr kompakt, benötigt bis auf den Wärmespeicher relativ wenig Platz und erfordert nur ein einziges Steuerungselement. Bei Solvis kann die Wärmepumpe an mehrere Energiequellen, wie den Erdspeicher "e-Tank" (s. deematrix), angebunden werden. Der Schichtenlader ermöglicht dabei eine Einlagerung des Warmwassers stets im passenden Temperaturniveau des Schichtwärmespeichers. In einem Praxistest zur Effizienz verschiedener Wärmepumpen der Lokalen Agenda-Gruppe Lahr von 2006 bis 2013 erreichte die integrierte Wärmepumpe "SolvisMax" als einzige die höchste Jahresarbeitszahl von 5,8.

Erweitert man die Variante der separaten Einspeisung um die Einspeisung des Kollektors auf der Quellenseite der Wärmepumpe, erzielt man einerseits eine aktive Regeneration der Solewärmequelle. Andererseits kann mehr Sonnenwärme genutzt und somit die sommerliche Stagnation des Solarkollektors reduziert werden. Professor Frank Späte von der Ostbayerischen Technischen Hochschule (OTH) Amberg-Weiden berichtet aus Fachveranstaltungen: "Gerade in der Schweiz, wo Wärmepumpen häufig zum Einsatz kommen, ist die Regeneration des Erdreiches ein großes Thema. Viele Systeme erwärmen den Erdspeicher nicht höher als das Temperaturniveau des umgebenden Erdreiches". Dies reiche oft aus, um die Wärmepumpe auch in der Heizperiode wirtschaftlich zu betreiben und Jahresarbeitszahlen von 5 und höher zu erzielen.

Aktive Regeneration

Sowohl auf große Pufferspeicher als auch auf aktive Regeneration der Wärmequelle setzt Soltex – Solar-Wärmepumpen-Kopplungen aus Ahrensburg in Schleswig Holstein. Die Besonderheit ihrer Anlagen ist, dass die Solarkollektoren mittels eines selbst entwickelten Hydraulikverteilers mit Erdkollektor, Primärspeicher mit Wärmepumpe sowie Sekundärspeicher verbunden sind. Letzterer dient dazu, Überschusswärme aufzunehmen, um davon die Wärmepumpe zu versorgen.

Geschäftsführer Dr.-Ing. Henning Schmidt betont, dass man mit einem Minimum an Technik auskomme:

"Bei der Planung ist darauf zu achten, dass die Wärmepumpe die von den Kollektoren gelieferte Wärme auch abnehmen kann. Ein guter Kompromiss ist ein Verhältnis von 2 m² Kollektorfläche pro Kilowatt Nennheizleistung der Wärmepumpe". Der Erdkollektor könne so etwas kleiner ausgelegt werden. Außerdem wähle man einen steileren Anstellwinkel für die Kollektoren, um die Wintersonne besser auszunutzen. Der Erdkollektor sei so zu dimensionieren, dass sowohl die kurzfristig abverlangte Spitzenleistung als auch die erforderliche Wärmemenge für eine Heizsaison bereitsteht. Die Anbindung des Erdkollektors an die Solarthermie ermögliche eine wirkungsvolle Regeneration. "Trotz Solarthermiekopplung ist es wichtig, die Wärmepumpe auf der Wärmeseite mit möglichst niedriger Temperatur zu betreiben", so Schmidt.

Weitere Solar-Wärmepumpen-Systeme

Eine besonders günstige Variante eines Systems mit Solar-Wärmepumpen bieten unverglaste Absorber, wenn sie auf der Quellenseite der Wärmepumpe in­stalliert sind und sie somit deren Vorlauftemperatur erhöhen und zugleich das Erdreich regenerieren. Hierdurch können die Erdsonden kleiner dimensioniert werden.

Beim Einsatz einer von einem Solarkollektor unterstützten Luft-Wärmepumpe versorgen die Kollektoren auch auf direktem Wege den Trinkwasserspeicher. Die Luft-Wärmepumpe ist dann mit dem Heizkreis und wiederum dem Trinkwasserspeicher verbunden. Bei der Luft-Wärmepumpe entfallen Erdsonden oder Erdkollektoren, weshalb sie deutlich preiswerter ist. Allerdings hat man eine geringere Arbeitszahl gegenüber anderen Wärmepumpen.

