IntegraTE
Die Initiative IntegraTE begleitet den schnell wachsenden Markt von PVT-Wärmepumpensystemen. Zentraler Baustein der Initiative ist die Vermessung unter Realbedingungen, um die Zuverlässigkeit und Leistung der Heizsysteme zu untersuchen. Aus dem mehrjährigen Monitoring von fünf Einfamilienhäusern liegen jetzt wichtige Erkenntnisse vor.
Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Das Monitoring von PVT-Wärmepumpensystemen zeigt, dass auch bei der Nachrüstung im typischen Bestand gute Effizienzwerte erzielt werden.
■ Wichtig ist, dass PVT-Kollektoren und die Sole/Wasser-Wärmepumpen ein gut aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem bilden. Die Quellentemperatur kann in einer eher mit Luft/Wasser-Wärmepumpen vergleichbaren Spanne variieren.
■ Ein beachtlicher Teil des selbst erzeugten Photovoltaikstroms kann ohne „Zwischenspeicherung im Stromnetz“ unmittelbar für den Betrieb der Wärmepumpe verwendet werden. In Kombination mit einem Stromspeicher kann der Deckungsanteil gesteigert werden.
Die Nachfrage nach PVT-Kollektoren steigt. Ihr Absatz hat sich in den letzten vier Jahren in Deutschland fast verfünffacht. Im Jahr 2022 hat das Handwerk PVT-Kollektoren mit einer Fläche von rund 19 100 m2 installiert. Photovoltaisch-thermische(PVT)-Kollektoren gelten für Sole/Wasser-Wärmepumpen als Alternative zur Erschließung geothermischer Wärmequellen.
PVT-Kollektoren generieren Strom und aus der Solarstrahlung und aus der Umgebung auch Wärme, die sie der Wärmepumpe zuführen, um ihre Effizienz und CO2-Bilanz zu verbessern. In einer solchen Kombination produzieren PVT-Kollektoren über ein Kalenderjahr hinweg bilanziell etwa viermal mehr nutzbare Gesamtenergie, also Wärme und Strom, als eine Photovoltaik-Anlage mit der gleichen Fläche.
Initiative IntegraTE
Um die Bekanntheit der technisch und wirtschaftlich attraktiven Energieversorgung durch PVT-Kollektoren kombiniert mit Wärmepumpen im Gebäudesektor zu erhöhen, finanziert das Bundeswirtschaftsministerium seit Ende 2019 die Initiative IntegraTE. Mit dem Fraunhofer ISE in Freiburg, dem Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart und dem Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) sind dafür seit Dezember 2019 drei wissenschaftliche Partner gemeinsam am Start. Inzwischen haben sich 16 Systemlieferanten aus Deutschland und den Nachbarländern der Initiative angeschlossen.
Eine zentrale Aktivität innerhalb von IntegraTE ist die Vermessung von PVT-Wärmepumpensystemen unter Realbedingungen. Die Industriepartner bei IntegraTE konnten Demonstrationshäuser vorschlagen, die dann mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet wurden.
„Eine so junge, dynamisch wachsende Branche braucht wissenschaftliche Begleitung“, betont Forschungspartner Harald Drück vom IGTE. Die ersten Einfamilienhäuser mit Anlagekonzepten von verschiedenen Systemlieferanten sind nun zwei Jahre vermessen (Bild 2). Die Monitoring-Daten sind auf der IntegraTE-Webseite pvt-energie.de öffentlich zugänglich.
IntegraTE
JAZ als zentrale Kenngröße
Die zentrale Kenngröße zur Beurteilung der Anlagen ist die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie definiert sich aus der jährlich bereitgestellten Wärmemenge für die Raumheizung und Trinkwassererwärmung bezogen auf die dafür notwenige elektrische Energie für die Wärmepumpe (Verdichter, Heizstab und Steuerung) sowie die Regelung und Pumpen in den Kreisen der Wärmequellen.
„Wir haben bei den Systemgrenzen für die Jahresarbeitszahl den Wärmespeicher des Hauses nicht berücksichtigt, damit die unterschiedlichen Wärmeverteilsysteme die Betriebsergebnisse nicht so stark beeinflussen und wir eine höhere Vergleichbarkeit erreichen“, so Korbinian Kramer, IntegraTE-Projektleiter vom Fraunhofer ISE. Außerdem handelt es sich in Bild 2 um eine JAZ rein für den Heizbetrieb. Hier wird der Anteil des Solarstroms aus den PVT-Kollektoren nicht abgezogen, der direkt für den Betrieb der Wärmepumpe genutzt wird.
