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Teil 1: An einem Strang

Die Kopplung von Solarthermie und Elektrowärmepumpen erhöht den Wirkungsgrad des gesamten Heizsystems – Teil 1 des Zweiteilers gibt einen Überblick über die gängigsten Lösungen.
Sie sind die Vorzeige-Athleten unter den Systemen zur Nutzung regenerativer Energien: Solarthermie und Wärmepumpe. Beide Technologien zu verbinden, liegt auf der Hand, und gerade in jüngster Zeit geschieht das auch zunehmend. Nicht zuletzt, weil die Kopplung der beiden Zukunftstechnologien den Gesamtwirkungsgrad eines Heizsystems erhöht. Hier gilt im wahrsten Wortsinne: Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile.

Viele Kombinationen möglich

Abhängig von der Wärmequelle – Luft oder Erdreich – und der Art der Anbindung gibt es eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten von Wärmepumpe und Solarthermie. Diese haben unterschiedlichste Ziele und Stärken. Ein oft genannter Vorteil ist die Steigerung des COPs (Coefficient of Performance = Leistungszahl) und der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe. Anhand eines mit dem Fraunhofer Institut entwickelten Simulationsmodells hat Bosch Thermotechnik Wärmepumpen/Solar-Lösungen untersucht und zeigt deren Möglichkeiten auf. Die nachfolgende Betrachtung beschränkt sich auf gängige Luft/Wasser-Wärmepumpen mit der Wärmequelle Luft (L/W = Luft/Wasser-Wärmepumpe) und Sole/Wasser-Wärmepumpen mit der Wärmequelle Erdreich (S/W = Sole/Wasser-Wärmepumpe).

Zwei Wärmepumpen/Solar-Lösungen – drei Kombinationen

Für beide wurden drei Kombinationsmöglichkeiten mit Solaranlagen untersucht: direkte Solareinbindung, Quellenanhebung und direkte Solareinbindung mit Quellenanhebung. Bei der Anbindung zur reinen Trinkwassererwärmung, der sogenannten direkten Kopplung, übernimmt die Solaranlage – soweit möglich – die Trinkwassererwärmung und die Wärmepumpe ergänzt die Wärmeversorgung, wenn nicht genügend Sonnenenergie zur Verfügung steht oder Heizungsenergie gebraucht wird. In weiten Teilen des Sommers kann bei guter Auslegung der Anlage die Wärmepumpe ausgeschaltet bleiben (Systemvariante 2 –> L/W_2 und S/W_2).

Solare Regeneration

Die zweite Variante untersucht das Potenzial der solaren Regeneration der Wärmepumpenquelle. Dabei wird die Sonnenenergie ausschließlich dafür verwendet, das Temperaturniveau der Wärmequelle anzuheben (Systemvariante 4 ?
L/W_4 und S/W_4). Im Fall der Sole/Wasser-Wärmepumpe kann durch diese sogenannte aktive Regeneration einer Auskühlung des Erdreiches und der damit verbundenen Senkung des zur Verfügung stehenden Temperaturniveaus entgegengewirkt werden. Dabei wird das Erdreich selbst als Speicher für die solare Energie genutzt. Letzteres funktioniert bei Luft/Wasser-Wärmepumpen natürlich nicht. Hier muss dem System ein weiterer Speicher hinzugefügt werden, der auf niedrigem Temperaturniveau (4 bis 40°C) arbeitet. Die Solaranlage kann dort Energie speichern, mit der die Temperatur der Wärmequelle Luft über einen Wärmetauscher bei Bedarf angehoben wird. Das reduziert die in der Heizperiode auftretende Leistungsminderung durch kalte Außentemperaturen bei Luft/Wasser-Wärmepumpen.

Solarenergie + Quellenanhebung

Der dritte Ansatz ist eine Kombination aus direkter Nutzung der Solarenergie zur Trinkwassererwärmung und Quellenanhebung (Systemvariante 3 –> L/W_3 und S/W_3). Alle drei Systeme mit solarer Unterstützung wurden mit einem Referenzsystem ohne Solaranlage verglichen (Systemvariante 1 –> L/W_1 und S/W_1).

Ausblick

Das Verhalten der Luft/Wasser-Wärmepumpe ist innerhalb der untersuchten Systemkombinationen dem der Sole/Wasser-Wärmepumpen sehr ähnlich. Deshalb beschränken sich die weiteren Ausführungen im zweiten Teil dieses Beitrages auf die vier Systeme mit der Sole/Wasser-Wärmepumpe. Der zweite Teil erscheint in der nächsten Ausgabe 10+11 (Erscheinungstermin: 06.11.2012).

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