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.