Systemanalyse der Kombination von Wärmepumpen und thermischen Solaranlagen

Systemanalyse der Kombination von

Wärmepumpen und thermischen

Solaranlagen

Bachelorarbeit

am Institut für Maschinen- und Energieanlagentechnik

der

Technischen Universität Berlin

Michael Kolja Kölling

Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Felix Ziegler

Bearbeitungszeitraum: Oktober 2011 bis Januar 2012

Berlin, Januar 2012

Kurzfassung 2

Kurzfassung

Gegenstand der hier vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Kombination von Wärme-

pumpen mit einer thermischen Solaranlage für den häuslichen Wärmebedarf. Die Untersu-

chung wurde in Form von Simulationen verschiedener Anlagenvarianten durchgeführt und

hatte das Ziel die Systeme unter energetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Kriterien

zu analysieren. Die Arbeit soll einen Einstieg in das Thema ermöglichen und eine Einschät-

zung liefern, ob und wenn ja wann eine Kombination dieser beiden Technologien sinnvoll

erscheint.

In allen simulierten Varianten verringert die thermische Solaranlage dabei den Energiever-

brauch um 15 – 35 %, während die Wirtschaftlichkeit der Anlage unter der Berücksichtigung

bundesweiter Förderprogramme sich nicht verändert hat. Eine ökologische Einschätzung über

den geringeren Energieverbrauch hinaus war nicht möglich.

Abstract

This work aimed on validating the combination of domestic heat pumps and thermal solar

systems. The validation was done by simulating various types of systems and under energetic,

economic and ecological aspects.

The thermal solar systems reduced the energy demand of all simulated heat pumps by 15 – 35

%. The systems were not more or less economic efficient considering the subsidies of the

Federal Republic of Germany. An evaluation from an ecological point of view was not possi-

ble, but as already mentioned the energy consumption is reduced.

Inhaltsverzeichnis 3

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung ..................................................................................................................... 2

Abstract ............................................................................................................................ 2

Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................ 3

Abkürzungsverzeichnis ................................................................................................... 5

Vorwort ............................................................................................................................ 6

1 Einleitung .............................................................................................................. 8

1.1 Einschränkung der Randbedingungen ................................................................. 10

2 Ziele ..................................................................................................................... 11

3 Eingeschlagener Realisierungsweg ................................................................... 12

3.1 Auswahl der Modelle ........................................................................................... 14

3.1.1 Anlagenvarianten mit Niedrigtemperaturheizung ................................................ 14

3.1.2 Anlagenvarianten mit Hochtemperaturheizung ................................................... 14

4 Grundlagen ......................................................................................................... 15

4.1 Wärmepumpe ....................................................................................................... 15

4.1.1 Die Jahresarbeitszahl ........................................................................................... 15

4.2 Thermische Solaranlagen ..................................................................................... 17

4.3 Gas-Brennwertkessel ........................................................................................... 18

4.4 Die verwendete Simulationssoftware .................................................................. 18

4.4.1 Betrieb der Wärmepumpe .................................................................................... 19

4.4.2 Erdsonde .............................................................................................................. 20

4.4.3 Einstrahlung und Kollektoren .............................................................................. 20

4.4.4 Speichermodell und -betrieb ................................................................................ 21

4.5 Wärmepreisberechnung ....................................................................................... 21

4.5.1 Investitionskosten und Lebensdauer .................................................................... 22

4.5.2 Förderungen ......................................................................................................... 22

4.5.3 Preissteigerungsrate und kalkulatorischer Zinssatz ............................................. 23

4.5.4 Strom- und Gaspreis ............................................................................................ 23

4.6 Ökologische Betrachtungen ................................................................................. 25

5 Simulationsergebnisse ........................................................................................ 27

5.1 Einfamilienhaus ................................................................................................... 28

5.1.1 Solare Trinkwasserunterstützung mit Niedrigtemperaturheizung ....................... 28

Inhaltsverzeichnis 4

5.1.2 Solare Trinkwasser- und Heizungsunterstützung mit Hochtemperaturheizung .. 31

5.2 Mehrfamilienhaus ................................................................................................ 34

5.2.1 Testreihe Solare Trinkwasserunterstützung mit Niedrigtemperaturheizung ....... 34

5.2.2 Testreihe Solare Trinkwasser- und Heizungsunterstützung mit Hochtemperaturheizung ....................................................................................... 36

5.3 Niedrigenergiehäuser ........................................................................................... 36

5.4 Übergangsjahreszeiten ......................................................................................... 39

5.5 Die Solaranlage als Wärmequelle der Wärmepumpe .......................................... 40

6 Bewertung und Diskussion der Simulationsergebnisse .................................. 42

6.1 Energetische Betrachtungen ................................................................................. 42

6.2 Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen und thermischen Solaranlagen ............... 44

6.3 Ökologische Aspekte ........................................................................................... 49

7 Zusammenfassung und Fazit ............................................................................ 51

Anhang A: Investitionskosten ...................................................................................... 52

A.1 Wärmepumpenanlage ............................................................................................... 52

A.2 Solaranlagen ............................................................................................................. 53

A.3 Gas-Brennwertanlagen ............................................................................................. 53

Anhang B: Prüfpunkte der 9 kW Wärmepumpe ....................................................... 55

Literaturverzeichnis ...................................................................................................... 56

Erklärung ....................................................................................................................... 58

Abkürzungsverzeichnis 5

Abkürzungsverzeichnis

Bafa Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle

BfW Bundesministerium für Wirtschaft

Destatis Statistisches Bundesamt

EFH Einfamilienhaus

EnEv Energieeinsparverordnung

HT Hochtemperatur

HZG Heizung

JAZ Jahresarbeitszahl

NT Niedrigtemperatur

TWW Trinkwarmwasser

UBA Umweltbundesamt

WP Wärmepumpe

WPB Wärmepumpenanlage mit bivalentem Speicher

WPK Wärmepumpenanlage mit Kombispeicher

WPSW Wärmepumpenanlage mit solarer Wärmequelle der Wärmepumpe

Vorwort 6

Vorwort

Diese Bachelorarbeit wurde durch die Mitarbeit an dem Vortrag „GeoT*SOL basic – Pro-

gramm zur Auslegung und Simulation von Wärmepumpensystem“ zum 11. Internationalen

Anwenderforum oberflächennahe Geothermie 2011 initiiert, an dem ich im Rahmen meines

Industriepraktikums bei der Firma Valentin EnergieSoftware GmbH in Berlin mitgearbeitet

habe, und in den anschließenden Monaten erstellt. Besonders möchte ich in diesem Zusam-

menhang Bernhard Gatzka, Sebastian Engelhardt, Vico Klump und Jeronimo Nuñez von

Voigt danken, die mich bei der Einarbeitung in die Software unterstützt haben und mir bei

meinen Fragen hilfreich zur Seite standen.

Vorwort 7

Jeder kann einen Käfer zertreten. Aber alle Professoren der Welt können keinen herstellen.

Arthur Schopenhauer

Einleitung 8

1 Einleitung

Die Diskussion um eine ressourcenschonende Energieversorgung ist heute nicht mehr aus der

Öffentlichkeit wegzudenken. Neben den mit viel öffentlicher Aufmerksamkeit bedachten er-

neuerbaren Energien zur Stromerzeugung wird dabei oft die Bereitstellung von Wärme ver-

nachlässigt. Dabei liegt der Anteil der Wärme für Heizung und Warmwasser am Primärener-

gieverbrauch trotz rückläufiger Tendenz immer hin noch bei 35 % (vgl. Abb. 1-1).

Allerdings gibt es auch auf diesem Gebiet aufgrund steigender Energiepreise, staatlicher För-

derungen und vielleicht auch einem erhöhten Umweltbewusstsein in Zentraleuropa immer

mehr erneuerbare Technologien. So waren nach Angaben des Bundesministeriums für Wirt-

schaft 2010 14 Mio. m² Kollektorfläche installiert und auch bei der Wärmepumpe wird von

einer neuen Renaissance gesprochen (vgl. Abb. 1-2).

Abbildung 1-1: Anteil der Wärme am Primärenergieverbrauch in Deutschland 2008 [BMWi (2011): Tb. 7]

In den letzten Jahren sind dabei auch Systeme mit einer Kombination von thermischen Solar-

anlagen und Wärmepumpen entwickelt und am Markt eingeführt worden, die angeblich die

Vorteile beider Technologien nutzen. Diese Kombination wird seit 2008 auch ausdrücklich

vom Bundesministerium für Wirtschaft mit dem regenerativen Kombinationsbonus gefördert,

der bei der Errichtung einer Solarthermieanlage in Kombination mit einer Wärmepumpe be-

antragt werden kann. Als Bedingung legen die geplanten oder geltenden Gesetze bzw. För-

derprogramme für die Effizienz der Anlagen bzw. konkrete Jahresarbeitszahlen fest, die die

Anlagen erreichen müssen, um überhaupt einbaufähig bzw. förderfähig zu sein [Bafa (2011):

o.S.]. Allen Vorgaben gemein ist, dass die Grenzwerte immer weiter verschärft werden. So

gibt es Experten, die behaupten, dass die staatlichen Vorgaben in absehbarer Zukunft sogar

Einleitung 9

nur noch über eine Kombination von Solarthermie und Wärmepumpen erreicht werden kön-

nen [Lang 2009: S. 61].

Aufgrund der enormen Möglichkeiten der Anordnung und Regelung der Komponenten gibt es

bisher wenig Konzepte, die Energie-Effizienz dieser Kombianlagen zu vergleichen [Hal-

ler/Frank 2010: S. 2] und die Sinnhaftigkeit der einzelnen Konzepte ist bisher wenig unter-

sucht [Henning/Miara 2008: o.S.][Citherlet/Bony/Nguyen (2008): o.S.]. So kann die Wärme-

pumpe z.B. einfach wie bei Gas-Brennwertkesselsystemen als zusätzliches Heizsystem ver-

wendet werden, sie könnte aber auch als Wärmequelle der Wärmepumpe eingesetzt werden

entweder direkt oder über eine Einspeisung der Wärme in das Erdreich.

Abbildung 1-2: Wärmeerzeugung durch Solar- und Geothermie in Dt. seit 1990 [BMWi (2011): Tb. 20]

Gleichzeitig steigt der Dämmstandard von Gebäuden und damit einhergehend der Anteil der

Trinkwassererwärmung am gesamten Wärmebedarf. Für Trinkwarmwasser müssen höhere

Temperaturen zur Verfügung gestellt werden als für den Vorlauf einer Fußbodenheizung und

die JAZ der Wärmepumpe verschlechtert sich trotz geringerem Wärmebedarf. So stellt sich

die Frage, ob Wärmepumpen überhaupt noch die richtige Technologie zur Bereitstellung von

Heizwärme sind. So haben Untersuchungen gezeigt, dass auch mit einer geringeren Wärme-

pumpenleistung sich auch die Jahresarbeitszahlen verschlechtern [Auer 2008: S.31].

Solaranlagen könnten aber in den Übergangszeiten im Frühling und Herbst in Konkurrenz zur

Wärmepumpe treten und ihre Jahresbilanz deutlich verschlechtern, weil sie in diesen für sie

günstigen Jahreszeiten weniger gebraucht wird.

Diese Arbeit soll an diesen Fragestellungen anknüpfen und im Rahmen des Forschungsvorha-

bens „Qualitätssicherung für Kompressionswärmepumpen-Anlagen auf Basis breit ausgeleg-

ter Felduntersuchungen, Erstellung eines Auslegungswerkzeuges für Planer und Installateure“

Einleitung 10

verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Wärmepumpen und thermischen Solaranlagen

untersuchen und mit anderen Wärmeerzeugersystemen vergleichen.

1.1 Einschränkung der Randbedingungen

Die Randbedingungen der simulierten Anlagen sollen dabei an zukünftigen Standards orien-

tiert sein. Die EnEV von 2009 sieht einen Standardheizwärmebedarf von 65 kWh/m²a vor.

Wie ehrgeizig dieser Wert ist, wird dadurch deutlich, dass 1998 der Durschnitt in Deutschland

bei Einfamilienhäusern für Neubauten noch bei 135 kWh/m²a lag und für Gebäude im Ge-

bäudebestand bei 195 kWh/m²a. Staatliche Fördermittel hängen u.a. von diesem Wert ab, wie

z.B. die Konditionen der Kredite der KfW-Förderbank. So darf ein KfW-Energieeffizienzhaus

40 maximal 40 % des Standardheizwärmebedarfs, also 26 kWh/m²a verbrauchen. Aus diesen

Gründen wird der Heizbedarf nur von 15 bis 120 kWh/m²a variiert.

Nicht untersucht werden in dieser Arbeit außerdem die Auswirkungen von der Ausrichtung

der Kollektoren, der Kollektortypen und von verschiedenen Backupheizsystemen. Bei der

Ausrichtung der Kollektoren wird immer von einem Azimut von 180° und einem Aufstell-

winkel von 45° ausgegangen. Es gibt auch keinerlei Objekte, die die Solarkollektoren vers-

chatten. Der verwendete Kollektor ist ein Flachkollektor mit einem Wirkungsgrad von 85 %

und alle Anlagenvarianten werden ausschließlich mit Gas-Brennwertkesseln verglichen.

Bei dem Trinkwasserverbraucher wird von einem Vierpersonenhaushalt mit einem täglichen

Warmwasserverbrauch von 40 l/Person mit einer Lastspitze am Abend ausgegangen.

Die Regenerierung der Erdwärmequelle bei Sole-/Wasser-Wärmepumpen soll nicht Thema

dieser Arbeit sein genauso wie der Einsatz der Wärmepumpe zur Kühlung des Hauses.

