Verheißungsvolle Verbindung

Viele Gründe sprechen für die Systemkopplung von Erdwärmepumpen und Sonnenkollektoren, auch wenn die Gesamtanlage hohe Investitionskosten erfordert. Die Kopplung der Kollektoren an den Warmwasserspeicher vermeidet Betriebsphasen der Wärmepumpe mit schlechten Leistungszahlen. Die zusätzliche Einspeisung der Solarwärme in die Erdsonde regeneriert das Erdreich, erhöht die Jahresarbeitszahl und vermeidet gleichzeitig Stagnationsphasen der Kollektoren. Die Solarerträge steigen zudem, denn die Betriebszeiten der Solaranlage nehmen zu, weil auch niedrige Temperaturen genutzt werden können. Und auch die Erdsonden können kürzer ausgelegt werden, so die Argumentationskette.

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Unterschiedliche technologische Ansätze
Inzwischen bietet der Markt verschiedene Lösungsansätze zur Systemkopplung an. Das Unternehmen Immosolar, Pionier in der Geo-Solartechnik, bietet seit Mitte der neunziger Jahre Wärmepumpen-Solarwärmesysteme an, die heute als EnergieManagementSysteme (EMS) bekannt sind. Die Bodenplatte des Hauses oder Tiefenbohrungen dienen hier als Erdwärmespeicher. Über Solarkollektoren gewonnene Energie wird über das EMS verwaltet und verbleibt zur Nutzung im System. Niedrige Kollektortemperaturen werden direkt für die Flächenheizungen genutzt. Reicht die Kollektortemperatur dafür nicht mehr aus, fließt die Solarwärme in den Erdspeicher und dient zur Quelltemperaturanhebung der Wärmepumpe.
Schüco stellte 2007 ein System vor, in dem die Solarwärme in bewährter Form zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung genutzt wird, überschüssige Solarwärme wird dem Erdspeicher zur Regeneration zugeführt. Consolar GmbH präsentierte im gleichen Jahr eine Solarwärmepumpe, die über die Kollektoren mit Wärme versorgt wird. Das System verfügt neben dem Kombispeicher über einen Eislatentspeicher.

Ein weiteres System kommt von Ratiotherm. Dieses nutzt über einen Hybridverdampfer Solarwärme von -5 bis zu +40 °C, dadurch erhöht sich nach Aussage des Unternehmens die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe und der Jahres-Solarertrag einer Kollektoranlage wird in etwa verdoppelt. Eine Anfangs-Kollektortemperatur von ca. +40 °C berge für die Wärmepumpe keine Gefahr, da bereits nach kurzer WP-Laufzeit die Kollektoraustrittstemperatur auf ca. 25 °C abgekühlt sei. Zur Verhinderung einer Taupunktunterschreitung in den Kollektoren bei Nutzung bis -5 °C sei die Regeltechnik mit einem Überwachungsschutz ausgerüstet. Des Weiteren sei das System mit einem "EVI-Prozess" und einer "Heißgaskühlung" ausgestattet, um auch z. B. noch bei ca. 55 °C für die Raumheizung und ca. 65 °C für die Warmwasserbereitung eine hohe Leistungs-/Jahresarbeitszahl gewährleisten zu können.

Eine andere Variante mit Quelltemperaturanhebung bietet Thermosolar an. Der Landshuter Hersteller setzt dabei auf die Stärke des Vakuumflachkollektors TS 400, welcher auch mit Minus-Temperaturen beladen werden kann und dennoch kondensatfrei arbeitet. Somit kann ein bisher komplett ungenutzter Bereich der Solarenergie effizient genutzt, die Quelle wesentlich kleiner dimensioniert und ein auskühlen oder gar vereisen des Erdspeichers sowie eine Vegetationsverzögerung verhindert werden, so die Aussage des Unternehmens. In die Wärmepumpe integriert der Hersteller eine Heißgasentwärmung. Damit kann ein Teil der Energie auf einem höheren Temperaturniveau (ca. 65 °C) entnommen und zur Trinkwassererwärmung genutzt werden.

