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Abb. 35 Wärmepumpe und Solarenergie lassen sich kombinieren.
© obs/Schüco International KG

Abb. 36 Solarspeicher für Wärmepumpen
© Bundesverband Wärmepumpe e. V., Berlin

Abb. 37 Anlagenschema eines Wärmepumpensystems mit Einbindung eines Flachkollektors an den Trinkwasserspeicher.
© FhG-ISE

Abb. 38 Anlagenschema eines Wärmepumpensystems mit unverglastem Solarkollektor, der Solarwärme in das Erdreich einspeist bzw. direkt der Wärmepumpe als zweite Wärmequelle zur Verfügung stellt.
© FhG-ISE

Abb. 39 Anlagenschema eines Wärmepumpensystems mit Flachkollektoren zur Beheizung des Trinkwasserspeichers und als alleinige Wärmequelle der Wärmepumpe.
© FhG-ISE

Abb. 40 Anlagenschema eines Systems mit Außenluft-Wärmepumpe und Solarkollektor zur direkten Trinkwasserbereitung und als zweite Wärmequelle.
© FhG-ISE
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Wärmepumpen plus Solar

Wärmepumpensysteme lassen sich in vielen Fällen gut  mit thermischen Solaranlagen kombinieren, um im Sommer einen Großteil des Warmwasserbedarfs und in Übergangszeiten einen Teil der Heizlast solar zu decken. Alternativ steigt die Effizienz der Wärmepumpe signifikant, wenn die Tempe-ratur ihrer Wärmequelle solarthermisch angehoben wird.

Solarthermische Systeme werden in Wohngebäuden häufig so ausgelegt, dass Kollektorfläche und Speicher rund 60% des jährlichen Warmwasserbedarfes solar decken. Bei einer größeren Dimensionierung des Systems kann es auch zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden. Der verbleibende Energiebedarf zur Warmwasserbereitung und Raumheizung wird von einem weiteren Wärmeerzeuger, z. B. einem Gaskessel oder einer Wärmepumpe bereitgestellt. Hierbei ist ein Solarkollektor über einen Solarkreis an einen Speicher angebunden.

„Konventionelle“ Einbindung solarthermischer Systeme

Eine Anlagenkonfiguration, die Solaranlage und Wärmepumpe kombiniert, zeigt Abb. 37. Die Solaranlage belädt einen Trinkwasserspeicher, der – immer wenn erforderlich – zusätzlich auch von der Wärmepumpe erwärmt wird. Die Raumheizung wird in diesem Beispiel direkt – also ohne Heizungsspeicher – ausschließlich von der Wärmepumpe übernommen.

Wichtig ist, dass die Wärmepumpenregelung der solaren Wärmeerzeugung Vorrang gibt. Aufgrund der hohen Arbeitszahl der Solaranlage sinkt der elektrische Energiebedarf und die Systemeffizienz erhöht sich. Die Effizienzverbesserung und die Betriebskosteneinsparung hängen von vielen Parametern ab, so z. B. der solaren Einstrahlung, den Typen der Hauptkomponenten und deren Dimensio-nierung. In Anlagen mit erdgekoppelten Wärmepumpen reduziert die Solaranlage die Wärme-abnahme aus dem Erdreich im Sommer. Inwieweit -dadurch die Erdreichtemperatur während des Heiz-betriebes weniger absinkt, bzw. die Erdsonde oder der Erdkollektor kleiner dimensioniert werden können, hängt u. a. von der relativen Verringerung des Wärmeentzuges und dem Vorhandensein von Grundwasserströmungen ab.

