Solarthermie optimiert Wärmepumpenbetrieb

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• Durch die hydraulische Einbindung einer Solar­anlage auf der kalten Quellenseite kann dort das Temperaturniveau dauerhaft erhöht und so der COP einer Wärmepumpe verbessert werden.
• Für die Integration der Solaranlage auf der kalten Quellenseite sind durch das Unterschreiten der Taupunkttemperatur im Kollektor besondere Kollek­toren erforderlich.
• In einem Feldversuch wurden die Übereinstimmung von Simulation und Messwerten für eine Solarthermie-Wärmepumpen-Kombination sowie ein geringerer Primärenergieeinsatz belegt.

Seit drei Jahren wird von Schüco eine Solarthermie-Wärmepumpen-Kombination in der realen Anwendung getestet Abb. 1. Nach Konzeptstudien und Simulationen mit Parametervariationen kristallisierte sich hierfür ein Erfolg versprechendes System heraus: Aufbauend auf eine heizungsunterstützende Solarthermieanlage mit Kombispeicher wurde die Erdsonde einer Sole/Wasser-Wärmepumpe wie ein zweiter Speicher an die Kollektoranlagen angeschlossen.

Auf der Wärmesenkenseite wird die Kom­bination zwischen Solarkombispeicher und Wärmepumpe nach einer bivalent-regenerativen Betriebsweise gesteuert. Ist ausreichend Solarwärme vorhanden, wird die Wärmepumpe gesperrt und die Solarwärme vorrangig in das Heizsystem eingespeist. Damit werden die Laufzeiten der Wärmepumpe verringert. Gleichzeitig steht das Rücklauftemperatur­niveau jederzeit beiden Wärmeerzeugern zur Verfügung.

Um den Erfolg des Konzepts über die Simulation hinaus abzusichern, wurde ein umfangreicher Feldtest durchgeführt. Nach mittlerweile drei Heizperioden kann nun dokumentiert werden, dass die hohen Erwartungen in die Vorteile dieser Kombination erfüllt wurden.

Gegenseitige Optimierung

Es besteht eine gegenseitige Optimierung, wenn man die Kombination einer solarthermischen Anlage und einer erdreichgekoppelten Sole/Wasser-Wärmepumpe betrachtet. Grundsätzlich gilt, beide Systeme arbeiten besonders effektiv, wenn sie auf niedrigem Temperaturniveau betrieben werden. Darüber hinaus führt eine Kombination des Solarkreises mit dem Solekreis der Wärmepumpe durch geringere Rücklauftemperaturen zu einer Ertragssteigerung des Kollektorfelds. Parallel erfolgt eine Effizienzsteigerung bei der Wärmepumpe, wenn höhere Antriebstemperaturen erreicht werden und der Temperaturhub zwischen Wärmequellen- und Wärmesenkentemperatur verringert wird.

Sole/Wasser-Wärmepumpen werden seit Jahren eingesetzt. Dabei hat die individuell korrekte Sondenauslegung einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Systems, unterdimensionierte Sonden führen zu einer erhöhten Stromaufnahme der Wärmepumpe. Die Leistungsfähigkeit der Sonden ist normalerweise begrenzt durch die Energieströme im Erdreich, das nur durch indirekte Nutzung der Solarenergie über die Umgebungstemperatur, Regen, Grundwasser und den geothermischen Wärmefluss regeneriert wird. Durch eine aktive Erdreichregeneration lässt sich dieser Prozess jedoch verbessern.

Als Faustwert gilt, dass sich durch das Anheben der Wärmequellentemperatur um 1 K der COP (Coefficient of Performance) der Wärmepumpe um 2,5 % erhöht. Darum haben bereits geringe Temperaturanhebungen auf der Quellenseite einen spürbaren Effekt. In einem ausgekühlten Bohrloch kann die Solarenergie nahezu verlustlos gespeichert werden, allerdings muss die elektrische Energieaufnahme der dazu erforderlichen Umwälzpumpen in der Bilanzierung berücksichtigt werden. Seit 2006 entwickelt Schüco Komponenten für das Nullenergiehauskonzept, auch für tiefe Temperaturen geeignete Kollektoren zur bivalent-regenerativen Betriebsweise und zur aktiven Erdreichregeneration.

Simulation

Durch Simulationen in der Programmumgebung TRNSYS wurden die erzielbaren Effekte der Kombination von Solarthermie und Wärmepumpe inklusive der Erdreichregeneration ermittelt. Unter Zuhilfenahme der statistischen Versuchsplanung wurden folgende optimale Parameter für ein Niedrigenergiehaus (EnEV-2009-Niveau) simuliert:

• 10 m² Solar-Kollektorfläche
• 80 m Erdsondenlänge
• 750 Solar-Kombispeicher

Dafür konnte eine Systemperformance von 5,1 ermittelt werden Abb. 2. Die Systemperformance diente als Basis für die später entwickelte Methode der Berechnung einer solaren Systemarbeitszahl (siehe unten).

Erträge bei niedriger Temperatur

Nach einer langen Heizperiode kann eine Sondentemperatur von unter –5 °C vorliegen. Im solaren Regenerationsbetrieb mit einer Soletemperatur unterhalb der Außentemperatur (zugehörige Taupunkttemperatur) kommt es zur Kondensation innerhalb des Kollektors. Darum ist ein besonderer Kollektoraufbau notwendig. Der Wärmepumpenkollektor von Schüco hat eine spezielle Wärmedämmung und Entwässerungsöffnungen.

Mit der Möglichkeit, Solarenergie bei geringer Einstrahlung und niedriger Temperatur nutzen zu können, erhöht sich der spezifische Kollektorertrag um etwa 10 %, so werden Solarerträge über 600 kWh/(m² a) erreicht. Die Kollektortemperatur zur Speicherbeladung liegt zwischen 25 °C und 110 °C bei einer Einstrahlung über 250 W/m². Das Erdreich kann jedoch mit Temperaturen kleiner 15 °C bei sehr geringer Einstrahlung solar regeneriert werden – Erträge, die sonst ungenutzt bleiben würden.

Von der Theorie in die Praxis

Die Solarthermie-Wärmepumpen-Kombination nutzt Solarenergie auf vier Wegen Abb. 3:

1. Direkte Nutzung der Solarenergie bei ­ausreichenden Temperaturen über den Kombispeicher zur Trinkwassererwärmung und zur Heizungsunterstützung.

2. Solare Unterstützung der Wärmepumpe durch Anheben des Temperaturniveaus im Solekreis.

3. Regeneration des Erdreiches bei Wärmepumpenstillstand und Solarertrag (bis zu einer Kollektortemperatur von 12 °C bzw. bis zur ungestörten Erdreichtemperatur)

4. Langfristig höheres Temperaturniveau in der Wärmequelle bei Entzug durch die Wärmepumpe.

Ein Hemmnis zur Umsetzung von Konzepten, bei denen die Systeme Wärmepumpe, Heizungsanlage und Solarkreis über bekannte hydraulische Anbindungen hinaus miteinander verknüpft werden sollen, ergibt sich aus der Regelungstechnik. Allerdings hat gerade bei Wärmepumpenanlagen mit solarthermischer Erdreich-Regeneration ein Systemregler für sämtliche Anlagenkomponenten erhebliche Vorteile.

Beispiel: Um Solarwärme in die Erdsonden zu transportieren, muss die Umwälzpumpe der Wärmequelle vom Solarregler angesteuert werden. Bei zwei Reglern, würde dies die Verwendung eines Schutzes mit entsprechender zusätzlicher Leitungsführung erforderlich machen. Mit einem Systemregler lassen sich solche unnötigen Doppelungen vermeiden. Auch der Nutzer muss sich nicht mit zwei Reglern und gegebenenfalls mit verschiedenen Bedienphilosophien auseinandersetzen.

Die Schüco-Wärmepumpen der Baureihe HPSol S sind mit einem Systemregler ausgestattet, in den die Erkenntnisse aus dem Feldtest eingeflossen sind. Er steuert die Wärmeerzeugung (durch Wärmepumpe und Solaranlage) und auch deren zweckmäßigste Nutzung (Heizung, Warmwasser, Schwimmbad und Erdreich-Regeneration).

Der Regler ist im Schaltkasten der Wärmepumpe positioniert. Die Komponenten der Solaranlage (z.B. Kollektorfühler, Solarpumpe) werden elektrisch mit der Wärmepumpe verbunden. Die Bedieneinheit des Reglers kann aus der Wärmepumpe entnommen und im Wohnraum platziert werden, um sämtliche Betriebsdaten der Wärmepumpenheizung und der Solaranlage im Blick zu haben.

Feldtestergebnisse

Zur Überprüfung der über die Simulationen ermittelten Regelstrategie wurde die Solar-Wärmepumpen-Kombination in ausgewählten Pilotanlagen innerhalb eines Feldtests über drei Heizperioden 2007/08, 2008/09 und 2009/10 messtechnisch begleitet. Zur Erfassung der einzelnen Energiemengen, die die Grundlage der Systembilanzierungen bilden, wurden die Anlagen bereits während der Heizungsinstalla­tion mit der erforderlichen Messtechnik ausgestattet. Die Messungen umfassen darüber hinaus mithilfe weiterer Sensoren

• solare Einstrahlung,
• Außentemperatur,
• Temperaturverläufe im Erdreich,
• Verlauf der Wärmequellentemperaturen (Sondenvorlauf),
• elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters und die
• Pumpenlaufzeiten.

Eine Auskühlung der Erdsonde über die Heizperioden konnte erfolgreich verhindert werden Abb. 4. So lagen die Vorlauftemperaturen zu keinem Zeitpunkt unterhalb von +2° C. Die Sondentemperatur erreicht nach zwölf Monaten exakt den gleichen Wert wie zu Beginn der Messung. Die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe entspricht der Berechnung nach VDI 4650 mit einer durchschnittlichen Sondentemperatur von +5 °C (normale Grundlage für die Berechnung mit Erdwärmesonden sind +2° C, für Flächenkollektoren 0 °C).

Die Systemarbeitszahl konnte durch die solaren Gewinne um durchschnittlich 35 % erhöht werden und bestätigt damit die mit den Simulationsergebnissen erstellten Prognosen. Die Jahresarbeitszahl der in dem Niedrigenergiehaus-Neubau eingesetzten 5-kW-Wärmepumpe beträgt gemäß Simulation ohne Solarkopplung für den reinen Heizbetrieb 4,1 Abb. 5. Die Solar-Wärmepumpen-Kombination erreicht simuliert und auch messtechnisch ermittelt eine Systemarbeitszahl inklusiv solarer Gewinne von über 5 bedingt durch

• durchschnittlich höhere Soletemperatur im Wärmepumpenkreis,
• geringere Wärmepumpenlaufzeit und
• direkte Solarenergienutzung im bivalent-regenerativen Betrieb, dadurch ­verringerter elektrischer Energieaufwand der Wärmepumpe (durchschnittlich geringere elektrische Energieaufnahme von 25 %).

Die Systemarbeitszahl wurde als Quotient aus den Energieträgern von Wärmepumpe und Solaranlage (Nettosolarertrag) und dem Energieaufwand des Wärmepumpen- und Solarpumpenbetriebs ermittelt.

Der Verlauf der Sondentemperatur bestätigt die solare Erdreichregeneration, auch bei geringen solaren Einstrahlungen im Winter und Frühjahr. Die maximale Erdreichtemperatur für die Regeneration der Sonde wurde auf 12 °C begrenzt. Dies dient der Reduzierung des Pumpenstrombedarfs und der Vermeidung von solaren Wärmeverlusten im Erdreich.

Die Datengrundlage von drei Heizperioden kann für eine Vorausschau der sich voraussichtlich zukünftig einstellenden Erdreichtemperaturen verwendet werden. Das Simulationsprogramm EED (Earth Energy Designer) ist in der Lage bei Kenntnis vom

• thermischen Verhalten der Erdschichten, den
• Energiemengen, die der Erdsonde entzogen werden und den
• Energiemengen, die der Erdsonde zugeführt werden

den Temperaturverlauf über einen längeren Zeitraum vorauszuberechnen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Erdreichtemperatur mit solarer Regeneration konstant 2 K oberhalb der nicht solar regenerierten Erdsonden liegt. Im Frühjahr, in dem der größte Anteil der Regeneration stattfindet, stellt sich sogar ein Unterschied von über 5 K ein Abb. 6. Ein langfristiger Vorteil der solaren Erdreichregeneration ist damit bei richtig ausgelegten und eingebauten Erdsonden nachgewiesen. Bei Erdsonden, die aufgrund von falschen Planungsannahmen im Betrieb Probleme bereiten, können diese durch eine solare Regeneration teilweise kompensiert werden.

Solare Systemarbeitszahl

Für eine ganzheitliche Bewertung des Systems wurde die Methodik zur Berechnung der solaren Systemarbeitszahl (β_WP+Solar) entwickelt Abb. 7. Grundlage dieses Bewertungsansatzes ist die Berechnung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe (β_WP) und der Jahresarbeitszahl für die solare Energiebereitstellung (β_Solar) sowie einer anschließenden anteiligen Gewichtung beider Kennwerte an der Gesamtenergiebereitstellung (a und b).

Die solare Systemarbeitszahl β_WP wird gemäß VDI 4650, aber aufgrund der nachgewiesenen höheren durchschnittlichen Sondentemperatur durch die aktive Erdreichregeneration mit einer Sondentemperatur von +5 °C berechnet. Die Jahresarbeitszahl der solaren Energiebereitstellung ergibt sich aus der Berechnung des Nettosolarertrages gemäß DIN V 4701-10 und aus einer mit der gleichen Vornorm abgeleiteten Berechnung zur Bestimmung der elektrischen Energieaufnahme der Solarkreispumpe. Zur Gewichtung beider Kennwerte wird der relative Anteil (a und b) der beiden Energiequellen an der Gesamtenergiebereitstellung ermittelt.

β_WP+Solar = a · β_WP + b · β_Solar

β_WP+Solar Solare Systemarbeitszahl

β_WP Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe gemäß VDI 4650 (Quellentemperatur +5°C)

β_Solar Jahresarbeitszahl der Solaranlage

a Anteil der Wärmepumpe und Solekreispumpe an der gesamten elektrischen Energieaufnahme

b Anteil der Solarkreispumpe an der gesamten elektrischen Energieaufnahme

Das erfolgt für die Wärmepumpe aus der Berechnung der aufgenommenen elektrischen Energie, ermittelt aus der Jahresarbeitszahl und der insgesamt von der Wärmepumpe bereitgestellten Energie (Gesamtenergiebedarf z.B. aus dem Wärmeschutznachweis beim Neubau oder aus dem Gebäudeenergiepass beim Altbau abzüglich des Nettosolarertrages). Der relative Anteil der solaren Energiebereitstellung ergibt sich aus dem Quotienten aus Nettosolarertrag und der ermittelten solaren Jahresarbeitszahl. •

Mehr Infos zum Thema im TGAdossier Wärmepumpe: Auf https://www.tga-fachplaner.de/ einfach Webcode 718 eingeben.

Literatur:

[1] Thole, Frank: Combination of Solar Thermal Energy, Heat Pump and Photovoltaics. München: 4th European Solar Thermal Energy Conferenz 2009

[2] Thole, Frank: Solare Systemarbeitszahl für SolarthermieWärmepumpen-Kombinationen. Berlin: 2. Solarthermie­technologiekonferenz, 2010

[3] Thole, Frank: Das Nullenergiehaus, Kombination aus Solarthermie, Wärmepumpe und Photovoltaik. Krems: 1. Symposium SolarAktivhaus, 2009

Wichtig ist vor allem die Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems.

Zwei identische Gebäude mit gleicher Nutzung werden mit einer Wärmepumpe betrieben; beide erreichen zur Bereitstellung von Raumwärme und Trinkwassererwärmung die gleiche Jahresarbeitszahl. Erhält nun eines der Gebäude eine unterstützende thermische Solaranlage klassischer Bauart, sinkt hier die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe. Mit einem durchdachten Konzept und einer sinnvollen Regelstrategie wird der Stromzähler im Gebäude mit der Solaranlage aber einen geringeren Betrag ausweisen: Die von der Solaranlage bereitgestellten Erträge haben einen größeren Effekt als der höhere Leistungsbedarf der Wärmepumpe durch einen größeren mittleren Temperaturhub.

Das Gedankenexperiment zeigt, dass die Jahresarbeitszahl eines Teilsystems keine uneingeschränkt geeignete Größe zur energetischen/ qualitativen Bewertung ist. Auch der Feldtest der Solarthermie-Wärmepumpen-Kombination von Schüco unterstreicht dies. Wollte man „zwanghaft“ die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe erhöhen, würde man sämtliche Solarerträge auf der kalten Quellenseite einspeisen – dem Verbraucher damit aber einen Bärendienst erweisen, denn er muss so mehr Elektrizität als beim Feldtestkonzept bezahlen. Dies unterstreicht erneut, wie begrenzt der Anwendungsbereich einer pauschalen Jahresarbeitszahl-Vereinbarung (siehe auch: Webcode 269911 und Webcode 281193) für ein Teilsystem ist.

Die beschriebene Wechselwirkung tritt bei Wärmepumpen physikalisch bedingt besonders deutlich zutage, muss aber bei allen üblichen Wärmeerzeugern berücksichtigt werden. Den wenigsten Käufern einer Heizungsanlage dürfte dies heute klar sein. Das könnte sich mit der Umsetzung der Ecodesign-Anforderungen für energiebetriebene Produkte ändern. Dabei muss der Energieverbrauch einer Heizungsanlage vom Hersteller transparent gemacht werden. Bei selbst kombinierten Hybridsystemen werden Planer bzw. Anlagenbauer zum Hersteller – allerdings hat die EU-Kommission noch nicht festgelegt, ob sie dann auch kennzeichnen müssen. Konsequent wäre es. Und dann gäbe es eine individuell verbindliche Jahresarbeitszahl – aber für alle Systeme, nicht nur für die Wärmepumpe.

Jochen Vorländer, Chefredakteur TGA Fachplaner

Schüco International KG, 33609 Bielefeld, fthole@schueco.com, https://www.schueco.com/de/