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Solution aus Österreich bietet bereits ein Paket, bestehend aus Solarwärmepumpe und Kollektoren, an. Auch hier werden niedrige Kollektortemperaturen (ab 10 °C) genutzt, um die Quelltemperatur der Wärmepumpe anzuheben. Die maximale Heizungsvorlauftemperatur beträgt 55 °C. Die Kollektoren müssen mindestens eine Fläche von 16 m² aufweisen. Die Mindestneigung wird mit 40 ° angegeben. Die Solar-Luft-Wasser-Wärmepumpe gibt es in unterschiedlichen Varianten für Innen- und Außenaufstellung.

Solvis koppelt eine Sole-Wasserwärmepumpe mit der Solaranlage. Wie beim Öl- oder Gaskessel baut das Unternehmen die Wärmepumpe direkt im Speicher ein. Das System bietet die Möglichkeit, auch externe Wärmeerzeuger wie einen Kamin mit Wassertasche einzubinden. Die Soleanhebung ist optional: "Durch eine Zusatzstation kann überschüssige Solarenergie, die nicht mehr im Speicher aufgenommen werden kann, in den Solekreis eingespeist werden.

Forscher vom Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart haben das Solvis-System in Verbindung mit Erdsonden in einer Simulationsstudie für ein 128 m² Haus mit dem Heizwärmebedarf von 71 kWh/(m² a) und einem Warmwasserbedarf von 2945 kWh/a
(200 l bei 45 °C am Tag) untersucht. Das Ergebnis: Benötigt eine Wärmepumpe ohne solare Unterstützung 3250 kWh Strom im Jahr, so kommt das Solvissystem mit 2460 kWh/a aus.

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Die Roth Werke haben für ihre Kombination aus Solarwärme und Wärmepumpe einen speziellen Erdkollektor entwickelt. Die Solargeo-Registerstation ist dreidimensional sternförmig oder parallel aufgebaut. Im Gegensatz zum konventionellen Erdkollektor besteht das Register aus einzelnen Armen, die jeweils 1 m dick sind. Durch diesen Aufbau kann der Erdkollektor im Garten untergebracht werden, ohne dass großflächige Erdarbeiten nötig wären, heißt es. Auch Roth setzt die Solarwärme gezielt zur Regeneration des Bodens ein.

Für die Wärmepumpe ist die Fußbodenheizung ideal.

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Besondere Betriebsbedingungen für Solarkollektoren
Setzt man die Sonnenkollektoren ein, um die Quelltemperatur der Wärmepumpe zu heben oder das Erdreich zu regenerieren, werden die Kollektoren mit Betriebsbedingungen konfrontiert, die in herkömmlichen Solaranlagen nicht auftreten. Der Kollektor kühlt mitunter unter den Taupunkt ab, und so können große Mengen Kondenswasser im Inneren entstehen. Schüco hat deshalb ein spezielles Modell entwickelt, das gut entwässert wird. Thermosolar löst das Problem durch den Einsatz von Vakuumflachkollektoren. Bei denen befindet sich der Absorber im Vakuum, Kondenswasser kann sich nicht bilden. Roth hat den speziellen Solarkollektor Heliostar+ entwickelt, der von der atmosphärischen Umgebung abgeschirmt ist. Die Immosolar-Kollektoren bieten eine spezielle Luftführung im Inneren in Kombination mit Entwässerungsbohrungen.
Auch Consolar setzt einen speziellen Kollektor ein. Während bei dem System von Ratiotherm oder Solution die Wärmepumpe entweder auf das niedrige Temperaturniveau der Kollektoren oder auf die Außenluft zugreift, liefert der Hybridkollektor von Consolar immer die aktuelle Absorbertemperatur. Scheint die Sonne nicht, bläst ein kleiner Ventilator Außenluft durch den Kollektor und wandelt so Umgebungs- oder diffuse Strahlungswärme in Heizenergie um.

