RWTH-Studie: Photovoltaik und Regelungsstrategien haben wenig Einfluss auf die optimale Größe von Wärmepumpen in Bestandsbauten
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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Was mir in den Kommentaren fehlt sind Fakten.
Werte von installierter PV
Ertrag von PV Strom in den Monaten Nov. – März in NRW.
Wohnraumgröße die beheizt wird .
Stromentnahme aus dem Netz während dieser Zeit.
u.s.w.
Einfach mal eine Behauptung in den Raum stellen bringt es nicht
Und was ist wenn doch mal wieder Schnee fällt, wieder erwarten !
Es ist ein Fakt das dann wenn wir Strom brauchen ,im Winter dieser nicht zur Verfügung steht.
Darauf zu HOFFEN das die Sonne scheint und der Wind weht ist + kann nicht die Lösung sein .
Das mag dir vielleicht nicht ganz klar sein aber der Wohngebäudebestand gibt alles erdenkliche her vom Passivhaus bis zur ungedämmten Bruchbude. Dazu kommen verschiedenste Nutzerverhalten.
D.h. um die Fakten zu bekommen definier erst einmal was du willst.
Zu deiner weiteren Frage nach der Verfügbarkeit von Strom im Winter, auch dazu gibt’s seit Jahren unzählige Studien in denen du nachlesen kannst wie das Energiesystem dafür aufgebaut sein sollte. …
Eine Lösung für das Problem ist auch äußerst simpel, mit flüssig oder gasförmigen Brennstoffen betriebene Reservekraftwerke. Die genaue Ausgestaltung ergibt sich durch Preissignale und Kosten für Technologien.
Da brauchst du dir nicht den Kopf zerbrechen.
Warum immer so kompliziert, wenn es doch einfach geht.
1. Eine WP wird zunächst einmal nach dem Wärmebedarf des Gebäudes ausgelegt.
2. Eine PV Anlage (Macht das Dach voll !) liefert günstigsten Strom, das ganze Jahr. Natürlich nicht im ausreichenden Maß im Dez/Jan, aber das ist ja auch nicht verwunderlich. Aber in den verbleibenden Monaten einen erheblichen bis zu vollständigem Anteil.
3. Die PV Anlage refinanziert sich vom 1. Tag der Einspeisung.
Radlcaesar
Es sollte allerdings reichen, da es nun zB die letzten Monate an Studien dazu ja nicht mangelte. Vertrauen Sie der Sache ruhig irgendwann mal. Man muss nicht jedes Mal wieder von 0 anfangen zu erklären, was bereits geklärt ist.
Die Einstrahlungsenergie lässt sich leicht berechnen je nach Standort. Der Rest ist dann etwas Addition und Multiplikation. Das kriegen Sie hin.
Das würde ich gerne genauer lesen:
Wieviel kWh Peak ist installiert, wieviel Strom pro Monat bewertet mit einem best. Preis wird produziert?
Welche Wohnfläche und bei welchem Standard wird beheizt? Verbrauch?
Investition in Höhe von?
Einfach so hingeschrieben reicht nicht.
Es wäre weitaus sinnvoller mal eine Studie dazu anzufertigen wie viel zusätzliche Energie verbraucht wird wenn sie hydraulisch so schlecht angebunden werden wie die deutschen WP Hersteller das meist fordern.
Außerdem würde sich anbieten daran zu forschen welche Auswirkungen auf das Stromnetz die vergleichsweise niedrige Effizienz der Luft Wasser WP deutscher Hersteller bei niedrigen Außentemperaturen haben werden wird wenn die es nicht schaffen da endlich mal auf Werte zu kommen die relativ günstige lwwp japanischer oder koreanischer Hersteller bereits erreichen.
brauchbare rankings und felddaten gibt es z.B. hier:
Felddaten:
https://www.waermepumpen-verbrauchsdatenbank.de/index.php?button=verbrauch
Rankings:
https://www.bonotos.com/
hier ließe sich auch die vaillant these valide gegenprüfen 😉
Vaillant ganz vorne wenn es um Effizienz einer lwwp bei niedrigen Außentemperaturen geht?
Das ist aber ein ganz schlechter Scherz.
Die lwwp deutscher Hersteller sind überwiegend Schönwetter WP.
