Wärmepumpen sind eine hocheffiziente Heiztechnik, die beträchtliche Mengen elektrischer Energie benötigt. Daher wird Photovoltaik als selbstverständlicher Systempartner der Wärmepumpe gesehen.
Die Praxiserfahrung mit aus dem Bestand übernommenen Sonnenkollektoren zeigt jedoch, dass Solarthermie in Kombination mit Wärmepumpen ebenfalls sehr positive Effekte mit sich bringt.
Der Strombedarf von Wärmepumpen wird überschätzt
Aufgrund der hohen Effizienz kommt der weitaus größere Teil der Heizleistung einer Wärmepumpe nicht aus dem Stromverbrauch, sondern aus der Umgebungswärme (Luft, Grundwasser, Erdreich). Die elektrische Leistungsaufnahme ist folglich nicht sehr hoch, typischerweise 2 bis 3 Kilowatt elektrischer Leistung für 10 kW Heizleistung. Daraus folgt, dass bei kräftigem Sonnenschein die Leistung einer PV-Anlage schnell die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe übersteigt. Was darüber hinausgeht, muss entweder in einem Batteriespeicher gepuffert werden, oder es wird mit geringer Effizienz nur direktelektrisch (1:1) in Wärme gewandelt.
Ein Sonnenkollektor liefert dagegen bei Sonnenschein seine volle Leistung zusätzlich zur Wärmepumpe in die Anlage und übernimmt dabei mit höchster Priorität die Nachladung des Speichers zur Trinkwasserwärmung. Die Wärmepumpe muss daher viel seltener auf das hohe Temperaturniveau der Warmwasserladung umschalten, sondern kann durchgehend mit viel besserer Effizienz den Heizkreis versorgen.
Wärmespeicherung ist Basis für das Heizen mit Sonnenenergie
Der Heizwasser-Pufferspeicher verbindet die Wärmepumpe und den Kollektorkreis mit den Verbraucherkreisen. Eine Schichttrennplatte trennt ihn in zwei Temperaturzonen.
Im Bestand vorhandene Pufferspeicher verfügen häufig über keine Schichttrennplatte. Besondere Schichtlade-Einbauten, die für Heizkessel nützlich sind, können die Effizienz einer Wärmepumpe sogar beeinträchtigen. Dann ist es besser, die Wärmepumpenheizung mit zwei Pufferspeichern zu bauen, die relativ unabhängig voneinander die Warmwasserbereitung und die Heizkreise versorgen.
Diese Schaltung hat sich in vielen Fällen sehr bewährt:
- Kleine Einbringmaße der Pufferspeicher und insgesamt trotzdem reichliches Speichervolumen
- Lange Laufzeiten der Wärmepumpe durch Überheizen des Heiz-Puffers
- Zwei Speicherzonen für Solarwärme für Anlauf des Kollektorkreises auch bei geringer Sonneneinstrahlung
- Bestes Management der solarthermischen Überschusswärme außerhalb der Heizperiode
Die Wärmespeicherung sorgt wie bei jeder Solarthermieanlage dafür, dass die am Tag gesammelte Wärme nicht gleich die Räume überheizt, sondern über viele Stunden verteilt für einen guten Komfort sorgt. Das ist vor allem für Häuser mit Heizkörpern relevant, weil diese unmittelbar die Raumluft aufheizen.
Fußbodenheizungen haben dagegen neben dem Vorteil der niedrigeren Auslegungstemperaturen auch den Vorteil, die Wärmekapazität der Geschossdecken besser zu nutzen.
Pufferspeicher und Solarthermie entschärfen das Problem einer „zu groß“ dimensionierten Wärmepumpe.
Die Dimensionierung der Wärmepumpe in Bezug zur maximalen Heizlast entscheidet darüber, ob und ggf. mit welcher Leistung bei sehr niedrigen Außentemperaturen eine Zusatzheizung erforderlich ist. Dabei muss davon ausgegangen werden, dass zur Entlastung des Stromnetzes und des eigenen Stromspeichers die Wärmepumpe keine 24 Stunden durchlaufen kann.
Je reichlicher die Wärmepumpe dimensioniert ist, desto eher übersteigt aber an sonnigen Tagen der Übergangsjahreszeiten die Leistung der Wärmepumpe selbst bei minimaler Verdichterdrehzahl die verbleibende Heizlast. In diesem Fall deckt die Leistung der Solarthermie viel besser die aktuelle Heizlast ab und ermöglicht ein längeres Abschalten der Wärmepumpe.
