Wärmepumpen-System für den Altbestand

Häufig stehen im Altbestand nur kleine Flächen zur Verfügung, zu klein, um den Gesamtenergiebedarf einer Wärmepumpe über einen oberflächennahen Erdkollektor abdecken zu können. Hier bietet sich als zweite Energiequelle die Umgebungsluft an, deren Energie mithilfe von Wärmeübertragern über die Dachfläche des Gebäudes gewonnen werden kann. Dies war der Ausgangspunkt des gemeinschaftlichen Forschungsprojekts „GeoSol“¹), mit dem nachgewiesen wurde, dass mit Hybridsystemen erhebliche Energieeinsparungen zu erwarten sind.

Konventionelle Wärmepumpensysteme beziehen ihre Quellenergie typischerweise aus dem Erdreich oder aus der Umgebungsluft. Durch die Kopplung beider Anlagentypen entsteht ein Energie-Hybridsystem, das die Vorteile beider Typen kombiniert. Um herauszufinden, welches Potenzial in einer solchen Anlage steckt, wurde im Rahmen des Forschungsprojekts GeoSol im Jahr 2009 ein System realisiert, das im Kern aus einem oberflächennahen Erdkollektor und einem Luft-Sole-Dachkonvektor, platziert zwischen Dachhaut und Photovoltaikmodulen, besteht. Das Hybridsystem wird dabei im Demonstrationsgebäude verglichen mit einem konventionell arbeitenden System, ausschließlich betrieben mit passendem Erdkollektor.

Regelung der Anlage
Beide Systeme werden von der übergeordneten Regelung parallel angesprochen und erzeugen dieselbe Anzahl an Betriebsstunden. Die verschiedenen Schaltzustände des Hybridsystems sind schematisch in Bild 1 dargestellt: Der reine Erdbetrieb wird bei kalten Außentemperaturen gewählt, während die weiteren Fälle bei steigender Temperatur sukzessive nach einer optimierten Regelungsstrategie durchlaufen werden. Zusätzlich umfasst das System einen Regenerationsbetrieb für das Erdreich. In dieser Betriebsform kann die in der Umgebungsluft vorhandene Energie im Erdreich zwischengespeichert werden, um bei Betrieb der Wärmepumpe als Quell­energie wieder zur Verfügung zu stehen.
Das hydraulische Herzstück der gesamten Anlage stellt der Stadelmann’sche Verteiler dar. Mit dessen Hilfe werden alle von der Regelung geforderten Kombinationen über sechs Dreiwegeventile realisiert.

