Gebäude in Heitersheim bei Freiburg mit photovoltaisch-thermischen Kollektoren. Über diese kann sowohl Strom als auch Wärme gewonnen werden. Beides kann als Energiequelle für Wärmepumpen genutzt werden. © Con­so­lar So­la­re En­er­gie­sys­te­me GmbH
Ge­bäu­de in Hei­ters­heim bei Frei­burg mit photovoltaisch-​thermischen Kol­lek­to­ren. Über diese kann so­wohl Strom als auch Wärme ge­won­nen wer­den. Bei­des kann als En­er­gie­quel­le für Wär­me­pum­pen ge­nutzt wer­den.

Photovoltaisch-​thermische (PVT) Kol­lek­to­ren im Wär­me­pum­pen­sys­tem
Wär­me­pum­pen: Tool ver­gleicht En­er­gie­ef­fi­zi­enz und Kos­ten

04.12.2024 | Ak­tua­li­siert am: 05.12.2024

Als En­er­gie­quel­le für Wär­me­pum­pen sind PVT- Kol­lek­to­ren bis­lang wenig ver­brei­tet. Dass diese Kom­bi­na­ti­on bei der Ef­fi­zi­enz  und Wirt­schaft­lich­keit mit eta­blier­ten Va­ri­an­ten mit­hal­ten kann, zeigt ein neues, öf­fent­lich zu­gäng­li­ches Tool.

Mit dem web­ba­sier­ten Werk­zeug kön­nen Fach­leu­te aus In­stal­la­ti­on und En­er­gie­be­ra­tung sowie ver­sier­te End­kun­din­nen und -​kunden ver­schie­de­ne Va­ri­an­ten der Wär­me­pum­pen­sys­te­me mit Sonne, Erd­reich und Luft als Wär­me­quel­le be­wer­ten. Dazu wer­den Ef­fi­zi­enz, CO2-​Bilanz und En­er­gie­ge­ste­hungs­kos­ten ver­gli­chen. „Wir woll­ten ein selbst­er­klä­ren­des Online-​Tool ent­wi­ckeln, das Hand­wer­ker und En­er­gie­be­ra­ter bei der Pla­nung und Aus­le­gung von kom­ple­xen PVT-​Wärmepumpensystemen un­ter­stützt“, er­klärt Bha­rat Chhuga­ni, Wis­sen­schaft­ler beim In­sti­tut für So­lar­ener­gie­for­schung Ha­meln (ISFH) und Ent­wick­ler des Wärmepumpen-​Vergleichstools.

Chhuga­nis Ar­bei­ten sind Teil der In­itia­ti­ve In­te­gra­TE, die das Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirt­schaft und Kli­ma­schutz seit 2019 fi­nan­zi­ell un­ter­stützt. Mit dem ISFH, dem In­sti­tut für Ge­bäu­de­en­er­ge­tik, Ther­mo­tech­nik und En­er­gie­spei­che­rung (IGTE) der Uni­ver­si­tät Stutt­gart und dem Fraun­ho­fer ISE sind dafür seit De­zem­ber 2019 gleich drei wis­sen­schaft­li­che Part­ner ge­mein­sam am Start. Das Tool steht allen In­ter­es­sier­ten kos­ten­frei auf den Sei­ten des ISFH zur Ver­fü­gung. Im ers­ten Schritt kön­nen die Nut­zen­den des Tools aus sechs ver­schie­de­nen Sys­tem­va­ri­an­ten aus­wäh­len:

Sole-​Wasser-Wärmepumpe mit
•    PVT
•    Erd­wär­me­son­de
•    PVT + Erd­wär­me­son­de
•    PV + Erd­wär­me­son­de
sowie Luft­wär­me­pum­pe und Luft­wär­me­pum­pe in Kom­bi­na­ti­on mit Pho­to­vol­ta­ik.

Die Heiz­sys­tem­va­ri­an­ten sind gra­fisch dar­ge­stellt und ihre Funk­ti­on, Ein­satz­mög­lich­kei­ten sowie Vor- und Nach­tei­le wer­den in Text­form er­läu­tert. Im zwei­ten Schritt wählt der Nut­zer eine von zwei Haus­ty­pen aus, ent­we­der einen Einfamilienhaus-​Neubau und oder ein Be­stands­ge­bäu­de.

PVT-​Kollektor – Er­gän­zung zur Wär­me­pum­pen­hei­zung

Quel­le: In­te­gra­TE
Wärme und Strom aus einem So­lar­ele­ment

Ein PVT-​Kollektor er­zeugt aus So­lar­strah­lung so­wohl Strom als auch Wärme. Dazu wird hin­ter das Photovoltaik-​Modul ein Rohr­re­gis­ter mon­tiert, das von einem Wär­me­trä­ger durch­flos­sen wird. Die­ser ther­mi­sche Ab­sor­ber nimmt die Ab­wär­me der Photovoltaik-​Module und die Um­ge­bungs­wär­me auf und stellt sie der Sole-​Wärmepumpe als Wär­me­quel­le zur Ver­fü­gung. Der So­lar­strom kann au­ßer­dem zum Be­trieb der Wär­me­pum­pe oder im Haus­halt ver­wen­det wer­den. PVT-​Kollektoren kön­nen nicht mit Luft­wär­me­pum­pen kom­bi­niert wer­den.