Hier sollte dir geholfen werden 😉
Kai, Vaillant spielt mit den R290 Geräten ganz vorne mit und erzielt regelmäßig Spitzenwerte, von denen andere Hersteller nur träumen.
Die Studie ist tatsächlich hilfreich. In der Beratung von Hausbesitzern tauchen sehr häufig Angebote von Handwerkern auf, die suggerieren, man solle Wärmepumpe und PV gemeinsam machen, da der PV Strom dann preiswert die Wärmepumpe betreibe.
Dass das nur für Warmwasser im Sommer stimmt und auch dann nur bei passender Einstellung der Wärmepumpe (die dann meist falsch erfolgt) wird nicht erwähnt. Da steht dann ehrenamtliche Beratung gegen „Fachmann“.
@Monika Guder
Versuchen Sie sich die Frage zu beantworten, indem Sie um 12h in den Himmel schauen und einmal um 19 Uhr, jeweils im Dezember.
Dann werden Sie sehe schnell auf die optimale Konfiguration kommen, nehme ich an.
PS: bei mir tut es eine Zeitschaltuhr für 4.99 ausm Baumarkt für die WW WP. Verrückt wie einfach manchmal Lösungen sein können.
Eine Frage zur passenden Einstellung der WP, die auch Warmwasser macht.
Ralph schreibt:
„Dass das nur für Warmwasser im Sommer stimmt und auch dann nur bei passender Einstellung der Wärmepumpe (die dann meist falsch erfolgt) wird nicht erwähnt. Da steht dann ehrenamtliche Beratung gegen „Fachmann“.“
Auf was muß denn da geachtet werden? Was wäre gut und was sollte vermieden werden?
Wir hatten in diesem Sommer zwei seltsame Effekte, die sich mir dann vielleicht erklären würden.
Selbst bei ungünstigen Anlagen steuert die PV-Anlage auch im Winter noch zur Wärmepumpe bei, wenn auch nicht den kompletten Strom. Bei einer Gas- oder Ölheizung wird weder im Sommer, noch im Winter etwas beigetragen. Es sei denn, du erzeugst irgendwie dein eigenes Heizöl? Bei den Nachbarn klauen gilt nicht.
Wie sich keiner traut zu schreiben, dass man in den Wintermonaten überhaupt keinen PV-Strom für die Wärmepumpe erzeugen kann. Der Winter-PV-Strom reicht nicht für einmal zur Deckung des Stromverbrauchs eines Wohnhauses mit einer Öl- oder Gasheizung aus.
@Monitor: Deshalb werden sie trotzdem die Wärmepumpe so auslegen, dass sie auch ohne PV läuft.
Darum ging es doch.
das „problem“ der studie scheint mir, dass sie die these aufstellt, mit „regelungsstrategien einen einfluss auf die auslegung“ (!) der wärmepumpe zu eruieren, und sich dann mit erheblichem wissenschaftlichem aufwand in die problematik stürzt, statt mal 5 min zu überlegen wo die fragestellung denn hin führt
spielen wir das doch mal kurz durch:
wann kann es zu einer reduzierung der anlagengröße führen? -> nie, sie muss immer mindestens die kalten tage mit ausreichend energie versorgen (siehe: auslegung von wp).
alternativ: überdimensionierung der anlagengröße um „regelungsstrategien“ nutzen zu können:
im dez. kommt bestenfalls von 9-15 uhr strom vom dach, das wäre ein ~1/4 der tageszeit. d.h. die anlage müsste den gesamten tagesbedarf an wärme eines kalten wintertages in diesem zeitfenster erzeugen.
diese 4-fach große… selbst eine „nur“ doppelt groß ausgelegte wärmepumpe wäre im rest des jahres ein technisches trauerspiel.
wenn man nun auf das potential bei neubauten abzielt, gerade fußbodenheizungen sind technisch schlecht geeignet um mit starken lastverschiebungen zu spielen, der estrich verträgt derart hohe temperaturkurven nicht
Das stimmt nicht. Bei uns trägt nur im Dezember die PV kaum zur WP-Stromversorgung bei. Die kältesten Monate sind aber Januar und Februar. Da kalte Nächte auch klare und sonnige Tage mitbringen, trägt die PV im Jan/Feb schon 20-40% zur Wärmeversorgung bei. Und das sind die Ergebnisse in einem teilsanierten Bestandshaus von 1963. In einem Neubau sind die Anteile entsprechend höher.
