Optimierung von Wärmepumpen für den PVT-Betrieb

Die Nachfrage nach PVT-Kollektoren in Deutschland wächst vor allem für unabgedeckte PVT-Kollektoren, die in Kombination mit Wärmepumpen betrieben werden. Eine aktuelle Marktstudie untersucht erstmals systematisch, welche Wärmepumpen bereits heute als „PV-Tready“ gelten und unterscheidet dabei zwei Betriebsweisen: PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle und in Kombination mit Geothermie.

Photovoltaisch-thermische Kollektoren (PVT-Kollektoren) als Wärmequelle stellen besondere Anforderungen an Wärmepumpen. Diese müssen in der Lage sein, die teils stark schwankenden Temperaturen der Kollektoren effizient und ohne Störung zu verarbeiten, da die Wärmeabgabe der Kollektoren je nach Sonnenstrahlung variiert. So kann die Sole in den Sommermonaten aus PVT-Kollektoren auf bis zu 70 °C ansteigen, während sie in kalten Winternächten unter die Außentemperatur sinkt und mit Minusgraden vom Dach kommt. Die Soletemperatur liegt tatsächlich immer einige Grad unter der Außenlufttemperatur (s. Diagramm 1). Bisher sind Sole/Wasser-Wärmepumpen auf geothermische Wärmequellen ausgerichtet, deren Temperatur über das Jahr nur zwischen - 5 °C bei Erdkörben und + 0 °C bei Erdsonden bis 25 °C schwankt. Ein weit gefasster Bereich der Eintrittstem-peratur der Wärmequelle für die Wärmepumpe ist daher das entscheidende Kriterium für eine PVT-ready Wärmepumpe.

Nicht alle Wärmepumpen erfüllen diese Anforderungen. Aus diesem Grund hat das „IntegraTE-XL“-Konsortium untersucht, welche auf dem deutschen Markt angebotenen Wärmepumpen bereits regelungstechnisch und/oder mit einem angepassten Kältekreisdesign auf diesen anspruchsvollen Betrieb optimiert sind. IntegraTE-XL ist ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördertes Projekt, das auf der bereits abgeschlossene Initiative IntegraTE aufbaut und auf die Marktetablierung und Verbreitung von PVT-Kollektoren und Wärmepumpen in bestehenden großen Mehrfamilienhäusern und Gewerbeliegenschaften abzielt. An diesem Thema arbeiten gleich drei Forschungsinstitute gemeinsam: das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg, das Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart und das Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH). Außerdem unterstützen 19 Industriepartner das Vorhaben, darunter PVT-Hersteller, Wärmepumpensystemanbieter, Contractoren sowie Firmen, die Objekte mit PVT-Kollektoren und Wärmepumpen im Projekt messtechnisch untersuchen lassen. Das Konsortium ist damit bestens aufgestellt, um u. a. präzise Kriterien für PVT-ready Sole/Wasser-Wärmepumpen zu definieren.

18 Wärmepumpenanbieter abgefragt

„PVT-Kollektoren bieten eine spannende Alternative oder Ergänzung zu konventionellen Wärmequellen für Wärmepumpen und erweitern damit das Einsatzspektrum dieser Schlüsseltechnologie. Ihre Systemintegration erfordert eine neue Denkweise hinsichtlich der Regelungstechnik und der Systemkomponenten“, betont Federico Giovannetti, Leiter der Arbeitsgruppe Kollektoren beim ISFH. „Unsere Befragung der Wärmepumpenhersteller hat ergeben, dass bereits eine ganze Reihe von Firmen hier angepasste und innovative Gerätetypen anbieten.“

18 Wärmepumpenanbieter, davon 11 aus Deutschland und 7 aus dem Ausland, erhielten einen mehrseitigen Fragebogen. Neun Firmen haben sich an der Befragung beteiligt und Produkte für die Übersicht gemeldet: ait-deutschland GmbH, enrgi GmbH, Heim AG Heizsysteme, Heliopac, M-TEC GmbH, Nibe Systemtechnik GmbH, Ratiotherm GmbH & Co KG, Triple Solar und Waterkotte GmbH. Hier ist allerdings zu beachten, dass ait-deutschland und Waterkotte zur Nibe-Gruppe gehören. Alle drei Anbieter treten auf dem Markt mit unterschiedlichen Gerätetypen auf.

