Wärmepumpe mit Solarthermie richtig kombinieren

Wärmepumpen werden am häufigsten mit PV-Anlagen kombiniert, die den Strom für den Wärmepumpenbetrieb liefern. Sofern noch Platz auf dem Dach ist, wird auch Solarwärme - der Fachmann spricht hierbei von "Solarthermie" - geerntet und in den Heizungsspeicher eingespeist. Das schafft durchaus eine Konkurrenz zur Wärmepumpe und kann sogar den Betrieb der Wärmepumpe komplizierter machen. Aber richtig kombiniert kann eine Wärmepumpe-Solarthermie-Kombination die hohe Effizienz der Einzelsysteme erhöhen und ein Gewinn für die Umwelt und das Portemonnaie des Hausbesitzers darstellen.

Ausgehend von der Wärmepumpe unterscheidet man im Wesentlichen zwei grundlegende Ansätze bei der Kopplung beider Systeme, wobei die Solaranlage in den

• Sekundärkreis (Wärmesenke) - typischer Fall - und in den
• Primärkreis (Wärmequelle) der Wärmepumpe eingebunden wird.

Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass einerseits die Solarwärme in den Trinkwasser- oder Heizungspufferspeicher der von der Wärmepumpe erzeugten Wärme beigemischt wird (Sekundärkreis). Und andererseits die Solarthermie dazu genutzt wird, um die Umweltwärmequelle der Wärmepumpe zu ergänzen bzw. zu ersetzen (Primärkreis).

Etwa 14 % der Haushaltsenergie in Deutschland wurde 2020 für die Warmwasserbereitung genutzt. Anders als bei der Heizwärme liegt der Warmwasserbedarf jedoch über das ganze Jahr verteilt auf einem recht ähnlichen Niveau.

Solarthermie für sich betrachtet ist bei herkömmlicher Anlagenauslegung durchaus imstande rund 60% des Warmwasserbedarfs – hauptsächlich im Sommer und den Übergangsmonaten – bereitzustellen.

Gerade die Warmwasser-Bereitung ist aufgrund ihrer hohen Temperaturen prädestiniert, um diese per Solarthermie bereitzustellen und so die Wärmepumpe um ebendiese für die Wärmepumpe tendenziell ineffizienteren Heizvorgänge zu entlasten. Eine augenscheinliche Win-Win-Situation.

Und obwohl bei Luft/Wasser-Wärmepumpen in den Sommermonaten mit zunehmender Außentemperatur die Effizienz steigt, kann eine Kombination mit einer Solaranlage dennoch sinnvoll sein, da dadurch - trotz hoher Systemeffizienz - der Stromverbrauch reduziert wird.

Bei der Integration einer Solarthermieanlage in die Trinkwassererwärmung eines Wärmepumpensystems ist die Größe der vorhandenen Wärmetauscher im Speicher zu beachten. Der Solarwärmetauscher muss mit der installierten Kollektorfläche abgestimmt sein:

Für die Wärmepumpe muss sowohl eine ausreichende Nennweite als auch eine Tauscherfläche von mindestens 0,25 m² je kW Wärmepumpenleistung zur Verfügung stehen.

Sollen hohe Leistungsspitzen bedient oder große Wärmepumpen eingesetzt werden, ist der Einsatz von Ladespeichern mit externen Wärmetauschern sinnvoll. Externe Wärmetauscher bieten den Vorteil, dass die Wärmetauscherfläche beliebig groß gewählt werden kann. Somit können große Warmwassermengen in kurzer Zeit bereitgestellt werden.

Für den Wärmepumpenbetrieb müssen die Ladespeicher mit speziellen Einströmvorrichtungen versehen werden. Der Einsatz einer Einströmvorrichtung vermindert die Eintrittsgeschwindigkeit des erwärmten Wassers, sodass die Temperaturschichtung im Speicher erhalten bleibt. Dies ist notwendig, da Wärmepumpen aufgrund der geringen Spreizung über den Verdampfer nur kleine Temperaturhübe ermöglichen. An einen integrierten Wärmetauscher im Ladespeicher kann eine Solaranlage angeschlossen werden.

