Intelligenz lohnt sich

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Auf den ersten Blick sieht es sehr einfach aus: Die Wärmepumpe verbraucht Strom, und die Photovoltaikanlage erzeugt Strom. Doch ein zweiter genauerer Blick zeigt sehr schnell, dass die Gegenläufigkeit von Angebot an solarer Einstrahlung und Heizwärmebedarf ein großes Problem darstellt. Eine weitere Herausforderung ist, dass viele Wärmepumpen in ihrer Leistung nicht regelbar sind und nicht beliebig an- und ausgeschaltet werden können. Außerdem wird bei vielen installierten Anlagen bei der Steuerung der Wärmepumpe bisher überhaupt noch nicht berücksichtigt, wie viel Solarstrom gerade produziert wird.

Die Kombination einer Wärmepumpe mit einer Photovoltaikanlage kann dabei in zweierlei Hinsicht sinnvoll sein. Zum einen kann mit dem Solarstrom der Netzstrombezug der Wärmepumpe verringert werden. Das lässt sich mit einem Autarkiegrad beschreiben. Seine Höhe gibt direkt die solare Deckung des Wärmepumpenstrombezugs an. Zum anderen erhöht sich durch die Kombination der Eigenverbrauchsanteil. Wenn mit dem Solarstrom Netzstrom ersetzt wird, dessen Preis über der Einspeisevergütung liegt, erhöht das die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaikanlage.

Das Problem, dass der Ertrag der Photovoltaikanlage gegenläufig zum Wärmebedarf ist, ist dabei aus der Solarthermie bekannt und führt dazu, dass Solaranlagen, die neben der Trinkwassererwärmung auch für die Heizungsunterstützung zum Einsatz kommen, im Sommer zu groß und im Winter viel zu klein sind. Gleiches trifft auch auf Photovoltaikanlagen zu. Allerdings besitzen diese den Vorteil, dass sie überschüssigen Strom ins Stromnetz einspeisen und außerdem auch den Strombedarf im Haushalt decken können.

Was bringt also eine Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik wirklich und welche Potenziale zur Optimierung lassen sich durch eine intelligente Steuerung tatsächlich erreichen? Um eine Antwort darauf zu finden, haben wir zum einen den Fall eines Einfamilienhauses mit Wärmepumpe berechnet, wo die Wärmepumpe ohne Berücksichtigung der Solarstromversorgung nur nach dem Wärmebedarf geregelt wird. Zum anderen haben wir Kriterien entwickelt, nach denen eine intelligente Steuerung für die Wärmepumpe arbeiten kann, und den Effekt einer solchen Steuerung simuliert.

Vorrang für den Haushaltsstrom

Untersucht wurde eine Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik für ein typisches Einfamilienhaus mit entsprechendem Strom- und Wärmebedarf für die Trinkwassererwärmung und Heizung (siehe Tabelle 1). Für das Wärmepumpensystem wurde eine Luft-Wasser-Wärmepumpe in Verbindung mit einer Fußbodenheizung verwendet. Als Wärmespeicher wurden ein Trinkwarmwasserspeicher und ein Pufferspeicher eingesetzt, wobei die Beladung des Pufferspeichers ausschließlich während der Heizperiode erfolgte.

Eine intelligente Regelung muss berücksichtigen, dass es im Haushalt neben der Wärmepumpe andere Verbraucher gibt. Wenn die Regelung diese nicht berücksichtigt, könnte es sein, dass sie zwar den Strombezug der Wärmepumpe aus dem Netz minimiert, der Haushalt aber mehr Strom aus dem Netz zieht, als es ohne Wärmepumpe der Fall wäre. Unsere Regelung gibt dem Haushaltsverbrauch daher Priorität. Außerdem kann die Wärmeenergie in gewissem Maße gespeichert werden, während bei den Geräten im Haushalt der Spielraum zur Lastverschiebung geringer ist. Die Wärmepumpe muss also mit der Solarenergie zurechtkommen, die übrig bleibt.