Technische Merkmale und Marktrelevanz PVT-optimierter Wärmepumpen

Die neun Anbieter sind in Tabelle 1 mit jeweils einem oder zwei ausgewählten Wärmepumpentypen aufgeführt. Diese Tabelle zeigt die allgemeinen technischen Daten der jeweiligen Geräte. Die Wärmepumpen-Serien decken einen Leistungsbereich von 5 bis 56 kW_th ab, was sie sowohl für Einfamilienhäuser als auch für Mehrfamilienhäuser oder größere Gebäude geeignet macht. Mit Ausnahme von zwei Geräten werden alle Wärmepumpen inhouse gefertigt. Eine Ausnahme bildet die Firma enrgi, die die Geräte der Serie Eco Geo Pro des spanischen Herstellers Ecoforest in Deutschland exklusiv vertreibt. Zudem wird die neue PVTWärmepumpe „10s“ von Triple Solar bei M-TEC produziert.

Sämtliche Anbieter bestätigten, dass die Herstellergewährleistung bzw. Garantie ihrer Wärmepumpen uneingeschränkt für die Verwendung in Kombination mit PVT-Kollektoren als Wärmequelle gilt. Zudem arbeiten alle gelisteten Modelle mit einer modulierenden Betriebsweise. Mit Ausnahme des Geräts „SWM pro 2-13“ von der Heim AG Heizsysteme aus der Schweiz ermöglichen alle Geräte eine Steuerung der elektrischen Leistungsaufnahme gemäß § 14a des Energiewirtschaftsgesetzes. Der Stromnetzbetreiber kann also zeitweise die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe reduzieren, um Netzengpässe zu vermeiden. Die Steuerung der Wärmepumpe auf Basis einer Wetterprognose ist bisher nur in einem Modell, bei „S1156/S1256“ von Nibe, realisiert. Ait-deutschland und Heim bieten diese Funktion durch einen externen Solar-Manager an.

Von den elf aufgeführten Geräten nut-zen fünf das natürliche Kältemittel Pro-pan (R290) und sind größtenteils erst in diesem Jahr auf den Markt gekommen. Einige Hersteller, wie M-TEC und Nibe, hatten jedoch bereits Vorgängermodelle, die ebenfalls für den PVT-Betrieb optimiert wurden.

Zur Beurteilung der Marktbedeutung der gelisteten Geräte, wurden bei der Befragung die Anzahl der bisher verkauften Geräte mit PVT-Kollektoren als alleinige oder als zweite Wärmequelle abgefragt. Dabei steht in der letzten Spalte von Ta-belle 1 die Anzahl für das spezielle Gerät, das in der Tabelle gelistet ist. Aus den Fußnoten lässt sich zudem entnehmen, wie viele Geräte insgesamt – einschließlich der Geräteserie und der Vorgängermodelle – bereits mit PVT-Kollektoren im Betrieb sind. Die führenden Anbieter in diesem Bereich sind Triple Solar mit 880 Geräten, die überwiegend in den Niederlanden installiert wurden, gefolgt von M-TEC mit 400 Geräten, wovon 64 in Deutschland betrieben werden. Weitere nennenswerte Anbieter sind Nibe mit 200 Geräten, enrgi mit 150 und Waterkotte mit 100 Geräten (Stand: September 2025).

Die Marktübersicht umfasst rund 500 in Deutschland installierte PVT-Wärmepumpen-Systeme. Bei einer durchschnittlichen PVT-Kollektorfeldgröße von 50 m² entspricht dies 25 000 m². Ende 2024 waren allerdings bereits rund 180 000 m² PVT-Fläche in Deutschland installiert, ein Großteil also mit Geräten anderer Hersteller oder mit Vorläufermodellen. Tatsächlich sind 95 % aller in Deutschland verbauten PVT-Kollektoren unabgedeckte Kollektoren (s. Diagramm 2). Diese müssen immer mit Wärmepumpen gemeinsam betrieben werden.

