Effizienzsteigerung mit PVT-Kollektoren

PVT-Kollektoren gelten als alternative Wärmequelle für Sole-Wärmepumpen. Sie gewinnen sowohl Strom als auch Wärme aus Sonnenenergie und Umgebungswärme, die sie der Wärmepumpe zuführen, um deren Effizienz und CO₂-Bilanz zu verbessern. Übers Jahr hinweg produzieren PVT-Kollektoren in einer solchen Kombination etwa viermal mehr Gesamtenergie, also Wärme und Strom, als eine Photovoltaikanlage mit der gleichen Fläche. Bild 1: Vermessene Einfamilienhäuser im Überblick. Die Nummer entspricht der Anlagen-Nummerierung im öffentlich zugänglichen Monitoring-Portal. Die Ergebnisse von Haus 1 sind schraffiert, weil hier eine Gastherme parallel zur Wärmepumpe installiert ist, so dass über eine Vorzugsregelung die Wärmepumpe eher bei günstigen Witterungsverhältnissen betrieben wird.
Quelle: 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 (siehe Bild 1). Die Monitoring-Daten sind auf der IntegraTE Webseite http://pvt-energie.de öffentlich zugänglich. Bild 2a: Das Beispielhaus Nummer 4, ein Neubau in Harsefeld. Die Dachfläche, die mit PVT-Kollektoren belegt ist, beträgt 15,9 m².
Quelle: IntegraTE

Bewertungskriterien für die Effizienz

Die zentrale Kenngröße zur Beurteilung der Anlagen ist die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie definiert sich aus der jährlich bereitgestellten Wärmemenge für Heizen und Warmwasser bezogen auf die dafür notwenige elektrische Energie für Wärmepumpe (Verdichter, Heizstab und Steuerung), 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 1 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.

Bild 2b: Monatliche Energiebilanz für Haus 4 mit einer Wärmepumpe, die allein über das PVT-Kollektorfeld die Wärme bezieht und von einem elektrischen Heizstab als Zusatzheizung abgesichert ist.
Quelle: IntegraTE

Am besten schneidet der Einfamilienhaus-Neubau in Altenbuch ab (Haus 5) mit einer JAZ von 4,2. 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 Effizienzen. Der Projektleiter 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 exemplarisch für einen Neubau (Haus 4) bzw. einen Altbau (Haus 3) genauer betrachtet.

25 bis 40 % des PVT-Stroms werden über die Batterie fürs Heizen verwendet

Das neue Wohnhaus in Harsefeld, Niedersachsen, (Haus 4) wird allein über die PVT-Kollektoren mit modulierender 6-kWth-Solar-Wärmepumpe beheizt. Auf dem Dach ist neben einem 16 m² PVT-Feld mit 3,6 Kilowatt (kW_el) noch eine PV-Anlage mit 1,8 kW_el installiert. 

Die vierköpfige Familie, die 190 m² bewohnt, kann sich über niedrige Heizkosten freuen, weil hier das Monitoring Jahresarbeitszahlen von deutlich über 3 bestätigt. In dieser Bilanz ist der Strombedarf für den 7-kW-Elektro-Heizstab auch schon eingerechnet, der laut der Monatsbilanz des Jahres 2022 nur selten anspringt (siehe Bild 2b). Das Heizsystem der Harsefelder Familie benötigte insgesamt 2.566 kWh Strom im Jahr 2022. Davon gingen 79 % an die Wärmepumpe, 13 % waren Hilfsstrom für Pumpen und Regelung und 8 % der Energiemenge wurde direkt im Heizstab in Wärme umgesetzt. Im Betrieb erreicht das PVT-Wärmepumpen-Heizsystem mit dem PVT-Kollektoren als einzige Wärmequelle für die Wärmepumpe also eine ähnliche Effizienz wie eine Anlage mit PVT und Erdkollektor, wobei der Heizstab natürlich viel günstiger ist als ein Erdkollektor, fasst Kramer zusammen. Bild 3a: Beispielhaus 3 ist ein renoviertes Einfamilienhaus in Schweden, das mit 90 m² PVT-Kollektoren ausgestattet ist. Hier dient die PVT-Anlage auch zur Regenera-
tion einer bereits langjährig genutzten Erdwärmesonde für die Wärmepumpe.
Quelle: IntegraTE

Bild 2b zeigt, dass die Effizienz des Heizsystems – ausgedrückt durch eine monatliche Arbeitszahl der Wärmepumpe – über das Jahr schwankt. Klar ist, dass die hohen Temperaturen für das Brauchwarmwasser im Sommer von der Wärmepumpe in der Tendenz mit einem schlechteren Wirkungsgrad erzeugt werden als die moderaten Heiztemperaturen, die die Wärmebilanz im Herbst und Winter dominieren. 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 Solarkreis-Leitungen vom Dach müssen innerhalb der Gebäudehülle entsprechend gut gedämmt sein, damit sich kein Kondenswasser bildet. 

