Das Traumpaar: Wärmepumpe und Solar

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Wärmepumpensysteme lassen sich in vielen Fällen hervorragend mit thermischen Solaranlagen kombinieren. Im Sommer wird dann ein Großteil des Warmwasserbedarfs und in Herbst und Frühjahr ein Teil des Heizbedarfes solar gedeckt. Umgekehrt steigt die Effizienz der Wärmepumpe signifikant, denn die Temperatur ihrer Wärmequelle wird solarthermisch angehoben. Wärmepumpe und Solar – das Traumpaar der Wärmeerzeugung?


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Solarthermische Systeme werden in Wohngebäuden häufig so ausgelegt, dass Kollektorfläche und Speicher rund 60% des jährlichen Warmwasserbedarfes solar decken. Bei einer größeren Dimensionierung des Systems kann es auch zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden. Der verbleibende Energiebedarf zur Warmwasserbereitung und Raumheizung wird von einem weiteren Wärmeerzeuger, z. B. einem Gaskessel oder einer Wärmepumpe erzeugt.

Hierbei ist der Solarkollektor über einen Solarkreis an einen Pufferspeicher angeschlossen.

„Konventionelle“ Einbindung der Solarthermie

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Diese Anlagenkonfiguration kombiniert Solaranlage und Wärmepumpe. Die Solaranlage belädt einen Trinkwasserspeicher, der – immer wenn erforderlich – zusätzlich auch von der Wärmepumpe erwärmt wird. Die Raumheizung wird in diesem Beispiel direkt – also ohne Heizungsspeicher – ausschließlich von der Wärmepumpe übernommen.

Wichtig bei diesem Anlagekonzept ist es, dass die Wärmepumpenregelung der solaren Wärmeerzeugung Vorrang gibt. Aufgrund der hohen Arbeitszahl der Solaranlage sinkt der elektrische Energiebedarf und die Systemeffizienz erhöht sich. Die Effizienzverbesserung und die Betriebskosteneinsparung hängen von vielen Parametern ab, natürlich von der solaren Einstrahlung, aber auch von den Typen der Hauptkomponenten und deren Dimensionierung.

In Anlagen mit erdgekoppelten Wärmepumpen reduziert die Solaranlage die Wärmeabnahme aus dem Erdreich im Sommer. Inwieweit dadurch die Erdreichtemperatur während des Heizbetriebes weniger absinkt, bzw. die Erdsonde oder der Erdkollektor kleiner dimensioniert werden können, hängt unter anderem von der relativen Verringerung des Wärmeentzuges und dem Vorhandensein von Grundwasserströmungen ab.

Solare Wärme als Wärmequelle der Wärmepumpe

Ein anderer Ansatz ist es, die solarthermische Anlage auf der Quellenseite der Wärmepumpe einzubinden. So dient solare Wärme als alleinige oder zusätzliche Wärmequelle für die Wärmepumpe. Seit einigen Jahren findet sich auf dem Markt eine wachsende Anzahl von Systemen, die sich teilweise nur geringfügig, mitunter aber grundlegend, unterscheiden.

Die wesentlichen Unterschiede zwischen den Systemen bestehen dabei hinsichtlich folgender Aspekte:

– Wärmequelle: Art und Dimensionierung der Wärmequelle(n)
– Wärmespeicher: Ist auf der Wärmequellenseite ein Speicher eingebunden?
– Welcher Speichertyp wird verwendet?
– Kollektortyp: Welches Temperatur-Niveau stellt die Solaranlage zur Verfügung?
– Einbindung: Wird die Solarwärme zusätzlich zur Einbindung in der Quellenseite auch auf der Senkenseite, also zur „direkten“ Trinkwasser- (und Heizungswasser) Erwärmung eingesetzt?

Die Möglichkeiten sind vielfältig. Im Folgenden stellen wir Ihnen drei Anlagekonzepte vor, die auf verschiedene Weise Solarthermie mit Wärmepumpe kombinieren. Schreiben Sie uns wenn Sie weitere Vorschläge diskutieren möchten.

