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Solar-Wärmepumpen-System

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Definition: ein System zur Wärmeerzeugung mit einer Kombination von Sonnenkollektoren und Wärmepumpe

Englisch: solar/heat pump system

Kategorien: erneuerbare Energie, Grundbegriffe, Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 25.12.2013; letzte Änderung: 28.07.2016

Reine Solarthermie-Systeme mit Sonnenkollektoren können Wärme für Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung mit sehr geringem Primärenergieaufwand erzeugen; es wird lediglich wenig elektrische Energie für eine Umwälzpumpe und eine elektronische Steuerung benötigt. Allerdings fällt die Sonnenenergie oft gerade dann nicht oder nicht ausreichend an, wenn am meisten Wärme benötigt wird.

Auf der anderen Seite können Wärmepumpen, insbesondere wenn sie eine auch an kalten Tagen ausreichend gute Wärmequelle wie z. B. das Erdreich nutzen können, verlässlich Wärme liefern (→ Wärmepumpenheizung). Sie benötigen aber wesentliche Mengen an Antriebsenergie, häufig in Form von elektrischer Energie (→ Elektrowärmepumpe).

Um eine verlässliche Wärmeversorgung mit insgesamt geringerem Primärenergieaufwand zu ermöglichen, kann man Solarthermie und Wärmepumpen auch miteinander kombinieren zu einem Solar-Wärmepumpen-System – und zwar auf recht unterschiedliche Weisen, die im Folgenden beschrieben werden.

Solar-Wärmepumpen-Systeme ermöglichen keine Solarheizung im eigentlichen Sinn, bei der der Großteil der Primärenergie durch Sonnenenergie ersetzt wird. Immerhin ist der Primärenergieverbrauch bei manchen (nicht bei allen) Solar-Wärmepumpen-Systemen geringer als bei reinen Wärmepumpenheizungen.

Typen von Solar-Wärmepumpen-Systemen

Parallele Systeme

paralleles Solar-Wärmepumpen-System

Abbildung 1: Ein paralleles Solar-Wärmepumpen-System, bei dem ein Speicher sowohl von Sonnenkollektoren als auch von der Wärmepumpe gespeist werden kann.

Bei einem parallelen System (Abbildung 1) wird der Wärmebedarf so weit wie möglich direkt mit Sonnenkollektoren gedeckt, und eine Wärmepumpe mit einer separaten Wärmequelle erzeugt nach Bedarf zusätzliche Wärme. Die Kollektoren sind meist Flachkollektoren, teils auch Vakuum-Röhrenkollektoren. In der Regel wird die Wärme zunächst in einen gemeinsamen Pufferspeicher (Solarspeicher) gegeben, um eine gewisse Entkopplung von Angebot und Bedarf zu erreichen. Idealerweise wird ein Schichtladespeicher verwendet. Nur der oberste Teil davon wird ständig auf für die Nutzung ausreichend hoher Temperatur gehalten, ggf. unter Einsatz der Wärmepumpe. Der Rest des Speichers wird nur mit Hilfe von Sonnenenergie beladen, soweit sie verfügbar ist.

Parallele Systeme erreichen meist nur einen geringen solaren Anteil der jährlichen Wärmeproduktion.

Leider ergänzen sich Sonnenkollektoren und Wärmepumpe hier nicht ideal. Beide arbeiten am effizientesten bei möglichst tiefen Speichertemperaturen. Die Wärmepumpe wird also weniger effizient, wenn die Kollektoren bereits Wärme geliefert haben, und umgekehrt gilt dasselbe. Immerhin dürfte so ein geringerer Primärenergieeinsatz nötig werden als bei einem reinen Wärmepumpensystem – freilich auch mit entsprechend höheren Investitionskosten. Der Anteil der solaren Wärme im Jahresmittel ist bei solchen Systemen aber leider recht begrenzt. Man wird nämlich die Kollektoren nicht so groß dimensionieren wollen, dass im Sommer ein großer Überschuss an Wärme entsteht. Im Winter ist der Beitrag der Kollektoren dann relativ gering.

Es wäre übrigens sinnvoller, ein Haus nur mit Sonnenkollektoren und ein anderes nur mit einer Wärmepumpe auszustatten, anstatt ein Haus mit beidem (alles paralleles System) und das andere mit einer konventionellen Heizung.