Im Juli und August kommen dagegen im Mittel 18,4 bzw. 19 °C vom Dach. Für diese große Bandbreiten der Quelltemperaturen muss die Wärmepumpe ausgelegt sein. PVT-Wärmepumpen-Systeme müssen also immer ein gut aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem sein, meint Kramer vom Fraunhofer ISE.

Wie erhöht sich nun die Jahresarbeitszahl, wenn man den Anteil des Solarstroms abzieht, der gleichzeitig mit dem Betrieb der Wärmepumpe produziert wird? Laut Monitoring deckt bei dem Einfamilienhaus in Harsefeld Strom aus den PVT-Kollektoren und den zusätzlich installierten PV-Modulen mit Hilfe 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 Anlage ohne Batterie rund 10 bis 30 % des PV-Stroms direkt für Heizzwecke verwendet werden. Dieser Deckungsanteil steigt auf 25 bis 40 % an, wenn eine Solarstrombatterie installiert ist. Bild 3b: Monatliche Wärmebilanz der Wärmequellen für die Sole-Wärmepumpe in Haus 3. Die Wärmemengen aus PVT-Anlage und Erdreich, die direkt an die Wärmepumpe fließen, sind positiv (oberhalb der x-Achse) dargestellt. Die überschüssige PVT-Wärme, die über die Sonde dem Erdreich zugeführt wird, erscheint unterhalb der x-Achse.
Quelle: IntegraTE

Regeneration der Erdsonden erhöht die Effizienz der Erdreichwärmequelle

Die Anlage 3 des Monitorings ist ein großes, saniertes Einfamilienhaus in Schweden mit 340 m² Wohnfläche. Hier gab es Handlungsbedarf, weil die Erdsonde – über viele Jahre als alleinige Wärmequelle einer Sole-Wärmepumpe betrieben – das Erdreich bereits stark ausgekühlt hatte. In diesem Fall bildet sich ein Kältetrichter um die Erdsonde herum und die Wärmeerträge der Sonde gehen kontinuierlich zurück. 

Die 2020 installierte PVT-Anlage mit einer Fläche von 31 m² mit 19 kW_el erfüllt hier also gleich drei Aufgaben. Sie liefert Strom sowie Wärme direkt an die Sole-Wärmepumpe (gelbe Säulenabschnitte oberhalb der x-Achse in Bild 3b). Die Wärme-Überschüsse im Sommer können außerdem in die Erdsonde geleitet werden und regenerieren dort das Erdreich. Dass dies gut gelingt, zeigt Bild 3b. 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). 

Wie sieht nun die Gesamtbilanz zur Deckung des Wärmebedarfs für Heizen und Warmwasser des schwedischen Wohnhauses aus? 25 % der Wärme 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. „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 werden,“ fasst Kramer zusammen. Bei dem Einfamilienhaus in Schweden zeigt die Messtechnik, dass 21 % – entspricht 1.427 kWh – des Wärmepumpenstrombedarfs über das Jahr hinweg direkt durch PVT-Strom gedeckt wird. Eine Solarstrombatterie gibt es hier nicht. Die Jahresarbeitszeit des Jahres 2022 steigt also von 3,4 auf 4,3, wenn man diesen Effekt berücksichtigt. Bild 4: Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpensystemen in Einfamilienhäusern im Bestand mit und ohne PVT vermessen im Jahr 2019. Blaue Punkte stehen für Luftwärmepumpen, braune Punkte für Solewärmepumpen. Beide stammen aus dem Projekt WP smart im Bestand. Die schwarzen Punkte illustrieren die fünf vermessenen Wohnhäuser aus IntegraTE mit Daten des Jahres 2022.
Quelle: IntegraTE

Jahresarbeitszahl sinkt bei höheren Heizkreistemperaturen

Bild 4 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 Luftwärmepumpe, jeder braune Punkt für eine Solewärmepumpe – jeweils in Einfamilienhäusern im Bestand. Die schwarzen Punkte für die fünf vermessenen IntegraTE-Anlagen liegen etwa zwischen der Effizienz von Luft- und der von Solewärmepumpen. „Dies ist ein erfreuliches Ergebnis, weil die PVT-Wärmepumpensysteme ja noch eine deutlich jüngere und weniger erprobte Haustechnik sind, die sicherlich noch einiges an Verbesserungspotential erschließt“, erklärt Kramer.

Auch wenn Bild 4 zeigt, dass die Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen von der Temperatur im Heizkreis und im Warmwasserkreis abhängt, lassen sich gute Effizienzwerte im Altbau erzielen. „PVT-Wärmepumpen Anlagen sind nach unseren Erkenntnissen durchaus geeignet auch im Sanierungsfall zum Einsatz zu kommen,“ zieht Kramer Bilanz.

Ein Video zum Zusammenspiel von PVT-Kollektoren und Erdwärmesonden (3,5 min) finden Sie unter: https://t1p.de/shk-profi-2024-3-pvt