André Böker schrieb:
„Der Winter-PV-Strom reicht nicht für einmal zur Deckung des Stromverbrauchs eines Wohnhauses mit einer Öl- oder Gasheizung aus.“
Selbst kleinere Anlagen erzeugen noch mehrere kWh an Dezember-Wintertagen, mal von wenigen Ausnahmen abgesehen. Also müsste dein angenommener Verbrauch doch enorm sein. Allerding verbraucht so eine Ölheizung, speziell mit älterer Pumpe, tatsächlich ordentlich Elektroenergie. Von Frühling bis Herbst mehr als meine Wärmepumpe und dann noch zusätzlich das Heizöl.
Diesen Anteil kann man dann eben auch gleich für eine Wärmepumpe aufwenden, speziell in neueren Häusern sind die Wärmeverluste so niedrig, dass eine Ölheizung immer mehr Strom verbraucht als eine Wärmepumpe.
Moderne Gasheizungen können halbwegs modulieren und damit den Stromverbrauch deutlich niedriger halten.
Ich kenne auch Leute, die im Winter trotz Wärmepumpe noch Strom exportieren, die haben aber auch in ordentlich Solar investiert (was sich übrigens finanziell selbst trägt, Teile des Investments sind Reinvestment des generierten Einkommens). Das sind aber (noch) sehr Wenige mit zugegebenermaßen beachtlichem verfügbaren Startkapital.
Zustimmung.
Es nervt gewaltig, wie das immer wieder in Werbeaussagen in einen Topf geworfen wird, so als ob die Wärmepumpe dann mit PV alleine liefe.
Die Leute werden für dumm verkauft, siehe auch hier:
https://www.viessmann.de/de/wissen/technik-und-systeme/waermepumpe/photovoltaik.html
Komisch, bei uns war und ist das anders.
Ein kurzer Blick auf meine Jahresstatistik kommt tatsächlich zum selben Ergebnis:
Für die Auslegung relevante Betriebszeiten: Nov- Feb
Für Eigenverbrauchsoptimierung relevante Betriebszeiten: Sept-Okt, März-Mai
=)
hallo dirk,
warum sollte ich mir ein „Monoblockgeräte ohne Außeneinheit“ (???) mit „120W bis ca.680W“ anschauen? was tut es?
Volker,
schau dir mal Monoblockgeräte ohne Außeneinheit an, hier speziell die Powrmatic Vision Compact (OEM Innova, andere Anbieter mit baugleichen Geräten sind ebenfalls verfügbar, z.B. REMKO KWT 180 DC).
Meine moduliert von knapp über 120W bis ca.680W, aber bewegt sich den größten Teil der Heizsaison um 230W. Das kann die Eigenverbrauchssaison ohne Batterie erheblich erweitern, da keine große Pumpe alle paar Minuten anspringen muss, mit vielen hundert Watt dann deutlich oberhalb der Eigenproduktion.
Das ist ja irre. Auf was man alles kommen kann, abgefahren 😀
Das Koch- und Essverhalten von Haushalten mit und Haushalten ohne PV würde mich auch noch brennend interessieren. Im Detail auch der Unterschied zwischen der Nutzung von Mikrowelle, Backofen und Herd (Klaasik versus Induktio). Da muss es doch Zusammenhänge geben.
An Kai
Kosten sind gerade DAS Thema ,wir haben mittlerweile
PV,
Wind,
Kohle,
Batterie,
W-STOFF vielleicht + gesamter Infrastruktur
von dem Rest möchte ich gar nicht sprechen.
Also 5 Energiearten parallel betrieben für ein Schweinegeld + trotzdem nicht zuverlässig sicher .
Und das Ende der Kosten ist nicht einmal abzuschätzen .
Frage? Wer soll das bezahlen !
Falls es noch nicht aufgefallen ist , man spricht von Stromsperren + Deindustrialisierung.!
Sonne+Wind sind eben nicht KOSTENLOS + werden es in Zukunft auch nicht sein/werden!