Die Wärmepumpe, die in der Simulationsumgebung konfigurierbar war, ist leistungsgeregelt und wird je nach Arbeitspunkt mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 1,7 bis 3,6 Kilowatt eingeschaltet oder bleibt ausgeschaltet. Die tatsächliche Leistungsaufnahme ergibt sich aus der Außentemperatur und der benötigten Vorlauftemperatur. Die Mindestlaufzeit beträgt 15 Minuten. Die Mindestausschaltzeit sollte zehn Minuten betragen, damit die Wärmepumpe bei fluktuierender Einstrahlung nicht ständig aus- und einschaltet.

Speicher-Solltemperatur überschreiten

Da die leistungsgeregelte Wärmepumpe in der Simulation immer mit der Last läuft, die durch die Quell- und die benötigte Vorlauftemperatur nötig ist, ist eine Minimierung des Strombezugs aus dem Netz nicht unbedingt gleichzusetzen mit der Maximierung des Eigenverbrauchs. Wenn die Einstrahlung nicht ausreicht, um die Leistungsaufnahme der Photovoltaik zu decken, oder wenn der mit Priorität versorgte Strombedarf im Haushalt steigt, erhöht ein Einschalten der Wärmepumpe den Strombezug aus dem Netz. Unter Umständen kann es sinnvoller sein, den Strom der Photovoltaikanlage ins Netz einzuspeisen und die Wärmepumpe erst später anzuschalten.

Andererseits kann es sinnvoll sein, die Wärmepumpe bei Sonneneinstrahlung zusätzlich einzuschalten, um durch eine Erhöhung der Speichertemperaturen über den Sollwert im Trinkwarmwasserspeicher und im Heizbetrieb auch im Pufferspeicher Solarenergie als Wärme zu speichern. Die Wärmepumpe muss dann eventuell bis zum nächsten Morgen nicht mehr anschalten. Beispielsweise kann auf diese Weise der Trinkwarmwasserspeicher um fünf Grad über die Solltemperatur erwärmt werden. Oder wenn in Übergangszeiten der Pufferspeicher so auf 50 Grad hochgeheizt wird, reicht die Wärmeenergie entsprechend lange aus, um im Heizkreis 30 Grad warmes Wasser zu erzeugen.

Schwellenwerte sind entscheidend

Solch ein zusätzliches Einschalten der Wärmepumpe kann selbst dann sinnvoll sein, wenn der Solarstrom nur einen Teil des Strombedarfs für die Wärmepumpe deckt. Denn dadurch wird vermieden, dass die Wärmepumpe am Abend zu einer Zeit ganz ohne Sonneneinstrahlung läuft. Das ist dann ein intelligenter Solarbetrieb.

Dabei ist die geeignete Wahl der Schwellenwerte zur Aktivierung der Wärmepumpe entscheidend. Die Simulationen haben gezeigt, dass folgende Parameter für den intelligenten Solarbetrieb wichtig sind:

  • Die verfügbare Leistung von der Photovoltaikanlage nach Abzug des Strombedarfs im Haushalt. Dieser Wert muss gemessen werden.
  • Der Schwellenwert ändert sich mit der Tageszeit. Morgens und über Mittag muss er höher sein als nachmittags. Dadurch wird erreicht, dass die Wärmepumpe in Perioden mit potenziell höherer Einstrahlung im Zweifelsfall noch auf günstigere Bedingungen wartet. In Perioden mit potenziell niedrigerer Einstrahlung werden auch niedrigere Level genutzt.
  • Die Jahreszeit. Das Tageszeit-Schwellenwert-Profil wird während der Wintermonate ausgeschaltet.

Der optimale Schwellenwert zur Aktivierung der Wärmepumpe hängt von der Leistung der installierten Photovoltaikanlage und von der Leistungsaufnahme der Wärmepumpe ab. Er sollte in den meisten Auslegungen deutlich unterhalb der Nennleistungsaufnahme der Wärmepumpe gesetzt werden, damit der intelligente Solarbetrieb häufig genug einschaltet.

Da die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe von der Wärmequelltemperatur und der Vorlauftemperatur abhängt, ist es sinnvoll, die Regelung in den Wärmepumpenmanager zu integrieren, wie es beispielsweise bei der Aquarea Luft-Wasser-Wärmepumpe in Kombination mit dem Wärmepumpenmanager HPM von Panasonic der Fall ist (siehe Produktneuheiten Seite 133). Dann kann die Regelung nämlich den Schwellenwert der Photovoltaikleistung, bei der die Wärmepumpe einschaltet, flexibel handhaben und in Abhängigkeit der voraussichtlichen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe den optimalen Einschaltzeitpunkt berechnen. Das wurde bei den Simulationen berücksichtigt.