Ziele 11

2 Ziele

Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Wärmepumpen mit

solarthermischen Anlagen bezüglich ihrer ökologischen und ökonomischen Sinnhaftigkeit zu

untersuchen. Bisher wird diese Kombination häufig folgendermaßen beworben: Wer Wert auf

eine möglichst gute Ökobilanz Wert legt, kann seine Wärmepumpe mit Solarkollektoren er-

gänzen [Hoffmann (2010): S. 167]. Die theoretischen Möglichkeiten gehen aber weit darüber

hinaus. Insbesondere soll das gängige Vorurteil überprüft werden, ob Solaranlagen in Kon-

kurrenz zu Wärmepumpen arbeiten, weil beide Systeme im Sommer und in den Übergangs-

jahreszeiten ihre günstigsten Betriebspunkte haben.

Alle Anlagen werden auch mit Systemen ohne Solaranlage und Anlagen mit Gasbrennwert-

kessel verglichen um eine bessere Einordnung der Ergebnisse zu ermöglichen und um die

Wirtschaftlichkeit zu überprüfen.

Außerdem soll die Verwendung der solaren Wärme Thema sein. Selbst an kalten Wintertagen

kann die Kollektoraustrittstemperatur deutlich über der Erdreichtemperatur liegen und so

könnte die Solaranlage für eine günstigere Betriebsweise der Wärmepumpe im Winter sorgen.

Alle Ergebnisse sollen mit den Vorgaben des bundesweiten Förderprogramms des Bundesmi-

nisteriums für Wirtschaft (BfW) verglichen werden, das seine Fördermittel von bestimmten

Jahresarbeitszahlen abhängig macht.

Eingeschlagener Realisierungsweg 12

3 Eingeschlagener Realisierungsweg

Um die Kombinationen von Wärmepumpen und Solaranlagen zu untersuchen, wurden zwei

unterschiedliche Fallbeispiele ausgewählt. Zum einen soll eine kleine Solaranlage die Trink-

warmwasserbereitung unterstützen, zum anderen eine große Anlage auch das Heizsystem. Die

kombinierten Modelle werden außerdem mit einem reinen Wärmepumpensystem, einer Anla-

ge mit Gaskessel und Solaranlage und einem System, das nur über einen Gaskessel verfügt,

verglichen.

In dem ersten Fall verfügt die Anlage über eine Niedrigtemperaturheizung, wie z.B. eine Fuß-

bodenheizung. Diese Art der Heizung ist durch die niedrigeren Vorlauftemperaturen beson-

ders gut für eine Wärmepumpe geeignet.

Abbildung 3-1: Verschaltung einer Wärmepumpe mit solarer Unterstützung für die Trinkwarmwasserbereitung

und Niedrigtemperaturheizung (Mitte), daneben die Vergleichsanlagen ohne solare Unterstützung (links) und mit

Gasheizung (rechts)

Für den zweiten Fall ist ein Heizsystem mit höheren Vorlauftemperaturen ausgewählt worden,

wie sie z.B. bei Radiatoren üblich sind. Bei Wärmepumpenanlagen ist es bei höheren

Temperaturenniveaus des Heizsystems von Vorteil, wenn ein zusätzlicher Pufferspeicher

eingebaut wird. Das Vergleichsmodell mit Solarkollektoren verfügt über einen

Kombispeicher.

Abbildung 3-2: Verschaltung einer Wärmepumpe mit solarer Unterstützung für Warmwasser und Heizsystem

und Hochtemperaturheizung (Mitte), daneben die Vergleichsanlagen ohne solare Unterstützung (links) und mit

Gasheizung (rechts)


Den größten Marktanteil bei den Wärmepumpen haben nach dem Bundesverband Wärme-

pumpe dabei Sole-/Wasser- und Luft-/Wasser-Geräte mit über 90 %. Aus diesem Grund wer-

den in dieser Arbeit weder Grundwasser- noch Abwasserwärmepumpen diskutiert. Außerdem

raten viele Experten und Studien wie z.B. die „Agenda Gruppe 21 Energie“ vom Einsatz von

Wärmepumpen im Altbau sowie von Luftwärmepumpen ab. In der vorliegenden Arbeit wer-

den daher nur Anlagen mit Erdsonden für Häuser und einer guten Dämmung bzw. einem

niedrigen Heizenergieverbrauch simuliert.

Die wichtigsten Parameter des Einfamilienhauses und des Mehrfamilienhauses sind in Tab. 1

aufgelistet.

Bezeichnung Einfamilienhaus Mehrfamilienhaus

Wärmepumpe 9 kW 25 kW

Zusatzheizung Heizstab (6,0 kW) Heizstab (15,0 kW)

Zusatzheizung außer Betrieb über -5,0 °C -5,0 °C

Tagesverbrauch TWW 160 l 800 l

Warmwassertemperatur 45 °C 45 °C

Zirkulation nicht vorhanden nicht vorhanden

Beheizte Nutzfläche 130 m² 650 m²

Spezifischer Jahresheizwärmebe-

darf

65 kWh/m²a 50 kWh/m²a

Rauminnentemperatur 21 °C 21 °C

Heizgrenztemperatur 14 °C 14 °C

Vorlauftemperatur NT HZG 35 °C 35 °C

Rücklauftemperatur NT HZG 27 °C 27 °C

Vorlauftemperatur HT HZG 45 °C 45 °C

Rücklauftemperatur HT HZG 30 °C 30 °C

Jahrestrinkwasserwärmebedarf 2383 kWh/a 11914 kWh/a

Jahresheizwärmebedarf 8450 kWh/a 32500 kWh/a

Tabelle 1: Die wichtigsten Eckdaten der simulierten Systeme


3.1 Auswahl der Modelle

Bei der Auswahl der Modelle wurden die häufigsten Varianten ausgewählt, die gleichzeitig so

einfach wie möglich verschaltet und geregelt sein sollten.

3.1.1 Anlagenvarianten mit Niedrigtemperaturheizung

Besteht das Heizsystem idealerweise aus einer Niedrigtemperaturheizung mit niedrigen Vor-

lauftemperaturen, kann die Wärmepumpe das Heizsystem direkt versorgen und es muss kein

Pufferspeicher oder ein zusätzlicher Wärmetauscher installiert werden. Soll auch noch das

TWW mit der Wärmepumpe erwärmt werden, muss wegen der höheren Temperaturen ein

Warmwasserspeicher eingebaut werden. Eine Fußbodenheizung hat normalerweise eine Vor-

lauftemperatur von ca. 35 °C, während für das TWW Temperaturen zwischen 45 – 60 °C ge-

wünscht werden. Für die durchgeführten Simulationen wurde eine Warmwassertemperatur

von 45 °C angenommen.

3.1.2 Anlagenvarianten mit Hochtemperaturheizung

Wird eine Wärmepumpe in einem Gebäude mit einer Hochtemperaturheizung wie z.B. mit

Radiatoren eingesetzt, so muss ein Heizungspufferspeicher eingebaut werden. Weil die Radia-

toren pro Zeiteinheit nur einen begrenzten Wärmestrom aufnehmen können, kann es passie-

ren, dass das Kältemittel die Wärme nicht abgegeben kann. Das Kältemittel wird dann im

Wärmepumpenkreislauf nicht entspannt, der Druck steigt und es kommt zu einer sogenannten

Hochdruckstörung. Dieser Effekt tritt auch auf, falls Pufferspeicher eingesetzt werden, die

über nicht ausreichend große Wärmetauscherflächen verfügen.

Außerdem kann die Wärmepumpe durch längere Ein- und Ausschaltintervalle eine bessere

und wartungsärmere Arbeitsweise erreichen und bei einem Strompreis mit Nachttarif können

die Betriebszeiten der Wärmepumpe unabhängiger vom Heizbedarf eingestellt werden.

In der Kombination mit einer Solaranlage bietet sich der Einsatz eines Kombispeichers an, um

das Heiz- und Warmwassersystem mit Wärme aus beiden Quellen zu versorgen. Die simulier-

ten Anlagen haben daher einen Kombispeicher mit internem Wärmetauscher.

Grundlagen 15

4 Grundlagen

4.1 Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe (WP) ist eine Kompressionsmaschine, die im Wesentlichen aus vier Bau-

teilen, einem Kompressor, einem Expander und zwei Wärmetauschern, besteht. In einem

Kreisprozess nimmt die WP thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigem Tempera-

turniveau auf, in der Regel ist das die Umgebung, und stellt sie dem Verbraucher auf einem

höheren Niveau zur Verfügung.

Die theoretische Leistungszahl (engl. COP – coefficient of performance) ist entsprechend dem

Carnot-Prozess:

�� =��

�� −��

So erklärt sich auch das wohlbekannte Problem der Gegenläufigkeit von Angebot und Nach-

frage von Wärmepumpen. Mit sinkender Außentemperatur und steigendem Heizbedarf fallen

die Leistung, die die Wärmepumpe zur Verfügung stellen kann, und die Effizienz (COP).

Die Leistungszahl kann sowohl für einen einzelnen Betriebspunkt als auch für einen Zeitraum

gebildet werden und wird dann Arbeitszahl genannt. In der Praxis ist die Jahresarbeitszahl

verbreitet, bei der abgegebene und aufgenommene Energie eines Jahres verwendet werden.

�� = ��

��

4.1.1 Die Jahresarbeitszahl

In dem nach VDI 4650-2003 vorgeschlagenen Kurzverfahren zur Berechnung der JAZ, wird

nur die die WP betrachtet, in VDI 4650 Blatt 1:2009 wird der Speicher ebenfalls berücksich-

tigt [Lang (2009): S. 55]. Dabei werden allerdings weder Solaranlagen noch Pufferspeicher

berücksichtigt und die Verfahren können somit für die Vergleichbarkeit der hier diskutierten

Modelle nicht benutzt werden.

Für die Jahresarbeitszahlen müssen jeweils Systemgrenzen festgelegt werden. Bereits bei ei-

ner einfachen Anlage, muss z.B. geklärt werden, ob der von der Sondenpumpe verwendete

Strom Teil der Wärmepumpenenergie ist (vgl. Abb. 4-1). Das gleiche gilt für den eventuell

vorhandenen Heizstab.

Grundlagen 16

Abbildung 4-1: Zwei mögliche Systemgrenzen bei einem einfachen Wärmepumpensystem

Verfügt eine Anlage nun über einen Pufferspeicher, kann die gelieferte Wärmemenge immens

sein, sie geht aber z.T. als Speicherverluste verloren. Steht der Speicher allerdings in der

thermischen Hülle des Hauses, können die Speicherverluste in der Heizperiode als Wärme-

gewinne verrechnet werden (vgl. Abb. 4-2).

Abbildung 4-2: Systemgrenzen mit und ohne Pufferspeicher

Bei Kombianlagen mit Solarkollektoren kommen noch die vom Kollektorkreis abgegebene

Energie und der Verbrauch der Solarpumpe hinzu. Gerade bei Solaranlagen sagt der Kollek-

torkreisertrag wenig über die Anlage aus, weil bei einer Überdimensionierung das Meiste

wieder durch Speicherverluste verloren gehen kann (vgl. Abb. 4-3).

Abbildung 4-3: Systemgrenzen bei einer Solaranlage mit und ohne Pufferspeicher

Um die in dieser Arbeit untersuchten Anlagen zu vergleichen, wurden daher verschiedene

Jahresarbeitszahlen aufgestellt.

Grundlagen 17

�� =��

��

��.�� =��

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��.��,�� =�� −�� #'�� (� �!��

�� +�� !� � +�"�#$��%

Für ein System mit Solaranlage, wurden ebenfalls drei JAZ aufgestellt und miteinander ver-

glichen. Da eine Solaranlage im schlechtesten Fall nur Speicherverluste produziert, wurden

die Speicherverluste in die Berechnung der JAZen mit einbezogen. Da aber auch eine Wär-

mepumpe Speicherverluste produziert, wurde eine weitere JAZ aufgestellt, bei der die ohne-

hin vorhandenen Speicherverluste von den Speicherverlusten abgezogen werden. Diese nicht

durch die Solaranlage verursachten und bereits vorhandenen Speicherverluste heißen in der

Gleichung anteilige Speicherverluste. Die anteiligen Speicherverluste werden dabei mit einem

Vergleichssystem ermittelt, das nur über eine Wärmepumpe und keine Solarkollektoren ver-

fügt.

�� =�� +��

�� +�� !� � +�"�#$��% +�� !� �

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�� +�� !� � +�"�#$��% +�� !� �

4.2 Thermische Solaranlagen

Das Herzstück einer thermischen Solaranlage ist der Kollektor. Sonnenenergie wird in Wärme

umgewandelt und mittels eines Wärmeträgermittels, das durch Rohre im Innern der Kollekt-

oren fließt, weitertransportiert. Der Kollektorertrag vermindert um die Verluste der Verroh-

rung wird im weiteren Solarer Ertrag genannt. Als Kollektoren werden üblicherweise Absor-

bermatten, Flach- und Röhrenkollektoren eingesetzt. Der Wirkungsgrad des Kollektors hängt

dabei maßgeblich von der Temperatur des Wärmeträgermittels ab, je kälter das Fluid desto

größer der Ertrag. In Kapitel 4.4.2 findet sich eine genaue Beschreibung des Modells zur Be-

rechnung des Kollektorertrags.

