RWTH-Studie: Photovoltaik und Regelungsstrategien haben wenig Einfluss auf die optimale Größe von Wärmepumpen in Bestandsbauten

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Ein Forscherteam der RWTH Aachen hat untersucht, wie sich Photovoltaik-Anlagen, Steuerungen und Strompreis-Annahmen auf die Dimensionierung von Wärmepumpen und -speichern in sanierten Gebäuden auswirken. Ihr Ergebnis: Photovoltaik und Steuerungsstrategien haben nur einen geringen Einfluss auf die optimale Auslegung von Wärmepumpen. „Unsere Arbeit bietet eine umfassende Analyse aller Auslegungsgrößen unter Verwendung einer hochmodernen regelbasierten Steuerung und einer detaillierten dynamischen Simulation, um potenzielle Abhängigkeiten bei der optimalen Auslegung von Photovoltaik-gestützten Wärmepumpensystemen zu identifizieren“, erklärt der korrespondierende Autor der Studie Fabian Wüllhorst gegenüber pv magazine.

„Unsere Studie konzentrierte sich auf Bestandsbauten mit gut isolierter Gebäudehülle, die mit Neubauten vergleichbar sind. In Neubauten werden in der Regel Fußbodenheizungen verwendet, die eine höhere Trägheit aufweisen als die von uns untersuchten Heizkörper. Diese zusätzliche Trägheit würde wahrscheinlich den Bedarf an Raumwärmespeichern weiter reduzieren“, erklärt Wüllhorst. „Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist der Bedarf an Warmwasser und die Größe des Speichers, die in unserer Studie konstant gehalten wurden. Während Gebäude mit hohem Warmwasserbedarf am meisten von einer Photovoltaik-gestützten Wärmepumpe profitieren, müssen bei der Dimensionierung des Warmwasserspeichers hygienische Aspekte, insbesondere im Hinblick auf Legionellen, berücksichtigt werden“.

Komplexe Simulationen

Die Wissenschaftler gaben an, dass vor ihrer Arbeit nicht klar war, inwieweit Photovoltaik, Steuerungsstrategien und Preisannahmen die optimale Auslegung einer Wärmepumpe beeinflussen. Sie hätten ein Pre-Screening angewandt, um relevante Modellkombinationen mit einem potenziell großen Einfluss auf die optimale Auslegung zu identifizieren. „Durch die Anwendung einer simulationsbasierten Auslegungsoptimierung mit einem detaillierten Gebäude-Energiesystemmodell optimieren wir drei Fälle: keine Photovoltaik, keine übergeordnete Steuerung und eine moderne übergeordnete Steuerung“, erklärten sie und wiesen darauf hin, dass sich ihre Analyse auf sanierte Wohngebäude in Deutschland konzentrierte und unter anderem den Einsatz einer Luft-Wärmepumpe, eines parallel geschalteten thermischen Energiespeichers und eines separaten Warmwasserspeichers mit einem parallel geschalteten internen Wärmetauscher berücksichtigte. „Ergänzt wird das System durch die Photovoltaik, die Gebäudehülle sowie die Nutzungsprofile für Warmwasser und Haushaltsstrom“, so die Forschungsgruppe.

Photovoltaik kann bei Dimensionierung vernachlässigt werden

Mithilfe der Open-Source-Software Modelica modellierten die Wissenschaftler die Komponenten, die Steuerung und die Gebäudehülle. Dabei wurden sechs typische Photovoltaik-Ausrichtungen (Ost, Süd, West, Nord, Süd-Nord und Ost-West) sowie Parameter wie Temperaturen, Wärmeströme und Stromflüsse berücksichtigt. „In allen Fällen gehen wir von einer 100-prozentigen Dachflächennutzung aus. Dies ist zwar nicht immer praktikabel, maximiert aber die möglichen Auswirkungen auf das optimale Design“, fügten sie hinzu. „Wir gehen davon aus, dass, wenn eine 100-prozentige Dachflächennutzung keinen Einfluss auf das optimale Design hat, ein geringerer Prozentsatz der Dachflächennutzung dies auch nicht tun wird.“

Die Analyse ergab, dass Photovoltaik und Steuerungsstrategien einen „geringen“ Einfluss auf die optimale Größe von Wärmepumpen haben. Das rechtfertige, Photovoltaik in den aktuellen Richtlinien zur Anlagendimensionierung zu vernachlässigen. Neue fortschrittliche Steuerungsstrategien sollten hingegen bei der optimalen Auslegung künftiger WKK-Anlagen berücksichtigt werden.

Dimensionierung von Wärmepumpen mit Photovoltaik wird einfacher

Die Analyse zeigte auch, dass ein Schlüsselfaktor, der die optimale Heizungsgröße beeinflusst, die angenommenen Strompreise sind. „Bei höheren Betriebskosten sollte eine größere Wärmepumpe installiert werden, um den Stromverbrauch des Heizstabes zu reduzieren“, betonten die Wissenschaftler.

„Die Tatsache, dass Photovoltaik bei der Dimensionierung von Wärmepumpen vernachlässigt werden kann, ist ein Vorteil, da die Ergebnisse eine einfache Auslegung von Photovoltaik-gestützten Wärmepumpen fördern“, so Wüllhorst. „Während Wärmepumpen die Eigenverbrauchsquote und damit die optimale Auslegung der Photovoltaik-Anlage beeinflussen, müssen Installateure bei der Auslegung des Solarsystems nur die gegenseitige Abhängigkeit berücksichtigen, nicht aber die Wärmepumpe und den Speicher.“

Das Forscherteam hat seine Ergebnisse in der Studie „Heat pump and thermal energy storage: Influences of photovoltaic, the control strategy, and price assumptions on the optimal design“ vorgestellt, veröffentlicht in Renewable Energy. „Die Ergebnisse können Praktiker bei der Dimensionierung von Wärmepumpen und Speichern mit Photovoltaik anleiten. Künftige Studien sollten explizite Regeln entwickeln, die die optimale Auslegung für verschiedene Strompreisannahmen und Modellinputs möglich machen“, erklären die Wissenschaftler – und verwiesen damit auf die künftige Richtung der Forschung.

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