PVT Readiness: Umgang mit Eintrittstemperaturen

„Bei der Beurteilung von PVT-ready Wärmepumpen müssen wir grundsätzlich zwei Systemvarianten unterscheiden. Dienen die PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle oder werden sie in Kombination mit einer Geothermiewärmequelle betrieben“, erklärt Korbinian Kramer vom Fraunhofer ISE und Integra-TE-XL Projektleiter. „Wir verstehen den Betrieb als alleinige Wärmequelle so, dass der Heizstab nur im Notbetrieb genutzt wird.“ Beide Systemvarianten stellen unterschiedliche Anforderungen an die Wärmepumpe, die in Tabelle 2 getrennt dargestellt sind.

Grundsätzlich stimmen die befragten Wärmepumpenhersteller der Aussage zu, dass PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle betrieben werden können (s. Diagramm 3). Für diesen Betriebsmodus wurden vier Kriterien abgefragt. Hier geht es vor allem darum, die am Anfang des Artikels beschriebenen Besonderheiten von PVT-Kollektoren als Wärmequelle zu berücksichtigen: Temperaturschwankungen durch sich ändernde Sonneneinstrahlung, höhere Temperaturen im Sommer bis 70 °C sowie tiefe Temperaturen im Winter bis weit unter dem Gefrierpunkt.

Das wichtigste Kriterium für die PVT-Readiness – der breite Eintrittstemperaturbereich – wird von den Anbietern unterschiedlich erfüllt. Die Öffnung hin zu tiefen Temperaturen erfüllen fast alle Firmen (-12 bis -20 °C). Die Ausnahme ist hier der Typ „Solerpac“ von Heliopac aus Frankreich. Das Gerät ist nur bis zu einer Eingangstemperatur von -5 °C freigegeben. Der Hersteller betont aber auch, dass seine Wärmepumpen immer nur mit einer zusätzlichen Wärmequelle neben PVT-Kollektoren betrieben werden können. Eine weitere Besonderheit ist Nibe: „Bei uns gibt es in der Software der Geräte keine Minimaltemperatur für den Fühler am Eintritt der Wärmepumpe“, sagt Oliver Rodehorst vom Produktmanagement. Die minimale Austrittstemperatur auf der Wärmequel-lenseite liegt bei -12 °C. Die Eintrittstemperatur liegt für dieses Szenario bei ca. -9 °C. Es geht bei diesem Auslegungspunkt um die frostige Winternacht, die nicht sehr oft auftaucht. Aber auch in dieser muss die PVT-Sole als Wärmequelle dienen ohne dass die Wärmepumpe auf Störung geht. Deshalb muss dieser extreme Auslegungspunkt durch den freigegebenen Quelltemperaturbereich der Wärmepumpe abgedeckt sein.

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:

PVT-ready sind Sole/Wasser-Wärmepumpen für PVT-Kollektoren…

…als alleinige Wärmequelle, dann 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 (z. B. 55 °C für die Trinkwassererwärmung) muss zusätzlich zu den Standardbetriebspunkten nach DIN EN 14511 angegeben sein. In Deutschland liegt der Quelltemperaturbereich zwischen -15 bis 70 °C. Die maximale 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.

… als additive Wärmequelle, dann 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.

Die freigegebenen Temperaturen für die Wärmequelle nach oben unterscheiden sich dagegen deutlich zwischen den Geräten und liegen zwischen 20 und 55 °C. Bei einigen Anbietern – Heliopac, Ratiotherm und Triple Solar – darf die Sole vom Dach am Eingang zur Wärmepumpe sogar kurzzeitig 70 °C erreichen.

Ein Teil der Geräte benötigt also einen Mischer, um die Temperaturbegrenzung für die Wärmequelle aus dem PVT-Sole-kreis einzuhalten. Der Mischer ist in keinem der Geräte standardmäßig integriert, muss also bauseitig vorgesehen werden. Entscheidend für die PVT-Readiness ist die Antwort auf die Frage: Kann über die Steuerung der Wärmepumpe ein Mischventil angesteuert werden? Anbieter, bei denen diese Funktion standardmäßig im Gerät vorhanden ist, wie bei Heim, M-TEC, Nibe und bei der PVT-Wärmepumpe 10s von Triple Solar, sind laut der Definition „PVT-ready“ (s. Infokasten).

