28. Okt 2014

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

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-Wasser-Wärmepumpen 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 Gas-Kompressionsprozess 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 Wasser-Volumenströmen 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 Warmwasser-Anlagen, 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)

0 Kommentare

Kommentar hinzufügen

Partner

  • Agentur Erneuerbare Energien und Energieeffizienz

Job-Plattform

Suchen Sie einen Mitarbeitenden 
oder eine Stelle? 
Bei uns sind Sie richtig!

Hier geht's weiter >>

Aktuelle Jobs

Chef de projet en énergie solaire photovoltaïque (h/f) 100% à Puidoux

AGROLA SA, filiale de fenaco société coopérative, est l'un des principaux fournisseurs d'énergie en Suisse. Notre vaste portefeuille comprend le commerc...

Ist Ihr Unternehmen im Bereich erneuerbare Energien oder Energieeffizienz tätig? Dann senden sie ein e-Mail an info@ee-news.ch mit Name, Adresse, Tätigkeitsfeld und Mail, dann nehmen wir Sie gerne ins Firmenverzeichnis auf.

Newsletter abonnieren

Follow us

In order to provide the best quality for you, our system uses "cookies", which are stored on your device. Cookies are necessary to identify what information (job advertisement, questionnaire, etc) you have already seen. IP address is used for the same purposes as described above.

When creating a profile, applying to the newsletter, job subscriptions and etc, you agree that the data, which you have entered, will be stored and processed in the system in order to provide services, which you have applied for.

We do NOT sell your personal data to any 3rd party services.

You must be 18 or older years old to use our services. If you are underage, you must have a permission to use our services from your parent or guardian. It is necessary in order to store and process your data.

By continuing to use our services, you agree with the these terms. You can withdraw your agreement at any time, by deleting cookies from your device and by sending request for deleting your data to the administrator.

Close