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Wärmeversorgung der Zukunft: Ausgezeichnetes Gebäude mit solarer Wärmepumpe Bild: Architekt Schneider in Tübingen
Sonnenenergie: Photovoltaik & Solarthermie

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Wärmeversorgung mit der Sonne

Text: Andreas Siegemund, Consolar
Grundwasser, Erdreich, Luft und Sonne – die Wärmequellen für Wärmepumpen sind vielfältig. Besonders energieeffizient sind jedoch solare Wärmepumpen, die mehrere Energiequellen nutzen und neben einem Kombispeicher auch einen Eisspeicher zur Wärmespeicherung bedienen. Mit Solarstrom kombiniert sind sie sogar eine kostengünstige Alternative zu Stromspeichern.

Schon in den Siebzigerjahren nutzten Energiezäune und Energiedächer die Sonnenstrahlung in Verbindung mit Luftwärme und Wärmepumpen. In den vergangenen Jahren kam die Kombination mit solar regenerierbaren Erdsonden und mit Wasser-/Eisspeichern hinzu. Heute sind solare Wärmepumpen-Heizsysteme auf dem Markt, die mit teilweise sehr geringen Betriebskosten eine vollständige Warmwasser- und Heizwärmeversorgung in Nord- und Südeuropa ermöglichen und damit eine echte Alternative zu anderen Wärmepumpen darstellen.

Wärmequellen für Wärmepumpen

Als Niedertemperatur-Wärmequelle für eine Wärmepumpe bietet sich neben Grundwasser oder der Umgebungsluft auch das Erdreich über Sondenbohrungen oder über Erdreich-Wärmetauscher in der Nähe der Erdoberfläche an. Da diese Wärmequellen aber auch Einschränkungen und Nachteile haben, kommt mit der Sonne eine interessante zusätzliche Wärmequelle hinzu. Solare Wärmepumpen kombinieren praktisch immer mehrere Energiequellen, da die Sonne nicht ganzjährig zur Verfügung steht und die saisonale Energiespeicherung kostenintensiv wäre.

Alle Wärmepumpen arbeiten aufgrund der thermodynamischen Gesetze bei tiefen Quellentemperaturen mit geringerer Effizienz und verbrauchen deshalb mehr Strom. Wenn die Wärmequellentemperatur (bei Luft-Wärmepumpen die Außentemperatur) unter -10 °C sinkt, ist ein Betrieb vieler Wärmepumpen nicht mehr möglich. Es kann und muss dann direkt und teilweise vollständig mit Strom geheizt werden.

Sehr kalte Tage und Nächte entstehen in der Regel bei klarem Himmel, da sich die Erde wegen der fehlenden Wolken über die Wärmestrahlung in das Weltall am stärksten abkühlt. An diesen Tagen scheint meist die Sonne, die als Wärmequelle für solare Wärmepumpen höhere Temperaturen als die kalte Umgebungsluft bietet.

Solare Wärmepumpen

Da solare Wärmepumpen sich mehrerer Wärmequellen bedienen, haben sie das Potenzial, eine Hauswärmeversorgung effizienter sicherzustellen, also den Stromverbrauch und die jährlichen Wärmekosten gering zu halten. In der Folge sind geringere Kraftwerkskapazitäten zu Spitzenlastzeiten nötig.

Sommerbetrieb: Im Sommer arbeitet im Vergleich zu anderen Wärmepumpen bei den solaren Wärmepumpen mit leistungsfähigen Kollektoren meist nur die Solar-Umwälzpumpe mit geringem Stromverbrauch. Die Wärmepumpe läuft in dieser Zeit nicht, was sich positiv auf ihre Lebensdauer auswirkt. Winterbetrieb: Vor allem im Winter spielen solare Wärmepumpen ihre Vorteile aus, da der Strombedarf bei Luftwärmepumpen an sehr kalten Tagen hoch ist. Die solaren Wärmepumpen können hingegen mit Hilfe der Sonne noch effizient arbeiten.

Funktionsweise solarer Wärmepumpen

Je nach Konstruktion des Kollektors einer solaren Wärmepumpe kann die gewonnene Sonnenwärme direkt für die Heizung verwendet oder über eine Wärmepumpe nutzbar gemacht werden. Manche Systeme sind mit Erdsonden oder Luftgeräten im Garten kombiniert.