Auch der Einsatz von Saisonspeichern kann durchaus sinnvoll sein, wie zum Beispiel der schon genannte "e-Tank" der deematrix Energiesysteme GmbH aus Fürstenwalde, der auch über Solvis vertrieben wird: Dabei handelt es sich um einen Erdspeicher, der bei Neubauten unter der Bodenplatte, bei Sanierungen in der Regel neben dem Gebäude installiert wird. Der Speicher ist seitlich und nach oben wärmegedämmt, nach unten ist er offen und wird mittels schlangenförmig verlegter Kunststoffrohre mit Überschusswärme, etwa der Solaranlage, erwärmt. Zu Heizzwecken kann dann darauf zugegriffen werden.

Eisspeicher als Wärmequelle

Ein relativ neues und platzsparendes System ist auch der Eisspeicher, wie ihn unter anderem Viessmann anbietet: Die Wärmepumpe bedient sich dabei einer mit Wasser gefüllten Zisterne, der sie latente Energie entziehen kann, sobald das Wasser gefriert. Zur Regeneration kann ein Kollektor dienen, der neben der Strahlung auch die Umweltwärme nutzt. Der Eisspeicher liefert die Energie dann an eine Sole/Wasser-Wärmepumpe, welche den Heizkreis speist und den Trinkwasserspeicher beliefert. Aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus des Eisspeichers gibt es in diesem System nur wenige Speicherverluste. Inzwischen gibt es etliche Konzepte, die einen Eisspeicher als Wärmequelle für die Wärmepumpe nutzen. Einige von ihnen bieten sogar die Möglichkeit einer passiven Gebäudekühlung.

Beim "Solaera"-System von Consolar wird neben der Strahlungsenergie, die an klaren Wintertagen hohe Beiträge liefert, auch die Energie der Außenluft in einem so­genannten "Luft-Hybridkollektor" genutzt. Über diese Kollektoren wird gleichzeitig auch der Eisspeicher regeneriert.

Consolar beabsichtigt, dies alternativ mit einem PVT-Modul zu kombinieren, um zusätzlich noch Strom für die Wärmepumpe zu erzeugen. "Wir planen derzeit ein Konsortium, das ­dieses »SOLINK«-Konzept in den Bestandswohnungsbau bringen soll", berichtet Gesellschafter Dr.-Ing. Ulrich Leibfried.

Ein Eisspeichersystem, das schwerpunktmäßig auf einen Nass-Kiesspeicher setzt, führt die AQUASOL Solartechnik GmbH aus Neu-Ulm/Burlafingen. Das unter der Bezeichnung "Sonnenpumpe" angebotene System aus Wärmepumpe, Kollektorfeld, Pufferspeicher und Latentspeicher ist nach Herstellerangaben wesentlich günstiger als etwa eine Zisternenlösung.

"Wir vermarkten seit über zehn Jahren unser System »Sonnenpumpe«, das mit Langzeitspeichern, Zisternen oder Nass-Kiesspeichern arbeitet", berichtet Manfred Gelowicz, Geschäftsführer von AQUASOL. Durch einen speziellen Kollektor ließen sich zudem statt maximal 400 sogar 600 kWh pro Quadratmeter als Solarertrag im Jahr gewinnen.

Passive Gebäudekühlung möglich

Auch die Haase GFK-Technik GmbH aus dem sächsischen Großröhrsdorf hat zusammen mit der MEFA Befestigungs- und Montagesysteme GmbH aus Kupferzell in der Hohenlohe ein Eisspeichersystem entwickelt. Dieses kann die Wärme in bis zu 98 m³ großen GFK-verstärkten Kunststofftanks speichern. Der dazugehörende Solarabsorber "MEFA sun" ist als PVT-Hybridmodul mit Photovoltaik kombinierbar und versorgt eine Wärmepumpe mit sehr hohen Quellentemperaturen und dient der Regeneration des Eisspeichers. "Einer der Vorteile ist, dass auch eine passive Gebäudekühlung durch den Eisspeicher besteht", so Thomas Wobst, Vertriebsleiter bei Haase. Beim Neubau einer Lagerhalle in Nürnberg wurden von den beiden Unternehmen Solarabsorber unter einer PV-Anlage mit 30 m² Aperturfläche, ein 15 m3 großer Eisspeicher und eine Dimplex-Wärmepumpe mit 10 kW Leistung kombiniert.

Solar-Wärmepumpe in der Diskussion

Obwohl sich die Solar-Wärmepumpe an sich als intelligente Lösung präsentiert, gibt es freilich auch Kritik am Konzept. Vor allzu großer Euphorie warnt beispielsweise Dr.-Ing. Marek Miara, der Leiter der Gruppe Wärmepumpen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Er forschte von 2010 bis 2013 an kombinierten Solar-Wärmepumpen für die Internationale Energieagentur IEA.

