{"id":19581,"date":"2023-11-23T11:08:21","date_gmt":"2023-11-23T10:08:21","guid":{"rendered":"https:\/\/deinenergieportal.de\/?p=19581"},"modified":"2023-11-16T11:32:22","modified_gmt":"2023-11-16T10:32:22","slug":"wertvolle-erkenntnisse-aus-mehrjaehrigem-monitoring-von-fuenf-einfamilienhaeusern","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/deinenergieportal.de\/?p=19581","title":{"rendered":"Wertvolle Erkenntnisse aus mehrj\u00e4hrigem Monitoring von f\u00fcnf Einfamilienh\u00e4usern"},"content":{"rendered":"\n

Autorin\/Redakteur: B\u00e4rbel Epp, Solrico, Bielefeld, Projektpartnerin bei IntegraTE<\/a>\/gg<\/p>\n\n\n\n

Die Nachfrage nach PVT-Kollektoren w\u00e4chst. Ihr Absatz hat sich in den letzten vier Jahren in Deutschland fast verf\u00fcnffacht. Im vergangenen Jahr hat das Handwerk 19.100 Quadratmeter installiert. Die Initiative IntegraTE begleitet die schnell wachsende Branche. Zentraler Baustein der Initiative ist die Vermessung von PVT-W\u00e4rmepumpensystemen unter Realbedingungen, um Zuverl\u00e4ssigkeit und Leistung der Heizsysteme zu untersuchen. Wichtig ist grunds\u00e4tzlich, dass PVT-Kollektoren und W\u00e4rmepumpen ein gut aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem bilden.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 1: Vermessene Einfamilienh\u00e4user im \u00dcberblick. Der Steckbrief des Projektes zeigt die Heiztechnik und das Verteilsystem der Heizw\u00e4rme im Haus (Fu\u00dfbodenheizung oder Radiatoren). Die Nummer entspricht der Anlagen-Nummerierung im \u00f6ffentlich zug\u00e4nglichen Monitoring-Portal http:\/\/pvt-energie.de. Die Ergebnisse von Haus 1 sind schraffiert, weil hier eine Gastherme parallel zur W\u00e4rmepumpe installiert ist, so dass \u00fcber eine Vorzugsregelung die W\u00e4rmepumpe eher bei g\u00fcnstigen Witterungsverh\u00e4ltnissen betrieben wird. (Quelle: IntegraTE)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n\n\n\n\n

PVT-Kollektoren gelten als alternative W\u00e4rmequelle f\u00fcr Sole-W\u00e4rmepumpen. Sie gewinnen sowohl Strom als auch W\u00e4rme aus Sonnenenergie und Umgebungsw\u00e4rme, die sie der W\u00e4rmepumpe zuf\u00fchren, um deren Effizienz und CO2<\/sub>-Bilanz zu verbessern. \u00dcbers Jahr hinweg produzieren PVT-Kollektoren in einer solchen Kombination etwa viermal mehr Gesamtenergie, also W\u00e4rme und Strom, als eine Photovoltaikanlage mit der gleichen Fl\u00e4che.<\/p>\n\n\n\n

Um die Bekanntheit der technisch und wirtschaftlich attraktiven Energieversorgung durch PVT-Kollektoren kombiniert mit W\u00e4rmepumpen im Geb\u00e4udesektor zu erh\u00f6hen, finanziert das Bundeswirtschaftsministerium seit Ende 2019 die Initiative IntegraTE. Mit dem Fraunhofer ISE in Freiburg, dem Institut f\u00fcr Geb\u00e4udeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universit\u00e4t Stuttgart und dem Institut f\u00fcr Solarenergieforschung Hameln (ISFH) sind daf\u00fcr seit Dezember 2019 drei wissenschaftliche Partner gemeinsam am Start. Inzwischen haben sich 16 Systemlieferanten aus Deutschland und den Nachbarl\u00e4ndern der Initiative angeschlossen.<\/p>\n\n\n\n

Eine zentrale Aktivit\u00e4t innerhalb von IntegraTE ist die Vermessung von PVT-W\u00e4rmepumpensystemen unter Realbedingungen. Die Industriepartner bei IntegraTE konnten Demonstrationsh\u00e4user vorschlagen, die dann mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet wurden.<\/p>\n\n\n\n

\u201eEine so junge, dynamisch wachsende Branche braucht wissenschaftliche Begleitung\u201c, betont Forschungspartner Harald Dr\u00fcck vom IGTE. Die ersten Einfamilienh\u00e4user mit Anlagekonzepten von verschiedenen Systemlieferanten sind nun zwei Jahre vermessen (siehe Abbildung 1). Die Monitoring-Daten sind auf der IntegraTE Webseite <\/a>http:\/\/pvt-energie.de<\/a> \u00f6ffentlich zug\u00e4nglich.<\/p>\n\n\n\n