Für eine maximale Solarnutzung muss der Kollektor für anfallendes Kondensat aus der Luft und für dessen Frostbildung ausgelegt sein. Durch diese ertragssteigernde Betriebsweise können die Kollektorscheiben beschlagen und es kann sich sogar Eis bilden. Solche Kollektoren können durch den Betrieb bei geringeren Wärmeträger-Temperaturen mit gleicher Fläche in den Wintermonaten mehr Solarenergie ernten.

Im Vergleich zu gleich großen konventionellen Kollektoren, die höhere direkt nutzbare Temperaturen liefern, lässt sich aus der winterlichen Solarstrahlung etwa 50 Prozent mehr Wärme gewinnen. Wird noch ein Lüfter integriert, kann der Wärmeertrag in den Wintermonaten sogar auf das Vierfache erhöht werden, da der Kollektor gleichzeitig auch als Luftwärmetauscher arbeitet. Solche sogenannten Hybridkollektoren sind die einzige Wärmequelle der solaren Wärmepumpe, und eine Aufstellung von Luftwärmetauschern im Garten kann ganz entfallen.

Für die nächtliche Beheizung der Häuser bedarf es der Energiespeicherung auf einem für Wärmepumpen günstigen Temperaturniveau. Hier bieten sich Wasser-/Eisspeicher an, da bei dessen Gefrierpunkt noch gute Wärmepumpenwirkungsgrade erreicht werden. Darüber hinaus kann nicht nur Sonnen­energie, sondern auch die in der Luft enthaltene Kondensationsenergie gespeichert werden.

Beim Gefrierpunkt von Wasser liegt für beide Aspekte ein Optimum vor. Voraussetzung ist allerdings, dass der Wärmeübergang von Wasser/Eis zur Wärmeträgerflüssigkeit mit geringen Temperaturdifferenzen funktioniert, damit die Wärmepumpe tatsächlich mit Temperaturen bei etwa 0 °C betrieben werden kann und nicht etwa bei -10 °C. Mit einem Wasser-/Eisspeicher ist es somit möglich, dass die Wärmepumpe Nutztemperaturen zum Überbrücken einer kalten Nacht mit geringem Stromverbrauch zur Verfügung stellen kann.

Die notwendige Größe eines Wasser-/Eisspeichers hängt von der Kollektorkonstruktion ab. Liefern sie im Mittel täglich genug Energie, um die Wärmepumpe zu versorgen, reicht ein Speichervolumen von rund 300 Litern. Ist die tägliche Kollek­torernte zum Beladen des Wasser-/Eisspeichers aufgrund der Kollektorkonstruktion nicht sichergestellt – zum Beispiel wegen zu geringer Effizienz oder mehrtägiger Bedeckung mit Schnee –, werden größere Speichervolumina benötigt, mit denen auch Schlechtwetterperioden überbrückt werden können. Solche Systeme sind etwa als Betonspeicher zum Vergraben im Garten auf dem Markt erhältlich.

Zusammenspiel mit Photovoltaik

Es bietet sich an, Strom aus Photovoltaikanlagen für solare Wärmepumpen einzusetzen. Dies bringt neben der Möglichkeit der besseren Nutzung des selbst erzeugten Stroms im Vergleich zur Kombination mit Luftwärmepumpen Vorteile. In der sonnenarmen Zeit im Winter werden auf Grund der höheren Effizienz der solaren Wärmepumpen weniger Spitzenlast-Stromreserven der Kraftwerke benötigt.

Über einen großen Pufferspeicher lässt sich der Eigenverbrauch steigern, da dann mit dem Sonnenstrom auf Vorrat für den Abend und die Nacht geheizt werden kann. Solarstrom wird somit in Form von Wärme gespeichert. Dies ist eine interessante und kostengünstige Alternative zu Stromspeichern. Speziell bei solaren Wärmepumpen ist diese Kombination effektiv: Wenn die Wintersonne scheint, arbeiten sowohl die PV-Module als auch die solare Wärmepumpe, sodass im Vergleich zu einer Luftwärmepumpe mehr Wärme produziert und gespeichert werden kann.

Solare Wärmepumpen und Solarstrom ergänzen sich und versprechen bei kleinerer PV-Modulfläche eine bessere jährliche Verteilung der Stromlast und damit geringere Investitionskosten für Infrastruktur und für Spitzenlast-Kraftwerksreserven.

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