Zeitschrift EE

nt 02 | 2020: Hybride Solartechnologien

Kühlen mit PVT-Kollektoren und Wärmepumpe

Ulrich Leibfried, Sebastian Asenbeck, Stephan Fischer

Aufgrund zunehmend heißer Sommer in Mitteleuropa und einem steigenden Komfortbedürfnis wächst der Bedarf an Kühlsystemen. Wärmepumpenheizungen bieten grundsätzlich die Möglichkeit, im Sommer zur Kühlung genutzt zu werden. Allerdings führt dies zu einem erhöhten Strombedarf – in Südeuropa bis hin zur zeitweisen Überlastung und Ausfall des Stromnetzes. Auf der anderen Seite passt der Kühlbedarf jahreszeitlich gut zum Solarstrahlungsangebot, weshalb sich Kombinationen von Wärmepumpen und Photovoltaik bzw. PVT anbieten.

Rückseite der SOLINK-Wärmepumpenkollektoren mit großflächigem Lamellenwärmetauscher, Testanlage Lörrach. Foto: Consolar

Eine Aufgabe in dem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten SOLINK-Projekt ist die Untersuchung und Entwicklung von Systemlösungen zur Gebäudekühlung mit PVT-Wärmepumpensystemen mit einem Jahres-Netto-Netzstrombedarf nahe Null [1]. Die Arbeiten hierzu werden von Consolar und dem Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart durchgeführt.

SOLINK-Wärmepumpenkollektor zum Heizen und Kühlen

Der SOLINK-PVT-Wärmepumpenkollektor kann aufgrund seines sehr guten Wärmeübertragungsvermö- gens als einzige Wärmequelle für Wärmepumpen eingesetzt werden. Die Fläche des an der Unterseite des Kollektors angebrachten Wärmeübertragers und des Moduls beträgt ca. das Zehnfache der Aperturfläche. Somit kann der Luft in der Heizsaison bei geringem oder fehlendem Strahlungsangebot Wärme zur Versorgung der direkt angeschlossenen Wärmepumpe entzogen werden. Gleichzeitig wird die PV-Fläche gekühlt, wodurch der Jahresstromertrag um 6 – 10 % steigt. Der Kollektor kann im Sommer auch als Rückkühl-Wärmeübertrager bei aktiver Gebäudekühlung genutzt werden.

Die ersten SOLINK-Wärmepumpensysteme zum Heizen wurden im Winter 2016/17 realisiert, mittlerweile sind über 200 Anlagen in Betrieb, davon auch bereits wenige mit Kühlfunktion.

Kühlkonzepte mit SOLINK-Wärmepumpenkollektor

Es wurden zwei Konzepte bezüglich Hydraulik und Regelungstechnik ausgearbeitet und untersucht:

  1. Wärmepumpe mit Kältekreisumkehr
  2. Kühlabwärmenutzung und zeitversetzte Rückkühlung

Bei der Kältekreisumkehr wird der Kondensator der Wärmepumpe zum Verdampfer und kühlt den Heizkreis – z. B. die Fußbodenheizung – ab. Der Verdampfer wird zum Kondensator: die Abwärme wird an den Solekreis übertragen und dort über die Kollektoren an die Umgebung abgeführt. Allerdings findet die Rückkühlung bei diesem Konzept oft gerade dann statt, wenn sowohl die Kollektor- als auch Umgebungstemperaturen am höchsten sind.

Untersuchte Kühlkonzepte „Kältekreisumkehr“ (Bild oben, im Kühlmodus) und „Kühlabwärmenutzung“ (Bild unten, kombinierte Kühlung und Warmwassernachheizung).

Das Konzept der Kühlabwärmenutzung besteht darin, die Kühlabwärme zunächst zur Warmwasserbereitung zu nutzen und den Überschuss zwischenzuspeichern. Zeitlich versetzt, auch während der Nacht, wird dann die Wärme bei tieferen Kollektor- und Außentemperaturen wieder abgegeben. Bei diesem Konzept kann ein Teil des Strombedarfs für Kühlen und Warmwasser gleichzeitig genutzt werden, sodass der Mehrstromverbrauch durch Kühlen reduziert wird. Bei beiden Konzepten kann ein Kältespeicher integriert werden. Ein Kältespeicher ist nötig, wenn die Wärmepumpe keine Leistungsregelung aufweist und ermöglicht außerdem ein Lastmanagement: Bei PV-Stromproduktion kann Kälte z. B. für den späteren Nachmittag auf Vorrat produziert und gespeichert werden.

