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Solar-Wärmepumpe-Kombinationen im Überblick

Was versteht man unter einer Solar-Wärmepumpe? Wie funktioniert die Kombination mit einer Solarwärme-Anlage? Wie lässt sich mit Solarstrom eine Wärmepumpe betreiben?

Wärmepumpen lassen sich auch mit Solaranlagen kombinieren. Hierzu gibt es grundsätzlich drei Kombinationsmöglichkeiten:

  • Erstens, Solarkollektoren unterstützen die Wärmepumpe durch Einspeisung in den Solarspeicher (direkte Einbindung). Mit der Wärmepumpe wird so auch bei niedrigen Einstrahlungswerten, z.B. im Winter, ein ausreichend hohes Temperaturniveau bereitgestellt.
  • Daneben kann Solarwärme dazu genutzt werden, die Wärmequelle der Wärmepumpe vollständig zu ersetzen oder zu unterstützen. Dies kann z. B. über einen Eisspeicher passieren oder die Solarwärme wird genutzt, um das Erdreich um einen Erdwärmetauscher schneller zu regenerieren.
  • Die dritte Option einer Solar-Wärmepumpen-Kombination stellt eine Stromversorgung der Wärmepumpe durch eine eigene Photovoltaikanlage dar. Die Wärmepumpe dient dabei vornehmlich zur Steigerung des Eigenverbrauchs von Solarstrom.
Überblick über die verschiedenen Kombinationen von Solar und Wärmepumpe (Grafik: energie-experten.org)
Überblick über die verschiedenen Kombinationen von Solar und Wärmepumpe (Grafik: energie-experten.org)

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Möglichkeiten einer direkten Solar-Wärmepumpen-Kombination

Kombination über Brauchwasser- und Pufferspeicher

Eine konventionelle Kombination von Solar und Wärmepumpe funktioniert in der Regel über einen Multifunktionsspeicher. Die Solarwärme wird dabei direkt in den Speicher eingetragen. Bei großer Sonneneinstrahlung werden so hohe Temperaturen zur Brauchwasserbereitung und bei mittleren Temperaturen zur solare Heizungsunterstützung erzeugt.

Im Sommer kann so die Brauchwarm- und Heizwasserbereitung nahezu vollständig von der Solarwärmeanlage geleistet werden. Im Winter unterstützt die Solaranlage die Wärmepumpe. So bewirkt bereits die Vorwärmung des Speichervolumens durch die Solaranlage eine Verringerung der von der Wärmepumpe zu bewältigenden Temperaturdifferenz und erhöht dadurch die Effizienz der Solar-Wärmepumpe. Nachts wird die Brauchwarmwasserbereitung wie die Raumheizung von der Wärmepumpe alleine erarbeitet.

Schematische Darstellung einer Solarthermieanlage mit einer Luftwärmepumpe (Grafik: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH), Köln)
Schematische Darstellung einer Solarthermieanlage mit einer Luftwärmepumpe (Grafik: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH), Köln)

Aus hydraulischer Sicht hat die Solarthermianlage im Speicher immer Vorrang und speist die gewonnene Sonnenwärme je nach Strahlungsintensität immer direkt in den Schichtenspeicher ein. Durch die Einspeisung der Solarenergie im untersten Kaltbereich des Speichers wird bereits die zum sicheren Betrieb der Wärmepumpe notwendige Verdampferabtauung solar unterstützt, indem das Anheben der Temperatur in diesem Speicherbereich die Abtauung beschleunigt. Dieser Vorgang wird durch das direkte Durchfließen des Verdampfers mit solar erwärmten Solekreis verstärkt. Der Solarertrag wird dann direkt über den Verdampfer der Wärmepumpe genutzt. Die Umschaltung des Solarkreises von der Speicherladung auf einen eigenen Kreislauf in der Wärmepumpe, geschieht automatisch über die Wärmepumpenregelung.

Solarwärme als direkte und ausschließliche Wärmequelle für Wärmepumpen

Ausreichend groß dimensionierte Solarthermie-Kollektoren können in Niedrigenergiehäusern auch als alleinige "Umweltwärmequelle" für Wärmepumpen dienen und so den Ventilator einer Luftwärmepumpe oder die Sondenbohrungen einer Erdwärmepumpe vollkommen überflüssig machen.

