Projektumfeld

Im Hinblick auf begrenzte Ressourcen, fortschreitende Umweltverschmutzung und Klimawandel werden seit mehr als dreißig Jahren alternative, also nicht auf fossilen Energieträgern beruhende, Wärmeversorgungssysteme untersucht. Insbesondere das Beheizen von Wohngebäuden durch solarthermische Anlagen erlangte dabei besonderes Interesse von Bauherren, Forschern, Entwicklern und der Industrie. Neben den solaren Wärmeversorgungssystemen wurden auf der Suche nach Alternativen auch immer wieder Wärmepumpensysteme untersucht. Die Wärmepumpenanlagen sind jedoch auf aufwändige Wärmetauscher für die Umweltenergie angewiesen, meist Erdreichwärmetauscher in Form von großflächigen Rohrschlangen oder Sonden, was deren Verbreitung vor allem im Gebäudebestand aber auch im Neubaubereich teilweise massiv behindert. Vor diesem Hintergrund wäre eine Verknüpfung der Wärmepumpentechnologie mit solarthermischen Anlagen wünschenswert, die einen Verzicht auf aufwändige Erdreichwärmetauscher und einen fossil betriebenen Zusatzwärmeerzeuger ermöglicht. In diesem Umfeld wurde das Forschungsvorhaben „Brennstofffreie solarbasierte Gebäudeheizung“ am Kompetenzfeld Erneuerbare Energien in Zusammenarbeit mit dem Solar-Institut Jülich und den Industriepartnern Ratiotherm Heizung+Solartechnik GmbH & Co. KG und Viessmann Werke GmbH & Co. KG durchgeführt. Die Arbeiten wurden in einer ersten Phase vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit unterstützt. Die Weiterentwicklung und Optimierung wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Das Projekt hatte die Entwicklung eines neu konzipierten Solar/Wärmepumpen- Gebäudeheizungssystems zum Ziel. Das System soll dabei in der Lage sein, Wohngebäude vollständig mit Wärme für Heizung und Warmwasser zu versorgen. Dazu werden mehrere bekannte Komponenten (Solarkollektoren, Wärmepumpe, Schichtspeicher,...) mit einigen zu entwickelnden Bauteilen (Niedertemperatur- Latentwärmespeicher, Systemregelung) zu einem innovativen System kombiniert. Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem optimierten Einsatz von Solarenergie. So verspricht die innovative Systemkombination in erster Linie eine Verlängerung der Kollektor-Nutzungszeit. Die Nutzung der Solarkollektoren soll damit auch in Perioden mit niedrigen Außentemperaturen und geringer solarer Einstrahlung verbessert beziehungsweise in zahlreichen Fällen erst ermöglicht werden. Typische Zielobjekte für den Einsatz des Gebäudeheizungssystems sind Ein- und Zweifamilienhäuser im Neubaubereich sowie im energetisch sanierten Gebäudebestand.

Systemuntersuchung

Bereits in der Vergangenheit wurden ähnliche Systemansätze mit thermischen Solarkollektoren und Wärmepumpe in Theorie und Versuch betrachtet. Ein Überblick und eine qualitative Bewertung der verschiedenen Aktivitäten werden in [1] und [2] gegeben. Einige dieser Systeme erreichten dabei eine beachtliche Leistungsfähigkeit. Insbesondere vor dem Hintergrund, dass die Mehrzahl dieser Untersuchungen bereits in den 1970ern durchgeführt wurde, versprach die Untersuchung der Systemleistungsfähigkeit mit modernen Komponenten und Gebäuden eine aussichtsreiche Perspektive.
Zur theoretischen Untersuchung des Heizungssystems wurde ein dynamisches Systemsimulationsmodell implementiert. Neben der Ermittlung und Optimierung der Systemleistungsfähigkeit sollten vor allem der Einfluss verschiedener Parameter untersucht, geeignete Regelungsstrategien entwickelt sowie eine exemplarische Dimensionierung von Komponenten und System durchgeführt werden. Durch entsprechende Parametrierung anhand von Normmessungen oder Herstellerangaben wurden verschiedene handelsübliche Komponenten abgebildet:

• Thermischer Flachkollektor (Matched Flow Solar Collector Model [3, 4], parametriert als handelsüblicher Hochleistungs-, Standard- oder Low-Performance-Kollektor)
• Schichtenspeicher (Multi-Port Store Model [3], Kombispeicher mit internen Schichteinrichtungen)
• Wärmepumpe (Kennlinienmodel [3, 5], Sole/Wasser-Gerät mit Nennheizleistung von ca. 5kW)
• Gebäude mit Warmwasserverbraucher (Einzonenmodell [3, 6] mit periodischem Warmwasserverbrauch, 120m² Wohnfläche bei Gesamtwärmeverbrauch von 60 kWh/(m²a) am Standort Würzburg)