Bei der Kombination einer Wärmepumpe mit einer Solarthermie-Anlage für die Trinkwassererwärmung können neben Trinkwarmwasserspeichern auch Pufferspeicher mit Heizungswasser eingesetzt werden. Die Trinkwassererwärmung erfolgt dann bedarfsgerecht

• entweder intern durch im Speicher installierte Edelstahlwellrohre
• oder extern über ein Plattenwärmetauschersystem (Frischwassersystem).

Im Pufferspeicher wird das Heizungswasser direkt durch die Wärmepumpe erwärmt und die Solaranlage über einen integrierten Rohrwendelwärmetauscher eingebunden. Auf diese Weise werden zwar nur geringe Trinkwarmwassermengen bevorratet, aber große Trinkwarmwasserleistungen erzielt.

Für die reine Trinkwassererwärmung mittels Wärmepumpen sind Warmwasser-Wärmepumpen geeignet. Auch hier können thermische Solaranlagen über integrierte Wärmetauscher eingebunden werden.

Eine Kombination aus Warmwasserwärmepumpe mit Solarthermie klingt zunächst widersinnig, da die Solarwärme einen Großteil des Warmwasserbedarfs bereits liefern könnte. Dabei muss man beachten, dass eine Wärmwasser-Wärmepumpe ihre große Stärke in den Übergangsmonaten und im Winter ausspielen kann, wenn auch die z.B. Gasheizung entsprechende Abwärme produziert.

Eine Kombination einer Brauchwasserwärmepumpe mit Solarthermie kann zusammen nahezu den gesamten Warmwasserbedarf decken. Eine Investition in ein solches System sollte daher im saisonalen Zusammenhang beurteilt werden. Zudem sind Warmwasser-Wärmepumpe nicht sehr teuer und können schnell einem bestehenden System aus Solarthermie und Gasheizung hinzugefügt werden.

Den größtmöglichen Nutzen einer Solarthermie-Wärmepumpen-Kombination verspricht ihr gemeinsamer Einsatz zur Heizungs- und Brauchwasser-Bereitstellung.

Ist ausreichend Platz zur Verfügung, kann die von der Solarthermie-Anlage und Wärmepumpe erzeugte Wärme

• in jeweils einen Heizungspufferspeicher und
• einen bivalenten Trinkwarmwasserspeicher eingespeist werden.

Ist wenig Platz zur Aufstellung zweier getrennter Speicher vorhanden, kommen Kombispeicher (Tank-Systeme oder Kombispeicher mit integriertem Durchlaufprinzip) als Heizungspufferspeicher und Trinkwassererwärmer in einem Behälter zum Einsatz.

Die Solarthermieanlage wird an den integrierten Wärmetauscher im Kombispeicher angeschlossen. Die gesamte durch die Solaranlage erzeugte Energiemenge wird – je nach Temperaturniveau – durch Schichtung oder interne Aufteilung des Behälters (z. B. durch Trennbleche) entweder der Heizung oder der Trinkwassererwärmung zur Verfügung gestellt.

Bivalente Speicher haben aber den Nachteil, dass einerseits die Zieltemperaturen in Kombispeichern immer höher sein müssen als in Trinkwarmwasserspeichern. Insbesondere Speicher mit integriertem Innentank eignen sich daher in der Regel nur für einen sehr kleinen Warmwasserbedarf, da die Nachladung über die vergleichsweise kleine Oberfläche des Innentanks als Wärmetauscher erfolgt.

Andererseits kann es ohne sinnvolle Regelung dazu kommen, dass der Pufferspeicher bereits durch die Wärmepumpe auf 50° bis 55°C für das Brauchwasser erhitzt wird und die eigentlich verfügbare Solarenergie nicht mehr eingespeist werden kann.

Sinnvoller kann dann der Einsatz eines vorgeschalteten Solarspeichers sein, der zunächst vom Brauchwasser durchlaufen wird, bevor dieses dann im nächsten Schritt einen von der Wärmepumpe erwärmten Brauchwasserspeicher durchläuft.

