Zeitschrift EE

Zurück zu den Beiträgen

Potenzial der Kombination von Solarthermie- und Wärmepumpenanlagen

Heizungs- und Warmwasserbereitungssysteme basierend auf Kombinationen aus Solarthermie und Wärmepumpen werden aktuell am Markt mehr und mehr nachgefragt und inzwischen auch von einigen Firmen angeboten. Die Integration der Wärmepumpe in ein Solarkombisystem ist aber um einiges komplexer als bei anderen Zusatzheizenergiequellen, da auch der Verdampfer der Wärmepumpe mit dem gesamten System verknüpft sein kann. Neben den typischen Quellen Umgebungsluft oder Erdreich kann auch der Solarkollektor oder auch der Pufferspeicher als Energiequelle des Verdampfers der Wärmepumpe in unterschiedlichsten Schaltungen genutzt werden.

Im gegenständlichen Projekt arbeitete das Projektkonsortium an der effizienten Kombination von Solarthermie und Wärmepumpen für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern. Ziel des Projektes war es, den Stand der Technik von solaren Kombianlagen in Kombination mit Wärmepumpen zu dokumentieren bzw. durch eine Feldtestreihe zu analysieren. Basierend auf den Messergebnissen wurden Modelle von Systemkombinationen für dynamische Anlagensimulationen generiert und in weiterer Folge wurden vielversprechende Systemkombinationen ausgearbeitet. Die Ergebnisse der Feldmessungen und der simulierten Systeme dienten als Basis für eine primärenergetische und wirtschaftliche Bewertung der verschiedenen Systemkonzepte.

Durchführung einer Feldtestreihe

Für die Feldtestreihe wurden 7 An­lagen (Systeme A-G) selektiert, die im realen Betrieb in Ein- bzw. Zweifamilienhäusern im Einsatz sind (Tabelle 1). Die Feldtestanlagen unterscheiden sich in der Art der Wärme­quelle - Luft bzw. Erdreich - und in der Art der Integration der Solarenergie - parallel oder integriert (zu verschiedenen möglichen Systemen siehe Beitrag [1] in diesem Heft). Alle Anlagen wurden mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet und einem Monitoring unterzogen. Neben der Messung sämtlicher thermischer Energieflüsse und der zugehörigen Temperaturen, wurden auch die Strom­verbräuche aller wesentlichen Einzel­verbraucher sowie Klimadaten und Raumtemperaturen erfasst.

Tabelle 1: Systeme der Feldtestreihe mit den jeweiligen Kennzahlen

Bewertung der Feldtestanlagen

Für die Bewertung des Betriebsverhaltens und der Leistungsfähigkeit der Systeme wurden eine Reihe von Kennzahlen definiert sowie qualitative Bewertungen anhand von Diagrammen durchgeführt. Zur quantitativen Bewertung der Anlageneffizienz wurden folgende sechs Systemkennzahlen definiert:

Tabelle 2 enthält die Kennzahlen der Systeme A bis F für die Jahresperioden 2011 und 2012; für System G steht keine gesamte Jahresperiode an Messdaten zur Verfügung. Die Ergebnisse zeigen, dass spezifische Kollektorerträge von durchwegs über 400 kWh/m²a bei solaren Deckungsgraden von bis zu 50% erzielt werden konnten. Der positive Einfluss der thermischen Solaranlage auf das Gesamtsystem zeigt sich darin, dass die Arbeitszahlen des Solar-Wärmepumpen-Systems deutlich über den Arbeitszahlen der Wärmepumpe liegen (in einer Bandbreite von 13 bis 65 %), wobei noch Verbesserungspotential nach oben vorhanden ist.

Tabelle 2: Kennzahlen für Systeme A bis F, 2011 und 2012

Zur qualitativen Bewertung des jeweiligen Anlagenverhaltens wurden Energie-Temperatur-Diagramme erstellt, in welchen die übertragene Energie eines Hydraulikkreises nach Temperaturklassen in 1-Grad-Schritten sortiert dargestellt ist. Die Fläche unter jeder Linie entspricht also der gesamten übertragenen Energie über den Betrachtungszeitraum. Somit lässt sich auf einen Blick ersehen, bei welchen Temperaturniveaus die Energie von der Wärmepumpe bzw. der Solaranlage erzeugt wurde bzw. bei welchem Temperaturniveau die Energie für Heizung bzw. als Warmwasser verbraucht wurde. Berichte über das qualitative und quantitative Betriebsverhalten der Systeme wurden bereits in [2,3] veröffentlicht.