Grundlagen 18

In den letzten Jahren wurden sogenannte Solarpumpen entwickelt, die extrem sparsam arbei-

ten. Hinzu kommt das wegen dem Prinzip der kommunizierenden Röhren die Pumpe nicht

den Druckverlust durch den Höhenunterschied überwinden muss. So kommen Solarpumpen

bereits bei 6 – 12 m² Kollektorfläche schon mit einer Leistung von 50 – 120 W aus. Würde

man für eine thermische Solaranlage die JAZ berechnen, käme man auf Werte zwischen 10

und 20 oder sogar noch deutlich darüber je nach System und Systemgrenzen.

4.3 Gas-Brennwertkessel

Bei Systemen mit Gasbrennwertkessel und Solaranlage zur Trinkwasserunterstützung wird

der Bedarf für die Trinkwassererwärmung per Simulation ermittelt und der Heizwärmebedarf

mit einem Wirkungsgrad von 80 % zu dem simulierten Verbrauch addiert. Der Wirkungsgrad

ist eine entscheidende Stellschraube bei dem Vergleich mit Gassystemen, nicht nur in der

Simulation sondern auch bei jeder realen Anlage. Wird ein schlechter bzw. alten Kessel mit

einer Solaranlage kombiniert, sind die Einsparungen entsprechend höher und die Anlage

rechnet sich nach wenigen Jahren, wird dagegen ein Hochleistungsmodell verwendet, steigt

der Wärmepreis eventuell sogar, weil der teure Kessel weniger Betriebsstunden hat und seine

Amortisationszeit größer wird, während die Einsparungen durch die Solaranlage eher gering

ausfallen.

4.4 Die verwendete Simulationssoftware

Als Simulationssoftware wurde die in dem Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelte

Software GeoT*Sol basic verwendet. Die ausgewählten Anlagen werden mit 6-Minuten-

Intervall-Schritten simuliert. Die Simulation kann auch in 1-Minuten-Intervall-Schritten

durchgeführt werden, das passiert jedes Mal, wenn eine Komponente dies aufgrund eines Ein-

oder Ausschaltvorganges verlangt. Außerdem werden nach jedem Simulationsschritt die Bi-

lanzen geprüft und sollte die Abweichung bei den Bilanzen über 0,1 % liegen, wird die Simu-

lation ebenfalls in 1-Minuten-Intervall-Schritten wiederholt.

Das Erdreich wird bereits mit einem Temperaturprofil initialisiert, das dem üblichen Trichter-

verlauf um die Sonde entspricht. So ist es möglich, dass trotz des sehr langsam reagierenden

Erdreichs eine die Simulation mit 120 Tage Vorlauf auskommt.

Die verwendeten Pumpen haben in dem Modell eine lineare Leistungsaufnahme, sie arbeiten

also nicht mit verschiedenen Betriebspunkten. Bei der Wärmepumpe wird keine Regelungs-

strategie verwendet, sie arbeitet, wenn sie gebraucht wird. Der Heizstab kann nur bei einer

Außentemperatur unter -5 °C in Betrieb gehen. Der Kollektorkreis arbeitet bei einer Sprei-

zung von 8 K zwischen Kollektorvorlauf- und Speicherbezugstemperatur. Die Speicher haben

eine Maximaltemperatur von 90 °C und das Wärmeträgermittel darf in den Kollektoren nicht

heißer als 130 °C werden.

Grundlagen 19

4.4.1 Betrieb der Wärmepumpe

Die Wärmepumpe wird anhand von bekannten Betriebspunkten und einem vorgegebenen

Einsatzbereich simuliert. Die Betriebspunkte sind in diesem Fall das Verhältnis von abgege-

bener Wärmeenergie und verbrauchtem Strom und der Einsatzbereich umfasst die Eintritts-

temperaturen auf der Quellenseite und Austrittstemperaturen auf der Senkenseite. Aus diesen

beiden Diagrammen wird eine Arbeitszahl errechnet, mit der die Arbeitsweise der Wärme-

pumpe bestimmt wird. Die Simulation prüft zunächst, ob ein Bedarf vorhanden ist und ent-

spricht dieser Bedarf einem gewissen Mindestwert, werden zuerst die Temperaturen der Sen-

kenseite berechnet. Dazu werden die vorhandenen Temperaturen mit den Einsatzgrenzen ab-

geglichen. Liegt der ermittelte Betriebspunkt nicht innerhalb oder über dem Einsatzbereichs

(vgl. Abb. 4-4), springt die Wärmepumpe nicht an. Der Einsatzbereich der verwendeten 9

kW Wärmepumpe ist die in der Abbildung 4-4 zu sehen und befindet sich in der eingeschlos-

senen Fläche.

Zwischen den Betriebspunkten wird interpoliert und so ein Wirkungsgrad für diesen Be-

triebspunkt ermittelt. Vorab werden mit allen vorhandenen Betriebspunkten ein minimaler

und ein maximaler exergetischer Wirkungsgrad bestimmt und mit dem interpolierten Wert

verglichen. Liegt der Wert nicht zwischen dem Minimum und dem Maximum, wird entspre-

chend der minimale bzw. maximale exergetische Wirkungsgrad verwendet. Die Betriebs-

punkte, der in den meisten Simulationen verwendeten 9 kW Wärmepumpe sind im Anhang D

aufgeführt.

Zusätzlich werden die Volumenströme auf der Senken- und Quellenseite abgeglichen und

eine maximale Spreizung von 10 K zwischen Ein- und Austritt auf der Senkenseite festgelegt.

Dadurch wird verhindert, dass die bereitgestellte Energie einen kleinen Volumenstrom zu

stark aufheizt.

Abbildung 4-4: Einsatzbereich der bei den Einfamilienhäusern verwendeten 9 kW Wärmepumpen

Da zuerst die Senkenseite bestimmt wird, kann es passieren, dass die Wärmepumpe mit der

ermittelten Arbeitszahl die benötigte Temperatur gar nicht erreichen kann, weil der Vorlauf

Grundlagen 20

auf der Senkenseite bei einer maximalen Spreizung von 10 K noch zu kalt ist. In diesem Fall

muss die Austrittstemperatur vermindert werden, was zu einer besseren Arbeitszahl führt und

die Wärmepumpe erreicht mit dieser neuen Arbeitszahl wiederrum eine höhere Temperatur

als nach der ersten Korrektur. Dieser Schritt lässt sich beliebig oft wiederholen und wird mit

einer Iteration gelöst bis die Temperaturen nahezu gleichbleiben.

4.4.2 Erdsonde

Das Erdreich um die Sonde ist in 100 konzentrische Ringe mit einem Radius von 10 m unter-

teilt, für die jeweils einzeln der Wärmeübergang und die neuen Temperaturen berechnet wer-

den. Bei mehreren Sonden wird davon ausgegangen, dass die Sonden sich untereinander nicht

beeinflussen.

4.4.3 Einstrahlung und Kollektoren

Die Strahlung, die auf die Kollektoren fällt, wird in einen diffusen und direkten Strahlungsan-

teil aufgeteilt. Diese Aufteilung geschieht nach dem Strahlungsmodell von Reindle mit redu-

zierter Korrelation. [Reindl, Beckmann, Duffie (1990): S. 1.7]

Anschließend werden diese in die Einstrahlung auf die geneigte Fläche umgerechnet, wobei

das anisotrope Himmelsmodell von Hay und Davis benutzt wird. [Duffie, Beckmann (1991):

o.S.]

Dieses Modell berücksichtigt den Anisotropiefaktor für die zirkumsolare Strahlung und den

Bodenreflexionsfaktor (= 0,2). Die Einstrahlung auf die Kollektorfläche (Bezugsfläche) wird

aus der Bestrahlungsstärke (W/m²) auf die Horizontale berechnet.

Die vom Kollektor absorbierte und abzüglich der Wärmeverluste an den Kollektorkreis abge-

gebene Leistung berechnet sich wie folgt:

� =*�# +,-./0 + *�#11+,-./0 − 2,(4� − 5) − 27(4� − 5)8

mit *�# direkter Einstrahlungsanteil bezogen auf die geneigte Kollektorfläche

*�#11 diffuse Einstrahlung bezogen auf die geneigte Kollektorfläche

4� mittlere Temperatur im Kollektor

5 Lufttemperatur

-./0 Winkelkorrekturfaktor

Nach Abzug der optischen Verluste (Konversionsfaktor und Winkelkorrekturfaktoren) geht

ein Teil der absorbierten Strahlung durch Wärmetransport und -abstrahlung an die Umgebung

verloren. Diese Verluste werden durch die Wärmedurchgangskoeffizienten beschrieben. Der

Wärmedurchgangskoeffizient k (Wärmeverlustbeiwert) gibt an, wie viel Wärme der Kollektor

Grundlagen 21

pro Quadratmeter Bezugsfläche und Grad Kelvin Temperaturunterschied zwischen Kol-

lektormitteltemperatur und Umgebung an seine Umgebung abgibt. Er wird in zwei Teile zer-

legt, den einfachen und den quadratischen Teil. Der einfache Teil ko (in W/m²/K) wird mit der

einfachen Temperaturdifferenz, der quadratische Teil kq (in W/m²/K²) wird mit dem Quadrat

der Temperaturdifferenz multipliziert.

Die spezifische Wärmekapazität gibt die Wärmemenge pro Quadratmeter Bezugsfläche an,

die der Kollektor inklusive Wärmeträgerinhalt bei einer Temperaturerhöhung um 1 Kelvin

speichern kann. Sie wird in Ws/m²K angegeben. Diese entscheidet, wie schnell der Kollektor

auf die Einstrahlung reagiert. Der Einfluss dieser Größe ist nur bei relativ kleinem Rohrlei-

tungsnetz von Bedeutung, da andernfalls die Kapazität des Rohrleitungsnetzes überwiegt.

4.4.4 Speichermodell und -betrieb

Dem Speichermodell liegt ein Schichtenmodell mit variablen Dicken und Volumina zugrun-

de. Die Anzahl kann je nach Betriebszustand variieren. Die Anzahl der Schichten wird nicht

vorgegeben, sondern es werden während des Simulationsdurchlaufs neue Schichten gebildet

und die Schichtdicke verändert. Dies geschieht durch die Ein- und Ausspeisung von Wasser-

volumina und die Durchmischung von Temperaturschichten, falls die Temperaturschichtung

lokal umgekehrt ist. Die minimale Schichtdicke wird durch zwei Anlagendefinition bestimmt:

Eine Schicht kann nicht weniger als 1 % des gesamten Speichervolumens enthalten, ferner

muss eine Temperaturdifferenz zwischen den Schichten existieren.

4.5 Wärmepreisberechnung

Um die Anlagen untereinander in ihrer Wirtschaftlichkeit vergleichen zu können, wird für

jede Anlage der Wärmepreis berechnet. Diesem Wirtschaftlichkeitsmodell liegt das VDI-

Datenblatt-2067 zu Grunde.

Es wird davon ausgegangen, dass alle Zahlungen am Ende des Jahres stattfinden. Die Investi-

tionskosten werden im Jahr 0 geleistet und alle Förderungen werden direkt von den Investiti-

onskosten abgezogen. Anschließend werden alle Kosten in eine Annuität umgerechnet und so

der Wärmepreis pro kWh ermittelt. Die Annuitäten werden dabei mit Kapitalwiedergewin-

nungsfaktor (CRF, Capital Recovery Factor) wie folgt berechnet:

�9: =��=;�11<1 + ;�11>

�

<1 + ;�11>�− 1

Da die Stromkosten und die Wartungskosten über die Jahre mit einer nominellen Steigerungs-

rate rn steigen, müssen die Kosten erst in entsprechende Annuität umgerechnet werden. Der

Wert der Leistungen zu Beginn des ersten Jahres P0 wird dabei mit einem Nivellierungsfaktor

für eine konstante Kostensteigerung (CELF, Constant Escalation Levelisation Factor) umge-

rechnet.

Grundlagen 22

�?@: = ��,=2(1 − 2�)(1 − 2)

�9:

2 = 1 +A�1 +;�11

Der Wärmepreis wird schließlich mit der jährlichen abgegebenen Nutzenergie und der Ge-

samtsumme der Annuitäten bestimmt.

B�ä �� =∑�EEF;GäGHE

IFAJℎLJℎE;GGM;JℎHNOPHPHOHEH@H;LGFEP

Die Summe der Annuitäten besteht dabei aus der Annuität der Investition, der Wartungskos-

ten und der Brennstoffkosten. Die Wartungskosten werden mit 1 % der Investition bei den

Wärmepumpen und mit 2 % bei den Gas-Brennwertkesseln angesetzt.

4.5.1 Investitionskosten und Lebensdauer

Der Preis einer Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus richtet sich stark nach der verwendeten

Wärmequelle. So geben Heizungsbauer für Luft-/Wasser-Wärmepumpen Preise zwischen

14.000 und 18.000 € inklusive Montage an, bei Sole-/Wasser-Wärmepumpen gibt es unter-

schiedene von mehreren tausend Euro je nachdem ob Erdkollektoren oder –sonden zum Ein-

satz kommen. Wärmepumpen mit Erdsonden sind mit 22.000 bis 26.000 € am teuersten. Eine

genaue Auflistung der verwendeten Preise befindet sich im Anhang A.1.

Für eine Brennwertkesselanlage liegen Investitionskosten im Schnitt bei 10.000 €. Diese Zahl

beinhaltet einen Gasanschluss.

Eine Solaranlage mit 6 m² Kollektorfläche kostet ca. 2000 € ohne Montagekosten. Für die 6

m² Anlage wurde daher mit 4000 € Investitionskosten und für die 12 m² Anlage mit 6000 €

gerechnet.