Neben diesen Modellen wurde der im System verwendete Wasser-/Eis-Latentwärmespeicher zusätzlich entwickelt. Dabei wurde ein verhältnismäßig einfaches Black-Box-Modell implementiert, das das typische Verhalten eines Phasenwechselspeichers im System innerhalb definierter Grenzen realistisch abbildet. Des Weiteren können für die verschiedenen Betriebszustände die entscheidenden Kenngrößen des Latentwärmespeichers, wie zum Beispiel der momentane Vereisungsgrad, berechnet werden. Der Vergleich mit Messwerten aus der Literatur zeigt, dass das Speichermodell den Anforderungen einer jahresbasierten Systemuntersuchung ausreichend gerecht wird [7].
Zusätzlich zum Latentwärmespeicher wurde die Regelung für das komplexe und ungewöhnliche Heizungssystem implementiert. Die Entwicklung der Regelungsstrategien für das Heizungssystem konzentrierte sich dabei in erster Linie auf die Steuerung aller Komponenten im System. Eine weitere Herausforderung war die Ladung der verschiedenen Speicher auf unterschiedlichem Temperaturniveau durch die Solarkollektoren im Hinblick auf deren optimierte Nutzung und damit der zur Verfügung stehenden Solarenergie. Das Konzept zur Ladung von zentralem Pufferspeicher oder Niedertemperatur-Latentwärmespeicher sieht eine Entscheidung auf Basis des jeweils erreichbaren Kollektorwirkungsgrades vor. Zu diesem Zweck wurde die Regelungsgröße Tctr_diff eingeführt, die den Umschaltpunkt definiert und damit indirekt ein Maß für die jeweilige Beladungshäufigkeit der beiden Speicher darstellt. Mit Hilfe des entwickelten Systemsimulationsmodells wurden anschließend jahresbasierte Variationsrechnungen verschiedener Parameter durchgeführt und deren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und das Verhalten des Systems untersucht.

Durch die mit verbesserter Kollektorqualität steigende Systemjahresarbeitszahl SPFsys wird deutlich, dass im untersuchten System eine gewisse Mindestqualität des Kollektors erforderlich ist, aber der Einsatz eines Hochleistungskollektors keine nennenswerte Steigerung mehr erbringt und daher vor allem aus ökonomischer Sicht nicht sinnvoll ist. Einen erheblichen Einfluss besitzt die Kollektorqualität auf den Vereisungsgrad des Latentwärmespeichers, der durch die Kollektoren in den Wintermonaten auf einen maximalen Wert begrenzt werden muss.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die untersuchte Systemkonfiguration in der Lage ist, auch ohne den Einsatz von Erdkollektoren oder Erdsonden ein modernes oder energetisch saniertes Einfamilienhaus vollständig mit Wärme zu versorgen.
Die erreichbaren Jahresarbeitszahlen des Gesamtsystems können dabei deutlich über den typischen Werten von monovalenten Erdreich-/Wasser-Wärmepumpen und ebenfalls noch über den Werten von Grundwasser-Wärmepumpen liegen.

Das dem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 1767A05 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

[1] Trinkl, C.; Zörner, W.; Hanby, V.: A Review on Solar-Assisted Heat Pump Systems for Domestic Heating, 5th ISES Europe Solar Conference (EuroSun2004), Freiburg, 20.-23.06.2004

[2] Trinkl, C.; Zörner, W.; Hanby, V.: Solares Heizen mit Wärmepumpe – Ein Überblick über Heizsysteme der letzten 30 Jahre, 15. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 27.-29.04.2005

[3] Hafner, B.; Plettner, J.; Wemhöner, C.: CARNOT Blockset: Conventional And Renewable eNergy systems OpTimization Blockset – User’s Guide, Solar-Institut Jülich, Fachhochschule Aachen, 1999

[4] Isakson, P.:Matched Flow Solar Collector Model for TRNSYS, TRNSYS Users and Programmers Manual, November 1991

[5] Schwamberger, K.: Modellbildung und Regelung von Gebäudeheizungsanlagen mit Wärmepumpen, VDI-Bericht 263, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1991

[6] Feist, W.: Thermische Gebäudesimulation – Kritische Prüfung unterschiedlicher Modellansätze, Verlag C. F. Müller, Heidelberg, 1994

[7] Trinkl, C.; Zörner, W.; Hanby, V.: Solarbasiertes Wärmepumpenheizungssystem: Systemuntersuchung und Latentwärmespeicherentwicklung, 17. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 09.-11.05.2007

[8] Trinkl, C.; Zörner, W.; Hanby, V.: A Domestic Solar/Heat Pump Heating System incorporating Latent and Stratified Thermal Storage, ASME 2nd International Conference on Energy Sustainability, Jacksonville (USA), 10.-14.08.2008