Projekt 21506/01

Integrierte Kopplung von Wärmepumpe und Solarthermie zur Wärmeerzeugung

Projektdurchführung

Dr. SchmidtInnovative Wärmepumpen-/Solarkopplungen
Ahrensburger Redder 13 A
22926 Ahrensburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Solarthermische Kollektoren können nur dann Wärmeenergie liefern, wenn die Wärmegewinne die Verluste überwiegen. Aufgrund der Verluste liegt der Ertrag immer erheblich unter der entsprechenden Globalstrahlung. Um den Ertrag zu steigern, soll das Temperaturniveau im Kollektor durch Vorschaltung des Verdampfers einer als Wärmepumpe eingesetzten Kompressionskältemaschine herabgesetzt werden. Dadurch lässt sich die Leistungszahl der Wärmepumpe steigern, wodurch letztlich Primärenergie eingespart wird.
Ziel ist es zu prüfen, ob es möglich ist, eine Anordnung und die genannten Geräte selbst derart auszulegen, dass der beschriebene Betrieb mit Kopplung von Wärmepumpe und Kollektor möglich ist, ohne Nachteile beim konventionellen Einsatz der Kollektoren hinnehmen zu müssen. Ziel ist es außerdem, ein Steuerungskonzept für die Wärmepumpe zu entwickeln, so dass diese mit einem erweiterten Temperaturbereich auf der Verdampferseite betrieben werden kann. Es soll außerdem ermittelt werden, wie groß die Energieeinsparung im realen Betrieb ausfällt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wird ein geeignetes Leitungssystem entwickelt und gebaut, mit dem die Wärmepumpe in eine solarthermische Anlage hydraulisch eingebunden werden kann. Es wird weiterhin eine Wärmepumpe ausgelegt und gebaut, welche mit hoher Verdampfertemperatur betrieben werden kann. Es wird weiterhin eine Steuerung ausgelegt und gebaut, in die Algorithmen implementiert sind, die sowohl einen konventionellen Betrieb der solarthermischen Anlage als auch den mit Wärmepumpe gekoppelten Betrieb zulassen. Es werden versuchstechnisch Methoden analysiert, wie sich bei hoher Temperatur der Wärmequellenseite die besten Leistungszahlen erzielen lassen. Es werden im praktischen Einsatz aller Komponenten geeignete Messdaten erfasst und ausgewertet, um den energetischen Vorteil einer solchen Kopplung quantifizieren zu können.