Die Lebensdauer aller Anlagen wird mit 20 Jahren angenommen. Es ist natürlich schwierig

die Lebensdauer der Anlage festzulegen. Es gibt es Quellen, die eine Lebensdauer der Erd-

sonde von bis zu 100 Jahren erwartet [Hoffmann (2010): S. 27]. Der Kompressor kann hinge-

gen schon nach 10 oder weniger Jahren kaputt gehen. Die Lebensdauer von Gas-

Brennwertkesseln wird dagegen oft nur mit 10 Jahren angesetzt, obwohl sie in der Praxis

deutlich länger in Betrieb sind. In dieser Arbeit wird daher zur Vereinheitlichung der Ergeb-

nisse bei allen Anlagen mit einer Lebensdauer von 20 Jahren gerechnet.

4.5.2 Förderungen

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (Bafa) fördert sogenannte effizi-

ente Wärmepumpen je nach Nennwärmeleistung ab einer bestimmten Mindestjahresarbeits-

zahl. Die JAZ muss dabei nach VDI 4650 Blatt 1:2009-03 berechnet werden. Für eine Wär-

Grundlagen 23

mepumpe mit weniger als 10 kW Leistung sind das 2400 €, bei größeren Wärmepumpen gibt

es je kW 100 € zusätzlich, mindestens jedoch 1200 € [Bafa (2011): o.S.].

Ausdrücklich wird auch die Kombination von Wärmepumpen und Solaranlagen mit dem re-

generativen Kombinationsbonus von 600 € zusätzlich unterstützt. Dazu kommt noch bei An-

lagen, bei denen die Solaranlagen sowohl das Trinkwasser- als auch das Heizsystem unter-

stützen, die Basisförderung mit 120 €/m² Kollektorfläche.

Für Gas-Brennwertkessel gibt es keine direkten Förderungen vom Bund, die nicht an eine

bestimmte energetische Sanierung o.ä. geknüpft sind. Bei dem Einbau einer Solaranlage wird

ein Kesseltauschbonus von 500 € gezahlt, wenn ein alter Kessel gegen einen neuen mit

Brennwerttechnologie ausgetauscht und ein hydraulischer Abgleich der Heizungsanlage ge-

macht wird. Da der hydraulische Abgleich zusätzliche Kosten verursacht, wird für die Rech-

nungen in dieser Arbeit ohne Förderung von Kesseln gerechnet.

4.5.3 Preissteigerungsrate und kalkulatorischer Zin ssatz

Die jährliche Preissteigerungsrate beeinflusst vor allem das Verhältnis von laufenden Kosten

zu Investitionskosten. Bei den Energiepreisen wird von einer jährlichen Preissteigerungsrate

von 4 % ausgegangen, was in etwa der Rate der letzten 12 Jahre entspricht [Destatis (2011):

o.S.].

4.5.4 Strom- und Gaspreis

Da es für 2011 noch keine offiziellen Daten gibt und die Preise für 2010 nicht die Entwick-

lung der letzten Jahre wiederspiegeln wird mit den Strom- und Gaspreisen von 2009 gerech-

net (vergleiche Abb. 4-5). Der Strompreis beträgt demnach 23,75 Cent/kWh und der Gaspreis

6,18 Cent/kWh. 2011 sind die Gaspreise wieder deutlich gestiegen, es gibt sogar Schätzungen

die von bis zu 7 % ausgehen [Biallo Finanzen (2011): o.S.]. Eine genaue Einschätzung war

allerdings zu diesem Zeitpunkt nicht möglich.

Bei den Wärmepumpenanlagen wird mit einem Einheitsstrompreis von 17 Cent/kWh (ver-

gleiche Tab. 2) gerechnet. Die Betriebszeiten werden in dieser Arbeit nicht berücksichtigt und

es wird mit einem Einheitsstrompreis gerechnet. Der Grundpreis wurde in den Einheitsstrom-

preis mit eingerechnet.

Bei allen folgenden Rechnungen wird der Wärmepumpentarif für den gesamten verbrauchten

Strom, also den Verbrauch des Heizstabs, der Wärme-, der Sole- und der Kollektorkreispum-

pe, verwendet. Das liegt daran, dass zum einen die Solarpumpe in den meisten Systemen nur

einen Anteil zwischen 1 und 2 % am Gesamtstromverbrauch hat (vgl. Abb. 4-6), zum anderen

weil jedes Elektrizitätswerk und jeder Handwerker den Sondertarifzähler an einer anderen

Stelle einbauen [Hoffmann (2010): S. 21].

Grundlagen 24

Abbildung 4-5: Prozentuale Entwicklung der Gas- und Strompreise, Basisjahr 2005 [Destatis (2011): o.S.]

Anbieter Grundpreis in

€/Monat

Verbrauchspreis in

Cent/kWh

Vattenfall [Vattenfall (2011)] 5,90 17,32

EON [EON (2011)] 3,45 – 4,67 15,8 – 17,6

Stadtwerke Huenfeld [Sw.

Huenfeld (2011)]

5,52 16,03 (Tag) – 12,61 (Nacht)

Stadtwerke Flensburg (Sw.

Flensburg (2011)]

5,40 20,52 (Tag) – 16,6 (Nacht)

Stadtwerke Bretten [Sw. Bret-

ten (2011)]

10,11 18,6 (Tag) – 14,6 (Nacht)

Tabelle 2: Übersicht verschiedener Wärmepumpentarife deutscher Stromanbieter

4-6: Typische prozentuale Verteilung des Stromverbrauchs bei einer WP mit Solaranlage

70,0

80,0

90,0

100,0

110,0

120,0

130,0

140,0

1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012

%

Gaspreise für Haushalte Strompreise für Haushalte

Grundlagen 25

4.6 Ökologische Betrachtungen

Ob Wärmepumpen als regenerative Energiequelle angesehen werden können, ist immer wie-

der umstritten. Hauptargument gegen den Einsatz von Wärmepumpen ist der Stromverbrauch,

also der Einsatz einer hochwertigen Sekundärenergie zur Wärmeerzeugung statt eines Primär-

energieträger wie z.B. Holz oder Erdgas. Durch die Verstromung wird die Energie veredelt

und anschließend wieder mittels einer Wärmepumpe in Wärme umgewandelt, anstatt direkt

aus dem Primärenergieträger Wärme zu gewinnen. Ist die JAZ der Wärmepumpe zu niedrig,

ist das Heizsystem alles andere als regenerativ und die Stromabhängigkeit und der Verbrauch

werden gesteigert. Bei dieser Betrachtungsweise kann man einen sehr einfachen direkten Zu-

sammenhang zwischen JAZ und Wirkungsgrad der Stromerzeugung aufstellen, der erfüllt

sein muss, damit die Wärmepumpe Primärenergie einspart:

�� ∗ + R 1

Bei einem Wirkungsgrad von 40 % muss die Wärmepumpe also mindestens eine JAZ von 2,5

aufweisen oder andersrum ausgedrückt: Die JAZ muss größer als der Primärenergiefaktor

sein. Bei einem Feldtest des Fraunhofer ISE von 2006 – 2009 wies keine Wärmepumpe mit

Erdsonden oder –kollektoren eine JAZ von unter 3 auf [Wapler (2011): S.33]. Der Wirkungs-

grad müsste demnach mindestens 32,3 % betragen.

4-7: Senkeydiagram für einen möglichen Energieumwandlungsprozeß der Wärmepumpen miteinschließt

Betrachtet man allerdings den gesamten Prozess, dann kann man auch ganz anders argumen-

tieren. Die Abwärme, die bei der Verstromung entsteht, kann genutzt werden und der Wir-

Grundlagen 26

kungsgrad des Kraftwerks vergrößert sich gewaltig. Zu den 40 % Wirkungsgrad bei der

Stromerzeugung könnten noch einmal 20 % durch die Nutzung der Wärme kommen. An-

schließend wird mit dem Strom eine Wärmepumpe mit der JAZ 3 betrieben. In diesem Fall

kann man also stark vereinfacht behaupten, dass aus 100 % Primärenergie 140 % Endenergie

hergestellt werden (vgl. Abb. 4-7). Die angesetzten 60 % Gesamtwirkungsgrad von Kraft-

Wärme-Koppelungsanlagen können sogar noch deutlich übertroffen werden, so werden sogar

Werte bis zu 90 % angegeben [Quelle (2011): o.S.].

Um die Systeme also ökologisch vergleichen zu können, wird der Primärenergieverbrauch

ermittelt. Auch mit dem Verweis, dass ab 2020 laut EnEV alle Neubauten Niedrigst. – bzw.

Plusenergiehäuser sein sollen. Als Maßstab wird von der EnEV dabei der Primärenergiever-

brauch angeführt. Als Primärenergiefaktor wird zum einen der von der EnEV 2009 festgeleg-

te Werte von 2,6 verwendet [Ettrich (2009): S.9], zum anderen wird mit deutlich niedrigeren

Faktoren zwischen 1,1 (η = 90 %) und 2 (η = 50 %) der Vergleich mit Strom aus einer Kraft-

Wärme-Koppelungsanlage gezogen. Es wird nicht davon ausgegangen, dass die Wärmepum-

pe mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben wird, dann müsste auch einen anderen

Strompreis angesetzt werden.

Für die Berechnung der Emissionen wird der vermiedene Erdgasverbrauch verwendet. Erdgas

hat dabei auf den Brennstoffeinsatz bezogen einen CO2-Emissionsfaktor von 202 g/kWh

[UBA (2007): S.3].

Simulationsergebnisse 27

5 Simulationsergebnisse

Beim Vergleich der JAZ eines Solarsystems sieht in man Abbildung 5-1 deutlich, dass eine

Nichtberücksichtigung der Speicherverluste zu sehr hohen Ergebnissen führt. Werden die

Speicherverluste komplett berücksichtigt, dann werden die Ergebnisse zu schlecht, weil der

Solaranlage die ohnehin vorhandenen Speicherverluste der Wärmepumpe angelastet werden.

Die JAZ, bei der nur die anteiligen Speicherverluste berücksichtigt werden, eignet sich daher

am besten, um die kombinierten Anlagen zu vergleichen. Der Unterschied beträgt etwa 0,2

(vgl. Abb. 5-1). Diese JAZ wird im folgenden JAZSystem genannt.

Auffällig dabei ist, dass die JAZ der Wärmepumpe für alle Kollektorflächen nahezu konstant

bleibt. Man hätte erwarten können, dass durch die geringere Anzahl von Betriebsstunden die

JAZ mit steigender Kollektorfläche besser wird, allerdings gibt es nur einen Unterschied zwi-

schen Anlagen mit und ohne Solaranlage. Durch die Entlastung der Erdsonde steigen die Sol-

eaustrittstemperaturen und die JAZ wird besser. Bei sehr kleinen und daher unrealistischen

Kollektorflächen kann man noch Auswirkungen beobachten. Mit steigender Kollektorfläche

sind die Veränderungen der Soletemperaturen dann so gering, dass die JAZ sich nur noch im

Promillebereich verändert.

Abbildung 5-1: Verlauf von verschiedenen JAZen bei einer Wärmepumpe mit Solaranlage ohne Variation des

Speichervolumens, schematisch für beide Systeme


5.1 Einfamilienhaus

5.1.1 Solare Trinkwasserunterstützung mit Niedrigte mperaturheizung

Bei einem Einfamilienhaus erreicht eine Wärmepumpe, die sowohl eine Fußbodenheizung als

auch das Warmwassersystem versorgt, je nach Heizwärmebedarf in der Simulation JAZ von

fast 5. Abbildung 5-1 zeigt, dass mit steigendem Jahresheizwärmebedarf auch die JAZ der

Wärmepumpe zunächst stark ansteigt, weil sich das Verhältnis zwischen dem Wärmebedarf

für das Warmwasser und die Heizung zugunsten der Heizung verschiebt. Für das Heizsystem

werden niedrigere Temperaturen benötigt, die die Wärmepumpe bei günstigeren Betriebs-

punkten zur Verfügung stellen kann. Eine größere Sonde führt zu einer geringeren Abkühlung

des Erdreichs und somit zu höheren Temperaturen der Sole. Steigt der Bedarf weiter an, sin-

ken die Soleaustrittstemperaturen so weit, dass die JAZ wieder fällt.

Abbildung 5-2: Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe (ohne Solaranlage) für verschiedene Gesamtsondenlängen

mit 20 W/m Entzugsleistung

Wird die Anlage nun um eine Solaranlage erweitert, die an den bivalenten Trinkwarmwasser-

speicher angeschlossen ist, muss die WP weniger Wärme zur Verfügung stellen, ihr Strom-

verbrauch sinkt deutlich. Dabei steigt nicht nur die JAZ des Systems, sondern auch die JAZ

der Wärmepumpe. Das liegt daran, dass die Solaranlage in sonnigen Zeiten der WP eine un-

günstige Betriebsweise auf hohen Temperaturniveaus erspart und eine geringere Wärmemen-

ge aus dem Erdreich benötigt wird. So steigen die Soleaustrittstemperaturen, was ebenfalls zu

einer besseren Betriebsweise der WP führt. In dem konkreten simulierten Fall sank die aus

der Umgebung gewonnene Energie um 1491 kWh auf 7326 kWh. Die Solaranlage hat also

neben den Einsparungen eine zusätzliche stabilisierende Wirkung auf das System, da die

Möglichkeit einer Überbeanspruchung der Erdwärmequelle reduziert wird.