Miara ist der Auffassung: "Spezielle Systeme haben sicherlich ihre Berechtigung in diesem Feld. Bei zusammengestellten Komponenten bin ich mir nicht so sicher". Auch wenn beide Technologien jeweils für sich optimal funktionierten, müsse dies nicht automatisch in der Kombination gelten. "Es macht vielleicht energetisch Sinn, wirtschaftlich muss dies nicht immer der Fall sein."

Wichtige Einflussfaktoren auf den Gesamtwirkungsgrad seien die Regelung und die Dimensionierung – aber auch der Hausstandard müsse stimmen. Der Forscher weiter: "Bei gut gedämmten Häusern reicht meiner Ansicht aber oft die Wärmepumpe als alleiniges Heizsystem." Bei der Belegung der Dachfläche solle man sich überlegen, ob nicht eher eine photovoltaische Anlage mehr Sinn macht.

Professor Späte von der OTH Amberg-Weiden betont: "Nicht jede Kombination Solarthermie-Wärmepumpe macht Sinn. Das trifft insbesondere auf Luft-Wärmepumpen zu: Im Sommer, wenn die Wärmepumpe einen hohen COP hat, wird die Wärme durch die Solaranlage erzeugt. Das heißt, die Wärmepumpe arbeitet hauptsächlich im Winter und da haben Luft-Wärmepumpen einen niedrigen COP, so dass insgesamt die Jahres­arbeitszahl relativ gering ist."

Auch längst nicht alle Handwerker sind von den neuen Kombinationsmöglichkeiten überzeugt: So warnt Peter Voß, Geschäftsführer der Voß Wärmepumpen GmbH aus Furth im Wald, davor, Heizungssysteme immer komplizierter zu machen: "Solarthermie plus Wärmepumpe rechnet sich nicht, ich biete deshalb nur reine Luft-Wärmepumpen an!"

Auch der immer öfter eingesetzte Eisspeicher müsse nicht zu jeder Zeit funktionieren, gibt Jürgen Lang, Geschäftsführer der Bartl Wärmepumpen Vertriebs GmbH aus Stuttgart-Weilimdorf, zu bedenken: "Wenn er erst einmal durchgefroren ist, sinkt die Effizienz der Wärmepumpe auf ein Niveau noch unter dem Wert von Luft-Wärmepumpen."

Selbstverständlich bietet die Solar-Wärmepumpe nicht die Blaupause für die Wärmeversorgung des gesamten Gebäudebestandes. Jens Haffner, Leiter Forschung und Entwicklung bei den Roth Werken, weist darauf hin, dass eine Heizungsunterstützung mit Hilfe der Solarthermie-Anlage vor allem in Kombination mit einer Flächenheizung als Wärmeverteilsystem zu empfehlen ist: "Da diese auf einem niedrigen Temperaturniveau arbeitet, wird der solare Nutzen gesteigert". Bei Planung, Installation und Betrieb sei darauf zu achten, dass alle Systemkomponenten aufeinander abgestimmt sind: "Die Anzahl der Kollektoren und die Größe des Speichers muss im Einklang mit dem Nutzerverhalten stehen. Eine Simulation der Solaranlage ist im Vorfeld immer empfehlenswert", so Haffner.

Ausblick

Trotz mancher Kritik geht vom Thema Solar-Wärmepumpe weiterhin eine Faszination aus: Ermöglicht doch die Kombination von Solarthermie und Wärmepumpe, den Strom- oder Gasverbrauch der Wärmepumpe merklich zu reduzieren. Auch die Umwelt profitiert davon: Das Monitoring eines "Solaera"-Systems durch das Fraunhofer ISE konnte die überdurchschnittlich hohe Effizienz der Anlage mit CO₂-Einsparungen von 68 bis 75 Prozent gegenüber fossil befeuerten Heizungen nachweisen. Künftig ist die Branche noch mehr gefragt, ähnlich effiziente Systeme anzubieten, diese weiter zu entwickeln und ihre Vorzüge anhand Studien auch mit belastbaren Zahlen zu belegen und sie wirtschaftlich attraktiv zu machen.

Literatur

Bernhard Weyres-Borchert und Bernd-Rainer Kasper (2015): Solare Wärme – Technik, Planung, Hausanlage. BINE-Fachbuch. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart.