HSR: Wärmepumpen-Anlagen mit Solarwärme

HSR: Wärmepumpen-Anlagen mit Solarwärme
effizienter
(HSR) Während vier Jahren hat sich das Institut für Solartechnik SPF der Hochschule für Technik
HSR im Auftrag des Bundesamts für Energie intensiv mit der Kombination von Wärmepumpen
mit Solarwärme auseinandergesetzt. Die Erkenntnisse haben zur Entwicklung von neuen
Produktreihen und zur Verbesserung bestehender Produkte verschiedener Hersteller geführt.
Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten waren eingebettet in den Schwerpunkt "solar and heat pump
systems" der Internationalen Energieagentur IEA in welchem das SPF die Arbeiten zur Modellierung und
Simulation von Heizsystemen koordinierte. Die Produkt-Entwicklungen führt das Institut für Solartechnik in
Zusammenarbeit mit der Industrie in verschiedenen Projekten weiter, zum Beispiel im EU-Projekt MacSheep,
welches vom SPF koordiniert wird.
Wärmepumpen weit verbreitet
Die meisten neu erstellten Wohngebäude werden heute in der Schweiz mit einer Wärmepumpe ausgerüstet.
Diese zieht Niedertemperatur-Wärme aus der Umgebungsluft oder aus dem Erdreich, und hebt die Temperatur
dieser Wärme mit Hilfe von elektrischem Strom auf ein Temperaturniveau, welches für Raumheizung und
Warmwasser verwendet werden kann. Je weniger elektrische Energie für die Anlage benötigt wird, desto
effizienter arbeitet sie, und desto geringer fällt die Stromrechnung für den Besitzer aus. Als Mass für die
Effizienz von Wärmepumpen-Anlagen wird deshalb gerne das Verhältnis der abgegebenen Wärme zum
verbrauchten Strom berechnet, und über ein Jahr bilanziert als Jahresarbeitszahl ausgewiesen. Luft-WasserWärmepumpen erreichen typischerweise Jahresarbeitszahlen im Bereich von drei, Erdsonden-Wärmepumpen im
Berich von vier. Folglich ist der Bedarf an elektrischer Energie bei Luft als Wärmequelle nur ein Drittel, bei
Erdsonden nur ein Viertel so gross wie die Wärme welche von der Wärmepumpe geliefert wird.
Kombination mit Solarwärme
Im Gegensatz zu Wärmepumpen, welche die aus der Umwelt bezogene Wärme zuerst mit einem GasKompressionsprozess auf höhere Temperatur heben müssen, erntet ein Solarkollektor die Wärme bereits auf
dem verwendbaren Temperaturniveau. Dadurch brauchen Solaranlagen etwa zehn mal weniger elektrische
Energie als eine Wärmepumpe, um die gleiche Nutzwärme zur Verfügung zu stellen. Wird also der
Wärmepumpen-Betrieb bei Sonnenschein ersetzt durch den Betrieb einer Solarwärmeanlage, so kann der
Bedarf an elektrischer Energie erheblich reduziert werden.
Weltweit einmalige Testanlage
Die Effizienz einer Anlage mit verschiedenen Komponenten wie Wärmepumpe, Wärmespeicher und Solarwärme
ist immer ein Resultat der Effizienz der Komponenten einerseits, und der Effizienz der Kombination und
Regelung andererseits. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass alle Komponenten einer Heizungsanlage
aufeinander abgestimmt, richtig verschaltet und korrekt angesteuert werden. Das Institut für Solartechnik SPF
verfügt über einen weltweit einzigartigen Teststand, in welchem dieses Zusammenspiel mit einem "hardware in
the loop" Verfahren überprüft werden kann. Dabei wird das komplette Heizsystem im Prüfstand aufgebaut, und
zwölf Tage ohne Unterbruch und ohne äussere Eingriffe frei laufen gelassen. Komponenten, welche ausserhalb
des Kellerraums installiert werden, werden zeitgleich vom Teststand simuliert und emuliert. Dies betrifft zum
Beispiel die Verteilung von Raumwärme und Warmwasser, das Solarkollektorfeld, und die Wärmequelle der
Wärmepumpe. Für die Simulation dieser Komponenten werden reale Wetterdaten einzelner Tage des Jahres in
Kombination mit den aktuell vom Prüfling gelieferten Temperaturen und Zuständen verwendet. Auf diese Weise
wird sicher gestellt, dass die Antwort der emulierten Komponenten auf das Systemverhalten dieselbe ist wie in
einem Feldtest.
Der Wärmespeicher als Schlüssel-Komponente
Sowohl in den Labormessungen als auch in Feldanlagen wurde festgestellt, dass der Wärmespeicher eine
Schlüsselkomponente für die Effizienz der gesamten Anlage ist. Dies insbesondere dann, wenn Wärme für
Warmwasser und Raumheizung über einen sogenannten Kombiwärmespeicher oder Schichtenspeicher bereit
gestellt wird. Diese Speicher nützen die Tatsache, dass warmes Wasser leichter ist als kaltes. Damit kann
gleichzeitig im oberen Bereich Warmwasser (55 °C) und auf halber Höhe Wärme für die Fussbodenheizung (35
°C) gespeichert werden, wobei im untersten Bereich die Vorwärmung von Warmwasser (10 – 30 °C) stattfindet.
Damit eine Anlage effizient ist, muss der Kombispeicher einerseits korrekt ins System eingebunden werden, und
er muss die Temperaturschichtung bei jeder Be- und Entladung gut erhalten. Mit den hohen WasserVolumenströmen die für Wärmepumpen üblich sind, ist eine gute Schichtung nicht ohne spezielle Massnahmen
zur Strömungsberuhigung beim Speichereintritt zu erreichen. Sowohl bei der hydraulischen Einbindung und
Regelung, als auch bei der Speicherschichtung, wurde in vielen Fällen erhebliches Verbesserungspotenzial
festgestellt. Dieses führte bei einzelnen Anlagen zu Energie-Einsparungen im Bereich von 10-50%.
Empfehlungen für die korrekte Einbindung von Kombispeichern ins System sind auf der Homepage des SPF
verfügbar.
Kollektoren und Wärmepumpe in Serie
Neben dem zeitweisen Ersatz des Wärmepumpenbetriebs durch die Solaranlage, kann jedoch auch Solarwärme
Quelle für die Wärmepumpe genutzt werden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von serieller
Verschaltung. In diesen Anlagen kommen oft unabgedeckte Kollektoren oder Photovoltaisch-Thermische Module
(PV/T) zum Einsatz, welche für die direkte Wärmenutzung auf Grund der höheren thermischen Verluste
ungeeignet sind. Messungen an unabgedeckten Solarabsorbern haben dabei aufgezeigt, dass auch in der Nacht,
bei Kollektortemperaturen welche 5 K unter der Umgebungstemperatur liegen, Wärme im Bereich von ca. 25
bis 75 Watt pro Quadratmeter Absorber für den Verdampfer der Wärmepumpe geerntet werden kann.
Auf andere Wärmequellen verzichten
Seriell verschaltete Systeme sind interessant, wenn durch den Einsatz von Solarkollektoren auf andere
Wärmequellen verzichtet werden kann. Es erübrigt sich dann das Bohren von Erdsonden, das nicht immer
möglich ist, und das Aufstellen eines Luft-Wärmetauschers, der aus ästhetischen und lärmschutztechnischen
Gründen nicht immer beliebt ist. In Anlagen mit Kollektoren als einzige Wärmequelle für die Wärmepumpe
kommt dabei oft ein Eisspeicher zum Einsatz.
Maximale Einsparungen
Naturgemäss sinken die Stromkosten und steigen die Investitionskosten immer mit der Grösse des
Kollektorfeldes. Die insgesamt höchsten Jahresarbeitszahlen – und damit die tiefsten Stromkosten – werden
durch Solarwärme in Kombination mit Erdsonden-Wärmepumpen erreicht. Die erzielten elektrischen
Einsparungen durch Solarwärmenutzung bewegen sich pro m2 Kollektorfeld im selben Bereich wie die
erzielbare Stromproduktion durch Photovoltaik auf gleicher Fläche. Eine Ausnahme bilden dabei WarmwasserAnlagen, welche täglich zur Prävention von Legionellen elektrisch auf 60 °C nachgeheizt werden. Da durch die
Legionellen-Schaltung der Wärmepumpen-Betrieb weitgehend durch den Elektroeinsatz ersetzt wird, sind die
Einsparungen durch Solarwärme um ca. Faktor zwei höher als die auf gleicher Fläche produzierbare
photovoltaische Energie.
Weitere Informationen: Liteatur
Haller, M.Y., Haberl, R., Carbonell, D., Philippen, D. & Frank, E., 2014. SOL-HEAP - Solar and Heat Pump
Combisystems. Report Contract number SI/500494-02, Institut für Solartechnik SPF, Hochschule für Technik
HSR, Rapperswil, Switzerland.
Text: Hochschule für Technik Rapperswil (HSR)
Monats- und Jahresarbeitszahlen einer Anlage mit Luft-Wärmepumpe und
Solarwärme im Feldtest in Rapperswil-Jona. ©Bild: HSR
Nicht selektive (links) und selektive (rechts) unverglaste Absorber, montiert auf dem Dach-Labor des SPF zur
Ermittlung des Potenzials zur Gewinnung von Umgebungswärme bei Nacht zusätzlich zur Solarwärme bei Tag.
©Bild: HSR
Abbau der warmen Zone im oberen Speicherbereich nach einer Stunde Bewirtschaftung des mittleren
Speicherbereichs mit 30 °C auf Grund von numerischen Strömungssimulationen. ©Bild: HSR
Die weltweit einzigartige Anlage für Harware in the loop Tests kompletter Heizsysteme. ©Bild: HSR
Quelle : http://www.ee-news.ch/de/article/29819/hsr-waermepumpen-anlagen-mit-solarwaermeeffizienter?utm_source=newsletter303&utm_medium=email&utm_campaign=newsletter303