Die zentrale Kenngr\u00f6\u00dfe zur Beurteilung der Anlagen ist die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie definiert sich aus der j\u00e4hrlich bereitgestellten W\u00e4rmemenge f\u00fcr Heizen und Warmwasser bezogen auf die daf\u00fcr notwenige elektrische Energie f\u00fcr W\u00e4rmepumpe (Verdichter, Heizstab und Steuerung), Regelung und Pumpen in den Kreisen der W\u00e4rmequellen. \u201eWir haben bei den Systemgrenzen f\u00fcr die Jahresarbeitszahl den W\u00e4rmespeicher des Hauses nicht ber\u00fccksichtigt, damit die unterschiedlichen W\u00e4rmeverteilsysteme die Betriebsergebnisse nicht so stark beeinflussen und wir eine h\u00f6here Vergleichbarkeit erreichen\u201c, so Korbinian Kramer, IntegraTE-Projektleiter vom Fraunhofer ISE. Au\u00dferdem handelt es sich in Abbildung 1 um eine JAZ rein f\u00fcr den Heizbetrieb. Hier wird der Anteil des Solarstroms aus den PVT-Kollektoren nicht abgezogen, der direkt f\u00fcr den Betrieb der W\u00e4rmepumpe genutzt wird.<\/p>\n\n\n\n

Am besten schneidet der Einfamilienhaus-Neubau in Altenbuch ab (Haus 5) mit einer JAZ von 4,2. Hier stellen PVT-Kollektoren gemeinsam mit drei Erdk\u00f6rben im Garten die W\u00e4rme f\u00fcr die W\u00e4rmepumpe bereit. Mit einer JAZ von 3,3 beziehungsweise 3,4 in den beiden Messjahren erreicht auch das gro\u00dfe, sanierte Einfamilienhaus in Schweden (Haus 3) zufriedenstellende Effizienzen. Der Projektleiter betont, dass alle Demoanlagen egal ob Neu- oder Altbau recht stabil \u00fcber die ersten beiden Jahre gelaufen sind. Durch den Austausch mit den ausf\u00fchrenden Fachfirmen konnten die Systeme au\u00dferdem teilweise noch energetisch optimiert werden. Die Betriebsergebnisse von zwei Anlagen werden exemplarisch f\u00fcr einen Neubau (Haus 4) beziehungsweise einen Altbau (Haus 3) genauer betrachtet.<\/p>\n\n\n\n

25 bis 40 Prozent des PVT-Stroms k\u00f6nnen \u00fcber die Batterie f\u00fcrs Heizen verwendet werden<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Das neue Wohnhaus in Harsefeld, Niedersachsen, (Haus 4) wird allein \u00fcber die PVT-Kollektoren mit modulierender 6-kWth<\/sub>-Solar-W\u00e4rmepumpe beheizt. Auf dem Dach ist neben einem 16 Quadratmeter PVT-Feld mit 3,6 Kilowatt (kWel<\/sub>) noch eine PV-Anlage mit 1,8 kWel<\/sub> installiert.<\/p>\n\n\n\n

Die vierk\u00f6pfige Familie, die 190 Quadratmeter bewohnt, kann sich \u00fcber niedrige Heizkosten freuen, weil hier das Monitoring Jahresarbeitszahlen von deutlich \u00fcber drei best\u00e4tigt. In dieser Bilanz ist der Strombedarf f\u00fcr den 7-kW-Elektro-Heizstab auch schon eingerechnet, der laut der Monatsbilanz des Jahres 2022 nur selten anspringt (siehe Abbildung 2). Das Heizsystem der Harsefelder Familie ben\u00f6tigte insgesamt 2.566 Kilowattstunden (kWh) Strom im Jahr 2022. Davon gingen 79 Prozent an die W\u00e4rmepumpe, 13 Prozent waren Hilfsstrom f\u00fcr Pumpen und Regelung und acht Prozent der Energiemenge wurde direkt im Heizstab in W\u00e4rme umgesetzt. Im Betrieb erreicht das PVT-W\u00e4rmepumpen-Heizsystem mit dem PVT-Kollektoren als einzige W\u00e4rmequelle f\u00fcr die W\u00e4rmepumpe also eine \u00e4hnliche Effizienz wie eine Anlage mit PVT und Erdkollektor, wobei der Heizstab nat\u00fcrlich viel g\u00fcnstiger ist als ein Erdkollektor, fasst Kramer zusammen.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 2: Monatliche Energiebilanz f\u00fcr Haus 4 \u2013 ein Neubau-Einfamilienhaus in Harsefeld, Niedersachsen, mit einer W\u00e4rmepumpe, die alleine \u00fcber das PVT-Kollektorfeld die W\u00e4rme bezieht und von einem elektrischen Heizstab als Zusatzheizung abgesichert ist. (Grafik: IntegraTE)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Abbildung 2 zeigt, dass die Effizienz des Heizsystems \u2013 ausgedr\u00fcckt durch eine monatliche Arbeitszahl der W\u00e4rmepumpe \u2013 \u00fcber das Jahr schwankt. Klar ist, dass die hohen Temperaturen f\u00fcr das Brauchwarmwasser im Sommer von der W\u00e4rmepumpe in der Tendenz mit einem schlechteren Wirkungsgrad erzeugt werden als die moderaten Heiztemperaturen, die die W\u00e4rmebilanz im Herbst und Winter dominieren.<\/p>\n\n\n\n