Ergebnisse und Diskussion

Ergebnisse der Wärmepumpen-Vermessung
Die Vermessung der Wärmepumpen-Leistungsdaten ist Voraussetzung für die Ermittlung des mit der Kopplung verbundenen Einsparpotentials. Außerdem ist die Eignung zum Betrieb mit hoher Soletemperatur Voraussetzung für die vorgesehene Kopplung mit Solarkollektoren. Dazu wurde die Wärmepumpe mit Soletemperaturen bis 45 °C beaufschlagt. Die Messergebnisse zeigen, dass mit der gewählten Auslegung des Kältekreises der Betrieb bei hoher Verdampfungstemperatur hinsichtlich Hochdruck und Heißgastemperatur nicht kritischer ist als bei hoher Kondensatortemperatur. Ein Betrieb mit Soletemperaturen > 45 °C wurde nicht untersucht, weil für die vorgesehene Anwendung ein solches Temperaturniveau mit noch besserem Wirkungsgrad und außerdem technisch problemlos mit Wärmetauschern realisiert werden kann.
Diese Untersuchung beschäftigt sich mit einer möglichen Wirkungsgradsteigerung durch Anhebung der Verdampfertemperatur. Im Bereich der Soletemperatur von -5 bis 15 °C und Wassertemperatur von 40 °C beträgt die mögliche Verbesserung des COP 0,084/K. Der Einfluss ist damit nur wenig geringer als die Absenkung der Kondensatortemperatur (dem üblichen Parameter zur Verbesserung der Leistungszahl einer Wärmepumpe), der etwa 0,089/K beträgt. Die beiden Parameter ermöglichen also ein vergleichbar großes Verbesserungspotential.
Betriebsverhalten des Gesamtsystems
Die Untersuchungen des Gesamtsystems wurden vom 01.10.04 bis 30.04.05 an einem in Ahrensburg auf 53°40´30´´ Breite gelegenen und von 5 Personen bewohnten Einfamilienhaus durchgeführt. Die Personenzahl beeinflusst im wesentlichen den Energiebedarf für Warmwasser. Dieser kann aus Zeiten ohne Heizbetrieb abgeschätzt und mit 16 kWh/d entsprechend 5.840 kWh/a angesetzt werden. Der Energiebedarf für Gebäudeheizung ist mit 6.630 kWh/a berechnet.
Zur Abschätzung des energetischen Vorteils des Systems muss mit einem Wärmeerzeuger verglichen werden, welcher aus gleichen Komponenten aufgebaut ist, aber die Funktionalität der Nutzung der ge-ringen Solarstrahlung nicht hat. Die Vorteile des beschriebenen Systems sind grundsätzlich dann nennenswert, wenn die Solarstrahlung immer gerade so groß ist, dass sie konventionell nicht genutzt werden kann. Zusätzlich ist der relative Vorteil besonders dann nennenswert, wenn die so gewonnene So-larenergie genau den verdampferseitigen Wärmebedarf abdeckt.
Die Messwerterfassung erfolgte bis 31.01.05 manuell 1x täglich von integralen Kenngrößen. Eine genaue Ermittlung des Wirkungsgradvorteils ist damit nicht möglich, da hierzu die zeitliche Zuordnung der Messwerte zueinander notwendig ist. Es ist aber möglich, diese Messwerte in einem Vorhersagemodell zu verwenden. Die Messwerte zeigen, dass in der Heizperiode Oktober bis April der Ertrag der Kollektoren etwa verdoppelt wird. Ab 01.02.05 wurden dann alle Messwerte automatisch mit einer Abtastrate von 0,2/min aufgezeichnet. In der Zeit von Februar bis April wird damit ein Verbrauchsvorteil von 9,3 % ermittelt. Der mittlere tägliche absolute Wert der Einsparung ist dabei in dem untersuchten Zeitraum sehr konstant. Der relative Verbrauchsvorteil steigt zur wärmeren Jahreszeit stark an, da der Wärmebedarf zurückgeht. Im April beträgt der Verbrauchsvorteil 26 %. Die Steigerung der Leistungszahl durch das Gesamtsystem beträgt im Februar 0,23, im März 0,39 und im April 1,31 Punkte.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Untersuchung werden in der Zeitschrift HLH - Lüftung/Klima, Heizung/Sanitär, Gebäudetechnik des VDI veröffentlicht.


Fazit

Die Untersuchung zeigt eine Möglichkeit auf, den Ertrag von preisgünstigen Flachkollektoren deutlich zu erhöhen und als quantifizierbaren Nutzen durch Erhöhung des Anteils regenerativer Energie den Primärenergieanteil erheblich zu reduzieren. Das Ergebnis korreliert gut mit der Vorhersage eines einfachen, auf Monatsdaten beruhenden Modells. Die relative Energieeinsparung entspricht etwa dem Unterschied zwischen Gas-Niedertemperaturkessel und Brennwertkessel.
Die für diese Untersuchung eingesetzte Steuerstrategie funktioniert zuverlässig und den Erwartungen entsprechend in der sechs Monate dauernden Heizperiode. Die Messergebnisse zeigen auch, dass sehr sicher erkannt wird, in welchem Betriebszustand die Solarstrahlung direkt nutzbar ist und in welchem nur indirekt zur Versorgung der Wärmepumpe.