Wichtig ist aber auch, einen genaueren Blick auf die alternativen Lösungen der Unternehmen zu werfen, die in der Tabelle angeben, dass ein Mischer ‚nicht erforderlich‘ ist, denn auch sie erfüllen die PVT-Readiness Kriterien. Ein Beispiel ist die patentierte Hydraulik von Ratiotherm. „Wir setzen einen internen Zwischenkreis direkt vor dem Verdampfer ein, der die Funktion eines Mischventils übernimmt“, sagt Michael Westermaier, Leiter Vertrieb & Marketing bei Ratiotherm.

Ein weiteres Beispiel ist die im Februar 2025 auf dem Markt eingeführte PVTWärmepumpe 5.0 von Triple Solar. Sie besitzt ein elektronisch geregeltes Expansionsventil und einen dynamischen Superheat-Controller, der den Kältekreis mit geringer Kompressordrehzahl bei Temperaturen über 50 °C anlaufen lassen kann. Der Kältekreis zirkuliert dann bei minimaler Drehzahl des Kompressors so lange, bis das Kältemittel auf 50 °C abgekühlt ist. Produktmanager Jannik Fleiter bei Triple Solar betont allerdings, dass dieses Verfahren nur mit den eigenen Triple Solar Modulen erprobt sei: „Unsere Module kühlen aufgrund der stark vergrößerten Absorberfläche durch die Wärmeabnahme schnell unter 50 °C ab und pendeln sich im deutschen Sommer auf 35 bis 40 °C maximal ein.“

Mehrere Wärmequellen in einem System

Im unsanierten Altbau oder in großen Gebäuden, bei denen das Verhältnis zwischen Dachfläche und beheizter Wohnfläche ungünstig ist, können PVT-Kollektoren in Kombination mit Geothermie als Wärmequelle eine sinnvolle Lösung darstellen. In diesem Fall kann die Solarwärme vom Dach im Sommer zur Regeneration der Erdreichquelle genutzt werden, sodass diese deutlich kleiner dimensioniert werden kann.

In Systemen mit PVT-Kollektoren und Erdreichquelle ist ein intelligentes Quellenmanagement besonders wichtig. Das IntegraTE-XL-Konsortium hat für die PVT-Readiness in diesem Betriebsfall drei entscheidende Kriterien definiert. Hierbei ist der Anschluss mehrerer Wärmequellen an die Wärmepumpe von Bedeutung. Zusätzlich muss der Regler der Wärmepumpe ein Quellenmanagement integriert haben, das die jeweils zur Einsatzgrenze der Wärmepumpe passende Wärmequelle auswählt. Dabei ist die Regeneration des Erdreiches über die Ansteuerung der Pumpe im PVT-Kollektorkreis wünschenswert, aber nicht Vorgabe für PVT-Readiness.

Tabelle 2 zeigt, dass nur wenige Geräte der Übersicht diese Kriterien erfüllen. Der Anschluss und die Ansteuerung von zwei Wärmequellen ist bei drei Geräten serienmäßig integriert: „BHPA412“ von M-TEC sowie „Eco Geo Pro 2-10“ von enrgi und die PVT-Wärmepumpe „10s“ von Triple Solar, wobei nur über das M-TEC-Gerät das Erdreich regeneriert werden kann. Bei den Seriengeräten von Ratiotherm können zwar keine zwei Wärmequellen angeschlossen werden, dafür gibt es aber eine optionale Steuereinheit, die in die Wärmepumpe eingebaut werden kann, die die Pumpe im PVT-Kollektorkreis ansteuert und die Regeneration ermöglicht. Heim, Heliopac und Waterkotte geben an, dass sie das Quellenmanagement durch einen externen, sogenannten PVT-Regler realisieren.