Einen ähnlichen Effekt schafft zwar auch die direktelektrische Wärmeerzeugung mit Solarstrom, jedoch mit deutlich schlechterer Flächeneffizienz und mit den Einschränkungen nach § 71d GEG bzw. § 46 GModG (Entwurf).
Integrierte Systemregelung für Solarthermie, Photovoltaik und Wärmepumpe
Die einfachen Regelfunktionen einer üblichen Wärmepumpe schaffen nur die Solarwärme aus dem Sonnenkollektor in den Speicher, bis eine Maximaltemperatur erreicht ist.
Ein mit der Photovoltaik installiertes Home Energy Management System (HEMS) kann zwar der Wärmepumpenregelung das direkte Signal für die PV-Überschussnutzung für Warmwasser und Raumheizung geben. Aber diese Konfiguration kann dazu führen, dass sich PV-Überschusswärme und Solarwärme gegenseitig blockieren.
Dagegen leistet eine Systemregelung
- Betrieb des Kollektorkreislaufs mit Prioritätenschaltung für mehrere Speicherzonen
- Fehlererkennung und Überschuss-Management
- Vermeiden der Warmwasserladung durch die Wärmepumpe, während der Kollektorkreis diese Speicherzone versorgt
- Verstärkter Betrieb der Wärmepumpe für die Raumheizung, wenn die PV-Anlage ausreichend Leistung hat und der Batteriespeicher weitgehend aufgeladen ist.
- Volle Ausnutzung der thermischen Speicherkapazitäten in Zeiten mit geringer Sonneneinstrahlung
Die Systemregler von Technische Alternative erfassen alle relevanten Temperaturwerte der Anlage und haben über eine Modbus TCP-Schnittstelle (innerhalb des LAN-Heimnetzes) Zugriff auf die aktuellen Betriebsdaten von Wärmepumpe und ggf. Photovoltaik. So wird auf Basis des Bedarfs bzw. der Aufnahmefähigkeit der thermischen Anlagenteile sowie der verfügbaren Solarenergie vom eigenen Dach eine optimierte Regelung des Gesamtsystems möglich.
Im Onlinemonitoring dieser konkreten Anlage zeigte sich, dass der 5 m² kleine Sonnenkollektor durch die Koppelung mit dem Heizkreis-Pufferspeicher geradezu entfesselt wird. Dabei ist dieses Schema frei skalierbar für größere Kollektorflächen und für Mehrfamilienhäuser.
Im Sommerbetrieb bleibt die Wärmepumpe vollständig abgeschaltet, weil das große Puffervolumen die Solarwärme der Schönwettertage auch für längere Perioden mit Regenwetter verfügbar macht. Ein Stagnationsbetrieb mit Dampfbildung im Kollektor, wie er bei Warmwasser-Solarspeichern mit geringer nutzbarer Wärmekapazität häufig auftritt, wird sicher vermieden.
Bei hohen Temperaturen im Speicher lässt die Effizienz der Solarthermie deutlich nach. Umgekehrt ist damit der Effekt verbunden, dass der Sonnenkollektor mit bester Effizienz Leistung liefert, wenn der Wärmebedarf hoch und der Speicher dementsprechend ausgekühlt ist. Die jahreszeitliche Verteilung des Solarwärmeangebots ist daher viel besser, als allgemein vermutet wird.
Solarthermie nicht nur erhalten, sondern ausbauen
Wo bisher Solarthermie den Öl- oder Gasverbrauch eines Heizkessels vermindert hat, ist es meistens sinnvoll, beim Umbau auf eine Wärmepumpenheizung die Sonnenkollektoren zu erhalten. Wichtigstes Kriterium ist dabei eine gute Südausrichtung der Sonnenkollektoren. Nur bei einer nach Osten oder Westen orientierten Kollektorfläche geht die Flächeneffizienz der Solarthermie vor der Photovoltaik weitgehend verloren.
In vielen Fällen lohnt sich dagegen sogar eine Neuinstallation. Optimal ist ein Winkel der Südabweichung unter 30 Grad und eine Neigung zwischen 30 und 50 Grad. Unter diesen Voraussetzungen sind 10 m² Kollektorfläche pro versorgter Wohneinheit nie überdimensioniert. Das lässt meistens genug Dachfläche frei für eine zusätzliche PV-Nutzung.
Ausführlichere Informationen zur Kombination von Solarthermie und Wärmepumpe bietet diese Präsentation:
Darüber hinaus stehe ich gerne für eine persönliche Beratung zur Verfügung.
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