Das Rohr­re­gis­ter be­steht aus Alu­mi­ni­um, Kup­fer oder Kunst­stoff und ist mit dem PV-​Modul ent­we­der fest ver­klebt, la­mi­niert, in den Rah­men ein­ge­klemmt oder kann bei be­stehen­den PV-​Anlagen nach­ge­rüs­tet wer­den. Übers Jahr hin­weg kön­nen PVT-​Kollektoren bis zu vier­mal mehr Ge­samt­ener­gie, also Wärme und Strom, lie­fern als eine Pho­to­vol­ta­ik­an­la­ge mit der glei­chen Flä­che und sind damit eine idea­le Er­gän­zung zu einer Wär­me­pum­pen­hei­zung.

Tool ba­siert auf zig­tau­sen­den von TRNSYS-​Simulationen

Bei allen Sys­tem­va­ri­an­ten sind für die Auslegungs-​Parameter und wirt­schaft­li­chen Rah­men­be­din­gun­gen be­reits Werte im Tool vor­ge­ge­ben, so dass die Nut­ze­rin­nen und Nut­zer di­rekt Kenn­wer­te er­hal­ten. Vor­ge­ge­ben sind unter an­de­rem Werte für die Aus­le­gung der So­lar­an­la­gen oder der Erd­wär­me­son­de, sowie Energie-​, Wartungs-​ und Kom­po­nen­ten­prei­se. Damit für eine große An­zahl von frei ein­zu­ge­ben­den Pa­ra­me­tern Er­geb­nis­se er­mit­telt wer­den kön­nen, hat Chhuga­ni zig­tau­sen­de von Si­mu­la­tio­nen mit der Soft­ware TRN­SYS durch­ge­führt, deren Er­geb­nis­se im Tool für die ver­schie­de­nen Sys­tem­va­ri­an­ten unter dem Rei­ter „En­er­gie“ dar­ge­stellt sind. TRN­SYS ist ein fle­xi­bles, kom­po­nen­ten­ba­sier­tes Si­mu­la­ti­ons­pro­gramm für kom­ple­xe ther­mi­sche und elek­tri­sche En­er­gie­sys­te­me, das vor­wie­gend Wis­sen­schaft­ler ein­set­zen.

Tabelle mit Vergleich der energetischen und wirtschaftlichen Kenndaten aus dem Wärmepumpen-Vergleichstool für ein Bestandsgebäude mit einem jährlichen Heizwärmebedarf von 108 kWh/m2.

Ver­gleich der en­er­ge­ti­schen und wirt­schaft­li­chen Kenn­da­ten aus dem Wärmepumpen-​Vergleichstool für ein Be­stands­ge­bäu­de mit einem jähr­li­chen Heiz­wär­me­be­darf von 108 kWh/m2. Für die BEG-​Förderung wurde der Ba­sis­satz von 35 Pro­zent für erd­ge­kop­pel­te So­le­wär­me­pum­pen und 30 Pro­zent für Luft­wär­me­pum­pen und PVT-​Solewärmepumpen an­ge­setzt je­weils bis zu ma­xi­ma­len In­ves­ti­ti­ons­kos­ten von 30.000 Euro. Die En­er­gie­ge­ste­hungs­kos­ten sind ein Misch­preis zwi­schen Ki­lo­watt­stun­den Wärme und Strom. Quel­le: Wärmepumpen-​Vergleichstool

 

PVT + Wär­me­pum­pen­sys­te­me er­rei­chen güns­tigs­te En­er­gie­ge­ste­hungs­kos­ten

In der Ta­bel­le (s. oben) sind für die vier Sys­tem­va­ri­an­ten die en­er­ge­ti­schen und wirt­schaft­li­chen Kenn­da­ten für die im Tool vor­ein­ge­stell­ten Werte zu­sam­men­ge­stellt. Was kann man hier­aus unter an­de­rem ab­le­sen?

  • PVT + Wär­me­pum­pen­sys­te­me er­rei­chen die beste Jahresarbeitszahlen-​Netz mit 4,16. Hier wird der PV-​Stromanteil be­rück­sich­tigt, der di­rekt in der Wär­me­pum­pe ge­nutzt wird und Netz­strom­be­zug re­du­ziert.
  • Die Kom­bi­na­ti­on Erd­wär­me­son­de + Wär­me­pum­pe weist den nied­rigs­ten jähr­li­chen Strom­be­darf für die Wär­me­pum­pe auf mit 4.569 kWhel.
  • Die jähr­li­chen Be­triebs­kos­ten sind bei der PVT + Wär­me­pum­pen­va­ri­an­te mit 3.174 Euro am güns­tigs­ten. Als durch­schnitt­li­cher Stan­dard­preis für Wärmepumpen-​ und Haus­halts­strom ist im Tool 30 ct/kWh brut­to vor­ein­ge­stellt.
  •  Die En­er­gie­ge­ste­hungs­kos­ten, die In­ves­ti­ti­ons­kos­ten und Be­triebs­kos­ten für Wärme und Strom über 20 Jahre ein­schlie­ßen, sind bei den Va­ri­an­ten PVT + So­le­wär­me­pum­pe und PV + Luft­wär­me­pum­pe mit 20,3 ct/kWh am nied­rigs­ten.

„Es ist wich­tig, die Kun­den dar­auf hin­zu­wei­sen, dass sie mit PVT-​Solewärmepumpen lang­fris­tig deut­lich bei den Be­triebs­kos­ten spa­ren kön­nen. Au­ßer­dem kön­nen die PVT-​Kollektoren auf­grund von au­to­ma­ti­sier­ter Fer­ti­gung bei hö­he­ren Ab­satz­zah­len noch güns­ti­ger wer­den,“ be­tont For­schungs­part­ner Ha­rald Drück vom IGTE.