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Die vorgestellte Einbindung von Solarthermie auf der „warmen Seite“ der Wärmepumpe ist eine seit Beginn der 80er- Jahre erprobte Methodik. Dabei wurde im technischen Anlagenkonzept immer auf einen großen Wärmespeicher gesetzt, in dem die Solarthermie und die Wärmepumpe je nach Verfügbarkeit einspeisen.

Seit es mehr und mehr modulierende Inverter-Wärmepumpen gibt, die ihre Leistung an den Bedarf immer feiner anpassen können, werden aber auch die Puffervolumina immer kleiner. Die Wärmepumpe heizt dann immer nur das Delta auf - also den kürzlich verbrauchten Wärmeanteil.

Sie ist im Grunde permanent im Heizmodus, jedoch auf sehr geringem Niveau, während frühere Wärmepumpen mehrmals am Tag ansprangen und mit ihrer vollen Leistung den Speicher aufgeheizt haben. Hieraus resultierte auch das Problem des Taktens von Wärmepumpen.

Da der Wärmespeicher sehr klein ausfällt, ist eine Einbindung von Solarthermie zur Heizwärmeunterstützung in ein Wärmepumpen-System grundsätzlich schwieriger geworden, ohne die Effizienz bzw. den optimalen Betrieb der Wärmepumpe einzuschränken.

Um die Solarthermie-Anlage optimal ausnutzen zu können und auch die Arbeit der Wärmepumpe zu minimieren, bedarf es einer smarten Regelung, um beide Systeme und deren Vorteile aufeinander abstimmen zu können, um energetisch aber auch wirtschaftlich aus einer Wärmepumpe-Solarthermie-Kombination das Optimum rauszuholen.

Regeln zum Vorrang der jeweiligen Wärmeerzeuger sind z. B. dann sinnvoll, wenn man klassischerweise in einem Einfamilienhaus (oder im größeren Maßstab auch in einem Hotel) morgens einen hohen Warmwasserbedarf hat, weil jeder duschen möchte, im Herbst und Winter aber erst später die Sonne aufgeht.

Dann würde die Wärmepumpe direkt nachheizen, obwohl eventuell eine Stunde später die Sonne scheint und umsonst den Speicher vollmachen könnte. Dann wäre der Speicher bereits voll und die Solarwärme könnte nicht in vollem Umfang abgenommen werden. Sie „verpufft“ quasi, was den Nutzungsgrad der Anlage weiter einschränkt.

Eine Kombination einer Solarthermie-Anlage und einer Wärmepumpe bedarf daher einer aufeinander abgestimmtenWärmepumpen-Regelung, die bestenfalls weiß, wann und wie viel Sonne scheint und wie hoch der Wärmebedarf noch ist, bis die Sonne nachheizt. Das setzt vor Allem natürlich eine Einbindung einer Wetterprognose und eine im Optimalfall selbst erlernte Prognose (KI) des zu erwartenden Heizwärmebedarfs voraus.

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Eine neben der Einbindung der Solarthermie auf der „warmen“ Seite der Wärmepumpe potenziell effektivere Methode der Solarnutzung ist ihre Einbindung auf der „kalten“ Seite als Ergänzung oder alleinigen Bereitstellung der Umweltwärmequelle.

Die Einbindung in den Primärkreis hat wesentliche Vorteile:

• Die zur Verfügung stehende solare Energie kann im Vergleich zu reiner Trinkwassererwärmung bzw. Heizungsunterstützung wesentlich länger genutzt werden, da das Temperaturniveau des Primärkreises niedriger ist.
• Die Solarwärme kann durch den Kreisprozess der Wärmepumpe vervielfältigt werden. Während man im Sekundärkreis aus 1 kWh Solarthermie auch nur 1 kWh erzielt, können im Primärkreis aus 1 kWh rund 4 kWh erzeugt werden.

Am Markt finden sich verschiedene Systeme zur primären Einkopplung von Solarwärme. Dennoch ist die Einbindung und Nutzbarmachung thermisch und hydraulisch komplex.