Abbildung 5-3: JAZ bei einer Wärmepumpe mit Solaranlage und einem 800 l Pufferspeicher

Mit 6 m² lassen sich in dem Beispielsystem ca. 20 % des Stromverbrauchs einsparen. Eine

Vergrößerung der Kollektorfläche senkt den Stromverbrauch zwar weiter, allerdings in so

unbedeutendem Maße, dass damit niemals die deutlich höheren Investitionskosten rechtferti-

gen ließen. Ab ca. 15 m² Kollektorfläche sinkt der Verbrauch auch nicht weiter, weil der Ver-

brauch der Solarpumpe dann stärker ansteigt, als die Einsparungen bei den anderen Kompo-

nenten, wodurch die JAZ des System wieder schlechter wird (vgl. Abb. 5-3).

Abbildung 5-4: Stromverbrauch bei verschiedenen Kollektorflächen und Speichervolumina

Mit einem größeren Speicher lässt sich zwar mehr Solarenergie speichern, allerdings sind die

Unterschiede gerade im Bereich von wenigen Quadratmetern Kollektorfläche so gering, dass

sich auch hier die höheren Investitionskosten nicht lohnen würden. Erst bei Kollektorflächen


größer als die üblichen 6 m² sind die großen Speicher im Vorteil (vgl. Abb. 5-4), weil sie die

zusätzliche Solarenergie auch aufnehmen können. Die Einsparungen bewegen sich trotzdem

im Bereich von wenigen Prozent. Ein größerer Speicher ist also vor allem dann interessant,

wenn man mit großen Kollektorflächen den Primärenergiebedarf senken möchte.

Gegen einen größeren Speicher spricht auch, dass sich die solaren Gewinne so nicht saisonal

speichern lassen. Zwar sind die Speichertemperaturen im Herbst deutlich höher als im Früh-

ling, zwischen Oktober und Dezember verpufft dieser Effekt allerdings irgendwann.

Abbildung 5-5: Primärenergieeinsparung bei der TWW-Erwärmung bei einem Gas-Brennwertkesselsystem

Wenn ein baugleiches Haus mit einem Gas-Brennwertkessel mit Wärme versorgt werden soll,

fällt im Vergleich vor allem der mehr als doppelt so große Primärenergieverbrauch auf. In

beiden Systemen gilt, dass die Kombination mit einer Solaranlage etwas mehr als 15 % des

Gesamtprimärenergieverbrauchs einspart, was etwa 60 % des Wärmebedarfs für das TWW

entspricht (vgl. Abb. 5-5). Dieser Unterschied spiegelt sich auch in den jährlichen Kosten

wieder, die bei den Heizsystemen mit Gaskessel ungefähr doppelt so hoch sind. Auffällig ist,

dass sich die Wärmepreise von allen vier Anlagen nur wenig voneinander unterscheiden. In

beiden Varianten wiegen die Einsparungen durch die Solaranlage die zusätzlichen Investiti-

onskosten ungefähr auf. Eine Übersicht der Ergebnisse gibt es in Tabelle 3. Bei dem Wärme-

preis ist zu beachtet, dass sehr viele verschiedene Faktoren das Ergebnis beeinflussen können.

Die Nachkommastelle wird angegeben, weil die Zahlen sich oft sonst gar nicht voneinander

unterscheiden würden und weniger Tendenzen erkennbar wären.


System WPB1 WPB mit Solar2 Gas mit Solar Gas

JAZ WP 4,8 5,1 - -

JAZ System 4,3 5,4 - -

Stromverbrauch [kWh] 2503 2087 105 -

Gasverbrauch [kWh] - - 11100 13.540

Primärenergieverbrauch

[MJ]

23.400 19.500 41.000 48.750

Wärmepreis [Cent/kWh] 19,2 20,2 21,2 19,4

Tabelle 3: Ergebnisse bei einer Niedrigtemperaturheizung und einer solaren Unterstützung der Warmwasserbe-

reitung

5.1.2 Solare Trinkwasser- und Heizungsunterstützung mit

Hochtemperaturheizung

Die höheren Vorlauftemperaturen, der zusätzliche Wärmetauscher und der zusätzliche Hei-

zungspufferspeicher führen zu einer deutlichen Verschlechterung der JAZ, sowohl von der

WP als auch vom System. Bei einem ansonsten gleichen System steigt der Stromverbrauch

um ca. 1000 kWh auf 3570 kWh und die Wärme wird entsprechend teurer. Dass der zusätzli-

che Pufferspeicher Vorteile im Betriebsverhalten und bei Sperrzeiten mit sich bringt, lässt

sich mit diesen Zahlen nicht zeigen.

Bei Solaranlage, die sowohl die Warmwasserbereitung als auch das Heizsystem unterstützen

sollen, werden normalerweise größere Kollektorflächen installiert als bei reinen Trinkwarm-

wasseranlagen. Bei der simulierten Anlage wurde die Kollektorfläche auf 12 m² verdoppelt.

Kombiniert man nun eine Anlage mit Kombispeicher und Radiatorenheizsystem mit einer

Solaranlage, dann sind die Unterschiede wie erwartet größer als bei dem ersten untersuchten

Fall. Die Einsparungen betragen mehr als 30 %, was zum einen dazu führt, dass die JAZ des

Systems um 1,4 steigt und auch die JAZ der Wärmepumpe steigt um 0,5. Insgesamt sind die

Wärmepumpenanlagen aber immer noch deutlich schlechter als die Anlagen mit einer Nied-

rigtemperaturheizung. Alle JAZ sind im Schnitt etwa um 1,3 schlechter.

Durch die doppelt so große Aperturfläche verdoppelt sich logischerweise auch Sonnenein-

strahlung, der solare Ertrag vergrößert sich allerdings nur um 75 %. Dabei gibt es sehr größe-

re Jahreszeitliche Unterschiede: Während der Ertrag im März, April und im Oktober sich tat-

sächlich verdoppelt, steigert er sich in den Sommermonaten Juni, Juli und August nur um

etwa 40 – 50 %. Noch deutlicher werden die Unterschiede, wenn man die Speicherverluste

1 Mit 150 l Speichervolumen 2 Mit 6 m² Kollektorfläche und einem 800 Liter Pufferspeicher


berücksichtigt, wie man in Abbildung 5-5 erkennt. Dann steigert sich der Ertrag nur noch um

54 % und in den Sommermonaten und in Wintermonaten ist er nahezu gleich. Vor allem in

den Sommermonaten produziert die zusätzliche Kollektorfläche nur zusätzliche Speicherver-

luste. Also werden nicht über das ganze Jahr verteilt zusätzliche Gewinne produziert, sondern

nur in den Übergangsjahreszeiten, wobei im Herbst die Gewinne kleiner ausfallen, weil die

Speichertemperatur nach den Sommermonaten deutlich höher ist.

Abbildung 5-6: Differenz zwischen Kollektorkreisertrag und Speicherverlusten im Laufe eines Jahres

Der höhere Ertrag kommt aber nicht ausschließlich über die größere Kollektorfläche zu Stan-

de. Der Ertrag könnte sogar um ein Vielfaches steigen gegenüber dem kleineren System,

wenn der Verbrauch entsprechend größer wäre. Daher sinkt der Ertrag im Mai auch wieder,

weil der Verbrauch zurückgeht. Die höheren Vorlauftemperaturen des Heizsystems haben für

die Solaranlage dabei so gut wie keine Auswirkungen. Die Anlage ist in der Heizperiode so-

weit von der hundertprozentigen Deckung entfernt, dass sie das Wasser in jedem Fall vor-

wärmt und der Energiebedarf des Heizsystems ist in beiden Systemen gleich, nur das Tempe-

raturniveau ändert sich. Bei der Wärmepumpe gibt es dagegen gravierende Veränderungen.

Durch die höhere Senkentemperatur steigt der Verbrauch des Systems ohne Solaranlage um

mehr als 40 %, während sich der Gesamtverbrauch durch die höheren Speicherverluste, die

aus den höheren Temperaturen und dem zweiten Pufferspeicher resultieren, nur um 4 % ver-

größert.

Abbildung 5-7 zeigt den Verlauf der Systemjahresarbeitszahlen bei einer Kombispeicheranla-

ge für verschiedene Kollektorflächen. Ab 12 m² Kollektorfläche steigt die JAZ bei einer Ver-

größerung der Kollektorfläche nur noch minimal. Gleiches gilt für Speicher ab einem Volu-

men von ca. 600 l. Die JAZ der Wärmepumpe bleibt bei allen drei Systemen gleich, weil sich

Verbrauch und Wärmeabgabe in gleichem Maße ändern.

Die Einsparungen durch eine Solaranlage sind bei diesen Systemen deutlich größer als bei der

ersten Testreihe. Der Stromverbrauch liegt mit 2650 kWh/a um mehr als 30 % unter dem des


Referenzsystems, der Primärenergieverbrauch und der Wärmepreis verhalten sich entspre-

chend. Das liegt vor allem an dem deutlich niedrigeren Verbrauch der Wärmepumpe, wie man

in Abb. 5-8 sieht. In dem Graphen wurde zur Vergleichbarkeit bei einer Kollektorfläche von 0

m² die Werte der Anlage ohne Solarkollektoren eingesetzt. Die erste Simulation wurde mit 3

m² Kollektorfläche durchgeführt, durch den Sprung bei den Werten kommt es bei der grafi-

schen Darstellung zu einem Knick.

5-7: Einfluss des Speichervolumens bei einer Kombispeicheranlage mit verschiedenen Kollektorflächen

Für einen Gas-Brennwertkessel stellen die höheren Temperaturen kein Problem dar, daher

sind die Zahlen für das Systeme ohne solare Unterstützung identisch mit denen aus der ersten

Untersuchung. Die Solaranlage kann in dieser Kombination immerhin ca. 25 % des Primär-

energiebedarfs einsparen, allerdings ist der Bedarf im Vergleich mit den Wärmepumpenanla-

gen wieder doppelt so hoch.

5-8: Energieströme bei einer Wärmepumpenanlage mit einem 800 l Kombispeicher


Durch die deutlich höheren Investitionskosten vor allem durch den Kombispeicher und die

größere Solaranlage steigen alle Wärmepreise außer der des vergleichbaren Gassystems (vgl.

Tab. 4). Die Solaranlage kann die zusätzlichen Investitionskosten wieder ungefähr kompen-

sieren. Auch liegen die drei Systeme viel dichter beieinander und man kann wohl sagen, dass

die beiden Solarsystemen bei den getroffenen Annahmen vom Wärmepreis her identisch sind.

System WPK WPK mit So-

lar

Gas mit Solar Gas

JAZ WP 3,5 4 - -


Stromverbrauch [kWh] 3570 2411 143 -

Gasverbrauch [kWh] - - 10.860 13.540

Primärenergieverbrauch [MJ] 33.400 22.500 40.400 48.750

Wärmepreis [Cent/kWh] 22,1 22,9 23 19,4

Tabelle 4: Ergebnisse bei einer Hochtemperaturheizung und mit solarer Unterstützung der Warmwasserbereitung

und des Heizsystems

5.2 Mehrfamilienhaus

Insgesamt verhalten sich die Systeme bei einem größeren Verbraucher sehr ähnlich wie die

Systeme für Einfamilienhäuser. Daher wird auf eine Besprechung der einzelnen Anlagen ver-

zichtet. Interessant ist eine Betrachtung der Wirtschaftlichkeit, da die Einsparungen relativ

gesehen in derselben Größenordnung liegen, im Vergleich zu den nicht linear ansteigenden

Investitionskosten aber größer werden.

5.2.1 Testreihe Solare Trinkwasserunterstützung mit

Niedrigtemperaturheizung

Die Einsparungen durch eine Solaranlage lagen auch bei dieser Untersuchung für das Bei-

spielhaus bei etwas über 15 %. Durch die nicht linear steigenden Investitionskosten sinken die

Wärmepreise im Vergleich mit einem Einfamilienhaus um etwa 30 % und der Unterschied

zwischen einem System mit und ohne Solaranlage wird noch kleiner.

Bei einem Mehrfamilienhaus den Warmwasserverbrauch abzuschätzen ist schwierig. Ein er-

höhter Warmwasserverbrauch führt zu größeren Einsparungen vor allem im Sommer und der

Wärmepreis sinkt entsprechend. Betragen die Einsparungen bei einem Tagesverbrauch von

500 l noch weniger als 15 %, liegen sie bei 1200 l bereits um die 20 %. Bei den in dieser Ar-

beit verwendeten Zahlen sinkt der Wärmepreis einer Kombianlage ab einem täglichen Ver-


brauch von 1400 l unter den der Anlage ohne Solaranlage. Das entspricht bei fünf Vier-

Personen-Haushalten einem Tagesverbrauch von 70 l.

Andere Varianten, die zu einem erhöhten Warmwasserverbrauch führen, sind die Verwen-

dung von Zirkulation bzw. eine Anhebung der Warmwassertemperatur. Die Verwendung von

Zirkulation bei einem Standardsystem erhöht den Energiebedarf 41 %, die Erhöhung der ge-

wünschten Warmwassertemperatur von 45 auf 60 °C um 42 % und bei 60 °C warmem Wasser

mit Zirkulation sogar um 103 %.

