So sorgen PV-Thermie-Kollektoren für den Energieschub bei Wärmepumpen

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-kW_p-PV-Generator, Erdreichwärmepumpe mit Elektro-Direktheizung und 3,06-kW_p-PV-Generator sowie Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Elektro-Direktheizung und 4,76-kW_p-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.