Abbildung 1: Auswirkung der Optimierung an System A mittels Temperatur-Energie-Diagrammen

Optimierungspotentiale

Aus der Analyse der Messdaten konnten zahlreiche Verbesserungspotentiale erkannt und teilweise umgesetzt werden. Die vier am häufigsten vorkommenden kritischen Punkte waren:

  • Die Wärmepumpe reagierte sensibel auf kleinste Planungs- und Installationsfehler (Fühlerpositionen, Speicheranschlüsse, Schichtung, etc.) und die hydraulische und regelungstechnische Integration der Speicher in das System (WW-Modus, Solltemperaturen, Laufzeiten, etc.) zeigte enorme Auswirkungen auf die Effizienz des Gesamtsystems.
  • Die Speicher zeigten sich hier als zentrale Komponente, was auch Untersuchungen von Haller et al. belegen [5]. Angepasste Einströmgeschwindigkeiten und klar definierte Temperaturzonen sind essentiell wichtig.
  • Die Effizienz von Wärmepumpen hängt grundsätzlich sehr stark vom Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ab. Deshalb sollte es das Ziel sein, mit der Wärmepumpe so wenig wie möglich „Übertemperatur“ zu erzeugen, die dann durch Mischventile oder Mischungsvorgänge im Speicher wieder heruntergemischt werden muss. Dadurch entstehen Exergieverluste.
  • Abgestimmte Systeme mit hohem Standardisierungs- und Vorfertigungsgrad zeigen Vorteile hinsichtlich ihrer Systemeffizienz (Wärmeverluste, Hydraulik, Regelung). Ebenso wichtig sind der Einsatz von energieeffizienten elektrischen Antrieben und deren sorgfältige an das System angepasste Auslegung.

Beispielhaft werden für System A die Auswirkungen der durchgeführten Optimierungsmaßnahmen anhand zweier Energie-Temperatur-Diagramme dargestellt. Es handelt sich hierbei um ein serielles System, in dem Solaranlage und Luft/Wasser-Wärmepumpe Energie in einen Speicher liefern, wobei die Solaranlage zusätzlich den Verdampfer der Wärmepumpe mittels Luftvorwärmung unterstützt. In Abbildung 1 sind die Energien des Solar-, des Wärmepumpen- und des Fußbodenheizungskreises nach der Höhe der jeweiligen Vorlauftemperaturen dargestellt. Durch Anpassung der Regelung der Pumpe zwischen Solaranlage und Verdampfer der Wärmepumpe produzierte der Kollektor bereits auf niedrigem Temperaturniveau Energie (grüne Pfeile in Abbildung 1). Durch eine zweite Optimierung wurde eine ordnungsgemäße Beladung des Speichers durch die Wärmepumpe erreicht. Heizungsenergie für die Fußbodenheizung (blauer Pfeil in Abbildung 1) wurde zuerst im ineffizienten Warmwassermodus erzeugt (roter Pfeil im linken Diagramm von Abbildung 1), dadurch wurden überhöhte Systemverluste produziert und durch die Art der Beladung die Speicherschichtung zerstört.

Darüber hinaus war die Umwälzpumpe zwischen Wärmepumpe und Speicher permanent in Betrieb, auch wenn die Wärmepumpe nicht aktiv war. Durch die Beseitigung der Fehler in der Regelung wurde erreicht, dass die von der Wärmepumpe bereitgestellte Energie in entsprechender Menge und auf entsprechendem Temperaturniveau der Fußbodenheizung erzeugt wurde (Abbildung 1, roter Pfeil im rechten Diagramm).

Dynamische Anlagensimulationen

Basierend auf den Messdaten der Feldtestreihe wurden vom Institut für Wärmetechnik Simulationsmodelle für vielversprechende Konzepte entwickelt und validiert sowie darauf aufbauend verschiedene Wärmebereitstellungssysteme hinsichtlich ihrer energetischen Effizienz durch dynamische Anlagensimulationen mit der Software TRNSYS verglichen. Neben reinen parallelen Systemen wurden auch integrierte Systeme betrachtet. Als Solar-Kollektoren wurden einerseits selektiv beschichtete, abgedeckte Flachkollektoren, andererseits aber auch unabgedeckte, ebenfalls selektiv beschichtete Kollektoren angenommen.