Serielles System

serielles Solar-Wärmepumpen-System

Abbildung 2: Ein serielles Solar-Wärmepumpen-System.

Man erhält ein einfaches serielles System (Abbildung 2), indem man die Sonnenkollektoren als Wärmequelle für die Wärmepumpe verwendet – im einfachsten Fall als deren einzige Wärmequelle. Meist wird dies so eingerichtet, dass die Kollektoren bei guter Sonneneinstrahlung den Speicher direkt beladen können, also ohne dass die Wärmepumpe laufen muss. Bei schwacher Sonneneinstrahlung reicht die erzielbare Kollektortemperatur hierfür nicht aus; dann bringt die Wärmepumpe die erzeugte Wärme auf ein höheres Temperaturniveau. Unter Umständen werden die Kollektoren kaum mehr wärmer als die Umgebung, oder sogar etwas kälter. Sie verlieren damit viel weniger Wärme nach außen, oder gewinnen sogar noch etwas Umgebungswärme, und liefern entsprechend mehr Nutzwärme (vor allem in der Übergangszeit, teils auch im Winter). Dafür benötigt die Wärmepumpe aber Antriebsenergie. Die solare Wärme ersetzt dann eine andere Niedertemperatur-Wärmequelle für die Wärmepumpe, anstatt direkt Nutzwärme zu liefern. Anders gesagt wird mit Sonnenenergie dann nur Anergie gewonnen, nicht Exergie.

Bei diesem Konzept können auch möglichst einfach gebaute Niedrigsttemperatur-Sonnenkollektoren verwendet werden, die über eine wenig wirksame Wärmedämmung oder gar keine Wärmedämmung verfügen. Dies kann Kosten einsparen und die Wärmeausbeute im Betrieb mit Wärmepumpe sogar erhöhen, weil z. B. Verluste durch Reflektion von Sonnenstrahlung an einem isolierenden Deckglas vermieden werden. Dann wird allerdings die Wärmepumpe fast immer benötigt, da die höheren Temperaturen für ein direktes Laden des Speichers schwer erreichbar werden.

Nachts oder bei trübem Wetter ist die Ausbeute an Heizleistung relativ gering, selbst wenn die Kollektortemperatur etwas unter die Umgebungstemperatur absinkt. Man wird dann möglichst die Wärme aus dem Speicher beziehen und diesen erst wieder aufladen, wenn die Verhältnisse besser werden. Idealerweise würde die Steuerung mit Hilfe der Wettervorhersage “wissen”, ob sich das Abwarten lohnt oder die Verhältnisse eher noch ungünstiger werden.

Der Niedertemperaturbetrieb erfordert, dass man dem möglichen Problem der Kondensation Rechnung trägt.

Bei Kollektortemperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur kann es zur Kondensation von Luftfeuchtigkeit kommen, ggf. sogar zur Bildung eines Eisbelags. Niedertemperaturkollektoren können so ausgelegt werden, dass sich die Kondensation möglichst wenig nachteilig auswirkt, und sogar ein zeitweiliger Eisbelag wird toleriert. Ansonsten kann die Leistung der Wärmepumpe reduziert werden, bevor die Kollektortemperatur zu stark absinkt – wobei aber natürlich die Heizleistung einbricht. Dies geht nur solange, wie man die benötigte Nutzwärme aus dem Speicher beziehen kann.

Da die oben beschriebenen seriellen Systeme zeitweise nur eine eingeschränkte Heizleistung bringen können, sind sie für die komplette Wärmeversorgung eines Hauses meist nicht geeignet. Sie müssen deswegen um weitere Komponenten wie z. B. einen Heizkessel ergänzt werden, was leider die Investitionskosten weiter nach oben treibt. Ein Erdgas-Heizkessel lässt sich allerdings relativ kostengünstig realisieren, falls ein Gasanschluss vorhanden ist, und da er nur für kalte trübe Tage benötigt wird, kann der jährliche Brennstoffbedarf ziemlich gering ausfallen.

serielles Solar-Wärmepumpen-System mit Niedertemperatur-Wärmespeicher

Abbildung 3: Ein serielles Solar-Wärmepumpen-System mit Niedertemperatur-Wärmespeicher. Die Wärmepumpe bezieht Wärme aus dem Niedertemperatur-Speicher, der mit Hilfe der Kollektoren wieder regeneriert wird.