Nutzen der Steuerung

Generell stellt sich die Frage: Brauche ich eine intelligente Steuerung der Wärmepumpe? Oder kann eine Einsparung des Strombezuges und eine Nutzung des Solarstroms auch allein durch Installation einer Photovoltaikanlage erreicht werden? Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der Hauptnutzen bei kleinen Photovoltaikanlagen in der Tat bereits durch das bloße Vorhandensein einer Photovoltaikanlage ohne intelligente Steuerung generiert werden kann. Bei den berechneten Auslegungen war das der Fall, wenn die Leistung der Photovoltaikanlage nicht größer als etwa drei Kilowattpeak ist. Dann ist der Beitrag der Photovoltaik zum Stromverbrauch allerdings insgesamt ziemlich gering. Für Systeme mit einer Photovoltaikleistung von 3,76 und 5,64 Kilowattpeak steigert die intelligente Steuerung den Solarstromanteil an der Stromversorgung der Wärmepumpe dagegen um mehr als 60 Prozent.

Diese Werte gelten für ein Haus mit einem spezifischen Heizwärmeverbrauch von 35 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr, bei dem 5.250 Kilowatt Raumheizungs- (thermische Nutzwärme) und 3.000 Kilowattstunden Brauchwassernutzwärme nötig waren. Die Wärmepumpe hat in den Simulationen rund 2.500 Kilowattstunden Strom verbraucht.

Dabei gibt es keine „beste“ Dimensionierung der Photovoltaikanlage. Je kleiner sie ist, desto höher ist der Eigenverbrauchsanteil, je größer sie ist, umso höher ist der Autarkiegrad. Eine Photovoltaikleistung von 3,76 oder 5,64 Kilowattpeak ist jedoch sowohl in Bezug auf die Leistungsspitzen im Haushalt als auch in Bezug auf die Stromaufnahme der Wärmepumpe eine sinnvolle Kombination. Die 5,64-Kilowattpeak-Anlage deckt mit intelligenter Regelung bereits fast 26 Prozent des Wärmepumpenstroms und reduziert damit den Kohlendioxidausstoß der Heizung entsprechend.

In den Simulationen wurde auch untersucht, ob es durch die Kopplung der Wärmepumpe an die Einstrahlung auf die Solaranlage und die Mindestlaufzeit von 15 Minuten zu häufigen Ein- und Ausschaltvorgängen kommt, was die Lebensdauer der Wärmepumpe reduzieren könnte. Das ist jedoch nicht der Fall. Mit und ohne intelligente Regelung hätte sich die Wärmepumpe im Jahr 2012, dessen Wetterdaten wir benutzt haben, gleich häufig eingeschaltet.

Über 50 Prozent Solarstromanteil

Allerdings lässt sich die solare Deckung noch deutlich steigern, trotz der geringen Solarleistung im Winter. Während bei kleineren Photovoltaikanlagen die mit Priorität versorgten Hausverbraucher den Anteil des Autarkiegrades dominieren (siehe Tabelle 3), überwiegt bei einer großen Anlage der Nutzen für die Wärmepumpe. Bei einer Anlage mit einer Leistung von 11,28 Kilowattpeak liegt der Autarkiegrad für den Hausverbrauch bei knapp 40 Prozent, während der Autarkiegrad für die Wärmepumpe bereits knapp 45 Prozent erreicht, und das trotz der geringen Solarleistung im Winter. Bei einer weiteren Vergrößerung der Photovoltaikanlage auf 22,56 Kilowattpeak liegt der Autarkiegrad für den Hausverbrauch bei knapp 50 Prozent, während er für die Wärmepumpe bereits knapp 55 Prozent erreicht. Allerdings reduziert sich der Eigenverbrauch eines Systems mit 11,28 Kilowattpeak auf rund 23 Prozent, der eines Systems mit 22,56 Kilowattpeak auf 14 Prozent.

