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So funktioniert eine Warmwasser-Wärmepumpe mit Photovoltaik

Ölkessel, Gasthermen und auch Pelletheizungen arbeiten während der Sommermonate mit einem vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad, wenn nur kurzfristig Warmwasser erhitzt werden muss. Deutlich kostengünstiger und auch umweltfreundlicher lässt sich das Brauchwasser dagegen mit einer kleinen Warmwasser-Wärmepumpe und einer Photovoltaik-Anlage erzeugen. Bei günstiger Anlagenauslegung kann das Brauchwasser auch ganzjährig mit dieser Systemkombination erzeugt werden.

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Funktionsweise einer Photovoltaik-Kombination mit Warmwasser-Wärmepumpe

Eine Photovoltaik-Anlage speist ihren erzeugten Strom normalerweise in das Netz des Energieversorgers ein. Hierzu ist im Gebäude ein Zweirichtungszähler installiert. Ein Energiemanagementsystem erhält von diesem elektronischen Zähler in Intervallen von wenigen Sekunden die aktuelle Leistung und die Information, ob Strom aus dem Netz des EVU bezogen oder selbst Photovoltaik-Strom ins Netz geliefert wird. Wird für eine gewisse Zeit Photovoltaik-Strom geliefert, so wird die Warmwasser-Wärmepumpe vom Steuergerät eingeschaltet und somit das Brauchwasser erwärmt.

Steht nicht mehr genügend selbst erzeugter Solarstrom zur Verfügung, wird die Warmwasser-Wärmepumpe automatisch wieder abgeschaltet. Hat das Brauchwasser die gewünschte Temperatur erreicht, wird die Brauchwasser-Wärmepumpe ebenfalls abgeschaltet. Ist am Abend nicht mindestens die gewünschte Warmwasser-Temperatur erreicht, so kann die Brauchwasser-Wärmepumpe über z. B. eine Zeitsteuerung eingeschaltet werden.

Für diese effiziente Nutzung des überschüssigen selbst produzierten Stroms ist es natürlich wichtig, dass die Wärmepumpe genau dann läuft, wenn ausreichend Strom von der PV-Anlage zur Verfügung steht. Hierzu gibt es drei Lösungswege an:

  1. die SG-Ready-Anwendung (schwellwertbasierte Lösung),
  2. ein intelligentes Energiemanagement oder
  3. die Einbindung in eine Hausautomatisierung.
Die Warmwasser-Wärmepumpe BWP 30HS von Dimplex arbeitet über eine intelligenten Regelung bevorzugt mit verfügbarem Photovoltaik-Strom der eigenen Solaranlage. Der Großteil des benötigten Stroms für die Warmwasserbereitung kann so umweltfreundlich selbst produziert werden. (Grafik: Glen Dimplex Deutschland GmbH)
Die Warmwasser-Wärmepumpe BWP 30HS von Dimplex arbeitet über eine intelligenten Regelung bevorzugt mit verfügbarem Photovoltaik-Strom der eigenen Solaranlage. Der Großteil des benötigten Stroms für die Warmwasserbereitung kann so umweltfreundlich selbst produziert werden. (Grafik: Glen Dimplex Deutschland GmbH)

Elektrotechnische Steuerung von Warmwasser-Wärmepumpe und Photovoltaik-Anlage

Die Anbindung der eigenen Photovoltaik-Anlage zur Erhöhung des Eigenverbrauchs und vor Allem umweltfreundlichen Erhitzung des Warmwassers über die Wärmepumpe ist vielfach mit einem potentialfreien Schalteingang bereits ab Werk vorgesehen.

Um die Warmwasser-Wärmepumpe genau dann zu betreiben, wenn ausreichend Photovoltaik-Strom zur Verfügung steht, sind zwei wesentliche Komponenten erforderlich:

Die erste ist der digitale Eingang der Warmwasser-Wärmepumpe, über den der Relaisausgang des Photovoltaik-Wechselrichters das Signal für ein Überangebot an selbsterzeugtem Strom übermittelt.

Die zweite Komponente ist die Regelung, die das Signal verarbeitet und versucht, besonders viel des selbst erzeugten Solarstroms zu nutzen. Dazu wird ein neuer, höherer Warmwasser-Sollwert aktiviert, um die Laufzeit der Warmwasser-Wärmepumpe zu verlängern und damit höhere Warmwassertemperaturen im Speicher zu erreichen.

Andere Regelparameter wie programmierte Sperrzeiten werden gleichzeitig aufgehoben, um den Warmwasser-Speicher optimal über die Photovoltaik-Anlage zu beladen. Die Warmwasser-Wärmepumpe kann so über die Zeitfunktion permanent gesperrt und nur bei ausreichendem Photovoltaik-Ertrag betrieben werden. Für konstant verfügbares Warmwasser sorgt dabei die Einstellmöglichkeit einer Mindest-Komforttemperatur, die auch während einer Sperrzeit gehalten wird.

Schematischer Aufbau einer Kombination einer Ochsner Warmwasser-Wärmepumpe mit dem Wechselrichter einer PV-Anlage. (Grafik: www.ochsner.de)
Schematischer Aufbau einer Kombination einer Ochsner Warmwasser-Wärmepumpe mit dem Wechselrichter einer PV-Anlage. (Grafik: www.ochsner.de)

Steuerbare Warmwasser-Wärmepumpen und Nachrüstung von Steuergeräten

Die Möglichkeit zur Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik lässt sich meistens daran erkennen, dass die Warmwasser-Wärmepumpen als Smart Grid-fähig gekennzeichnet sind.