Für die Simulationen wurden die Randbedingungen der Arbeiten von Haller et al. [4] verwendet. Dabei erfolgt die Wärmeversorgung für Heizung und Warmwasser eines Einfamilienhauses (SFH) jeweils in drei Varianten bezüglich des spezifischen Heizwärmebedarfs (15, 45 und 100 kWh/m²a). Bei SFH15 und SFH45 wird für das Heizungssystem eine Fußbodenheizung und für SFH100 eine Radiatorheizung verwendet. Die Simulationen wurden für das Klima Graz durchgeführt.

Beschreibung der untersuchten Systeme

In diesem Artikel werden die Ergebnisse für solare Kombisysteme mit Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus mit einem Heizwärmebedarfs von 45 kWh/m²a (SFH45) vorgestellt.

Simulationsparameter für SFH45  
Wärmebedarf für Warmwasserbereitung 2076 kWh/a
Heizwärmebedarf 6405 kWh/a
Gebäudeheizlast 4,86 kW
Leistung WP,E-Patrone 5,36 kW

 

System 1: Luft/Wasser-Wärmepumpen-System

Hier wird für die Wärmebereitstellung eine Luft/Wasser-Wärmepumpe (L/W-WP) verwendet, die so ausgelegt wurde, dass die berechnete Gebäudeheizlast (siehe Tabelle 2) bei einer Außenlufttemperatur von 2 °C und einer heizwasserseitigen Austrittstemperatur von 35 °C abgedeckt werden kann. Da mit sinkender Verdampfungstemperatur die Leistung der Wärmepumpe sinkt, ist zusätzlich eine elektrische Heizpatrone installiert, damit der Rest-Wärmebedarf (ca. 4 %) abgedeckt werden kann (bivalentes System). Die gleichen Auslegungsparameter wurden auch für alle anderen betrachteten L/W-WP-Systeme verwendet.

System 2: Paralleles Solar-L/W-WP-Kombisystem

Hier wird die L/W-WP durch eine Solaranlage unterstützt, wobei der Pufferspeicher durch die Solaranlage und die Wärmepumpe „parallel“ beladen wird. Zusätzlich ist eine elektrische Heizpatrone zur Abdeckung der Restwärme im Speicher installiert. Bei der Solaranlage werden selektiv beschichtete, abgedeckte Flachkollektoren verwendet.

System 3: Unabgedeckte Kollektoren als Wärmequelle für die Wärmepumpe

Hier wird die thermische Solaranlage zusätzlich zur direkten Pufferbeladung auch als Wärmequelle für die Wärmepumpe verwendet. Das Kollektorfeld besteht aus selektiv beschichteten, unabgedeckten Kollektoren. Diese können in Verbindung mit einer Wärmepumpe wie ein Außenluftwärmetauscher arbeiten, also der Außenluft Wärme entziehen, wenn keine oder nur wenig Solarstrahlung zur Verfügung steht. Die Kollektoren sind über einen Sole-Kreislauf mit dem Verdampfer der Wärmepumpe (Plattenwärmetauscher) verbunden. Wird an der Absorber-Oberfläche die Taupunkt-Temperatur der umgebenden Außenluft unterschritten, wird nicht nur sensible sondern auch latente Wärme von der Luft an das Wärmeträgermedium übertragen. Regelungstechnisch hat hinsichtlich der Verwendung der Solaranlage die Wärmepumpe gegenüber der direkten Pufferbeladung Vorrang, da die Kollektoren die einzige Wärmequelle für die Wärmepumpe darstellen. Das Hydraulikschema entspricht – abgesehen vom zusätzlichen Eisspeicher – jenem von System 4, das in Abbildung 2 dargestellt ist. Die Sole-Wärmepumpe wurde so ausgelegt, dass die berechnete Gebäudeheizlast (siehe Tabelle 2) bei einer Soleeintrittstemperatur von 0 °C und einer heizwasserseitigen Austrittstemperatur von 35 °C abgedeckt werden kann.