Manche seriellen Systeme verwenden anstelle eines Heizkessels einen zusätzlichen Niedertemperatur-Wärmespeicher (Abbildung 3), oft in Form eines Eisspeichers. Da hier auch die latente Wärme (Erstarrungswärme) genutzt werden kann und eine Wärmedämmung des Speichers nicht nötig ist, ist damit eine recht hohe Speicherkapazität möglich (mehr als mit dem oben erwähnten Warmwasser-Pufferspeicher), die sogar für die saisonale Speicherung ausreicht. Es kann also in warmen Wochen viel solare Wärme eingespeichert und in kalten Wochen verwendet werden. (Nicht verwertbare Solarwärme dürfte kaum je entstehen.) Ein zusätzlicher Heizkessel erübrigt sich, wenn der Niedertemperaturspeicher genügend groß ist. Ebenfalls kann der Warmwasserspeicher deutlich kleiner ausfallen, da er meist nur noch für die Warmwasserbereitung, nicht aber für die Heizung benötigt wird.

Aufgrund meist sehr niedriger Kollektortemperaturen ist gerade bei Anlagen mit Niedertemperaturspeicher die Verwendung von entsprechenden Niedrigtemperatur-Kollektoren sinnvoll. Es kommen auch spezielle Kollektoren in Frage, die bei ausreichend hohen Außentemperaturen auch die Außenluft nutzen.

Die Energieeffizienz eines solchen Systems dürfte in der Regel ungefähr der einer reinen Erdwärmesonden-Wärmepumpenheizung entsprechen, da die Temperatur der Wärmequelle in beiden Fällen ungefähr gleich ist. Da die Erdsondenheizung meist kostengünstiger realisierbar ist, dürfte man ihr den Vorzug geben – sofern Erdwärmesonden am jeweiligen Standort überhaupt installiert werden können. Andernfalls kann die Eisspeicher-Lösung durchaus attraktiv sein. In beiden Fällen besteht übrigens die zusätzliche Möglichkeit der Kältelieferung z. B. für die sommerliche Klimatisierung. Diese Zusatznutzung des Eisspeichers bzw. der Erdwärmesonde kann sogar den Energiebedarf im späteren Heizbetrieb reduzieren.

Kombinierte Systeme

kombiniertes Solar-Wärmepumpen-System

Abbildung 4: Ein kombiniertes Solar-Wärmepumpen-System. Die Wärmepumpe kann sowohl den Sonnenkollektoren als auch der Erdwärmesonde Wärme entziehen.

Bei einem kombinierten System (Abbildung 4) kann die Wärmepumpe sowohl die Kollektoren als auch eine andere Wärmequelle wie z. B. eine Erdwärmesonde nutzen. Die Regelstrategie kann dann wie folgt sein:

  • Bei guter Sonneneinstrahlung beladen die Sonnenkollektoren direkt den Wärmespeicher.
  • Wenn die Sonneneinstrahlung zu gering ist, wird den Kollektoren mit Hilfe der Wärmepumpe Wärme entzogen und dem Speicher zugeführt – aber nur solange die Kollektortemperatur höchstens geringfügig niedriger ist als die der Erdwärmesonde.
  • Andernfalls wird die Wärme der Erdwärmesonde wie bei einer normalen Erdsonden-Wärmepumpenheizung entzogen.

Dadurch, dass zeitweise die Wärme den Kollektoren entnommen wird, wird das Erdreich weniger abgekühlt, und bei späterer Entnahme aus dem Erdreich erreicht die Wärmepumpe wegen der höheren Temperatur eine höhere Leistungszahl. Andererseits wird eine zu starke Abkühlung der Kollektoren, die zu Kondensation und Vereisung führen könnte, durch rechtzeitiges Umschalten auf die Erdwärmesonde vermieden. (Das Umschaltkriterium kann ggf. Faktoren, die über die Kondensation entscheiden, mit einbeziehen.) Ein zusätzlicher Niedertemperatur-Speicher erübrigt sich, weil die Erdwärmesonde diese Funktion erfüllt.

Ein solches kombiniertes System ist natürlich teurer als eine reine Erdwärmesonden-Wärmepumpenheizung, ermöglicht aber einen geringeren Primärenergieverbrauch. Im Prinzip kann die Länge der Erdsonde(n) ein wenig reduziert werden, um Kosten zu sparen, aber wenn man hiermit zu weit geht, gefährdet man die Energieeffizienz wieder.