Das Smart Grid ready-Label wird vom Bundesverband Wärmepumpe e. V. an Wärmepumpen mit einer Regelungstechnik zur Einbindung der Wärmepumpe in ein intelligentes Stromnetz verliehen. Warmwasserwärmepumpen müssen dabei über einen Regler verfügen, welches mittels einer automatischen Ansteuerung eine Erhöhung der Warmwasser-Solltemperatur zum Zweck der thermischen Speicherung ermöglicht.

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips des PV-Optimizer von Glen Dimplex
Der PV-Optimizer von Glen Dimplex optimiert die PV-Strom-Eigennutzung in Kombination mit einer Warmwasser-Wärmepumpe. Bevor ein PV-Stromüberschuss ins Netz eingespeist wird, prüft der PV-Optimizer, ob dieser Überschuss aus reicht um die Brauchwasser-Wärmepumpe zu aktivieren. Eine RS485-Schnittstelle sorgt dabei für eine asynchrone serielle Datenübertragung. (Grafik: Glen Dimplex Thermal Solutions)

Die SG-Ready-Funktion ist ein vom Bundesverband Wärmepumpe BWP definierter Standard, der es ermöglicht, dass die Warmwasser-Wärmepumpe in einem intelligenten Stromnetz – einem Smart Grid (SG) – entsprechend angesteuert wird. Brauchwasser-Wärmepumpen, die mit einer SG-Ready-Funktion ausgestattet sind, können über ein Signal die Info bekommen, dass im Moment (und ggf. für eine bestimmte Zeit) günstiger Strom zur Verfügung steht. Woher diese Info kommt – ob vom Energieversorger oder von der eigenen Photovoltaik-Anlage – ist der Wärmepumpe dabei völlig egal.

Ein 230 V Digitaleingang, mit dem von einem Basissollwert auf einen höheren Speichersollwert umgeschaltet werden kann, kann z. B. von einem geeigneten Wechselrichter angesteuert werden. Hierbei wird vom Wechselrichter mit einem Relais ein Signal erzeugt wenn die Photovoltaik-Anlage eine bestimmte Leistung überschreitet.

Neben einem intelligenten Energiemanagement oder der Einbindung in eine Hausautomatisierung ist die SG-Ready-Anwendung (schwellwertbasierte Lösung bzw. Schwellwertschaltung) ein praktikable Lösung. (Grafik: Stiebel Eltron)
Neben einem intelligenten Energiemanagement oder der Einbindung in eine Hausautomatisierung ist die SG-Ready-Anwendung (schwellwertbasierte Lösung bzw. Schwellwertschaltung) ein praktikable Lösung. (Grafik: Stiebel Eltron)

Der Schwellwert wird so eingestellt, dass die Leistung dem Durchschnittsverbrauch des Haushalts plus der Leistung der Warmwasser-Wärmepumpe (500 W) entspricht. Wird dieser Wert erreicht, so wird der zweite höhere Sollwert aktiviert – und die Wärmepumpe lädt den integrierten Warmwasserspeicher auf.

Das Relais im Wechselrichter muss folgende Anforderungen erfüllen:

  1. Potentialfreies Relais (240 V AC / 24 V DC, 1 A) mit Schließer
  2. Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen und Normen für Schutzkleinspannung

Der Schaltausgang muss so programmierbar sein, dass beim Über- oder Unterschreiten bestimmter Grenzwerte (Leistungsabgabe des Wechselrichters) das Relais schließt bzw. öffnet.

Daneben gibt es jedoch auch vielfältige Lösungen zur Nachrüstung eines Steuerelements zwischen der Warmwasser-Wärmepumpe und der Photovoltaik-Anlage. Diese Steuergeräte können teilweise sowohl zur Versorgung einer Warmwasser-Wärmepumpe als auch eines einfachen Heizstabes mit Photovoltaikstrom eingesetzt werden.

Zur Nachrüstung von Warmwasser-Wärmepumpen und Photovoltaik-Anlagen eignen sich Steuergeräte wie z. B. Cloudy 103, das direkt im Zählerschrank neben dem elektrischen Zweirichtungszähler montiert wird. (Fotos: Yellowstone Soft)
Zur Nachrüstung von Warmwasser-Wärmepumpen und Photovoltaik-Anlagen eignen sich Steuergeräte wie z. B. Cloudy 103, das direkt im Zählerschrank neben dem elektrischen Zweirichtungszähler montiert wird. (Fotos: Yellowstone Soft)
GridSense sammelt Informationen über den Netzzustand, den Stromverbrauch, das Benutzerverhalten sowie die Stromerzeugung der Photovoltaik-Anlage und berechnet auf dieser Basis den idealen Zeitpunkt, um elektrische Großverbraucher wie Wärmpumpen, Elektroboiler oder auch Elektroautos zu- oder abzuschalten. GridSense kann als Plug-On-Lösung an die Hauselektrik montiert werden. (Foto: Alpiq)
GridSense sammelt Informationen über den Netzzustand, den Stromverbrauch, das Benutzerverhalten sowie die Stromerzeugung der Photovoltaik-Anlage und berechnet auf dieser Basis den idealen Zeitpunkt, um elektrische Großverbraucher wie Wärmpumpen, Elektroboiler oder auch Elektroautos zu- oder abzuschalten. GridSense kann als Plug-On-Lösung an die Hauselektrik montiert werden. (Foto: Alpiq)

Experten-Tipp: Ist der Photovoltaik-Wechselrichter im gleichen Raum wie die Warmwasser-Wärmepumpe untergebracht, kann die Abwärme des Wechselrichters genutzt werden – eine Ausbeute von rund 3 bis5 Prozent des PV-Ertrages. Außerdem verlängert sich die Lebensdauer des Wechselrichters, da er auf einem geringeren Temperaturniveau arbeitet.

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"So funktioniert eine Warmwasser-Wärmepumpe mit Photovoltaik" wurde am 29.10.2018 das letzte Mal aktualisiert.