Beim Monitoring werden auch die Temperaturen im Solarkreis der PVT-Kollektoren erfasst. Die Unterschiede je nach Jahreszeit sind gro\u00df. Im Januar und Februar liegt die \u00fcber den Monat energetisch gewichtete Ausgangstemperatur der PVT-Kollektoren bei 1,7 beziehungsweise 0,4 Grad. Tageweise liegt die Quelltemperatur der PVT-Kollektoren im Winter sogar bei minus zw\u00f6lf Grad. Die Solarkreis-Leitungen vom Dach m\u00fcssen innerhalb der Geb\u00e4udeh\u00fclle entsprechend gut ged\u00e4mmt sein, damit sich kein Kondenswasser bildet.<\/p>\n\n\n\n

Im Juli und August kommen dagegen im Mittel 18,4 beziehungsweise 19 Grad vom Dach. F\u00fcr diese gro\u00dfe Bandbreiten der Quelltemperaturen muss die W\u00e4rmepumpe ausgelegt sein. PVT-W\u00e4rmepumpen-Systeme m\u00fcssen also immer ein gut aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem sein, meint Kramer.<\/p>\n\n\n\n

Wie erh\u00f6ht sich nun die Jahresarbeitszahl, wenn man den Anteil des Solarstroms abzieht, der gleichzeitig mit dem Betrieb der W\u00e4rmepumpe produziert wird? Laut Monitoring deckt bei dem Einfamilienhaus in Harsefeld Strom aus den PVT-Kollektoren und den zus\u00e4tzlich installierten PV-Modulen mit Hilfe einer Batterie immerhin 33 Prozent des j\u00e4hrlichen Strombedarfs f\u00fcr W\u00e4rmepumpe und Heizstab. Die um diesen Eigenstromverbrauch bereinigte Jahresarbeitszahl steigt dadurch von 3,9 auf 5,9.<\/p>\n\n\n\n

Die Monitoring-Daten der Demonstrationsh\u00e4user zeigen, dass bei einer sinnvoll dimensionierten Anlage ohne Batterie rund zehn bis 30 Prozent des PV-Stroms direkt f\u00fcr Heizzwecke verwendet werden. Dieser Deckungsanteil steigt auf 25 bis 40 Prozent an, wenn eine Solarstrombatterie installiert ist.<\/p>\n\n\n\n

Regeneration der Erdsonden erh\u00f6ht die Effizienz der Erdreichw\u00e4rmequelle<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Die Anlage 3 des Monitorings ist ein gro\u00dfes, saniertes Einfamilienhaus in Schweden mit 340 Quadratmetern Wohnfl\u00e4che. Hier gab es Handlungsbedarf, weil die Erdsonde \u2013 \u00fcber viele Jahre als alleinige W\u00e4rmequelle einer Sole-W\u00e4rmepumpe betrieben \u2013 das Erdreich bereits stark ausgek\u00fchlt hatte. In diesem Fall bildet sich ein K\u00e4ltetrichter um die Erdsonde herum und die W\u00e4rmeertr\u00e4ge der Sonde gehen kontinuierlich zur\u00fcck.<\/p>\n\n\n\n