Neben den Systemen, die beide Wärmeerzeuger etwa mit der Erdreichregeneration oder der Quelltemperaturanhebung verbinden, gibt es auch die einfache Möglichkeit, Solarkollektoren und Wärmepumpe über einen Speicher zu koppeln. Dabei arbeiten beide Wärmeerzeuger unabhängig voneinander. Für diese Systeme haben etwa Alpha-Innotec, Immosolar und Viessmann kompakte Wärmepumpen mit integriertem Solarwarmwasserspeicher im Programm. Beim Viessmann-Modell sind alle notwendigen Bauteile für die solare Trinkwarmwasserbereitung in die Wärmepumpe integriert. Das Immosolar-Modell bietet ebenfalls alle Bauteile in einem Gerät. In der Haustechnikzentrale von Alpha Innotec sind die Luft-Wasser-Wärmepumpe, die Be- und Entlüftung mit Wärmerückgewinnung, Regler, Pumpen und Sicherheitseinrichtungen enthalten. Ein System, das über den Einsatz eines Kombispeichers auch die Heizung solar unterstützt, gibt es z. B. von Buderus.

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Abgestimmte Regelungen
Zur Regelung des Wärmepumpen-Solarthermiesystems setzen die meisten Anbieter einen Systemregler ein. Bei Viessmann ist die Solarregelung in die Wärmepumpe integriert. Alpha-InnoTec realisiert die Solarregelung durch Aufsteckplatinen im Systemregler. Solution setzt zwei aufeinander abgestimmte Regler ein, genauso Schüco. Immosolar bietet je nach System einen eigenen Wärmepumpenregler an, bzw. Regler im Bus-System, die das EnergieManagement übernehmen.

Die Solarenergie hat bei allen Systemen Vorrang. Bei Solvis wird damit vorrangig warmes Wasser produziert. "Bei gleichzeitiger Anforderung von Warmwasser und Heizung besteht eine Vorrangschaltung für Warmwasser. So läuft die Wärmepumpe weniger im energetisch ungünstigen Hochtemperaturniveau", erklärt das Unternehmen.

Um sehr niedrige Rücklauftemperaturen zu erreichen, setzt Ratiotherm eine Frischwasserstation ein. "Die Nutzung der Niedertemperatur-Wärmeenergie der Solaranlage (bis -5 °C) durch die Regelungsstrategie erhöht den solaren Kollektorertrag von rund 350 kWh/(m² a) auf etwa 600 kWh/(m² a)", so Produktmanager Achim Behringer. Außerdem spart die Erhöhung der Verdampfungstemperatur in der Wärmepumpe Strom. "Pro Grad Verdampfungstemperaturerhöhung ergibt sich eine Stromenergie-Einsparung der Wärmepumpe von ca. 2 %", erläutert Behringer.
Niedrige Rücklauftemperaturen werden im Immosolar-System über die stufenweise Abladung der Solarenergie erreicht. Das EnergieManagementSystem verwaltet die Energie bedarfsgerecht zur Warmwasserbereitung, Beladung von Flächenheizsystemen bzw. Rücklaufanhebung von Heizsystemen und Erhöhung bzw. Regeneration der Wärmepumpenquelle.

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Schnittstelle Kombispeicher
Bei den Systemen mit Heizungsunterstützung ist in der Regel ein Kombispeicher das Herz der Anlage. Puffer mit Frischwasserstation sind die Ausnahme. Buderus setzt einen Kombispeicher ein, dessen Edelstahlwellrohrwärmetauscher für die Trinkwassererwärmung im oberen Bereich eine große Oberfläche besitzt. Damit erziele man bei geringen Vorlauftemperaturen der Wärmepumpe eine hohe Warmwasser-Schüttleistung. Auch zum Beladen mit der Wärmepumpe dient ein großflächiger Wärmetauscher. Viessmann setzt bei seinem Kompaktsystem Vitocal 242-G einen externen Plattenwärmetauscher ein, mit dem die Wärmepumpe den Speicher beheizt. (Anmerkung: Der Speicher in der Vitocal 242-G dient ausschließlich der Trinkwassererwärmung - nicht der Heizungsunterstützung. Er ist also kein Puffer- oder Kombispeicher.)
Zwei-Speicher-Systeme, bei denen das Trinkwasser in dem einen Speicher auf einem hohen Temperaturniveau gehalten wird und das Heizungswasser für die Fußbodenheizung auf einem geringen, entwickelt zurzeit das Chemowerk. Beide Speicher sind gemeinsam mit der Wärmepumpe in einem kompakten Aufbau vereint. Technisch halten einige der befragten Experten diese Lösung für wünschenswert, aber der Platzbedarf spräche dagegen. Andere halten dagegen, dass die Wärmeverluste bei zwei Speichern größer sind als bei einem. Auch die Größe des Systems spielt eine Rolle: "Ab einer gewissen Warmwassermenge sind Kombispeicher nicht mehr ausreichend leistungsfähig. Dann werden Lösungen mit Puffer- und Trinkwasserspeicher oder Frischwasserstationen bevorzugt", so die Meinung der Immosolar.