Systeme mit Gas-Adsorptionswärmepumpe

Ein Sonderfall sind Systeme, die eine Erdgas-betriebene Adsorptionswärmepumpe enthalten. Hier kann die Wärmepumpe wiederum die Ausbeute von den Sonnenkollektoren erhöhen. Dieser Ansatz ist eine energieeffiziente Alternative zur reinen Gasheizung und ist auch effizienter als der konventionelle Ansatz einer parallelen Kombination von Gasheizung und Solarthermie. Im Unterschied zu den oben diskutierten Systemen mit Elektrowärmepumpen entfällt hier allerdings die Möglichkeit, durch Bezug von Ökostrom den Verbrauch fossiler Energieträger ganz zu vermeiden. Immerhin lässt sich der Gasverbrauch je nach Umständen (Kollektorfläche, benötigte Vorlauftemperatur, klimatische Verhältnisse etc.) z. B. um ein Drittel gegenüber dem einer reinen Gasheizung reduzieren – deutlich mehr als mit der konventionellen Kombination von Gasheizung und Solarthermie.

Vergleich der Systeme

Der Vergleich der oben beschriebenen Varianten von Solar-Wärmepumpen-Systemen ist nicht trivial, da die erzielbare Energieeffizienz stark von den jeweiligen Verhältnissen abhängt (z. B. klimatische Bedingungen, Kollektorgröße und benötigte Vorlauftemperatur) und manche Varianten auch nur unter bestimmten Umständen realisierbar sind (weil sie z. B. eine Erdwärmesonde voraussetzen). Eine ungefähre Einordnung kann jedoch wie folgt vorgenommen werden:

In puncto Investitionsaufwand und Energieeffizienz unterscheiden sich verschiedene Ansätze erheblich. Die jeweiligen Verhältnisse haben ebenfalls einen großen Einfluss.

Im Prinzip können auch Luft/Wasser-Wärmepumpen anstelle von Erdwärmesondensystemen eingesetzt werden, aber sie weisen gerade an kalten Tagen mit hohem Wärmebedarf eine niedrige Energieeffizienz auf. Die Kombination mit Sonnenkollektoren löst dieses Problem kaum, da sie gerade an den kritischen trüb-kalten Tagen wenig beitragen.

Eine eigentliche Solarheizung wird in der Regel ohne Wärmepumpe realisiert.

Eine Alternative zu all den genannten Ansätzen ist die Solarheizung mit einem großen saisonalen Wärmespeicher und einer Zusatzheizung nur für einige trüb-kalte Wochen im Jahr. Praktikabel ist dies freilich nur für Gebäude mit ausgezeichneter Wärmedämmung und möglichst im Gebäude integrierten großen Warmwasserspeicher. Wenn die Zusatzheizung auf einer Wärmepumpe beruhen würde, wäre es im Prinzip eine Variante des oben erwähnten parallelen Solar-Wärmepumpen-Systems. Allerdings bietet sich ein kostengünstiger Heizkessel für diese Reservefunktion eher an.

Aufstellung der Sonnenkollektoren

Die Verschattung von Kollektoren durch Bäume oder Gebäude wird gerade im Winter durch den niedrigen Sonnenstand oft zum Problem!

Da ein Solar-Wärmepumpen-System ganzjährig viel Wärme liefern soll, ist es hier besonders wichtig, dass die Sonnenkollektoren auch im Winter (bei tiefem Sonnenstand) nicht verschattet werden, z. B. durch hohe Bäume.

Ebenfalls ist es sinnvoll, die Kollektoren möglichst steil zu montieren, um den Anteil der winterlichen Produktion zu erhöhen. (Ein gewisser Effizienzverlust im Sommer ist leicht zu verschmerzen.)

Die Kollektorfläche kann man bei Systemen mit großem Niedertemperatur-Speicher recht groß wählen, da sommerliche Überschüsse dann gut eingespeichert werden können. So lässt sich der solare Anteil an der Wärmeproduktion erhöhen.

Siehe auch: Sonnenkollektor, Solarthermie, Wärmepumpe, Solarheizung, Eisspeicher
sowie andere Artikel in den Kategorien erneuerbare Energie, Grundbegriffe, Haustechnik, Wärme und Kälte

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