Hier sehen Sie eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips des SOLINK PVT-Kollektors zur Solarstrom- und Solarwärmegewinnung für Wärmepumpen
Mit dem SOLINK PVT-Kollektor kann auf der Oberseite Solarstrom für die Wärmepumpe und auf der Unterseite thermische Energie für die Wärmepumpe über eine Luftwärmetauscherfläche sowie über die Modul-Abwärme gewonnen werden. (Grafik: Consolar Solare Energiesysteme GmbH)

Solarwärme zudem auch als alleinige Wärmequelle für Gaswärmepumpen wie z. B. Zeolith-Adsorptionswärmepumpen genutzt werden. Werden thermische Solarkollektoren als Wärmequelle verwendet und mit einer Gaswärmepumpe kombiniert, können hohe Nutzungsgrade erzielt werden und in den Übergangszeiten kann die Umweltwärme mit einem niedrigeren Temperaturniveau genutzt werden. Bei der Verwendung von thermischen Solarkollektoren als Wärmequelle für Gaswärmepumpen ist weniger Kollektorfläche als bei Heizungsanlagen mit solarer Unterstützung notwendig.

Indirekte Nutzung von Solarwärme und Wärmepumpe

Neben dieser direkten Nutzung der Solarwärme mit einer Wärmepumpe gibt es daneben die Möglichkeit, mit Solar auch die Wärmequelle der Wärmepumpe zu unterstützen oder komplett bereitzustellen. Eine Art dieser Solar-Wärmepumpe-Nutzung wird häufiger durch den Begriff Solargeothermie beschrieben, der den Versuch bezeichnet, Sonnen- und Erdwärme in einem System zur Heizwärmegestehung so zusammen zu fassen, dass die Solarthermie über den Pufferspeicher hinaus, energetisch sinnvoll integriert wird. Dabei geht es vor allem darum, die Solarthermie, die bisher nur saisonal und auch nur unterstützend zur Wärmeerzeugung verwandt wird, so zu implementieren, dass sie der ganzjährigen Wärmegestehung aus Erdwärme zugeführt wird und damit den Wirkungsgrad der Wärmepumpe erhöht oder bei gleichbleibender Effizienz der Wärmepumpe die Investition in den Erdwärmetauscher reduziert.

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Funktionsprinzip einer Solar-Wärmepumpe mit Eisspeicher

Um die tages- und jahreszeitabhängig schwankende Gestehung von Solarwärme insbesondere im Winter der Wärmepumpe als nutzbare Umweltenergie zur Verfügung zu stellen, können große Latentwärmespeicher genutzt werden, die im alltäglichen Sprachgebrauch auch als "Eisspeicher" bezeichnet werden. Dieser speichert Temperaturen um den Gefrierpunkt und ermöglicht es daher der Solaranlage auch Niedertemperaturwärme im Winter zu sammeln und über den Eisspeicher der Wärmepumpe zuzuführen. Die Solaranlage wird somit auch im Winter genutzt und die Installation eines Erdwärmetauschers wird nicht zwangsläufig notwendig.

Schematische Darstellung der Anbindung eines Eisspeichers an eine Wärmepumpe als Wärmequelle und Speicher der Wärme der Solarkolektoren. (Abbildung: Viessmann Werke)
Schematische Darstellung der Anbindung eines Eisspeichers an eine Wärmepumpe als Wärmequelle und Speicher der Wärme der Solarkolektoren. (Abbildung: Viessmann Werke)

Im Sommer wird dann durch Sonnenwärme der Latentwärmespeicher wieder aufgewärmt. Dann dient der Eisspeicher als ganz normaler Pufferspeicher und Wärmequelle für die Wärmepumpe. Dies schützt den Solarkollektor zudem vor Überhitzung. Die im Speicher aufgenommene Wärme kann dann während einer längeren Schlechtwetterperiode oder je nach Größe des Eisspeichers auch bis in den Herbst hinein durch eine Wärmepumpe zur Deckung des Wärmebedarfs genutzt werden. Da die Quellentemperatur im Vergleich zur Erdwärme höher ist, ist auch die Leistungszahl dieser Solar-Wärmepumpe höher und somit der Verbrauch an elektrischem Strom geringer.