Dennoch ist es natürlich auch bei einem Speicher sinnvoll, die Temperaturniveaus von Heizungswasser und Brauchwarmwasser durch eine gute Schichtung zu trennen. Eine Reihe von Speichern enthalten darum Ladeeinrichtungen wie Schichtlanzen. Solution setzt zwei übereinander angebrachte Solarwärmetauscher ein und steuert über Ventile auch die Beladung des Speichers mit der Wärmepumpe auf verschiedenen Ebenen.

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Neubauen im Fokus
Inwieweit sich die Technik auf dem Markt durchsetzen wird, bleibt abzuwarten. Steigt denn die Nachfrage? "Eindeutig ja", antwortet Wolfgang Hoellenriegel, Leiter F&E Energiesysteme bei den Roth Werken. Und mit dieser Einschätzung steht er nicht allein. Alle an dieser Übersicht beteiligten Unternehmen stellen diesen Trend fest.

Die Wärmepumpen-Solarthermiesys-teme sind für Neubauten oder gut gedämmte Bestandsgebäude gedacht. Die Anlage von Alpha-Innotec ist für ein KfW-40-Haus geeignet. Auch Solvis hält diesen Baustandard für sinnvoll zum Einsatz seines Wärmepumpen-Solarthermiesystems. Und die Leistung der Wärmepumpen bei Consolar und Schüco bewegt sich ebenfalls in dieser Größenordnung. Für den Altbau gibt es allerdings auch Wärmepumpen mit größeren Leistungen, die ebenfalls solar unterstützt werden können. Solvis aber zum Beispiel verzichtet ganz auf solche stromfressenden Geräte: "Unser System arbeitet mit geringen Heizungsvorlauftemperaturen, um eine energetisch sinnvolle Nutzung zu ermöglichen. Da im Altbau mit einem so hohen Wärmebedarf auch hohe Vorlauftemperaturen gefahren werden müssen, können und wollen wir diesen nicht mit der Wärmepumpe bedienen", so der Hersteller.

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Bei Ratiotherm bestand der primäre Anlass zur Entwicklung eines Wärmepumpensystems nach eigenem Bekunden darin, für den hohen Energiebedarf an Wärme im Altbau eine ökologisch und ökonomisch sinnvolle Alternative zu konventionellen Heizsystemen anbieten zu können. Vor diesem Hintergrund habe man den sogenannten "EVI-Prozess" in die Wärmepumpe integriert, damit auch bei Außentemperaturen von -20 °C noch Vorlauftemperaturen von 60 °C, bei akzeptierbaren Leistungszahlen, zur Verfügung gestellt werden können.

Auch wenn Wärmepumpen-Solarthermiesysteme im Kommen sind, so fällt doch auf, dass die Zahl der Anbieter noch immer überschaubar ist. Gerade die Heizungsvollsortimenter halten sich da mit Ausnahme von Viessmann und Buderus noch zurück. Das Argument: Wegen der niedrigen Betriebskosten der Wärmepumpe, ist die Einsparung durch die Solaranlage so gering, dass sich das nie rentiert. Aber nicht für jeden Kunden gelten rein wirtschaftliche Gesichtspunkte bei der Entscheidung für seine Heizung. Und es ist natürlich keineswegs sicher, dass auch in Zukunft Strom so günstig wie heute für Wärmepumpennutzer zur Verfügung steht. Vielleicht sind dann doch die Besitzer von effektiven Systemen mit Solarunterstützung die lachenden Dritten.