System 4: Unabgedeckte Kollektoren und Eisspeicher als Wärmequelle für die Wärmepumpe

Dieses System unterscheidet sich von System 3 dadurch, dass zusätzlich ein Eisspeicher als Wärmequelle für die Wärmepumpe vorhanden ist (Abbildung 2). Auch hier werden unabgedeckte, selektiv beschichtete Kollektoren verwendet. Eine direkte Beladung des Pufferspeichers durch die Solaranlage bei gleichzeitigem Betrieb der Wärmepumpe über den Eisspeicher ist möglich, im Gegensatz zu System 3, bei dem nur der Kollektor als Wärmequelle für die Wärmepumpe vorhanden ist.

Abbildung 2: Hydraulikschema System 4

System 5 Serielles Solar-L/W-WP-Kombisystem mit Vorwärmung der Außenluft

Der Aufbau dieses Systems entspricht im Wesentlichen jenem von System 2. Zusätzlich ist aber die Nutzung von Solarwärme zur Vorwärmung der dem Verdampfer zugeführten Außenluft möglich. Die Vorwärmung erfolgt über einen Wärmetauscher, der dem eigentlichen Verdampfer luftseitig vorgeschalten und an den Solekreis der Solaranlage angeschlossen ist. Damit soll bei niedriger Einstrahlung eine Vorwärmung der Außenluft und somit eine Effizienzsteigerung durch eine Erhöhung der Verdampfungstemperatur ermöglicht werden.

Abbildung 3: Hydraulikschema System 5

Simulationsergebnisse

In Tabelle 3 sind die wichtigsten Anlagenparameter und Simulationsergebnisse der beschriebenen Systeme zusammengefasst. Beim Vergleich der Systeme 1 und 2 zeigt sich, dass durch die Einbindung einer 14 m² großen thermischen Solaranlage die Arbeitszahl des Gesamtsystems (SPFSystem) für ein Einfamilienhaus mit einem Heizwärmebedarf von 45 kW/m²a (SFH45) von 2,55 auf 3,65 erhöht und der Gesamtstromverbrauch der Anlage um ca. 30 % gesenkt wird.

Die Simulationsergebnisse für das System 5 zeigen im Vergleich mit System 2, dass unter den verwendeten Randbedingungen durch die Luftvorwärmung eine Verringerung des elektrischen Energiebedarfs Wel,tot von 1-2 % erreicht werden kann. Die Verbesserung ergibt sich in erster Linie durch eine durch die Luftvorwärmung etwas höhere Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe (SPFWP). Insgesamt lässt sich festhalten, dass das Effizienzsteigerungs-Potential dieses Systems unter den angenommenen Randbedingungen klein ist.

In Abbildung 4 wurden für System 3 und 4 die Kollektorfläche und das Eisspeichervolumen variiert. Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass System 3 bei einer Verdoppelung der Kollektorfläche auf 30 m² (unabgedeckte Kollektoren) die Systemeffizienz von System 2 mit 14 m² abgedeckten Kollektoren (Parallel-Betrieb) annähernd erreicht. Die Einbindung eines zusätzlichen Eisspeichers bewirkt eine geringfügige Erhöhung der Systemeffizienz, unter den angenommen Randbedingungen steht der zusätzliche Mehraufwand jedoch nicht im Verhältnis zur erzielten Effizienzsteigerung.

Abbildung 4: SPFSystem abhängig von Kollektorfläche und Eisspeicher-Volumen für System 3 & 4 im Vergleich zu System 1 & 2

Tabelle 3: Simulationsergebnisse Gebäude SFH45

Zusammenfassung

Die Projektergebnisse konnten die grundsätzliche Sinnhaftigkeit und das zukünftige Potenzial der Kombination Solarthermie und Wärmepumpe hinsichtlich Energieverbrauch, Kosten oder CO2-Einsparung zeigen.

Die Analyse der Feldtestanlagen ergab, dass die thermischen Solaranlagen die Arbeitszahl des Hybridsystems (SPFSWP) erheblich verbessern und gute Betriebsbedingungen für das solarthermische System zu hohen spezifischen Solarerträgen führten. Die Effizienz von Wärmepumpen hängt grundsätzlich sehr stark vom Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ab. Deshalb sollte es das Ziel sein, mit der Wärmepumpe so wenig wie möglich „Übertemperatur“ zu erzeugen, die dann durch Mischventile oder Mischungsvorgänge im Speicher wieder heruntergemischt werden muss. Die sensible Reaktion der Wärmepumpen auf kleinste Planungs- und Installationsfehler sowie die hydraulische und regelungstechnische Integration der Speicher in das System zeigte enorme Auswirkungen auf die Effizienz des Gesamtsystems. Abgestimmte Systeme mit hohem Standardisierungs- und Vorfertigungsgrad zeigten Vorteile hinsichtlich der Systemeffizienz in Bezug auf Wärmeverluste, Hydraulik oder Regelung.