Als latenter Eisspeicher können Zisternen mit Regenwasser ebenso verwendet werden wie Kies-Wasser- oder Paraffinspeicher. Neben der Heizfunktion lassen sich Eisspeicher auch zum Kühlen von Immobilien nutzen. Sobald die Speicherwassertemperatur unter das Temperaturniveau des den Speicher umgebenden Erdreichs sinkt, so nimmt der Speicher auch die Erdwärme des den Speicher umgebenden Erdreichs auf. Die Höhe dieses Energieertrages richtet sich dabei nach der Wärmeleitfähigkeit des Bodens.

Erdwärmeheizung mit solarthermisch unterstütztem Erdwärmespeicher

Andere Solar-Wärmepumpen zielen darauf ab, überschüssige Solarwärme direkt im Boden einzuspeichern und so das Temperaturniveau der Erdwärmequelle anzuheben. Die eigentliche Besonderheit dieses Systems ist die zusätzliche Anbindung des Solarwärmeüberträgers an den Rücklauf der Erdsonden oder des Flächenkollektors. Die Rücklauftemperatur der Sole wird dann angehoben, sobald die Vorrangschaltung der Solaranlage erkennt, dass Wärme zwar produziert jedoch nicht an das Heiz- oder Trinkwassersystem abgegeben wird. Dies führt dazu, dass das durch den Heizbetrieb im Winter die Erdwärmesonden oder den Flächenkollektor umgebende Erdreich energetisch schneller regeneriert wird und unter Umständen sogar eine höhere nutzbare Ausgangstemperatur zu Beginn der Heizsaison erreicht. Diese Temperatursteigerung führt dann zu einer höheren Effizienz der Solar-Wärmepumpe, da diese nun eine geringere Differenz zwischen benötigter Vorlauftemperatur und vorhandenem Erdwärmetemperaturniveau überbrücken muss.

Schematische Darstellung einer Einspeisung überschüssiger Solarwärme in den Rücklauf der Erdwärmesonden. (Grafik: Schüco)
Schematische Darstellung einer Einspeisung überschüssiger Solarwärme in den Rücklauf der Erdwärmesonden. (Grafik: Schüco)

Daneben gibt es spezielle Erdwärmetauscher, die für dieses Prinzip einer solarthermischen Erdreichregeneration konzipiert wurden und günstiger in der Anschaffung sind als andere Erdwärmetauscher. So gibt es z. B. sogenannten Registerstationen, die aus sternförmig angebrachten Rippenkollektoren aus Kunststoff bestehen. Sie stellen die Speicher- und Entzugselemente dar und werden ähnlich des Flächenkollektors unterhalb der Frostgrenze eingebracht.

Erdbohrungen bzw. großflächige Erdabtragungen für horizontale Rohrkollektoren werden damit nicht notwendig. Es muss jedoch beachtet werden, dass die Registerstation durch ihre begrenzte Oberfläche weniger Kälteentzugsleistung bietet und damit häufig auf einen bivalenten Betrieb der Solar-Wärmepumpe angewiesen ist.

Durch die künstliche Unterstützung eines Erdwärmespeichers werden zum einen die Betriebskosten der Wärmepumpe gemindert und zum anderen die Auslastung der Solaranlage gesteigert, sodass sich die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems (SJAZ) verbessert. Trotz dieser Effekte ist in wirtschaftlicher Hinsicht jedoch zu sagen, dass bei den heute für ein solches System aufzuwendenden Investitionskosten die auf eine kWh herunter gerechneten Gesamtkosten in etwa denen entsprechen, die auch durch ein "normales" Erdwärmesystem erreichbar wären. Der ökologische Beitrag ist jedoch höher, da weniger CO2 pro erzeugter kWh Wärme durch die voran gegangene Erzeugung des benötigten Wärmepumpenstroms emittiert wird.