Solarenergie wird vorrangig zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung genutzt. Steht darüber hinaus weitere Energie zur Verfügung, wird der Verdampfer-Wärmetauscher der Wärmepumpe von der Solarflüssigkeit durchströmt.

Die direkte Einkopplung in den Primärkreis einer Luft/Wasser-Wärmepumpe kann während des Betriebes der Wärmepumpe die Verdampfertemperatur erhöhen und somit zur Verbesserung der Arbeitszahl beitragen.

Die Auslegung der Kollektoren richtet sich bei diesem System nach der erforderlichen Kollektorfläche für die Heizungsunterstützung.

Sole/Wasser-Wärmepumpen verwenden meist Erdwärmesonden oder Erdkollektoren als Wärmequellen. Auch hier wird die Solarenergie vorrangig zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung genutzt. Die darüber hinaus zur Verfügung stehende Energie aus der Solaranlage wird genutzt, um bei Betrieb der Wärmepumpe die Sole im Primärkreis zu erwärmen, die dann zu einer entsprechenden Steigerung der Arbeitszahl führt.

Ist die Wärmepumpe dagegen außer Betrieb, wird die überschüssige solare Energie in den Erdkollektor oder die Sonde eingespeist – sie erwärmt dann das umgebende Erdreich und sorgt für eine schnellere thermische Regeneration. Die Solarwärme findet also zu jedem Zeitpunkt eine Verwendung, während die bei Luftwärmepumpen nur im Speicher und während des Betriebs der Wärmepumpe genutzt werden kann.

Allerdings kommt es bei der Einspeisung von Solarwärme in den Boden – über Sonden oder Flächenkollektor - auf die geologischen Beschaffenheiten am Standort an. Wasserführende Schichten führen zum Beispiel dazu, dass die Wärme schnell fortgetragen wird und sich keine Wärmeblase bildet, die als saisonaler Speicher dienen kann.

Um die Solarwärme "einzufangen" und der Wärmepumpe als Quelle zur Verfügung zu stellen, gibt es verschiedene technische Möglichkeiten.

Absorberanlagen sind meistens schwarze, reflexionsfreie Rohre, Matten oder auch Platten, die die Solarstrahlung und zusätzlich die Umgebungstemperatur aufnehmen (z. B. Energiezaun) und sie an den Wärmeträger abgeben oder direkt von der Sole der Erdwärmepumpe durchströmt werden.

Absorber erzielen besonders im Sommer hohe Solarwärmetemperaturen und werden daher bereits häufig zur Direkterwärmung von kleinen Pools bis hin zu ganzen Freibädern eingesetzt.

Im Winter eignen sie sich jedoch nur für niedrige Temperaturen, da sie weder durch eine Dämmung noch durch eine Glasabdeckung gegen Wärmeverluste geschützt sind und entsprechend wenig Solarwärme im Winter beitragen können. Ein monovalenter Betrieb der Wärmepumpe ohne weitere Umweltwärmequelle daher ist schwer umzusetzen, da der Absorber sonst sehr groß ausgelegt werden müsste.

Zur Einbindung einer Absorberanlage in Heizsysteme mit Sole/Wasser-Wärmepumpe hat sich ein separater Solespeicher bewährt.

Im Gegensatz zu unverglasten Absorbern erbringen typische verglaste und wärmegedämmte Solarthermie-Kollektoren eine deutlich höhere Temperatur. Kollektoren sind daher sehr gut geeignet für Kombinationen von Trinkwassererwärmung, Heizungsunterstützung und Einspeisung in den Primärkreis von Wärmepumpenanlagen.

Ein Sonderfall sind PVT-Kollektoren, PV steht für Photovoltaik, T für Solarthermie. Diese erzeugen sowohl Wärme als auch Strom. Durch die Abnahme der Wärme kann sich zudem die Effizienz der PV-Module im Sommer erhöhen.

