Monitoring im Realbetrieb

PVT-Wärmepumpen-Systeme in Einfamilienhäusern

Die Initiative IntegraTE begleitet die schnell wachsende PVT-Branche und untersucht Zuverlässigkeit und Leistung von PVT-Wärmepumpensystemen unter Realbedingungen. Das mehrjährige Monitoring von fünf Einfamilienhäusern ergibt wertvolle Erkenntnisse.

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1 - Vermessene Einfamilienhäuser im Überblick. Der Steckbrief des Projektes zeigt die Heiztechnik und das Verteilsystem der Heizwärme im Haus (Fußbodenheizung oder Radiatoren). 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. Bild: IntegraTE
1 - Vermessene Einfamilienhäuser im Überblick. Der Steckbrief des Projektes zeigt die Heiztechnik und das Verteilsystem der Heizwärme im Haus (Fußbodenheizung oder Radiatoren). 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. Bild: IntegraTE

Die Autorin: Bärbel Epp, Solrico, Bielefeld, Projektpartnerin bei IntegraTE

Photovoltaisch-thermische (PVT) Kollektoren gelten als alternative Wärmequelle für Sole-Wärmepumpen. Sie gewinnen Strom und Wärme aus Sonnenenergie und Umgebungswärme, die sie der Wärmepumpe zuführen und so deren Effizienz und CO2-Bilanz verbessern. Übers Jahr hinweg produzieren PVT-Kollektoren in einer solchen Kombination etwa viermal mehr Gesamtenergie als eine PV-Anlage mit gleicher Fläche.

Um die Bekanntheit einer solchen Kombination 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) drei wissenschaftliche Partner am Start. Inzwischen schlossen sich 16 Systemlieferanten aus Deutschland und den Nachbarländern der Initiative an.

Eine zentrale Aktivität innerhalb von IntegraTE ist die Vermessung von PVT-Wärmepumpensystemen unter Realbedingungen. Die Industriepartner bei IntegraTE konnten Demonstrationshäuser vorschlagen, die mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet wurden. Die ersten Einfamilienhäuser mit Anlagekonzepten von verschiedenen Systemlieferanten sind nun zwei Jahre vermessen (Bild 1). Die Monitoring-Daten sind auf der IntegraTE Webseite http://pvt-energie.de öffentlich zugänglich.

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“, sagt 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.

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 Wirkungsgrade. Der Projektleiter betont, dass alle Demoanlagen im Neu- wie Altbau über die ersten beiden Jahre recht stabil liefen. Durch die Kommunikation mit den ausführenden Fachfirmen konnten die Systeme zudem teilweise energetisch optimiert werden.

Die Betriebsergebnisse von zwei Anlagen werden exemplarisch für einen Neubau (Haus 4) bzw. einen Altbau (Haus 3) genauer betrachtet.

Wohnhaus Harsefeld: PVT, PV und Solar-Wärmepumpe

Das neue Wohnhaus in Harsefeld, Niedersachsen (Haus 4), wird ausschließlich über die PVT-Kollektoren mit modulierender 6-kWth-Solar-Wärmepumpe beheizt. Auf dem Dach ist neben einem 16 m2 PVT-Feld mit 3,6 kWel eine PV-Anlage mit 1,8 kWel 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 eingerechnet, der laut der Monatsbilanz des Jahres 2022 nur selten anspringt (siehe Bild 2). Das Heizsystem in Harsefeld benötigte 2022 insgesamt 2.566 kWh Strom. Davon gingen 79 % an die Wärmepumpe, 13 % als Hilfsstrom an Pumpen und Regelung und 8 % an den Heizstab.

Monatliche Energiebilanz für Haus 4 – ein Neubau-Einfamilienhaus in Harsefeld, Niedersachsen, mit einer Wärmepumpe, die alleine über das PVT-Kollektorfeld die Wärme bezieht und von einem elektrischen Heizstab als Zusatzheizung abgesichert ist. Grafik: IntegraTE
2 - Monatliche Energiebilanz für Haus 4 – ein Neubau-Einfamilienhaus in Harsefeld, Niedersachsen, mit einer Wärmepumpe, die alleine über das PVT-Kollektorfeld die Wärme bezieht und von einem elektrischen Heizstab als Zusatzheizung abgesichert ist. Bild: IntegraTE

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 2 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 Solarkreisleitungen 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 C° bzw. 19 °C vom Dach. Für diese großen Bandbreiten der Quelltemperaturen muss die Wärmepumpe ausgelegt sein. PVT-Wärmepumpen-Systeme müssen also immer ein gut aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem sein, meint Kramer.

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.

Einfamilienhaus in Schweden: PVT und Erdwärmepumpe

Für Anlage 3 des Monitorings, ein großes, saniertes Einfamilienhaus in Schweden mit 340 m2 Wohnfläche, gab es Handlungsbedarf: Die Erdsonde – über viele Jahre als alleinige Wärmequelle einer Sole-Wärmepumpe betrieben – hatte das Erdreich bereits stark ausgekühlt. Um die Erdsonde herum bildet sich ein Kältetrichter und die Wärmeerträge der Sonde gehen 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 und Wärme direkt an die Sole-Wärmepumpe (gelbe Säulenabschnitte oberhalb der x-Achse in Bild 3). Die Wärmeüberschüsse im Sommer können außerdem in die Erdsonde geleitet werden und regenerieren dort das Erdreich. Dass dies gut gelingt, zeigt Bild 3. 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).

Monatliche Wärmebilanz der Wärmequellen für die Sole-Wärmepumpe mit 11 kWth in Haus 3 - ein saniertes Einfamilienhaus in Schweden mit 340 m2 beheizter Wohnfläche. 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. Grafik: IntegraTE
3 - Monatliche Wärmebilanz der Wärmequellen für die Sole-Wärmepumpe mit 11 kWth in Haus 3 - ein saniertes Einfamilienhaus in Schweden mit 340 m2 beheizter Wohnfläche. 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. Bild: IntegraTE

Zur Gesamtbilanz zur Deckung des Wärmebedarfs für Heizen und Warmwasser des schwedischen Wohnhauses: 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 % (1.427 kWh) des Wärmepumpenstrombedarfs über das Jahr direkt durch PVT-Strom gedeckt wird. Eine Solarstrombatterie gibt es hier nicht. Wird dieser Effekt berücksichtigt, steigt die Jahresarbeitszahl des Jahres 2022 von 3,4 auf 4,3.

Jahresarbeitszahl sinkt bei höheren Heizkreistemperaturen

Bild 4 führt die Feldtestergebnisse von Wärmepumpensystemen ohne PVT aus früheren Monitoringprojekten 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.

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. Grafik: IntegraTE
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. Bild:: IntegraTE

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.

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