Abbildung 5-9: Stromverbrauch und Wärmepreis bei einem Mehrfamilienhaus für Wärmepumpen mit und ohne

Solaranlage

System WPB WPB mit Solar Gas mit Solar Gas

JAZ WP 4,5 4,6 - -


Stromverbrauch [kWh] 10.768 8.915 575 -


Primärenergieverbrauch [MJ] 100.800 83.400 178.800 199.900


Tabelle 5: : Ergebnisse bei einer Niedrigtemperaturheizung und einer solaren Unterstützung der Warmwasserbe-

reitung für ein Mehrfamilienhaus

Beide Wärmepumpensysteme sind billiger als vergleichbare Gaskesselsysteme und sowohl

bei der Wärmepumpe als auch bei dem Gaskessel wiegen die Einsparungen durch die Kombi-

nation mit einer Solaranlage die zusätzlichen Investitionskosten wieder auf und führen zu so


gut wie keiner Veränderung beim Wärmepreis. Die beiden Kombisysteme wurden dabei nicht

mit der gleichen Kollektorfläche simuliert, weil bei dem Gassystem bei einer Vergrößerung

der Fläche über 12 m² hinaus keine nennenswerten Veränderungen mehr zu beobachten wa-

ren. Die Wärmepumpe wurde hingegen mit 30 m² und einem entsprechend großen TWW-

Speicher simuliert.

5.2.2 Testreihe Solare Trinkwasser- und Heizungsunt erstützung mit

Hochtemperaturheizung

Bei Systemen mit einer Hochtemperaturheizung erwirtschaftet die Solaranlage in Kombinati-

on mit einer Wärmepumpe sogar Gewinne und der Wärmepreis liegt unter dem des Ver-

gleichssystems. In diesem Fall ist das Gaskesselsystem allerdings wieder billiger und die So-

laranlage mit 20 m² Kollektorfläche rechnet sich in dieser Kombination eher nicht.

System WPK WPK mit So-

lar

Gas mit Solar Gas

JAZ WP 3,2 3,8 - -


Stromverbrauch [kWh] 16.127 10.667 309 -



[MJ]

151.000 99.800 170.700 199.900


Tabelle 6: : Ergebnisse bei einer Hochtemperaturheizung und mit solarer Unterstützung der Warmwasserberei-

tung und des Heizsystems für ein Mehrfamilienhaus

5.3 Niedrigenergiehäuser

Gerade bei Niedrigenergiehäusern ist der Anteil der Heizung am Heizwärmebedarf deutlich

geringer, da meistens die gleiche Menge an Warmwasser benötigt wird, das Haus aber deut-

lich besser gedämmt ist. So verschiebt sich der Anteil des Heizwärmebedarfs bei einem

durchschnittlichen Vierpersonenhaushalt bei einer Reduzierung der spezifischen Heizlast von

65 kWh/m²a auf z.B. 25 kWh/m²a von ca. 80 % auf ca. 55 %. Das sieht man auf Abbildung 5-

10 am Verlauf der JAZ. Da die Wärmepumpe für das Trinkwasser höhere Temperaturen auf

einem höheren Niveau zur Verfügung stellen muss, verschlechtern sich die JAZ entsprechend.


Abbildung 5-10: JAZ bei unterschiedlichen Heizwärmebedarf bei gleichbleibendem Warmwasserverbrauch

.

Abbildung 5-11: Solarer Deckungsanteil bei einer WPB für verschiedene Kollektorflächen

Abbildung 5-12: Solarer Deckungsanteil bei einer WPK für verschiedene Kollektorflächen

4,5

4,6

4,7

4,8

4,9

5

5,1

0 20 40 60 80

JAZ

Spezifischer Heizwärmebedarf in kWh/m²a

WP

System

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 5 10 15 20 25 30 35So

lare

r D

eck

un

gsa

nte

il i

n %

Kollektorfläche in m²

15 kWh/m²a 30 kWh/m²a 45 kWh/m²a

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 5 10 15 20 25 30 35 40

So

lare

r D

eck

un

gsa

nte

il i

n %

Kollektorfläche in m²

15 kWh/m²a 30 kWh/m²a 45 kWh/m²a


Bei einem Heizwärmebedarf von 15, 30 und 40 kWh/m²a beträgt der Anteil der Warmwasser-

bereitung am Heizbedarf 55 %, 40 % bzw. 30 %. Mit ausreichend großer Kollektorfläche

kann die Solaranlage dabei immer den gleichen Prozentsatz, ca. 70 %, davon decken. Auch

ein größerer Speicher führt nur zu einer Verbesserung von wenigen Prozenten und das auch

nur bei einer großen Kollektorfläche, bei einer kleinen Kollektorfläche reduziert ein größerer

Speicher sogar den Deckungsanteil, weil die Speichertemperaturen bei geringer Einstrahlung

sinken.

Interessanter ist schon ein System, bei dem sowohl die Warmwasserbereitung, als auch das

Heizsystem mit der Solaranlage unterstützt wird. In diesem Fall ist der solare Deckungsanteil

etwa um 10 % höher und die Degression der Steigung ist schwächer, also es lohnt sich mehr

Kollektorfläche aufzustellen. Bei einer Vergrößerung des Speichervolumens treten dieselben

Effekte auf, wie bei dem zuerst besprochenen System.

Würde man das gleiche Haus mit einem Gas-Brennwertkessel inklusive thermischer Solaran-

lage versorgen, würde der Wärmepreis stark ansteigen und sich der Primärenergieverbrauch

wieder verdoppeln, wie man in Tabelle 7 sehen kann. Die niedrigeren Betriebskosten können

allerdings bei diesem geringen Verbrauch die deutlich höheren Investitionskosten bei weitem

nicht auffangen und die Wärmepumpensysteme sind deutlich teurer. Der Primärenergiever-

brauch ist dagegen sensationell niedrig, vor allem mit einem herkömmlichen Einfamilienhaus

verglichen.

System WPB3 WPK WPK Gas Gas

Spez. Jahresheizwärmebe-

darf [kWh/m²a]

15 15 45 15 45

JAZ WP 4,9 4,4 4,3 - -

JAZ System 5,8 5,9 4,8 - -

Stromverbrauch [kWh] 780 760 1740 172 180

Gasverbrauch [kWh] - - - 3.540 8.200


[MJ]

7.300 7.100 16.300 14.400 31.200

Wärmepreis [Cent/kWh] 17 19 21,3 12,1 17,1

Tabelle 7: Ergebnisse für ein Niedrigenergiehaus, alle Anlagen verfügen dabei über eine Solaranlage

3 Dieses System wurde 6 m² Kollektorfläche simuliert, alle anderen mit 12 m²


5.4 Übergangsjahreszeiten

Für Wärmepumpen mit Erdsonden lässt sich keine Verschlechterung in den Übergangsjahres-

zeiten feststellen, das Gegenteil ist sogar der Fall: Bei allen untersuchten Anlagen hat sich die

JAZ der Wärmepumpe sogar verbessert, gerade weil die Wärmepumpe in den Übergangsjah-

reszeiten deutlicher weniger Betriebsstunden und –starts hat. Wie man in Abb. 5-13 erkennen

kann, liegt das daran, dass die aus dem Erdreich benötigte Wärme deutlich geringer ist. Im

Mai und September halbiert sich der Bedarf sogar. Infolgedessen steigen die Temperaturen –

bei einer ansonsten identischen Anlage – der Sole, die aus dem Erdreich austritt, über das

ganze Jahr gemittelt mit 7,1 °C eine um 0,5 °C (vgl. Abb. 5-14). Diese Veränderung reicht

aus um die JAZ um bi zu 0,6 zu verbessern.

Abbildung 5-13: Jahreszeitlicher Verlauf der Entzugsleistung aus dem Erdreich

5-14: Jahreszeitlicher Verlauf der Soleaustrittstemperatur bei einer WPB und einer ungestörten Erdreichtempera-

tur von 10 °C


5.5 Die Solaranlage als Wärmequelle der Wärmepumpe

Eine auf den ersten Blick sehr interessante Möglichkeit der Verschaltung von Solaranlage und

Wärmepumpe ist die Nutzung der Solarwärme als Wärmequelle für die Wärmepumpe. Selbst

im Winter liegen die Kollektoraustrittstemperaturen deutlich über den Soletemperaturen und

ermöglichen der Wärmepumpe so eine deutlich bessere Betriebsweise. Muss die Wärmepum-

pe z.B. Wärme bei 45 °C zur Verfügung stellen, hat sie bei einer typischen Soleeintrittstempe-

ratur von 5°C einen theoretischen COP von 7,2. Ändert sich nun die Eintrittstemperatur auf

20 °C, steigt der theoretische COP auf 10,8.

Bei der Realisierung wurde eine Anlage mit einem zusätzlichen Pufferspeicher entworfen.

Dieses System hat zwei Vorteile. Zum einen steht die Solarwärme der Wärmepumpe so auch

nachts zu Verfügung, wenn der Stromtarif deutlich günstiger ist, zum anderen kann deutlich

mehr Wärme gespeichert werden, da die Temperatur des Speichers vor der Wärmepumpe

wieder auf für die Wärmepumpe verwertbare 20 °C herunter gemischt werden kann. Die Re-

gelung belädt den Pufferspeicher, sobald der Kombispeicher eine Temperatur von 25 °C er-

reicht hat. Wenn der Pufferspeicher auf 25 °C erwärmt wurde, wird der Kombispeicher bis zu

seiner Maximaltemperatur beladen und anschließend wieder der Pufferspeicher.

Dabei sind zwei interessante Effekte zu beobachten. Der solare Ertrag steigt deutlich, wenn

die Umschalttemperatur möglichst niedrig gewählt wird, weil der Kollektorwirkungsgrad bei

kälteren Temperaturen deutlich besser ist, und das System wird nur besser, wenn der Solarer-

trag deutlich steigt bzw. die AZ der Wärmepumpe deutlich besser wird. Sonst bringt eine An-

hebung der Quellentemperatur der Wärmepumpe keine Verbesserung, weil der Stromver-

brauch durch den zusätzlichen Einsatz der Wärmepumpe steigt.

Haller und Frank haben für diesen Zusammenhang sogar eine Gleichung aufgestellt [Haller,

Frank (2011): S. 559], um festzustellen, wann sie die Nutzung der Solarwärme als Wärme-

quelle der Wärmepumpe lohnt.

∆��

��# �� − 1∗

Δ+

+�# ��> 1

Wobei ∆COP = COPüberWP – COPdirekt und ∆η = ηüberWP - ηdirekt. Die Formel geht allerdings

davon aus, dass 100 % der Solarwärme für die Wärmepumpe genutzt werden, daher ist sie auf

das hier besprochene System nicht anwendbar, sondern dient nur dazu zu verdeutlichen, wann

die Solarwärme sinnvoll als Wärmequelle der Wärmepumpe eingesetzt werden kann. Für die

oben genannten Zahlen muss nach dieser Formel bei einem exergetischen Wirkungsgrad von

40 % der Kollektorkreisertrag mindestens um 30 % steigen. Wird nun eine Standardanlage

mit Kombispeicher, Solaranlage (15 m²) und Fußbodenheizung am Standort Berlin entspre-

chend erweitert, gibt es beim Stromverbrauch nur geringe Einsparungen. Zu gering ist einfach

die Einstrahlung in den Wintermonaten und der Pufferspeicher kann die überschüssige Wär-

me aus dem Sommer nicht saisonal speichern. Selbst bei 90 °C kann er nur den Bedarf von


wenigen Tagen decken. Der Kollektorkreisertrag steigt nur um 24 % und das hauptsächlich

wegen der zusätzlichen Speicherverluste, der Stromverbrauch der Wärmepumpe sinkt zwar

minimal, aber der Verbrauch der Solarpumpe steigt und zusätzliche Investitionskosten lassen

sich damit niemals rechtfertigen. Die Anlage wurde mit einem 600 l Kombispeicher und ei-

nem 700 l Pufferspeicher simuliert.

Ganz anders sieht das Ergebnis an Standorten aus, die auch im Winter eine gewisse Einstrah-

lung vorweisen können, z.B. in den Alpen. In der Simulation konnte die Sondenlänge in

Grenoble ohne größere Änderungen bei den Ergebnissen um mehr als 50 % verkleinert wer-

den, während der Stromverbrauch immer noch um 25 % im Verglich zum Standort Berlin

sinkt. Eine Übersicht der wichtigsten Kennzahlen und Energien gibt es in Tb. 8, alle Anlagen

wurden dabei mit NT-Heizungen simuliert.

System Berlin

WPK

Berlin

WPSW

Grenoble

WPSW4

Grenoble WPSW,

halbe Sondenlänge

JAZ WP 4,3 4,6 5,1 4,9

JAZ System 4,8 4,8 5,7 5,7

Solarer Ertrag [kWh] 4065 5218 7904 7978

Stromverbrauch WP [kWh] 1967 1921 1287 1379

Solarwärme an WP [kWh] 0 1222 2645 2660

Speicherverluste [kWh] 1412 1933 2885 2895

Entzugsleistung Erdreich

[kWh]

6690 5614 2660 2372

Stromverbrauch [kWh] 2275 2242 1608 1699


[MJ]

21.300 21.000 15.050 15.900

Wärmepreis [Cent/kWh] 23,8 24,4 22,8 19

Tabelle 8: Ergebnisse WPSW, alle Anlagen wurden mit 15 m² Kollektorfläche simuliert.

4 Der Heizwärmebedarf in Grenoble beträgt nur 6700 kWh/a, der Warmwasserbedarf ist identisch

Bewertung und Diskussion der Simulationsergebnisse 42

6 Bewertung und Diskussion der Simulationsergebniss e

6.1 Energetische Betrachtungen

Um die Qualität der Ergebnisse zu gewährleisten, wurden bei allen durchgeführten Simulatio-

nen Bilanzprüfungen durchgeführt, die Abweichung lag dabei immer deutlich unter einem

Prozent. Alle Parameter wurden in den relevanten Wertebereichen ausführlich variiert und

dabei wurden keine Fehler in der Simulation gefunden. Es ist allerdings schwer einzuschät-

zen, ob z.B. die Jahresarbeitszahl bei 5,4 liegt und nicht bei 4,9. Es ist vor allem der Vergleich

zwischen den verschiedenen Anlagen der als aussagekräftig angesehen wird. Wenn sich also

ein Wert bei einer ähnlichen Anlage, die mit einer Solaranlage kombiniert wurde, deutlich

verändert, dann ist das eine der Aussagen, die mit dieser Arbeit ermittelt wurden.