Der Autarkiegrad steigt bei einer weiteren Vergrößerung der Photovoltaikanlage nicht entsprechend weiter an, weil die solare Einstrahlung und der Heizwärmebedarf gegenläufig sind. Was erreichbar ist, hängt im Übrigen auch vom Dämmstandard und Brauchwasserbedarf ab. Je höher der Brauchwasserbedarfsanteil, der über das Jahr relativ konstant ist, einen desto höheren Beitrag kann die Photovoltaikanlage leisten. Ein höherer Dämmstandard erhöht den Anteil, den die Photovoltaikanlage für das Brauchwasser liefern kann, so dass die solare Deckung ebenfalls steigt. Absolut gesehen kann die Photovoltaikanlage jedoch mehr Strom für den Heizbetrieb liefern wenn der Dämmstandard mäßig ist.

Gebäudegröße:150 m²
Dämmstandard:35 kWh/(m²*a) spezifischer Heizwärmebedarf
Standort:Frankfurt am Main
Warmwasserverbrauch:200 l/d mit 45 °C
Warmwasserspeicher:300 l
Pufferspeicher:500 l
Wärmepumpenleistung:9 kW
Leistung PV-Anlage:0,705 bis 22,56 kWp
Stromlastprofil:H04 (Familie mit Kind, berufstätig)
Stromverbrauch Haushalt:3.500 kWh/a
Raumwärmebedarf pro Jahr:9.000 kWh
Brauchwasserwärmebedarf pro Jahr:3.000 kWh

Tabelle 1: Parameter für die Simulationsrechnungen.

Reduktion des Netzstrombezugs der Wärmepumpe
Leistung der PV-Anlageohneintelligente Steuerungmitintelligenter SteuerungEffekt der intelligenten Steuerung
0,71 kWp24 kWh24 kWh
1,88 kWp90 kWh126 kWh+40 %
3,76 kWp210 kWh343 kWh+63 %
5,64 kWp351 kWh576 kWh+64 %
11,28 kWp668 kWh1.019 kWh+53 %
22,56 kWp872 kWh1.317 kWh+51 %

Tabelle 2: Wenn die Wärmepumpe intelligent ein- und ausgeschaltet wird, erhöht das die Energie, die die Solaranlage bereitstellt. Gleichzeitig reduziert das den Netzstrombezug. Parameter e siehe Tabelle 1.

Autarkiegrad
Leistung der PV-AnlageHausverbrauchWärmepumpe mit intelligenter RegelungGesamtWärmepumpe ohne intelligente Regelung
0,71 kWp11 %1 %7 %1 %
1,88 kWp20 %6 %14 %4 %
3,76 kWp29 %15 %23 %9 %
5,64 kWp33 %26 %30 %14 %
11,28 kWp40 %45 %42 %27 %
22,56 kWp45 %56 %50 %34 %

Tabelle 3: Die Autarkie gibt den Anteil von Solarstrom an der Stromversorgung des Haushalts und der Wärmepumpe an. Dabei wird der Stromverbrauch des Haushalts vorrangig gedeckt.

Eigenverbrauchsanteil
Leistung der PV-AnlageHausverbrauchWärmepumpe mit intelligenter RegelungGesamtWärmepumpe ohne intelligente Regelung
0,71 kWp56 %3 %59 %3 %
1,88 kWp38 %8 %46 %5 %
3,76 kWp27 %10 %37 %6 %
5,64 kWp20 %12 %32 %6 %
11,28 kWp12 %11 %23 %6 %
22,56 kWp7 %7 %14 %4 %

Tabelle 4: Große Photovoltaikanlagen erhöhen zwar die Autarkie, verringern aber den Eigenverbrauchsanteil.

Die Autoren Armin Kühn arbeitet als Ingenieur bei der Solarpraxis Engineering GmbH, einer Tochter der Solarpraxis AG, die das pv magazineherausgibt. Er ist Experte für Solarwärme, Heiz- und Systemtechnik und hat Panasonic bei den Kriterien für die Regelung beraten und die Simulationen durchgeführt.Thomas Groß ist Service- und Produktmanager bei der Panasonic Appliances Air-conditioning Europe. Das Unternehmen bietet Wärmepumpen an. In Kürze wird auch eine Regelung, die nach den dargestellten Kriterien arbeitet, unter dem Namen Aquarea Wärmepumpenmanager verfügbar sein.