Die direkte Erwärmung des Solekreislaufes führt im Kollektor zu vergleichsweise niedrigen Betriebstemperaturen – die Abtrockung von Kondensat bei Flachkollektoren im Betrieb ist daher unter Umständen erschwert.

Da sich nicht jeder Kollektortyp gleichermaßen eignet, ist es sinnvoll, beim Kollektorhersteller zu erfragen, ob Maßnahmen erforderlich sind, um den notwendigen Luftwechsel im Kollektor sicherzustellen.

Eine weitere Möglichkeit, Solarthermie als Wärmequelle Wärmepumpen bereitzustellen, sind sogenannte „Primärquellenspeicher“ – heute besser bekannt als: Eisspeicher. Das sind größere, in den Boden eingelassene und mit Wasser befüllte Betonzisternen, in denen die spitalförmig angeordneten Soleleitungen dem Wasser die Wärme entziehen bis es vereist. Die beim Phasenwechsel freiwerdende Kristallisationsenergie ermöglicht zudem einen zusätzlichen Energiepuffer.

Im Sommer sorgt dann die Solarwärme wieder für ein Auftauen. Neben der Solarthermie nimmt der Eisspeicher auch Erdwärme und teilweise Wärme aus der Umgebungsluft auf niedrigem Temperaturniveau auf. Für die Sole/Wasser-Wärmepumpe ergeben sich mit dieser Wärmequelle mitunter veränderte Auslegungspunkte, wie z. B. die minimale Wärmequellentemperatur.

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Die Kombination von Wärmepumpen mit solarthermischen Anlagen kann die Effizienz der Einzelsysteme erhöhen und die Betriebskosten senken. Grundsätzlich ist die Kombination von Solarthermie mit verschiedenen Arten von Wärmepumpen denkbar.

Jedoch arbeitet eine Luft-Wärmepumpe bei hohen Umgebungstemperaturen dann besonders effizient, wenn auch die Solarthermie-Anlage viel Wärme erzeugt. Erdwärmepumpen können hingegen von Solarthermie eher profitieren, da Solarwärme auch in den Boden eingespeist oder im Eisspeicher "gelagert" werden kann.

Ob eine Kombination von Solarthermie mit Wärmepumpen technische, ökologische und finanzielle Vorteile bietet, sollte unter anderem danach beurteilt werden, ob man eine der Technologien bereits nutzt.

Bei der Überlegung einer Neuinstallation von Wärmepumpe und Solarthermie stehen Eigentümer:innen vor der Entscheidung, ob die Kombination beider Anlagen sinnvoll ist.

Es sollte als Grundprinzip beachtet werden, dass eine Wärmepumpe allein den Wärmebedarf eines Hauses zu 100 % decken kann, ohne zusätzliche Unterstützung.

Aus finanzieller Perspektive ist es daher möglicherweise nicht ratsam, gleichzeitig in zwei neue Anlagen zu investieren.

Wenn Eigentümer:innen bereits eine Wärmepumpe besitzen und darüber nachdenken, Solarthermie nachzurüsten, ähnelt die Situation dem zuvor beschriebenen Fall.

Auch hier entstehen Investitionsmehrkosten, die sich nicht zwangsläufig durch eine Reduzierung des Stromverbrauchs beider Anlagen in angemessener Zeit amortisieren.

Zu diesen Kosten zählen neben den Ausgaben für die Solarkollektoren auch die Installation eines zusätzlichen Wärmespeichers mit einem Wärmetauscher. Dennoch kann es je nach Verbrauchssituation lohnen!

Besitzen Eigentümer:innen bereits eine Solarthermie-Anlage, ist die zusätzliche Installation einer Wärmepumpe meist eine sinnvolle Investition, um den Wärmebedarf vor allem in der kalten, sonnenarmen Jahreszeit zu decken.

Die bestehende Solaranlage dient dann als erster Schritt zur Warmwasserbereitung. Das bereits durch die Sonne vorgewärmte Wasser wird in einen zweiten Pufferspeicher für Warmwasser geleitet und dort von der Wärmepumpe weiter erwärmt. Diese Lösung stellt eine einfache und effiziente Methode dar.

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