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Anlage mit erdgekoppelter Wärmepumpe und Einbindung von unverglasten Kollektoren, die Wärme kostengünstig auf einem niedrigen Temperaturniveau zur Verfügung stellt. Die Solarwärme wird ausschließlich auf der Quellenseite eingebunden. Die im Sommer eingespeiste Solarenergie kann zur Regeneration des Erdreiches beitragen. Dies stabilisiert die Wärmequelle gegenüber einem möglichen, unvorhersehbar gesteigerten Wärmeentzug und erhöht die Wärmequellentemperatur der Wärmepumpe.
© FhG-ISE

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Eine Anlage, die ausschließlich die Solaranlage als Wärmequelle der Wärmepumpe verwendet. Vorrangig beheizt der Flachkollektor direkt den Trinkwasserspeicher. Wenn die solare Energieerzeugung den Bedarf übersteigt oder die erzeugten Temperaturen zu gering sind, wird die solare Wärme in einen Pufferspeicher geführt, der als Wärmequelle der Wärmepumpe genutzt wird. Der Speicher sorgt dafür, dass die Wärmenutzung der Solarenergie zeitversetzt mit deren Erzeugung erfolgen kann.
© FhG-ISE

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Anlagenkonzept mit Außenluft-Wärmepumpe und Flachkollektor. Die solare Wärme beheizt vorrangig einen Trinkwasserspeicher. Ist die erzeugte Temperatur nicht ausreichend, wird die solare Wärme während des Wärmepumpenbetriebes direkt als zusätzliche Wärmequelle der Wärmepumpe verwendet. Dies erhöht die Quellentemperatur der Wärmepumpe, die bei Außenluft-Wärmepumpe in der Heizperiode an kalten Tagen nur sehr niedrig ist.
© FhG-ISE

Vorläufiges Fazit

Feldmessungen und Simulationsstudien zeigen Effizienzverbesserungen durch eine Solaranlage auf der Wärmesenkenseite („klassisches System“). Die Einbindung auf der Wärmequellenseite erfordert ein ausgereiftes, robustes Regelungskonzept, der Zugewinn ist differenzierter zu betrachten.

Bislang fehlen umfassende Analysen der unterschiedlichen Konzepte bei verschiedenen Einsatzbereichen und Randbedingungen. Während für Wärmepumpen und Solarkollektoren jeweils einschlägige Richtlinien existieren, kann für kombinierte Systeme auf keine entsprechenden Standards zurückgegriffen werden.

Das europäische Projekt „Solar and Heat Pump Systems“ der Internationalen Energy Agency IEA mit einer Laufzeit von 1/2010 bis 12/2013 widmet sich der Vergleichbarkeit solarthermischer Wärmepumpensysteme und erarbeitet u. a. Bewertungsgrößen und Methoden für die Systemuntersuchung im Rahmen von Simulationsmethoden, Labormessungen und Feldtests. In dieses Verbundvorhaben fließen auch die Ergebnisse eines an der Universität Stuttgart durchgeführten und vom BMU geförderten Projektes zur Entwicklung von Leistungsprüfungen und der ökologischen Bewertung von kombinierten Solar-Wärmepumpenanlagen (WPSol) ein.

Lesen Sie hierzu auch unser Interview mit Alfons Krug von Ratiotherm zum Thema Solar-Hybrid Wärmepumpe „Die Zukunft ist Hybrid“ >>

Sagen Sie uns Ihre Meinung: Schreiben Sie uns, wenn Sie weitere Solar plus Wärmepumpe-Systeme diskutieren möchten.

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Comments

  1. Bei einer normalen Kombination einer Solarthermieanlage und einer Erdwärmeheizung mögen die o.g. Zusammenhänge annähernd zutreffend sein. Bei einer Luftwärmepumpe würde sich die JAZ allerdings verschlechtern, da sich JAZ gerade durch die Nutzung der hohen Außenlufttemperaturen im Sommer ergibt. In beiden Fällen sinkt zudem der Ausnutzungsgrad der Wärmepumpe, was auch die Wirtschaftlichkeit verschlechtert. Auch die direkte Nutzung der Solarthermie als Wärmequelle für die Wärmepumpe ist energetisch im Gesamtsystemzusammenhang als auch technisch bzgl. des Kältemittelkreislaufes „schwierig“. Einzig die Solarthermieeinspeisung zur Regeneration des Erdreiches kann theoretisch zu einer Verbesserung der JAZ durch die Anhebung der Quellentemperatur beitragen. Hierzu sind aber spezielle geologische Bedingungen notwendig. Bei zB Grundwasserströmung wäre dieser Effekt auch wieder hinfällig.

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