„Die Ergebnisse unserer Befragung zeigen eindeutig, dass bereits einige Hersteller wichtige Schritte unternommen haben bei der Anpassung ihrer Wärmepumpen an die Anforderungen der PVT-Kollektoren. Dennoch lässt sich festhalten, dass in Bezug auf die PVT-Readiness noch deutlicher Optimierungsbedarf besteht, besonders bei der Integration mehrerer Wärmequellen,“ schlussfolgert Korbinian Kramer vom Fraunhofer ISE. „Es ist klar, dass eine engere Zusammenarbeit zwischen Herstellern von PVT-Kollektoren und Wärmepumpen notwendig ist, um die Entwicklung dieser Systeme voranzutreiben und die PVT-Readiness auf ein höheres Niveau zu heben. Wir initiieren hierzu weiterhin gerne Projekte.“

Warum einige Firmen der Befragung fernblieben

Trotz der breiten Teilnahme an der Befragung gab es einige namhafte Wärme-pumpenhersteller, die sich nicht an der Marktstudie beteiligten. Um ein vollständiges Bild der Marktlandschaft zu erhalten, ist es wichtig, auch die Gründe zu betrachten und zu verstehen, warum einige Unternehmen bewusst auf eine Teilnahme verzichtet haben. Ein Beispiel hierfür liefert Andreas Schütt, Portfoliomanager Residential Electric Solutions bei Viessmann, der erklärt: „Wir beobachten den PVT-Markt mit Interesse. Eine finale Entscheidung, ob und wann wir in diesen Markt eintreten, ist jedoch noch nicht getroffen.“

Ähnlich verhält es sich bei Bosch Thermotechnik, die auf eine offizielle Stellungnahme verzichteten. Dies könnte daran liegen, dass die neue Generation von Sole/Wasser-Wärmepumpen derzeit in Entwicklung ist und voraussichtlich im Laufe des Jahres 2026 auf den Markt kommt.

Vaillant verfolgt hingegen eine langfristige Strategie für den PVT-Markt. Produktmanager Jan Christopher Müller erklärt dazu: „Wir haben uns entschieden, die „flexoTHERM“ Wärmepumpe erstmal nicht mit aufzunehmen. Wenn Sie eine solche Übersicht nächstes Jahr nochmal erstellen, würden wir gerne unsere neue Erdwärmepumpe „geoTHERM“ dort mit aufführen.“

Ein weiteres Beispiel liefert Stiebel El-tron: Produktmanager Fabian Ripke begründete die Nicht-Teilnahme mit der Einschätzung, dass „die Wärmepumpen von Stiebel Eltron für den Betrieb mit PVT-Kollektoren grundsätzlich geeignet sind, bei den meisten Gebäuden die Dachfläche allerdings zu klein ist, um PVT-Kollektoren als monovalente, also alleinige Quelle zu nutzen. Daher sind PVT-Kollektoren in nur sehr wenigen Fällen wirtschaftlich attraktiv für unsere Kunden.“ Dennoch betont Ripke, dass man das Thema natürlich im Blick behalte und die Entwicklung weiterer Generationen von PVT-Kollektoren mit Spannung beobachten werde.

Die oft nicht ausreichende Dachfläche zum Betrieb von PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle wird auch innerhalb der Unternehmen, die an der Befragung teilgenommen haben, als Problem angesehen. So stimmten über 60 % dem Statement zu, dass die verfügbare Dachfläche oft ein Ausschlusskriterium für den Einsatz von PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle ist.

Viele Wärmepumpenhersteller haben die speziellen Anforderungen, die PVT-Kollektoren an ihre Systeme stellen, erkannt und ihre Geräte entsprechend angepasst. Um die PVT-Readiness weiter voranzutreiben, sind jedoch zusätzliche Innovationen und Entwicklungsanstrengungen seitens der Unternehmen erforderlich. Ein wachsender Markt für PVT-Systeme kann diesen Entwicklungsprozess erheblich beschleunigen.

Autor: Bärbel Epp, Solrico, Bielefeld, Projektpartnerin bei IntegraTE-XL

Weitere Infos zu IntegraTE-XL: https://t1p.de/integraTE