| Wärmepumpen, Solarthermie und die Systemintegration | n9o5 bearb. am 22.10.2023 | copyright by | |
Hier geht es um das Thema "Wärme", in der Regel um Heizung und Warmwasser bzw. heisses Brauchwasser. Während eine Neuplanung natürlich denselben Regeln folgt, wird hier die Systemintegration neuer Komponenten in bestehende Anlage beleuchtet.
Da beim Warmwasser die Hygienevorschriften sowie die Mindesttemperatur in Bezug auf Legionellen beachtet werden muß und Heizungswasser sich grundsätzlich mit der Zeit verschmutzt, handelt es sich grundsätzlich zwei getrennte Wasserkreisläufe, die sich aber thermodynamisch wenig unterscheiden.
Die Ausgangssituation im Bestandsobjekt wird nun diejenige sein, dass im Falle des Vorhandenseins einer wasserbasierten Heizung entweder zwei Wasserkessel oder ein sog. Kombikessel nebst Befeuerungsanlage(n), Steuerung und verbraucherseitiger Installation betriebbereit vorhanden sind.
Und nun kommt die Idee, Wärmepump(n) oder Solarhermie zusätzlich anzuschließen und damit natürlich die Frage: was muss verändert werden ?
Die Antwort: es ändert sich an den Bestandsanlagen erfreulicherweise wenig ! Die nachfolgenden Bilder verdeutlichen dies:
Einbau von Wärmepumpen
Der jeweilige Wasserkessel benötigt zwei zusätzliche Anschlüsse für Zulauf und Ablauf. Die bestehende Steuerung sowie die kompletten bestehenden Installationen müssen per se erst einmal nicht verändert werden.
Der Installateur kann auch nachträglich an einem bestehenden Kessel Wasseranschlüsse anbringen, das ist Teil seiner Ausbildung. Prinzipiell geht das also ! Wir wollen die Tatsache, dass manches Handwerksunternehmen dem Kunden -gewinnbringend- lieber einen neuen Kessel verkaufen wird, nicht in Abrede stellen. Aber technisch notwendig ist das nicht !
Eine Option ist, wie die Zeichnung zeigt, die Wärmepumpe durch die Heizungssteierung ein- und ausschalten zu lassen. Aber eine gute Wärmepumpe merkt auch von alleine, wann sie laufen soll bzw. wann das Sinn macht und wann nicht.
Energiequelle einer Wärmepumpe kann entweder die Luft, ein Wasserkreislauf oder ein Solekreislauf sein. Das Energieziel der abgebildeten Fälle ist stets Wasser. Demnach sprechen wir hier entweder von einer Luft zu Wasser-Wärmepumpe oder von einer Wasser zu Wasser-Wärmepumpe oder von einer Sole zu Wasser-Wärmepumpe ("Erdwärmepumpe"). (Sole = Wasser + etwas Salz wegen Frostschutz)
Eine Luft zu Wasser-Wärmepumpe ist im Grunde dasselbe wie das Außengerät einer Klimaanlage im Heizbetrieb: es verwendet im äußeren Kreis die Umgebungsluft als Energiequelle, kühlt diese ab und gibt die gewonnene Energie an den inneren Kreislauf, das zu erwärmende Wasser, ab. Eine Wasser zu Wasser- oder Sole zu Wasserwärmepumpe macht dasselbe, nur sind für den äußeren Kreislauf Wasser oder Sole umfangreichere Vorarbeiten für den benötigten Kreislauf notwendig: entweder sog. Flächensammler im Garten knapp unter der Frostgrenze (geeignet eher für Neubauten) oder Tiefenbohrungen für Sonden (180 m +/-) oder die Einbringung sogenannter Energiekörbe in den Boden. Letztere sind einer Kombination aus der Idee Fläche x Tiefe und sollen eine Kompromisslösung darstellen, bei der weniger Fläche beschädigt wird und zugleich große Bohrtiefe vermieden werden soll.
Unsere Einschätzung für kleinere oder nicht-kommerzielle Projekte, bei denen es nicht auf die Befeurerung von Fertigungsprozessen ankommt: die Lösungen mit Luft zu Wasser-Wärmepumpen sind in Deutschland auch im Winter völlig ausreichend. Die Mehrkosten, die durch Grabearbeiten und die notwendigen Bodeninstallationen entstehen, rechtfertigen sich nicht. Eine Luft zu Wasser-Wärmepumpe bringt auch bei einer Außentemeratur von -5°C noch durchaus ordentliche Ergebnisse. Und da eine Wärmepumpe gerade im Falle einer Nachrüstung immer ein Adon ist zur bestehenden Befeurérung, kann die vorhandene Befeuerung ja immer noch stützen, wenn es eng wird.