Ergebnisse von Anlagensimulationen

Für zwei Standorte, Mailand und Würzburg, wurden Anlagensimulationen für exemplarische Einfamilienhäuser durchgeführt (Standort Würzburg Kühlbedarf ca. 1000 kWh/a, Kühlbedarf in Mailand ca. 4800 kWh/a) [2]. Hier zeigte sich, dass es mit beiden Anlagenkonzepten möglich ist, die Raumtemperatur im Sommer auf etwa 24 °C zu begrenzen und die Kühl-Abwärme der Wärmepumpe über das PVT-Wärmepumpenkollektorfeld (20 m2) abzuführen, ohne dass die maximal zulässige Vorlauftemperatur der Wärmepumpe von 65 °C überschritten wird.

Für größeren Kühlbedarf – wenn die Wärmepumpe zeitweise durchgehend kühlen muss – ergeben sich für das Konzept mit Kältekreisumkehr aufgrund der geringeren Anzahl an Wärmeübertragern leichte Effizienzvorteile, während bei dem Konzept mit Kühlabwärmenutzung die Eigenstromnutzung etwas besser ist. Mit beiden Konzepten können im Sommer für die Warmwasserbereitung und Kühlung mittlere System-Arbeitszahlen, unter Berücksichtigung der PV-Eigenstromnutzung in der Größenordnung SAZPVT= 20 in Würzburg und 10 in Mailand, erreicht werden. Beim Konzept zur Kühlabwärmenutzung besteht zudem die einfache Möglichkeit einer passiven Kühlung in klaren Nächten. Grundsätzlich haben die Dimensionierung und eine abgestimmte Regellogik, u. a. zur vorrangigen Nutzung von selbst produziertem PV-Strom (Energiemanagement), einen großen Einfluss auf die Effizienz und den verbleibenden Netzstrombezug der Systeme.

Praxiserprobung und Fazit

Kühlkonzepte mit verschiedenen Hydraulik- und Regelansätzen wurden in vier Testanlagen umgesetzt, sowohl mit Kältekreisumkehr als auch Kühlabwärmenutzung. Im Sommer 2019 funktionierten beide Kühlkonzepte auch bei Außentemperaturen bis ca. 40 °C problemlos.

Sowohl die Simulationen als auch die Praxis zeigten die Bedeutung eines gut abgestimmten Regelkonzepts insbesondere zur Trennung von Kühl- und Heizungsphasen: durch mehrfaches Aufheizen und Abkühlen von Speicher und Gebäude kann die Effizienz der Anlage reduziert werden. Dies ist allerdings ein Thema, das unabhängig von SOLINK-Wärmepumpenkollektoren beachtet werden muss.

Feldtestanlage mit Kältekreisumkehr. Foto: Consolar

Gebäudekühlung ist eine vergleichsweise einfache und effiziente Erweiterung von SOLINK-Wärmepumpensystemen, bei der die direkte Nutzung der vom System erzeugten elektrischen Energie weiter erhöht wird.

Die Arbeiten am Projekt SOLINK wurden ermöglicht durch die freundliche finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt, der der herzliche Dank der Autoren gilt.

Autoren

Dr.-Ing. Ulrich Leibfried, Geschäftsführer Bereich Technik, Consolar Solare Energiesysteme, Deutschland. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Dipl.-Ing. Sebastian Asenbeck ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Dr.-Ing. Stephan Fischer ist Arbeitsgruppenleiter „Komponenten und Systemprüfung“ am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Weiterführende Informationen

  1. Leibfried, U., Fischer, S., Asenbeck S.: PVT-Wärmepumpensystem SOLINK – Systemvalidierung und zwei Jahre Praxiserfahrung, Symposium Thermische Solarenergie 2019, Bad Staffelstein, 21. – 23.06.2019
  2. Leibfried, U., Fischer, S., Asenbeck S.: Kühlen mit PVT-Kollektoren und Wärmepumpe, Symposium Thermische Solarenergie 2020, Bad Staffelstein, 12. – 14.05.2020
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