Am besten schneidet mit einer JAZ von 4,2 der Einfamilienhaus-Neubau in Altenbuch ab (Haus 5). Hier stellen PVT-Kollektoren gemeinsam mit drei Erdkörben im Garten die Wärme für die Wärmepumpe bereit. Mit einer JAZ von 3,3 bzw. 3,4 in den beiden Messjahren erreicht auch das große, sanierte Einfamilienhaus in Schweden (Haus 3) zufriedenstellende Effizienzwerte. Projektleiter Kramer betont, dass alle Demoanlagen egal ob Neu- oder Altbau recht stabil über die ersten beiden Jahre gelaufen sind. Durch den Austausch mit den ausführenden Fachfirmen konnten die Systeme außerdem teilweise noch energetisch optimiert werden.
Die Betriebsergebnisse von zwei Anlagen werden nachfolgend exemplarisch für einen Neubau (Haus 4) und einen Altbau (Haus 3) genauer betrachtet.
10 bis 40 % des PVT-Stroms kann das Wärmepumpensystem direkt nutzen
Das neu errichte Wohnhaus in Harsefeld, Niedersachsen, (Haus 4 mit 190 m2 Wohnfläche) wird allein über die PVT-Kollektoren mit modulierender 6-kWth-Sole/Wasser-Wärmepumpe beheizt. Auf dem Dach ist neben einem 16-m2-PVT-Feld mit 3,6 kWel noch eine reine Photovoltaik-Anlage mit 1,8 kWel installiert.
Für das von einer vierköpfigen Familie bewohnte Haus 4 bestätigt das Monitoring Jahresarbeitszahlen von deutlich über 3. In dieser Bilanz ist der Strombedarf für den 7-kW-Elektro-Heizstab eingerechnet, der laut der Monatsbilanz des Jahres 2022 jedoch nur selten aktiviert wird (Bild 3). Das Heizsystem benötigte im Jahr 2022 insgesamt 2566 kWh Strom. Davon gingen 79 % an die Wärmepumpe, 13 % waren Hilfsstrom für Pumpen und Regelung und 8 % der Energiemenge wurde direkt im Heizstab in Wärme umgesetzt.
Kramer: Im Betrieb erreicht das PVT-Wärmepumpen-Heizsystem mit den PVT-Kollektoren als einzige Wärmequelle für die Wärmepumpe also eine ähnliche Effizienz wie eine Anlage mit PVT- und Erdkollektor, wobei der Heizstab in der Anschaffung viel günstiger ist als ein Erdkollektor ist.
Bild 3 zeigt, dass die Effizienz des Heizsystems – ausgedrückt durch eine monatliche Arbeitszahl der Wärmepumpe – über das Jahr variiert. Ersichtlich ist auch, dass die hohen Temperaturen für die im Sommer überwiegende Trinkwassererwärmung von der Wärmepumpe in der Tendenz mit einem schlechteren Wirkungsgrad erzeugt werden als die moderaten Heizwassertemperaturen, die die Wärmebilanz im Herbst und Winter dominieren.
IntegraTE
Beim Monitoring werden auch die Temperaturen im Solarkreis der PVT-Kollektoren erfasst. Die Unterschiede je nach Jahreszeit sind groß. Im Januar und Februar liegt die über den Monat energetisch gewichtete Ausgangstemperatur der PVT-Kollektoren bei 1,7 °C beziehungsweise 0,4 °C. Tageweise liegt die Quelltemperatur der PVT-Kollektoren im Winter sogar bei − 12 °C. Die Leitungen im Solarkreis vom Dach bis zur Wärmepumpe müssen deshalb innerhalb der Gebäudehülle entsprechend gut gedämmt sein, damit sich kein Tauwasser auf der Außenseite der Dämmung bildet.
Im Juli und August liefert der Solarkreis im Mittel 18,4 °C bzw. 19 °C. Für diese große Bandbreite der Quelltemperatur muss die Wärmepumpe ausgelegt sein. PVT-Wärmepumpen-Systeme müssen also immer ein gut aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem sein, betont Kramer.
Wie erhöht sich nun die Jahresarbeitszahl, wenn man den Anteil des Solarstroms abzieht, der gleichzeitig mit dem Betrieb der Wärmepumpe produziert wird? Laut dem Monitoring deckt bei dem Einfamilienhaus in Harsefeld Strom aus den PVT-Kollektoren und den zusätzlich installierten PV-Modulen mithilfe einer Batterie immerhin 33 % des jährlichen Strombedarfs für Wärmepumpe und Heizstab. Die um diesen Eigenstromverbrauch bereinigte Jahresarbeitszahl steigt dadurch von 3,9 auf 5,9.