Solarwärme als Wärmequelle der Wärmepumpe

Ein anderer Ansatz ist es, die solarthermische Anlage auf der Quellenseite der Wärmepumpe einzubinden. So dient solare Wärme als alleinige oder zusätzliche Wärmequelle für die Wärmepumpe. Seit einigen Jahren findet sich auf dem Markt eine wachsende Anzahl von Systemen, die sich teilweise nur geringfügig, mitunter aber grundlegend, unterscheiden. Zentrale Unterschiede bestehen dabei hinsichtlich folgender Aspekte:

  • Wärmequelle: Art und Dimensionierung der Wärmequelle(n)
  • Wärmespeicher: Ist auf der Wärmequellenseite ein Speicher eingebunden?
  • Welcher Speichertyp wird verwendet?
  • Kollektortyp: Welches Temperatur-Niveau stellt die Solaranlage zur Verfügung?
  • Einbindung: Wird die Solarwärme zusätzlich zur Einbindung in der Quellenseite auch auf der Senkenseite, also zur „direkten“ Trinkwasser- (und Heizungswasser-)Erwärmung eingesetzt?

Im Folgenden werden drei Beispiele aus der Vielzahl der vorhandenen Anlagenkonzepte dargestellt.

Abb. 38 zeigt eine Anlage mit erdgekoppelter Wärmepumpe und Einbindung von unverglasten Kollektoren, die Wärme kostengünstig auf einem niedrigen Temperaturniveau zur Verfügung stellen. Die Solarwärme wird ausschließlich auf der Quellenseite eingebunden. Die im Sommer eingespeiste Solarenergie kann zur Regeneration des Erdreiches  beitragen. Dies stabilisiert die Wärmequelle gegenüber einem möglichen, unvorhersehbar gesteigerten Wärmeentzug und erhöht die Wärmequellentemperatur der Wärmepumpe (geringfügig).

Eine Anlage, die ausschließlich die Solaranlage als Wärmequelle der Wärmepumpe verwendet, zeigt Abb. 39. Vorrangig beheizt der Flachkollektor direkt den Trinkwasserspeicher. Wenn die solare Energieerzeugung den Bedarf übersteigt oder die erzeugten Temperaturen zu gering sind, wird die solare Wärme in einen Pufferspeicher geführt, der als Wärmequelle der Wärmepumpe genutzt wird. Der Speicher sorgt dafür, dass die Wärmenutzung der Solarenergie zeitversetzt mit deren Erzeugung erfolgen kann.

Ein Anlagenkonzept mit Außenluft-Wärmepumpe und Flachkollektor ist in Abb. 40 dargestellt. Die solare Wärme beheizt vorrangig einen Trinkwasserspeicher. Ist die erzeugte Temperatur nicht ausreichend, wird die solare Wärme während des Wärmepumpenbetriebes direkt als zusätzliche Wärmequelle der Wärmepumpe verwendet. Dies erhöht die Quellentemperatur der Wärmepumpe, die bei Außenluft-Wärmepumpe in der Heizperiode an kalten Tagen nur sehr niedrig ist.

Systembewertung

Feldmessungen und Simulationsstudien zeigen Effizienzverbesserungen durch eine Solaranlage auf der Wärmesenkenseite („klassisches System“). Die Einbindung auf der Wärmequellenseite erfordert ein ausgereiftes, robustes Regelungskonzept, der Zugewinn ist differenzierter zu betrachten. Bislang fehlen umfassende Ana-lysen der unterschiedlichen Konzepte bei verschiedenen Einsatzbereichen und Randbedingungen. Während für Wärmepumpen und Solarkollektoren jeweils einschlägige Richtlinien existieren, kann für kombinierte Sys-teme auf keine entsprechenden Standards zurückgegriffen werden.

Das europäische Projekt „Solar and Heat Pump Systems“ der Internationalen Energy Agency IEA mit einer Laufzeit von 1/2010 bis 12/2013 widmet sich der Vergleich-barkeit solarthermischer Wärmepumpensysteme und erarbeitet u. a. Bewertungsgrößen und Methoden für die System-untersuchung im Rahmen von Simulationsmethoden, Labormessungen und Feldtests. In dieses Verbundvorhaben fließen auch die Ergebnisse eines an der Universität Stuttgart durchgeführten und vom BMU geförderten Projektes zur Entwicklung von Leistungsprüfungen und der ökologischen Bewertung von kombinierten Solar-Wärmepumpenanlagen (WPSol) ein.

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