PVT-ready: Wärmepumpen für hybride Photovoltaik-Thermie-Kollektoren

• Konsortium untersucht Fortschritte und Defizite bei der PVT-Readiness
• Definition von PVT-ready-Wärmepumpen
• Marktübersicht: Angepasst Wärmepumpensysteme für PVT-Kollektoren
• Technische Merkmale und Marktrelevanz von PVT-optimierten Wärmepumpen
• Eintrittstemperaturen am Verdampfer mit und ohne Mischer
• Mehrere Wärmequellen in einem System: Anforderungen für PVT-Readiness
• Warum einige Firmen der Befragung fernblieben: Gründe und Perspektiven
• Fazit

Werden Photovoltaik-Thermie-Kollektoren (PVT) als Wärmequelle genutzt, müssen Wärmepumpen besondere Anforderungen erfüllen. Denn je nach Sonnenstrahlung müssen diese in der Lage sein, die teils erhebliche Schwankungen der Soletemperaturen in den Kollektoren effizient und ohne Störung zu verarbeiten. So kann die Temperatur der Sole in den PVT-Kollektoren im Sommer auf bis zu 70 °C ansteigen, wohingegen sie im Winter deutlich häufig mit Minusgraden vom Dach zum Wärmepumpenverdampfer kommt.

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Bisher sind Sole/Wasser-Wärmepumpen jedoch insbesondere auf geothermische Wärmequellen ausgerichtet, deren Temperatur über das Jahr bei Erdkörben zwischen -5 und 25 °C schwankt, bei Erdsonden sind es meist 0 bis 25 °C. Ein deutlich weiter gefasster Bereich der Verdampfereintrittstemperatur ist daher das entscheidende Kriterium, wenn eine Wärmepumpe „PVT-ready“ sein soll.

Konsortium untersucht Fortschritte und Defizite bei der PVT-Readiness

Nicht alle Wärmepumpen erfüllen diese Anforderungen. Aus diesem Grund hat das Konsortium „integraTE-XL“ untersucht, welche auf dem deutschen Markt angebotenen Wärmepumpen bereits regelungstechnisch und/oder mit einem angepassten Kältekreisdesign auf diesen anspruchsvollen Betrieb optimiert sind. integraTE-XL wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und zielt auf die Marktetablierung und Verbreitung von PVT-Kollektoren und -Wärmepumpen in bestehenden großen Mehrfamilienhäusern und Gewerbeliegenschaften ab. An diesem Thema arbeiten drei Forschungsinstitute gemeinsam:

• Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg
• Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart
• Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH)

Darüber hinaus unterstützen 19 Industriepartner das Vorhaben (siehe Abbildung 1), darunter PVT-Hersteller, Wärmepumpensystemanbieter, Contractoren sowie Firmen, die Objekte mit PVT-Kollektoren und Wärmepumpen im Projekt messtechnisch untersuchen lassen. Das Konsortium ist damit gut aufgestellt, um unter anderem präzise Kriterien für PVT-ready-Sole/Wasser-Wärmepumpen zu definieren. Projektleiter ist Korbinian Kramer vom Fraunhofer ISE.

Definition von PVT-ready-Wärmepumpen

Bei der Beurteilung von PVT-ready-Wärmepumpen müssen grundsätzlich zwei Systemvarianten unterschieden werden: Dienen die PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle oder arbeiten sie in Kombination mit einer Geothermiewärmequelle? Das Konsortium von integraTE-XL hat sich auf folgende Definitionen geeinigt:

• Bei PVT als alleiniger Wärmequelle sind Sole/Wasser-Wärmepumpen PVT-ready, wenn der freigegebene Quelltemperaturbereich der Wärmepumpe für die unter typischen lokalen Betriebsbedingungen von den PVT-Kollektoren gelieferten Temperaturen ausgelegt ist. Die maximale thermische Leistung der Wärmepumpe für die niedrigste zulässige Temperatur der Wärmequelle und eine typische Betriebstemperatur (zum Beispiel 55 °C für die Trinkwassererwärmung) muss zusätzlich zu den Standardbetriebspunkten nach DIN EN 14511 Teil 2 „Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen für die Raumbeheizung und -kühlung und Prozesskühler mit elektrisch angetriebenen Verdichtern: Prüfbedingungen“ angegeben sein. In Deutschland liegt der Quelltemperaturbereich zwischen -15 und 70 °C. Die maximal erlaubte Quellentemperatur kann zum Beispiel durch ein spezielles Design des Kältekreises oder durch ein Mischventil eingehalten werden, das durch die in die Wärmepumpe integrierte Regelung angesteuert wird.
• Bei PVT als additiver Wärmequelle sind Sole/Wasser-Wärmepumpen PVT-ready, wenn die Wärmepumpe den Anschluss von mehreren Wärmequellen ermöglicht. Zusätzlich muss die Regelung der Wärmepumpe die Wärmequelle mit der höheren Temperatur ansteuern können und dabei den freigegebenen Quelltemperaturbereich der Wärmepumpe einhalten.

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