Insgesamt wurden bei den durchgeführten Simulationen eine technische Synergie zwischen

Wärmepumpen und thermischen Solaranlagen festgestellt. Die Kombination mit der Solaran-

lage führt in allen simulierten Anlagen dazu, dass der Stromverbrauch deutlich sinkt und die

Wärmepumpe weniger ungünstige Betriebspunkte bei hohen Senkentemperaturen hat. Das

liegt vor allem daran, dass die Solaranlage problemlos Wärme bei Temperaturniveaus liefern

kann, bei denen die Wärmepumpe viel Strom verbraucht. Dieser Effekt kommt vor allem in

den sonnenreichen Monaten zum Tragen. In der restlichen Zeit des Jahres vermindert die So-

laranlage die von der Wärmepumpe bereitgestellte Wärme, indem sie das Wasser vorwärmt.

So sind die Einsparungen durch eine thermische Solaranlage gerade bei hohen geforderten

Temperaturen besonders groß, also z.B. bei einem hohen TWW-Verbrauch und bei einem

Heizsystem mit hohen Vorlauftemperaturen. Darüber hinaus stabilisiert die Solaranlage die

Anlage, weil durch die zusätzliche Wärmequelle weniger Energie aus dem Erdreich benötigt

wird. So stellt sich die Frage, ob der Erdwärmetauscher nicht kleiner ausgelegt werden könn-

te. Erste Simulationen haben gezeigt, dass das durchaus möglich wäre. Insgesamt ist das aber

eine Frage, die über den Rahmen dieser Arbeit hinausgeht. Außerdem war zu beobachten,

dass die Einsparungen mit einem größeren Verbrauch überproportional steigen. Ein zusätzli-

cher täglicher Verbrauch - etwa durch einen Warmwasseranschluss der Waschmaschine –

von 20 l warmem Wasser bei einer WPB steigert die jährlichen Einsparungen bereits um 24

%, d.h. dass sich gerade die Solaranlage ohne entsprechenden Verbrauch nicht lohnt.

Die Solarwärme als Wärmequelle der Wärmepumpe einzusetzen hatte dagegen in der simu-

lierten Variante nur einen stabilisierenden Charakter, was vermutlich an den klimatischen

Gegebenheiten in Deutschland liegt. Der Vorteil durch den geringeren Stromverbrauch der

Wärmepumpe durch die energetisch günstigeren Betriebspunkte wird durch längere Betriebs-

zeiten wieder aufgehoben. In anderen Regionen mit einer höheren solaren Einstrahlung als in

Mitteleuropa hat diese Variante hingegen erste, vielversprechende Ergebnisse geliefert, weil

gerade in der Heizperiode bedeutend mehr Solarenergie zur Verfügung steht.


Im Vergleich mit realen Anlagen schneiden die simulierten Anlagen im Schnitt besser ab

[Wapler (2011): S.33]. Es gibt aber auch reale Anlagen mit einer deutlich höheren JAZ. Ein

Vergleich ist allerdings nur bedingt möglich, weil in dem Feldtest keine Angaben zu der Hyd-

raulik der Anlagen gemacht werden.

Abbildung 6-1: Nutzungsgrad im Laufe eines Jahres von verschiedenen Anlagen bei einem ansonsten bauglei-

chen Haus

Abbildung 6-2: Solarer Ertrag im Laufe eines Jahres von verschiedenen Anlagen bei einem ansonsten bauglei-

chen Haus

Wie zu erwarten, hängt das technische Optimum für die Auslegung der Solaranlage dabei

stark von den angewandten Kriterien ab. Wenn der Nutzungsgrad der Solaranlage so gut wie

möglich sein soll, dann sind kleine Anlagen mit wenigen Quadratmetern Fläche empfehlens-

wert. Ist dagegen der Primärenergieverbrauch ausschlaggebend, sollten Speicher und Kollek-

torfläche so groß wie möglich ausgelegt werden. In den Sommermonaten hat die größere An-

lage aber keinen zusätzlichen Nutzen und der Nutzungsgrad sinkt entsprechend (vgl. Abb. 6-


1). Dass die größere Anlage dabei trotzdem mehr Ertrag liefert, ist in Abb. 6-2 zu sehen. Im

Sommer generiert der zusätzliche Ertrag allerdings nur zusätzliche Speicherverluste, weil der

Verbrauch identisch ist (vgl. Abb. 5-5). Der bessere Nutzungsgrad der 12 m² Anlage in den

Übergangsjahreszeiten kommt durch den größeren Speicher und größeren Verbrauch zu Stan-

de.

Bei den Ergebnissen gilt es zu beachten, dass keine Sperrzeiten betrachtet wurden. So wirkt

sich z.B. der Heizungspufferspeicher nur negativ aus. Für eine Folgeuntersuchung wäre es

also interessant auch in diesem Fall die Auswirkungen einer Solaranlage zu untersuchen, die

von den Sperrzeiten nicht betroffen ist. Eventuell müsste in diesem Fall die Wärmepumpe

auch größer ausgelegt werden, weil sie nicht rund um die Uhr in Betrieb sein kann.

Offen bleibt auch wie sich eine thermische Solaranlagen mit Luft-/Wasserwärmepumpen oder

in Kombination mit Erdkollektoren verhält, da in diesem Falle die Temperaturen der Quellen

deutlicheren Schwankungen unterliegen.

Bei den Gassystemen sind der Verbrauch ohne Wirkungsgrad und die Einsparungen durch

eine Solaranlage mit genauso sorgfältig geprüften Simulationen ermittelt worden. Das Prob-

lem ist, dass der Endverbrauch sehr vom gewählten Wirkungsgrad des Kessels abhängt (vgl.

Abb. 6-3). Das gleiche Problem gilt für den Wärmepreis, siehe auch Abschnitt 6.2.

6-3: Gasverbrauch und Wärmepreis bei einem EFH und verschiedenen Kesselwirkungsgraden

6.2 Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen und thermisc hen

Solaranlagen

Mit den in dieser Arbeit bestimmten Randbedingungen ist eine WPB in einem Neubau un-

term Strich genauso teuer wie eine vergleichbare Anlage mit einem Gaskessel. Die Wärme-

pumpe schneidet bei einem größeren Verbraucher sogar noch besser ab, da die Betriebskosten

im Vergleich deutlich niedriger sind. Wenn die Wärmepumpenanlagen mit einer Solaranlage

kombiniert werden, verändert sich der Wärmepreis bei den simulierten Wärmepumpenanla-

gen kaum. Die Einsparungen wiegen ungefähr die zusätzlichen Investitionskosten wieder auf,


sieht man einmal von einer WPK in einem Mehrfamilienhaus ab. In diesem Fall wird die

WPK sogar erst in Kombination mit einer Solaranlage konkurrenzfähig zu einem Gassystem.

Anders sehen die Wärmepreise bei den kombinierten Systemen mit Gaskessel aus. Da die

Einsparungen bei den Betriebskosten durch das im Vergleich zum Storm deutlich billigere

Gas geringer ausfallen, erhöht sich der Wärmepreis bei allen Anlagen.

Insgesamt kann man alle Ergebnisse aber leicht verändern. So ist es eigentlich unmöglich zu

sagen, ob eine Wärmepumpenheizung in den nächsten 20 Jahren billiger sein wird als eine

Gasheizung, weil man z.B. die jährliche Energiepreissteigerungsrate nicht kennt. Bei einer

jährlichen Preissteigerungsrate von etwa 5 % sind beide Systeme wirtschaftlich gesehen iden-

tisch (vgl. Abb. 6-3). Zum Vergleich: Der Strompreis in Deutschland ist von 2001 bis 2011

jährlich um 5,7 % gestiegen. In der Abbildung 6-5 sieht man, wie groß der Einfluss von In-

vestitionskosten und kalkulatorischem Zinssatz ist.

Abbildung 6-4: Wärmepreis für verschiedene Energiepreissteigerungsraten bei einer WPB

Bei Gassystemen ist der Wirkungsgrad des Gaskessels der entscheidende Faktor, wie man in

Abbildung 6-6 sieht. So bedeuten 10 % Unterschied im Wirkungsgrad etwa 2 – 3 Cent Unter-

schied beim Wärmepreis, so dass eine exakte Aussage über den Wärmepreis bei Gassystemen

sehr schwierig wird.

Bei den Solaranlagen hängen die zusätzlichen Investitionskosten stark vom Kollektorpreis ab.

Die angenommen 333 €/m² für Ein- bzw. 266 €/m² für Mehrfamilienhäuser abzüglich 120

€/m² Förderung sind optimistisch. Mit zunehmender Kollektorfläche steigen zwar die Einspa-

rungen, allerdings sind größere Anlagen durch die höheren Investitionskosten schnell unren-

tabel. Bei einer WPB und Preisen ab ca. 400 €/m² Bruttokollektorfläche sind die Investitions-

kosten bei ansonsten unveränderten Randbedingungen sogar immer größer als die Einsparun-

gen. Die Kurven für niedrigere Quadratmeterpreise haben dagegen beim Wärmepreis ein Mi-

nimum, das allerdings erst bei ca. 100 €/m² bei den Werten liegt, die im Sommer für eine au-

tarke Versorgung nötig wären. Die Förderung wird auch nicht für jedes Haus und bei beson-

ders kleinen Kollektorflächen gezahlt, so dass diese Methode eigentlich nicht zulässig ist.


Abbildung 6-5: Wärmepreis bei verschiedenen Investitionskosten und unterschiedlichen kalkulatorischen Zinss-

ätzen

Abbildung 6-6: Vergleich zwischen WP- und Gassystemen bei verschiedenen Kesselwirkungsgraden

Man erkennt jedoch gut, dass das technische und wirtschaftliche Optimum nicht aufeinander

liegen.

Wie bei vielen erneuerbaren Energien ist die Wetterabhängigkeit der Solaranlage natürlich

auch ein Faktor. Bei Solaranlagen hängt die Wirtschaftlichkeit direkt von der solaren Ein-

strahlung ab. In Deutschland ist die Abhängigkeit vom Standort für die simulierten Systeme

eher klein, wie man in Tabelle 9 und 10 erkennen kann. Ganz anders sehe es etwa in Frank-

reich aus, wo die Einstrahlung zwischen dem Norden und Süden viel stärker variiert.


Abbildung 6-7: Wärmepreis für verschiedene spezifische Kollektorkosten bei einer WPB

Kiel Berlin Münster Würzburg Freiburg

Solarer Ertrag [kWh] 1736 1808 1769 1906 1925

Stromverbrauch

[kWh]

2070 2059 2049 2056 2008

Monate ohne WP - - 1 2 2

Tabelle 9: WPB mit 6 m² Kollektorfläche

Kiel Berlin Münster Würzburg Freiburg

Solarer Ertrag [kWh] 2917 2938 3218 3218 3356

Stromverbrauch

[kWh]

2489 2498 2459 2464 2399

Monate ohne WP 2 3 4 4 5

Tabelle 10: WPK mit 12 m² Kollektorfläche

Interessant ist auch, dass in den Sommermonaten die Wärmepumpe abgeschaltet werden

kann. Dabei gilt: Je größer die Kollektorfläche, desto länger sind die Zeiträume, in denen die

Solaranlage autark arbeiten kann. Vor allem an den nördlichen Standorten wird die Zeitspan-

ne noch einmal deutlich größer, wenn man bereit ist an einzelnen Tagen auf heißes Wasser

(>25 °C) zu verzichten. Die Anlage kann im Sommer also ausgeschaltet werden, zum einen

sinkt dadurch der Verbrauch der Wärme- und Sondenpumpe weiter, zum anderen gibt es kei-

nen Verbrauch durch Standby-Betrieb. Bei 15 Watt sind das in etwa 11 kWh pro Monat Er-


sparnis. Das mag nicht viel erscheinen, aber wenn die gesamte Anlage im Jahr ca. 2000 kWh

verbraucht, sind die 130 kWh Verbrauch durch die Regelung immerhin weitere 6,5 % zusätz-

lich.

Insgesamt geben die ermittelten Wärmepreise nur einen Bereich an, in dem sich der reale

Wärmepreis befindet. Die Breite in der sich das Ergebnis bewegt ist im Bereich von wenigen

Cent. Es ist also möglich, dass der Wärmepreis z.B. bei einer Standard WPB in einem un-

günstigen Fall von deutlich höheren Investitionskosten (3000 €) und einem 10 % höherem

Stromverbrauch von 20,2 Cent/kWh auf 22,4 Cent/kWh steigt. Eine Abweichung von etwa 10

% nach oben ist also möglich, deutlich größere Abweichungen wurden bei keiner Rechnung

festgestellt und werden daher als sehr unwahrscheinlich eingestuft.

Bei den Gaskesselvarianten sieht es dagegen anderes aus. Gerade durch den nicht bekannten

Wirkungsgrad kann der Wärmepreis bei nur leicht veränderten Randbedingungen mehr aus 10

% teurer oder billiger werden.