Die Monitoring-Daten der Demonstrationshäuser zeigen, dass bei einer sinnvoll dimensionierten Photovoltaik-Anlage ohne Batterie rund 10 bis 30 % des Stromertrags direkt für Heizzwecke verwendet werden. Dieser Deckungsanteil steigt auf 25 bis 40 % an, wenn ein Stromspeicher installiert ist.
Regeneration der Erdsonden erhöht die Effizienz der Wärmequelle Erdreich
Die Anlage 3 des Monitorings ist ein großes, saniertes Einfamilienhaus in Schweden mit 340 m2 Wohnfläche. Hier gab es Handlungsbedarf, weil die Erdwärmesonde – über viele Jahre als alleinige Wärmequelle einer Sole/Wasser-Wärmepumpe betrieben – das Erdreich bereits stark ausgekühlt hatte. Bildet sich ein ausgeprägter „Kältetrichter“ um die Erdsonde herum, gehen die Wärmeerträge der Sonde kontinuierlich zurück.
Die 2020 installierte PVT-Anlage mit einer Fläche von 31 m2 mit 19 kWel erfüllt hier also gleich drei Aufgaben: Sie liefert Strom sowie Wärme direkt an die Sole/Wasser-Wärmepumpe (gelbe Säulenabschnitte oberhalb der x-Achse in Bild 4. Wärmeüberschüsse im Sommer können außerdem in die Erdwärmesonde geleitet werden und regenerieren dort das Erdreich. Vor allem in den Monaten Mai bis September liefert die PVT-Anlage einen erheblichen Anteil der Wärme ins Erdreich (orange-braune Säulen unterhalb der x-Achse). Die Monatsbilanz der Wärmemengen zeigt außerdem den interessanten Effekt, dass die Wärmepumpe auch in den Sommermonaten, wenn es mal keine Wärme direkt aus den PVT-Kollektoren gibt, das Erdreich anzapft (braune Balkenabschnitte oberhalb der X-Achse).
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Wie sieht nun die Gesamtbilanz zur Deckung des Wärmebedarfs für Heizen und Warmwasser des schwedischen Wohnhauses aus? 25 % der Quellenwärme für die Wärmepumpe kommt direkt aus dem PVT-Kollektorfeld, 75 % wird aus der Erdsonde bereitgestellt. 76 % dieser Quellenwärme aus der Erdsonde stammt ursprünglich auch von der PVT-Anlage. Kramer: „Dieses Demonstrationshaus zeigt, dass es sehr hilfreich sein kann, im Altbau bestehende Erdsondenfelder mit einem PVT-Kollektorfeld zur Regeneration zu ergänzen, denn so bleibt die Erdreichwärmequelle über Jahre hinweg effizient und muss nicht erweitert oder sogar erneuert werden.“
Bei dem Einfamilienhaus in Schweden zeigt die Messtechnik, dass im Jahresverlauf 21 % (1427 kWh) des Strombedarfs der Wärmepumpe direkt durch PVT-Strom gedeckt wird. Eine Solarstrombatterie gibt es in Haus 3 nicht. Die Jahresarbeitszeit des Jahres 2022 steigt von 3,4 auf 4,3, wenn man den Effekt der direkten PV-Stromnutzung berücksichtigt.
Jahresarbeitszahl sinkt bei höheren Heizkreistemperaturen
IntegraTE
Bild 5 führt die Feldtestergebnisse von Wärmepumpensystemen ohne PVT aus früheren Monitoring-Projekten mit den Ergebnissen der neuen IntegaTE-Demonstrationshäuser zusammen. Jeder blaue Punkt steht für eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, jeder braune Punkt für eine Sole/Wasser-Wärmepumpe – jeweils in Einfamilienhäusern im Bestand. Die schwarzen Punkte für die fünf vermessenen IntegraTE-Anlagen liegen etwa zwischen der Effizienz von Luft/Wasser- und der von Sole/Wasser-Wärmepumpen. Kramer: „Dies ist ein erfreuliches Ergebnis, denn PVT-Wärmepumpensysteme sind eine deutlich jüngere und weniger erprobte Haustechnik, sodass künftig sicherlich noch einiges an Verbesserungspotenzial erschlossen werden kann.“
Auch wenn Bild 5 erwartungsgemäß widerspiegelt, dass die Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen von der Vorlauftemperatur im Heizkreis und bei der Trinkwassererwärmung abhängt, zeigt sich, dass auch im Altbau gute Effizienzwerte erzielt werden. „PVT-Wärmepumpen Anlagen sind nach unseren Erkenntnissen durchaus geeignet, auch im Sanierungsfall zum Einsatz zu kommen“, zieht Kramer Bilanz.
Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGA+E-Dossier Wärmepumpe
Bärbel Epp