Vergleich der Systeme
Die Systemgrenze zur Berechnung der Arbeitszahlen von Hybridsystem und konventionellem System wurde zwischen Wärmepumpe und Pufferspeicher gezogen, d. h. die von den Wärmepumpen bezogene elektrische Energie wird gemeinsam mit der elektrischen Energie der Umwälzpumpen in Quell- und Heizkreis berücksichtigt und mit der zur Verfügung gestellten Heizenergie verglichen. Exemplarisch werden im Folgenden einige Ergebnisse des Winters 2011/2012 vorgestellt.
Anfang Februar 2012 lag eine ausgeprägte Kaltphase mit bis zu -20 °C vor mit stark reduziertem Energieeintrag über den Dachkonvektor, während bereits Ende des Monats eine deutliche Regeneration des Erdreichs einsetzte. Die resultierende Dynamik im Erdreich ist in Bild 2 für beide Systeme deutlich zu erkennen; gebildet wurde der Mittelwert über vier Temperatursensoren, die jeweils im Abstand von 10 cm von einem soleführenden Rohr (Mitte Erdkollektoren) positioniert wurden. Die blaue Kurve zeigt den gemittelten Temperaturverlauf des konventionellen Systems. Im Dezember nähert sich die Temperatur relativ steil der 0°-Linie an und passiert Anfang Januar diese, um die Energiereserven in der flüssigen Phase des Wassers im Erdreich anzuzapfen. Diese Situation bleibt im konventionellen System während der gesamten Heizperiode bis Ende April erhalten. In dieser Zeit sinkt die Temperatur im Erdreich nicht weiter ab; der Kollektor lebt während dieser Zeitspanne hauptsächlich von der Erstarrungsenergie des Wassers. Der nur halb so große Erdkollektor des Hybridsystems (rote Kurve) gefriert dagegen nur wenige Tage während der extremen Kaltphase im Februar und regeneriert schnell bei einsetzen von moderaten Außentemperaturen. Die Arbeitszahl der Wärmepumpe erhöht sich entsprechend von 3,96 im konventionellen System auf 4,28 im Hybridsystem mit zugehöriger Stromeinsparung von 7,5 %. Dabei arbeitet das Hybridsystem lediglich mit einer Kollektorfläche von 150 m², während dem konventionellen System die doppelte Kollektorfläche von 300 m² zur Verfügung steht.
Die Tortendiagramme (Bild 3) zeigen die Aufteilung der Heizenergie in die ursprünglichen Energieformen jeder Wärmepumpe. Im Hybridsystem wird die Heizenergie zu 23 % durch Strom abgedeckt, während im konventionellen System 25 % benötigt werden. Die restliche Heizenergie wird jeweils als Quellenergie der Wärmepumpe aus der Umwelt zur Verfügung gestellt. Der regenerierte Anteil in Höhe von 17 % im Hybridsystem wird dabei über den Dachkonvektor gewonnen, im Erdreich zwischengespeichert und schließlich der Wärmepumpe zugeführt. Die Stromeinsparung des Hybridsystems gegenüber dem konventionellen System im Winter 13/14 lag mit 13 % etwas über der Stromeinsparung von Heizperiode 11/12.

Fazit
Werden die Heizperioden 10/11, 12/13 und 13/14 gemeinsam berücksichtigt, so benötigt das Hybridsystem bei einer 50-prozentigen Reduzierung der Erdkollektorfläche im Durchschnitt ca. 10 % weniger Strom als das konventionelle System. Interessant wird das vorgestellte Hybridsystem somit in Situationen, in denen lediglich eine kleine Fläche für einen Erdkollektor zur Verfügung gestellt werden kann. Hier ist im Besonderen der Altbestand zu nennen. Der Erdkollektor fungiert dann im Sinne eines Spitzenlastkollektors, der in den Kälteperioden des Winters die Erstarrungsenergie des flüssigen Wassers zur Verfügung stellt.
Ein weiteres Einsatzgebiet für das Hybridsystem entsteht aufgrund gebäude­seitiger Erweiterungsmaßnahmen, bei denen die bisherige Energiequelle zu klein wird. Als weitere Energiequelle kann dann ein Dachkonvektor benützt werden. Die intelligente Kopplung unterschiedlicher Energiequellen stellt zukünftig sicher eine Kernkompetenz des handwerklichen Mittelstands dar. Verbesserungen gegenüber dem vorgestellten Hybridsystem sind selbstverständlich möglich. Zum Beispiel ist der passiv betriebene Dachkonvektor ungeeignet in Gebieten mit überdurchschnittlich viel Schneefall; sind die Photovoltaikmodule mit Schnee bedeckt, so findet kein Auftrieb mehr statt und das System kommt vollständig zum Erliegen.
Besonders attraktiv erscheinen Photovoltaik-Thermie-Module (PVT), mit denen im Idealfall gleichzeitig Strom und Quell­energie für die Wärmepumpe bereitgestellt werden kann. Anstelle des Erdkollektors kann ebenfalls auf einen reinen Phasenwechselspeicher, z. B. mit dem Medium Wasser, zurückgegriffen werden. Entsprechende Systeme werden von verschiedenen Herstellern bereits angeboten.

Autoren: Werner Achberger, Matthias Ludwig, Waldemar Stiefenhofer, Matthias Stiefenhofer Fakultät Maschinenbau; Hochschule Kempten

Bilder: Hochschule Kempten