Für die Bewertung einer Wärmepumpe für Gebäuden und Wohnanlagen ist -im Unterschied zur industriellen Anwendung- der SCOP-Wert (statt dem COP-Wert) ausschlaggebend. Ohne an dieser Stelle auf die Unterschiede und die diversen Normen einzugehen hier in Kürze folgendes:
Heute werden für praktisch alle Wärmepumpenarten SCOP-Werte zwischen 4 und sogar bis 6 angegeben. Dies bedeutet 1:4 bzw. 1:6 und meint, dass 1 Teil aufgewandter Energie 4 oder 6 Teilen gewonnener Energie gegenüber stehen. Daraus folgt:
SCOP = 4: 1/4 = 25% => Energieeinsparung 75%
SCOP = 6: 1/6 = 17% => Energieeinsparung 83%
Wir rechnen bei industriellen Anwendungen mit einem COP = 4,5, was einer realen Energieeinsparung von 80% entspricht und das wird auch erreicht.
Wo immer möglich sollte man aufgrund des in Deutschland um den Faktor 4 höheren Strompreises im Vergleich zum Gaspreis achten, wo immer möglich gasbetriebene Wärmepumpen einzusetzen, da durch den hohen Strompreis bei elektrisch angetriebenen Wärmepumpen zwar Energie eingespart wird, aber kein Kostenvorteil entsteht. Wirklich gespart wird nur durch eine gasbetriebene Wärmepumpe.
Klimaanlagen im Heizbetrieb
Auch das sind Wärmepumpen und zwar Luft zu Luft-Wärmepumpen mit allerdings ausschließlich elektrischem Antrieb. Auch die dort angebotenen SCOP-Werte sind den zu Wasser-Wärmepumpen s.o. durchaus vergleichbar und somit eine echte Alternative zur Beheizung, zumal sich der Anschlußaufwand in Grenzen hält.
Antrieb elektrisch betriebender Wärmepumpen durch Photovoltaik
Diese Idee liegt natürlich nahe. Eine erfolgreiche Umsetzung ist aber eine Frage der vorhandenen Kesselgrößen. Hier müsste man überschlägig prüfen, ob die vorhandenen Kessel ausreichend groß dimensioniert sind, um die tagsüber hauptsächlich von der sog. Überschußproduktion der PV-Anlage befeuerte Energieproduktion der Wärmepumpe auch tatsächlich für die Zeit 17:00 bis 09:00 am nächsten Tag zu speichern. Man kann dann der Wärmepumpe verbieten, nachts zu laufen.
Einbau von Solarthermie
Solarthermie arbeitet mit Kollektoren, die sich optisch bei manchen Ausführungen kaum von Photovoltaik-Modulen unterscheiden. Ein Wasserkreislauf wird mitels einer eigenen kleinen Umwälzpumpe vom zu beheizenden Kessel zu den Kollektoren und wieder zurück geführt. Eine Steuereinheit, üblicherweise bezeichnet als "Solarregler" steuert den Ablauf in Abhängigkeit verschiedener Sensorenwerte:
Die hier dargestellte Variante zeigt einen durch einen Wärmetauscher vom Brauchwasser im Kessel (hier "Geyser" genannt) separierten Kreislauf des Übertragungsmediums. Diese Trennung ist nicht notwendig, wenn als Übertragungsmedium reines Wasser verwendet wird, wie das beim deutschen Marktführer beispielsweise der Fall ist. Der Schutz gegen Frost wird bei diesem Konzept dadurch bewirkt, dass bei Absinken des Wertes TB unter 0°C etwas warmes Wasser aus dem Kessel durch die solarthermalen Module gepumpt wird.
Hier abgebildet ist ein elektrischer Heizstab mit 2 kW als Stütze. Das kann aber auch jede beliebige andere Beheizung sein, die bereits vorhanden ist.
Wie oben bei den Wärmepumpen gilt: bis auf die Herstellung zweier Anschlüsse für Vorlauf und Rücklauf am Kessel muß in die bestehende Anlage nicht eingegriffen werden. Auch die Steuerung kann weiterarbeiten wie bisher. Nur muß sie eben weniger oft die Beheizung einschalten.
Der Vorteil der Solarthermie ist die direkte Erzeugung von Warmwasser ohne Umweg über elektrischen Strom und die Solarkollektoren haben mit 700-800 W/m2 (thermisch) einen wesentlich höheren Flächenwirkungsgrad als Photovoltaik-Module mit 200 W/m2 (elektrisch). Dieser Nachteil wird bei der Kommbination Photovoltaik + Wärmepumpe durch den Ertrag der Wärmepumpe aber ungefähr im gleichen Verhältnis wieder kompensiert.
Ultima Ratio
>> Sowohl Photovoltaik als auch Solarthermie sind natürlich gleichermaßen abhängig von der Sonne und fallen demzufolge auch gleichzeitig aus.
>> Eine installierte Wärmepumpe fällt aber nie aus, da sie entweder mit elektrischer Energie aus dem öffentlichen Netz oder mit Gas immer notbetrieben bzw. betrieben werden kann.
>> Alle der angebotenen Techniken sind grundsätzlich ausgereift und gut.
>> Welche Kombination der zur Verfügung stehenden Techniken für Ihr Projekt am meisten Sinn macht, muss die Analyse ergeben.