Über eine Registerstation wird eine Erdwärmeblase geschaffen, die bei entsprechender Bodenbeschaffenheit bis zur Heizperiode die durch Solarwärme angehobenen Bodentemperaturen der Wärmepumpe zur Verfügung stellen kann. (Grafik: Roth Werke)
Über eine Registerstation wird eine Erdwärmeblase geschaffen, die bei entsprechender Bodenbeschaffenheit bis zur Heizperiode die durch Solarwärme angehobenen Bodentemperaturen der Wärmepumpe zur Verfügung stellen kann. (Grafik: Roth Werke)

Solar-Wärmepumpen zur Eigenverbrauchsoptimierung einer PV-Anlage

Anstatt einer reinen Geldanlage wird Sonnenstrom als Möglichkeit angesehen, seinen eigenen Strom zu produzieren und sich somit ein stückweit unabhängiger vom Stromversorger zu machen und Stromkosten zu sparen. Die Ersparnis ergibt sich dabei aus dem Haushaltsstrompreis bzw. dem Heizstromtarif Minus der PV-Gestehungskosten. Diese Erlösspanne wird sich künftig weiter erhöhen und den Eigenverbrauch noch gewinnträchtiger machen. PV-Anlagenbesitzer sind dann zu einem guten Teil unabhängig von Strompreissteigerungen.

Doch die reine Einspeisung ins Hausnetz für Waschmaschine, Fernseher oder Beleuchtung verbraucht nur einen Bruchteil des PV-Stroms. Daher werden auch Solar-Wärmepumpen als Kombination aus PV-Anlage und Wärmepumpe für Viele interessant, um aus Sonnenstrom Wärme zu machen und diese bis zum Bedarfszeitpunkt auf Vorrat im z. B. Pufferspeicher zu speichern.

Grundsätzlich lassen sich mit einer PV-Anlage ohne technische Hilfsmittel durchaus etwa 30 Prozent des Strombedarfs der Wärmepumpe decken. Kombiniert man ein PV-Energiemanagementsystem, so kann die Wärmepumpe sogar mit rund 50 Prozent selbst erzeugtem PV-Strom versorgt werden. Nimmt man noch ein Stromspeichersystem hinzu, so ist sogar eine autarke Selbstversorgung möglich.

Steuerungstechnik des Solarstromverbrauchs per Wärmepumpe

Gesteuert wird die Solar-Wärmepumpe über ein spezielles Regelungsmodul, das mit dem Wechselrichter der PV-Anlage kommuniziert. So wird die Nutzung von Eigenstrom aus einer Photovoltaikanlage durch die Anhebung oder Reduzierung des Warmwassersollwertes durch einen Wechselrichter ermöglicht. Bei ausreichender Stromlieferung durch die Photovoltaikanlage schaltet das Regelungsmodul die Wärmepumpe ein und betreibt diese mit einer für die Solaranlage optimierten Regelungsfunktion.

Außerdem können viele so geregelte Wärmepumpen über eine Energiemanagementfunktion Heizkessel oder Elektro-Heizstab automatisch hinzuschalten. Ist eine Solarwärmeanlage vorhanden, kann das Regelungsmodul den Solarthermieertrag verbessern, indem die Wärmepumpe ausgeschaltet wird, sobald die am Wärmespeicher der Wärmepumpe angeschlossene Solarthermieanlage Wärme liefert. Wird die Solar-Wärmepumpe dann eingesetzt, wenn PV-Strom erzeugt wird, so kann es jedoch auch zu längeren Speicherzeiten und zum Anschalten bei noch relativ hohen Speichertemperaturen kommen, was den Stromverbrauch erhöhen kann.

Will man eine Wärmepumpe zur Optimierung des Eigenverbrauch von Solar-Strom einsetzen, so bietet es sich an, z. B. eine SmartGrid-fähige Wärmepumpe zu nutzen. Dieses Label wird vom Bundesverband Wärmepumpe e. V. an Wärmepumpen mit einer Regelungstechnik zur Einbindung der Wärmepumpe in ein intelligentes Stromnetz verliehen.

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"Solar-Wärmepumpe-Kombinationen im Überblick" wurde am 04.05.2018 das letzte Mal aktualisiert.