Allgemein lässt sich feststellen, dass sich Wärmepumpen aus wirtschaftlicher Sicht vor allem

bei niedrigen Zinsen, steigenden Energiepreise, Neubauten mit NT-HZG und als Ersatz für

Kessel mit schlechten Wirkungsgraden lohnen. Wenn Wärmepumpen und Solaranlagen dar-

über hinaus als Geldanlage betrachtet werden, gilt es zu beachten, dass beide Anlagen Einspa-

rungen produzieren und nicht Gewinne. Während Gassysteme in der Anschaffung billiger

sind und das Kapital – sofern vorhanden – angelegt werden kann, müssen die anfallenden

Zinsen auch versteuert werden. Dies könnte ein weiterer Faktor bei der Abwägung zwischen

den beiden Systemen sein.

Schwierig bleibt die Überlegung, ob bei einer Wärmepumpe mit Solaranlage die Erdsonde

kleiner ausgelegt werden kann. In der Simulation deutet alles darauf hin und mit einer kleine-

ren Erdsonde würden die Investitionskosten wohl deutlich sinken, denn der Anteil der Erd-

sonde beträgt etwa 50 %. Die niedrigeren Investitionskosten der Erdsonde bzw. die dann nur

leicht erhöhten Kosten durch die Solaranlage könnten der entscheidende Vorteil sein und den

Wärmepreis sogar unter den der vergleichbaren Gassysteme drücken.

Lebensdauer Wärmepreis [Cent/kWh]

WPB Gas

20 Jahre 19 19

40 Jahre 20 26

60 Jahre 25 35

100 Jahre 42 69

Tabelle 11: Wärmepreise für verschiedene Nutzungsdauern, die Reinvestition bei der WPB beträgt 7100 € (inkl.

Förderung) und bei Gas 6500 €


Zu guter Letzt ist vor allem die Lebensdauer der Erdsonden ein Faktor, der alle Überlegungen

wieder verschieben kann. Da die Sonden für ca. 50 bis 100 Jahre nutzbar sind, fallen diese

Investitionskosten bei einer Erneuerung der Anlage nicht wieder an, d.h. der Anteil der Kos-

ten bei einer Erneuerung der Anlage nach 20 Jahren ist bei einer Wärmepumpe deutlich klei-

ner als bei einem Gaskessel, bei dem nur der Schornstein und der Gasanschluss nicht neu ge-

baut bzw. verlegt werden müssten. Bereits nach der ersten Reinvestition liegt der Wärmepreis

einer WPB in einem Neubau mehr als 20 % unter dem Vergleichspreis einer Anlage mit Gas

(vgl. Tb. 11).

6.3 Ökologische Aspekte

Alle simulierten Wärmepumpen haben einen deutlich geringeren Primärenergieverbrauch als

die Vergleichsanlagen mit Gaskesseln. Das gleiche gilt für alle Anlagen mit einer thermischen

Solaranlage im Verglich mit Anlagen ohne eine Solaranlage. Der Primärenergieverbrauch

einer Wärmepumpe liegt dabei etwa 25 – 50 % unter dem eines Gaskessels. Eine thermische

Solaranlage reduziert dann den Verbrauch bei Wärmepumpen noch einmal um weitere 15 –

35 %.

Die entscheidenden rechnerischen Faktoren sind dabei der Primärenergiefaktor für den

Stromverbrauch der Wärmempumpen und der angenommene Wirkungsgrad des Kessels für

den Erdgasverbrauch. Beide Größen werden direkt mit dem Verbrauch multipliziert und der

Verbrauch ist somit von ihnen proportinal abhängig. Ein kleiner Primärenergiefaktor reduziert

die absoluten Unterschiede zwischen den Wärmepumpensystemen und vergrößert die Unter-

schiede zu den Gassystemen.

Der angesetzte Primärenergiefaktor zum Vergleich der Anlagen von 2,6 stammt aus der EnEV

2009 und entspricht in etwa dem Primärenergiefaktor der Stromproduktion in Deutschland.

Dabei ist zu beachten, dass die gesamte aufgewendeten Energieträger wie z.B. Kohle, Gas

oder Uran durch die gesamte deutsche Stromproduktion geteilt werden, also Wind-, Wasser-

und Solarstrom den eigentlich Primärenergiefaktor des konventionelle Kraftwerkspark ver-

bessern. Das bedeutet zum einen, dass der Primärenergiefaktor für den konventionellen

Kraftwerkspark etwa bei 3 angesetzt werden müsste, zum anderen könnte bei einer mit erneu-

erbaren Energien betriebenen Wärmepumpe ein Primärenergiefaktor von nahezu 0 angewen-

det werden. Der Strom für die Wärmepumpe könnte auch mit einer nahen KWK-Anlage er-

zeugt, die einen Wirkungsgrad von 90 % hat. Dann beträgt der Primärenergiefaktor 1,1 und

die Gassysteme verbrauchen in diesem Vergleich das 4 – 5fache an Primärenergie. Wenn man

hingegen annimmt, dass der Gaskessel mit Methan aus Biogas befeuert wird, könnte man laut

EnEV 2009 Anlage 1 Abschnitt 2.1.1 für den Gaskessel einen Primärenergiefaktor von 0,5

ansetzten, wenn es sich um in unmittelbarer räumlicher Nähe erzeugtes Biogas handelt.

Ähnlich sieht es bei den vermiedenen CO2-Emissionen aus. Hier schneiden Wärmepumpen

im Vergleich mit Gas-Brennwertkesseln eher schlecht ab, weil Erdgas bei der Verbrennung


mit 202 g/kWh vergleichsweise wenig CO2 freisetzt. Die durchschnittlichen CO2-Emissionen

bei der Stromerzeugung in Deutschland betrugen dagegen 2008 laut dem Bundesumweltmi-

nisterium 570 g/kWh. Dazu kommt, dass immer mehr umweltbewusste Energieexperten […]

aber der Ansicht [sind], dass der Strommix bei Elektro-Wärmepumpen nicht anwendbar ist,

weil in der Heizperiode [...] noch die Steinkohle […] dazu kommt, die den Emissionsfaktor

[…] auf 800 g/kWh in die Höhe treibt [Auer (2008): S.24]. Dadurch sind die Einsparungen

bei den Emissionen eher gering, wenn der Strom nicht mit erneuerbaren Energien produziert

wurde.

Für die Wärmepumpen spricht wiederum, dass sie bei entsprechender Auslegung, also wenn

sie u.a. mit Pufferspeichern ausgerüstet sind, Energie in Form von Wärme speichern können.

Das könnte ein entscheidendes Argument für Wärmepumpen in einem ganzheitlichen Erneu-

erbare-Energien-Konzept sein.

Die Zahlen können also nichts über die Herkunft der Ressourcen aussagen oder in was für

einem Energiesystem sich die Anlagen befinden. Beides wäre aber für eine vollständige öko-

logische Bewertung nötig. Unter den aktuellen Umständen in Deutschland kann man sagen,

dass Wärmepumpen Primärenergie einsparen, während sie die Emissionen nur geringfügig

senken. Thermische Solaranlagen senken dagegen eindeutig den Primärenergieverbrauch und

die Emissionen.

Zusammenfassung und Fazit 51

7 Zusammenfassung und Fazit

Durch die Erweiterung mit einer thermischen Solaranlage wurden bei allen simulierten Wär-

mepumpenanlagen ausschließlich positive Effekte beobachtet. Gerade in den Übergangsjah-

reszeiten ergänzen sich die beiden Technologien energetisch sinnvoll und das System wird

durch die zusätzliche Wärmequelle stabilisiert. Der Stromverbrauch sinkt deutlich – je nach

Anlage um 15 – 35 % – und in gleichem Maße sinkt auch die aus dem Erdreich entzogene

Wärme. Damit steigt bei gleichbleibender Sondenlänge die Soleaustrittstemperatur und die

Wärmepumpe hat nicht nur weniger Betriebsstunden, ihre Betriebspunkte werden auch ener-

getisch günstiger. Die Solaranlage auch als Wärmequelle für die Wärmepumpe einzusetzen,

führte dagegen bei der in dieser Arbeit simulierten Variante unter mitteleuropäischen Wetter-

bedingungen nur zu sehr geringen Verbesserungen.

Der Wärmepreis veränderte sich durch die Kombination der beiden Technologien nur gering-

fügig. Die geringeren Betriebskosten reichen ungefähr aus, um die höheren Investitionskosten

zu amortisieren. Grundsätzlich gilt dabei je größer der Verbrauch desto wirtschaftlicher die

Solaranlage. Das führt auch dazu, dass bei Niedrigenergiehäusern die hohen Investitionskos-

ten sich aus wirtschaftlicher Sicht nicht rechnen. Eine interessante Frage, die sich aus diesen

Untersuchungen ergibt, ist, inwiefern der Erdwärmetauscher durch die zusätzliche Wärme-

quelle kleiner ausgelegt werden kann. Weil die Erdsonden den größten Teil der Investitions-

kosten ausmachen, könnte die Kombination der beiden Systeme so deutlich wirtschaftlicher

werden.

Ob Wärmepumpen ein wichtiger Teil eines zukünftigen Energiekonzeptes sein sollten, kann

in dieser Arbeit nicht beantwortet werden. Sie sollten aber in jedem Fall mit thermischen So-

laranlagen kombiniert werden, da der Verbrauch deutlich sinkt und das in jedem Fall wün-

schenswert erscheint. Die wirtschaftlichen Anreize für eine Erweiterung sind dabei gering

bzw. gar nicht vorhanden. Man könnte auch sagen, dass die Förderung zu niedrig ist. Nur

wenn der Betrachtungszeitraum über 20 Jahre hinaus vergrößert wird, führt auch aus wirt-

schaftlicher Sicht kaum etwas an einer Wärmepumpe vorbei, weil man bei den Erdsonden von

einer deutlich größeren Lebensdauer ausgehen kann.

Anhang A: Investitionskosten 52

Anhang A: Investitionskosten

A.1 Wärmepumpenanlage

Standardanlage mit bivalentem Speicher für ein Einfamilienhaus

Investition gesamt

- davon WP (9 kW)

- Erdsonde (350 m)

- Pufferspeicher (300 l)

- Sonstiges

- Montage

21.500 €

5000 €

12000 €

500 €

1500 €

2500 €

Standardanlage mit Kombispeicher für ein Einfamilienhaus

Investition gesamt

- davon WP (9 kW)

- Erdsonde (350 m)

- Kombispeicher (800 l)

- Sonstiges

- Montage

23.000 €

5000 €

12000 €

1500 €

1500 €

3000 €

Standardanlage mit bivalentem Speicher für ein Mehrfamilienhaus

Investition Wärmepumpe

- davon WP (25 kW)

- Erdsonde (950 m)

- Pufferspeicher (2000 l)

- Sonstiges

- Montage

48.500 €

8500 €

25000 €

2000 €

5000 €

8000 €


Standardanlage mit Kombispeicher für ein Mehrfamilienhaus

Investition gesamt

- davon WP (25 kW)

- Erdsonde (950 m)

- Kombispeicher (1500 l)

- Sonstiges

- Montage

53.500 €

8500 €

25000 €

5000 €

5000 €

10000 €

Bei Anlagen die ebenfalls über einen Heizungspufferspeicher verfügen, wurde mit Investiti-

onskosten für zwei Speicher gerechnet. WPSW gesamt 32.000 €.

A.2 Solaranlagen

Kollektorfläche Preis gesamt (Montage)

6 m² 4000 € (2000€)

12 m² 6000 € (2000 €)

20 m² 12000 € (4000 €)

Wenn die Kollektorfläche variiert wird, wurde folgende vereinfachte Rechnung für die Inves-

titionskosten verwendet.

�.�(��#�#��,�� = �� 4�� ∗ �4�� 1�ä'�� +�0��)�

A.3 Gas-Brennwertanlagen

Standardanlage für ein Einfamilienhaus

Investition gesamt

- Kessel+Brenner+Abgasanlage+Zubehör

- Gasanschluß inkl. Installation

- Warmwasserboiler

- Montage

9700 €

5000 €

2200 €

500 €

2000 €


Standardanlage für ein Mehrfamilienhaus

Investition gesamt

- Kessel+Brenner+Abgasanlage+Zubehör

- Gasanschluß inkl. Installation

- Warmwasserboiler

- Montage

19700 €

10000 €

2200 €

2500 €

5000 €

Für den Kombispeicher werden noch einmal 1000 € bei dem Einfamilienhaus und 2000 € bei

dem Mehrfamilienhaus veranschlagt.

Anhang B: Prüfpunkte der 9 kW Wärmepumpe 55

Anhang B: Prüfpunkte der 9 kW Wärmepumpe

Nach EN 14511 bei einer Spreizung senkenseitig von 5 K

Heizleistung [kW] Elektr. Leistung

[kW]

COP

B5/W35 10,3 2,1 4,9

B0/W35-30 9 2,1 4,29

B5/W45 9,5 2,5 3,8

B0/B45 8,3 2,5 3,32

B-5/W45 7,1 2,3 3,09

B5/W55 8,7 2,9 3

B0/W55 7,5 2,7 2,78

Literaturverzeichnis 56

Literaturverzeichnis

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bayrisches Technologie-Transfer-Institut e.V. (OTTI), Regensburg

Erklärung 58

Erklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Bachelorarbeit selbständig angefertigt habe. Es

wurden nur die in der Arbeit ausdrücklich benannten Quellen und Hilfsmittel benutzt. Wört-

lich oder sinngemäß übernommenes Gedankengut habe ich als solches kenntlich gemacht.

Ort, Datum Unterschrift

Systemanalyse der Kombination von Wärmepumpen und thermischen Solaranlagen

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