Die 2020 installierte PVT-Anlage mit einer Fl\u00e4che von 31 Quadratmetern mit 19 kWel<\/sub> erf\u00fcllt hier also gleich drei Aufgaben. Sie liefert Strom sowie W\u00e4rme direkt an die Sole-W\u00e4rmepumpe (gelbe S\u00e4ulenabschnitte oberhalb der x-Achse in Abbildung 3). Die W\u00e4rme-\u00dcbersch\u00fcsse im Sommer k\u00f6nnen au\u00dferdem in die Erdsonde geleitet werden und regenerieren dort das Erdreich. Dass dies gut gelingt, zeigt Abbildung 3. Vor allem in den Monaten Mai bis September liefert die PVT-Anlage einen erheblichen Anteil der W\u00e4rme ins Erdreich (orange-braune S\u00e4ulen unterhalb der x-Achse). Die Monatsbilanz der W\u00e4rmemengen zeigt au\u00dferdem den interessanten Effekt, dass die W\u00e4rmepumpe auch in den Sommermonaten, wenn es mal keine W\u00e4rme direkt aus den PVT-Kollektoren gibt, das Erdreich anzapft (braune Balkenabschnitte oberhalb der X-Achse).<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 3: Monatliche W\u00e4rmebilanz der W\u00e4rmequellen f\u00fcr die Sole-W\u00e4rmepumpe mit 11 kWth in Haus 3 – ein saniertes Einfamilienhaus in Schweden mit 340 Quadratmetern beheizter Wohnfl\u00e4che. Die W\u00e4rmemengen aus PVT-Anlage und Erdreich, die direkt an die W\u00e4rmepumpe flie\u00dfen, sind positiv (oberhalb der x-Achse) dargestellt. Die \u00fcbersch\u00fcssige PVT-W\u00e4rme, die \u00fcber die Sonde dem Erdreich zugef\u00fchrt wird, erscheint unterhalb der x-Achse. (Grafik: IntegraTE)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Wie sieht nun die Gesamtbilanz zur Deckung des W\u00e4rmebedarfs f\u00fcr Heizen und Warmwasser des schwedischen Wohnhauses aus? 25 Prozent der W\u00e4rme f\u00fcr die W\u00e4rmepumpe kommt direkt aus dem PVT-Kollektorfeld, 75 Prozent wird aus der Erdsonde bereitgestellt. 76 Prozent dieser Quellenw\u00e4rme aus der Erdsonde stammt urspr\u00fcnglich auch von der PVT-Anlage. \u201eDieses Demonstrationshaus zeigt, dass es sehr hilfreich sein kann, im Altbau bestehende Erdsondenfelder mit einem PVT-Kollektorfeld zur Regeneration zu erg\u00e4nzen, denn so bleibt die Erdreichw\u00e4rmequelle \u00fcber Jahre hinweg effizient und muss nicht erweitert werden,\u201c fasst Kramer zusammen.<\/p>\n\n\n\n

Bei dem Einfamilienhaus in Schweden zeigt die Messtechnik, dass 21 Prozent – entspricht 1.427 kWh \u2013 des W\u00e4rmepumpenstrombedarfs \u00fcber das Jahr hinweg direkt durch PVT-Strom gedeckt wird. Eine Solarstrombatterie gibt es hier nicht. Die Jahresarbeitszeit des Jahres 2022 steigt also von 3,4 auf 4,3, wenn man diesen Effekt ber\u00fccksichtigt.<\/p>\n\n\n\n

Jahresarbeitszahl sinkt bei h\u00f6heren Heizkreistemperaturen<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Abbildung 4 f\u00fchrt die Feldtestergebnisse von W\u00e4rmepumpensystemen ohne PVT aus fr\u00fcheren Monitoring-Projekten mit den Ergebnissen der neuen IntegaTE-Demonstrationsh\u00e4user zusammen. Jeder blaue Punkt steht f\u00fcr eine Luftw\u00e4rmepumpe, jeder braune Punkt f\u00fcr eine Solew\u00e4rmepumpe \u2013 jeweils in Einfamilienh\u00e4usern im Bestand. Die schwarzen Punkte f\u00fcr die f\u00fcnf vermessenen IntegraTE-Anlagen liegen etwa zwischen der Effizienz von Luft- und der von Solew\u00e4rmepumpen. \u201eDies ist ein erfreuliches Ergebnis, weil die PVT-W\u00e4rmepumpensysteme ja noch eine deutlich j\u00fcngere und weniger erprobte Haustechnik sind, die sicherlich noch einiges an Verbesserungspotential erschlie\u00dft\u201c, erkl\u00e4rt Kramer.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 4: Jahresarbeitszahlen von W\u00e4rmepumpensystemen in Einfamilienh\u00e4usern im Bestand mit und ohne PVT vermessen im Jahr 2019. Blaue Punkte stehen f\u00fcr Luftw\u00e4rmepumpen, braune Punkte f\u00fcr Solew\u00e4rmepumpen. Beide stammen aus dem Projekt WP smart im Bestand. Die schwarzen Punkte illustrieren die f\u00fcnf vermessenen Wohnh\u00e4user aus IntegraTE mit Daten des Jahres 2022. (Grafik: IntegraTE)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Auch wenn Abbildung 4 zeigt, dass die Jahresarbeitszahl von W\u00e4rmepumpen von der Temperatur im Heizkreis und im Warmwasserkreis abh\u00e4ngt, lassen sich gute Effizienzwerte im Altbau erzielen. \u201ePVT-W\u00e4rmepumpen Anlagen sind nach unseren Erkenntnissen durchaus geeignet auch im Sanierungsfall zum Einsatz zu kommen,\u201c zieht Kramer Bilanz.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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