Die im Projekt durchgeführten Simulationen zeigten, dass bei einem Luft-Wärmepumpensystem durch die parallele Einbindung einer Solaranlage die Systemeffizienz erhöht bzw. der Stromverbrauch deutlich reduziert werden kann. Bei integrierten Solar-Wärmepumpen-Systemen lässt sich bei den in der Simulation betrachteten Konfigurationen durch die Anhebung des Verdampfungs-Temperaturniveaus gegenüber einem rein parallelen Betrieb die Systemeffizienz nur unwesentlich erhöhen. Um die gleiche Systemeffizienz zu erzielen müsste bei Verwendung von unabgedeckten, selektiv beschichteten Kollektoren als Wärmequelle für die Wärmepumpe die Kollektorfläche ca. doppelt so groß ausgeführt werden wie in einem parallelen System mit Luft/Wasser-Wärmepumpe und abgedeckten Kollektoren.

Eine detaillierte Analyse der simulierten Systeme hinsichtlich Primärenergieverbrauch und CO2-Ausstoß ergab, dass die Systeme mit Solarthermie – egal ob parallel oder seriell – je nach Gebäudetyp und Heizwärmeverbrauch um 20 bis 50% besser abschneiden als Systeme ohne Solarthermie. Hinsichtlich Wärmegestehungskosten (kapital-, verbrauchs- und betriebsgebunden) konnte die Studie zeigen, dass die kombinierten Solar- & Wärmepumpenanlagen mit 0,31 bis 0,35 Euro pro kWh Nutzenergie im Vergleich zu konventionellen Energieerzeugern (Pellets- und Gaskessel, Luft- und Solewärmepumpen) mit 0,27 bis 0,43 Euro pro kWh Nutzenergie im Bereich der wirtschaftlichen Konkurrenzfähigkeit liegen.

Die umfangreichen Ergebnisse des Projektes werden in einem Endbericht der Öffentlichkeit zur Verfügung stehen.

Literatur

  1. J.C.Hadorn, ee 2013-3, xx-xx (Gleisdorf 2013)
  2. Thür A., Vukits M., Becke W., Heinz A., Lerch W. (2012): Ein Jahr Feldmessung von sechs Solar-Kombianlagen mit Wärmepumpen, OTTI 22. Symposium Solarthermie, Bad Staffelstein, Deutschland
  3. Vukits M., Becke W., Fink C., Heinz A., Lerch, W. (2013): Analyse und Bewertung solarer Hybridsysteme, OTTI 23. Symposium Solarthermie, Bad Staffelstein, Deutschland (2013)
  4. Haller M., Dott R., Ruschenburg J., Ochs F., Bony J. (2013): The Reference Framework for System Simulations of the IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38, Part A: General Simulation Boundary Conditions; A technical report of subtask C, Report C1 Part A, 07.03.2013
  5. Haller M., Haberl R., Mojic I., Frank E. (2013): Solare Kombispeicher mit Wärmepumpen: Scheinbare Details entscheiden über die Performance!, OTTI 23. Symposium Solarthermie, Bad Staffelstein, Deutschland

Projektpartner

  • AEE INTEC (Projektleitung)
  • Institut für Wärmetechnik der TU Graz
  • Greiner Renewable Energy GmbH
  • Ochsner Wärmepumpen GmbH

Autorenbeschreibung

Dipl.- Ing. (FH) Martin Vukits und Dipl.- Ing. Walter Becke sind Mitarbeiter, Ing. Christian Fink ist Leiter des Bereichs Solarthermische Komponenten und Systeme von AEE INTEC ( This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. )

Dipl.- Ing. Werner Lerch, Dipl.- Ing. (FH) Dr.techn. Andreas Heinz und Dipl.- ng. Dr.techn. Richard Heimrath sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Wärmetechnik der TU Graz ( This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. )

Top of page