Solar-Wärmepumpe Eine sinnvolle Kombination?

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1 Solar-Wärmepumpe Eine sinnvolle Kombination? Dipl. Phys. Manfred Reuß Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Abteilung: Techniken für Energiesysteme und Erneuerbare Energien Walther-Meißner-Str. 6, D Garching

2 Gliederung Motivation solares Heizen Heizen mit Wärmepumpen Systemkonzepte Ansätze zur Verbesserung des Systems Sensitivitätsanalyse 2

3 Senkung der Treibhausgasemissionen bis 2050 auf ~20% des Werts von 1990 Nitsch, DLR, BMU Leitszenario 2009 substantieller Ausbau erneuerbarer Energien (EE) deutlich erhöhte Nutzungseffizienz in allen Sektoren (EFF) erhöhte Umwandlungseffizienz durch einen verstärkten Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung und den Ersatz von Altkraftwerken durch effizientere Kraftwerke (KWK) 3

4 Solarenergie kann im Wärmesektor erheblich zur CO 2 -Einsparung beitragen Bild: DGS 2050 kommt 50 % der Endenergie aus Erneuerbaren Quellen 28 % erneuerbare Wärme ist Solarenergie jeweils die Hälfte aus Einzelanlagen und die Hälfte aus Nahwärmeversorgungen mit saisonalem Speicher 4

5 Probleme des solaren Heizens Solares Heizen erfordert ein Backup-System Solares Heizen mit hohem Deckungsanteil erfordert große Kollektorfläche Langzeit-/Großspeicher Stagnationsproblem im Sommer 100 % solare Deckung aus wirtschaftlichen Gründen kaum sinnvoll 5

6 Wärmepumpe Erdwärmesonden, parallel durchströmt AZ dient zur Bewertung einer Wärmepumpenanlage AZ > 3: Effizienz ist etwas besser als der Kessel AZ hängt an der Konstruktion der Maschine, Wärmeübertrager, Verdichter, Expansionsventil,... AZ abhängig von Verdampfungs- und Kondensationstemperatur abhängig von der Wärmequellentemperatur (Art und Dimensionierung) abhängig vom Heizsystem Heizung (30-45 C ), % des Wärmebedarfs Brauchwarmwasser (60 C), % des Wärmebedarfs 6

7 Wie kann man das System verbessern? Maschinenkomponenten Effekt: Typische Verbesserung der AZ um 0,1 0,5 Niedertemperaturquelle Erdreich Effekt: Verdampfereintrittstemperaturen 0 10 C Wärmequelle größer auslegen Effekt: 1 K spart ca. 2,5 % Antriebsenergie Nachteil: Kosten Niedertemperaturheizung Effekt: Kondensationstemperaturen ~35 C Hohe Kondensationstemp. schlechte AZ Wärmepumpenbetrieb durch andere Energieform ersetzen z.b. Solarenergie Arbeitszahl 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 Arbeitszahl = 50 % 'Carnot' Kondensationstemperatur in C 0 C; 5 C und 10 C Verdampfungstemperatur 7

8 Rolle der Wärmepumpe im System? Solaranlage deckt das Brauchwarmwasser im Sommer zu 100 % und unterstützt die Heizung in der Übergangszeit AZ der Solaranlage: AZ liegt zwischen Wärmepumpe übernimmt in der Übergangszeit die Funktion des Backup- Systems und im Winter die Heizung Niedertemperaturquelle Luft oder Erdreich Wärmepumpe ermöglicht im Sommer die Kühlung 8

9 Systemkonzepte Viele Kombinationsmöglichkeiten von Solaranlage und Wärmepumpe sind denkbar, Anlage sollte aber hydraulisch möglichst einfach bleiben Variante 1: Solaranlage und Wärmepumpe werden unabhängig voneinander betrieben Variante 2: Solaranlage speist Niedertemperaturwärme in den Verdampfer der WP Variante 3: solare Regeneration des Erdreichs... 9

10 Systemkonfiguration Brauchwarmwasser Solarkollektor Wärmepumpe Heizung Speicher Kaltwasser Erdwärmesonde Variante 1: Solare Brauchwarmwasserbereitung und erdgekoppelte Wärmepumpe zum Heizen 10

11 Systemkonfiguration Heizung Erdwärmesonde Pufferspeicher Variante 3: Solare Brauchwarmwasserbereitung und Heizungsunterstützung, erdgekoppelte Wärmepumpe zum Heizen und solare Regeneration des Erdreichs Wärmepumpe Frischwasserstation Solarkollektor 11

12 Was kann man von der Kombination erwarten? Elektrizität direkt Solarwärme Solar Solar Brauchwarmwasser Speicher Bewertungskriterien sind: SPF Systemarbeitszahl Wärmequelle WP Verdampfer Wärmepumpe Heizung Investitionen Betriebskosten Elektrizität 12

13 Was kann man von der Kombination erwarten? Bewertungskriterium ist die Systemarbeitszahl SPF (Q Wärmepumpe + Q Solar ) SPF = (W Wärmepumpe + W Wärmequelle + W Solar ) Wärme gesamt kwh/a Strom gesamt kwh/a Systemarbeitszahl 5,1 Gebäude beheizte Fläche 150 m² spez. Wärmebedarf 60 kwh/m²a BWW 17 kwh/m²a Jahresheizwärme kwh/a Jahreswarmwasser kwh/a Gesamtwärme kwh/a Solaranlage Fläche 12 m² spez. Ertrag 300 kwh/m²a Energielieferung kwh/a Strombedarf 120 kwh/a Anteil Strom 5% JAZ Solar 30 Wärmepumpe S/W Wärmelieferung WP kwh/a Strombedarf kwh/a Anteil Strom 95% mittl. JAZ WP 3,7 13

14 Sensitivität der Kombination Sensitivität der Systemarbeitszahl bei COP-WP 3,0 Reihung der Maßnahmen: 1. Erhöhung des solaren Deckungsanteils 3,3 3,3 3,7 3,3 4,2 3,7 4,9 4,2 3,7 5,8 4,8 4,1 5,7 4,7 5,5 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 Systemarbeitszahl 2. Verringerung des Betriebsstroms für die Solaranlage 70,0 Arbeitszahl Solaranlage 50,0 30,0 10% 20% 30% 40% 50% Solarer Deckungsanteil 14

15 Sensitivität der Kombination Sensitivität der Systemarbeitszahl bei COP-solar 30 8,0 Reihung der Maßnahmen: Erhöhung des solaren Deckungsanteils Verbesserung der Arbeitszahl der Wärmepumpe Beide Maßnahmen bringen vergleichbare Verbesserungen Arbeitszahl Wärmepumpe 4,8 4,4 3,8 4,0 3,5 20% 3,0 10% 7,1 6,1 6,3 5,4 5,4 5,5 4,3 4,8 4,7 4,1 3,7 3,3 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 40% 50% 30% Solarer Deckungsanteil Systemarbeitszah 15

16 Schlussfolgerungen Kombination aus Solarkollektoren und Wärmepumpe ist technisch sinnvoll Optimale Systemkonzepte sind noch in der Entwicklung Kombination Solar / Erdwärmesonde / Wärmepumpe bringt Vorteile für Kollektor => Vermeidung von Stagnation Wärmepumpe => wenig Betrieb bei hohen Temperaturen (BWW) Wärmepumpe => Regeneration des Erdreichs Erdwärmesonden => höheres Betriebstemperaturniveau, geringere gegenseitige Beeinflussung Probleme: Abstimmung der Komponenten aufeinander => Paketlösung hohe Anfangsinvestition Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 16