Entwicklungen und Feldtests - Solar-Wärmepumpe

Das System wurde im Jahr 2004 entwickelt und es wurde eine Testanlage aufgebaut. In den folgenden Jahren wurde die  Anlagentechnik immer wieder überarbeitet und vermessen.

Im Sommer 2007 wurde mit der Installation von bislang 5 Feldtestanlagen begonnen, die alle mit Messtechnik ausgerüstet sind.

Im laufenden Jahr 2008 wurden weitere Feldtestanlagen aufgebaut.  Ein System zur Datenerfassung und Auswertung wurde implementiert, das ermöglicht, von sämtlichen Anlagen die aktuellen Daten und Energiebilanzen abzurufen.

Im Jahre 2009 wird das System in Serie gefertigt werden und über unsere Fachkompetenzzentren  ausgeliefert und montiert.

Teilweise sind die Häuser mit einem Kaminofen ausgestattet, der in zwei Fällen auch über einen Wärmetauscher hydraulisch mit dem Kombispeicher gekoppelt ist. In diesen Fällen wird die vom Kaminofen in das System abgegebene Wärmeenergie erfasst und in der Auswertung der SOLAERA Systemleistung. berücksichtigt.

Im  Winterbetrieb 2007/08 war bei allen Anlagen die Wärmeversorgung der Wohnungen sicher gestellt. Allerdings wurden Fehler in Regellogik erkannt, die bis zur Korrektur im Februar für einen zu hohen Stromverbrauch sorgten. Davon abgesehen haben alle Komponenten gut funktioniert und es traten keine wesentlichen Probleme auf.

Im Folgenden werden die  Ergebnisse von Feldtestanlage 4 vorgestellt. Die folgende Abbildung  zeigt 24 h-Werte für Einstrahlung, Energieerträge aus Solar und Luft sowie die Außentemperatur. Man erkennt zunächst, dass dann, wenn Außentemperatur unter Null Grad Celsius absinkt (ab Mitte Dezember und Mitte Februar) auch die Einstrahlung hoch ist, so dass in der kombinierten Nutzung von Luftwärme und Solarstrahlung gute Voraussetzungen für eine gute Arbeitszahl der Wärmepumpe gegeben sind.

Rot dargestellt ist die vom Kollektor aufgenommene Energie, die direkt in den SOLUS- Kombispeicher geladen wird, grün dargestellt ist die Energie, die an den Wasser-Eisspeicher bzw. die Wärmepumpe abgegeben wird. Die „Energie Kollektor – Eis Luft“, blau dargestellt, entspricht dem Kollektorertrag, wenn der Kollektorventilator läuft. Tatsächlich wird zeitgleich auch die Einstrahlung genutzt, d. h., der Ertrag durch Strahlung ist dann größer als die Summe von grünem und weißem Balken. Dennoch erkennt man eine gute Korrelation zwischen der auf die Kollektorfläche eingestrahlten Energie und den Gesamt-Solarerträgen.
Die Beladung beginnt sehr früh am Morgen mit der Beladung des Wasser-Eisspeichers während tagsüber bei guter Einstrahlung auf solare Direktversorgung ohne Wärmepumpenbetrieb umgeschaltet wird. Abends werden wieder für  den Wasser-Eisspeicher auch noch die letzten Sonnenstrahlen genutzt.
Bei tiefen Temperaturen entspricht der solare Kollektorertrag teilweise der solaren Einstrahlung, d. h., der Wirkungsgrad ist hier 1. Bis Ende Januar gibt es nur selten eine Direktbeladung des Kombispeichers und der Ventilator läuft häufig. Dies liegt zum einen an der geringen Einstrahlung, aber v. a. an einer fehlerhaften Regellogik, und an einem Temperaturfühler, der nicht mehr korrekt in der Fühlerhülse saß, was zu reduzierten Solarerträgen und unnötigen Laufzeiten des E- Heizstabes führte. Der Logik-Fehler wurde Mitte Januar durch geänderte Reglereinstellungen reduziert und ab Mitte Februar durch eine geänderte Software behoben.
Mitte Februar wurde auch der Temperaturfühler wieder korrekt platziert. Im Februar liegen zudem gute Einstrahlungsverhältnisse vor, so dass das System seitdem mit sehr guten System- Arbeitszahlen läuft.
Deutlich wird dabei neben den hohen Wirkungsgraden die wesentlich längere Nutzung der Solarstrahlung verglichen mit einer Standard-Solaranlage:
Die Wärmepumpe hatte im Dezember, als aufgrund des Logikfehlers die Eisspeichertemperatur und damit die Verdampfertemperatur der Wärmepumpe sehr tief waren, eine Arbeitszahl (AZ) von 3,1. Im Januar und Februar stieg sie auf ein Monatsmittel von je 3,4. Zum Vergleich: In einer ITW- Jahressimulation beträgt die AZ im Januar 3,7 und im Februar 3,8 (bei 20 m² Kollektorfläche). Zu berücksichtigen ist auch, dass bei der betrachteten Feldtestanlage noch eine Wärmepumpe mit etwas schlechterer Kennlinie als die der Serienmaschine, eingebaut ist.
Die System-Jahresarbeitszahl (SJAZ) und die Primärenergieeinsparung berücksichtigt sämtliche Energieverbräuche von Komponenten, die bei SOLAERA zusätzlich nötig sind, im Vergleich zu einer Standard-Heizung mit Heizkessel. Dies sind die Ventilatoren, Sole-Pumpen und der elektrische Heizstab. Die SJAZ beträgt im Januar und der ersten Februarhälfte 3,1, während sie in der zweiten Februarhälfte (nach Software- und Fühlerkorrektur und bei ähnlichem Wetter wie in der ersten Februarhälfte) auf 4,8 ansteigt.

Weitere Feldtests / Ergebnisse mit einer Solar-Wärmepumpe

Nachfolgende Abbildung zeigt die Kollektorerträge einer Feldtestanlage über das Jahr 2008. Gut zu erkennen ist, dass von Mai bis Oktober praktisch die vollständige Wärmeversorgung durch direkte Nutzung der Solarstrahlung ohne  Wärmepumpe erfolgt (rote Striche).

Ebenfalls kann man erkennen, dass bei besonders tiefen Temperaturen wie Ende Dezember der Anteil der Strahlungsenergie zur Versorgung der Wärmepumpe (grün) gegenüber der Nutzung von Luftwärme steigt. Während bei diesen Wetterbedingungen eine Luftwärmepumpe nur mit sehr schlechter Effizienz funktioniert, bewährt sich hier die kombinierte Nutzung von Strahlungsenergie und Luft sehr gut.

Abbildung:
Täglich von den Kollektoren an das Heizsystem abgegebene Energiemengen:

blau: bei Ventilatorbetrieb (kombinierte Nutzung von Strahlung und Luftwärme).
grün: absorbierte Strahlungsenergie von der Wärmepumpe genutzt.
rot: absorbierte Strahlungsenergie, direkt für WW und Heizung genutzt.

Im Rahmen des Feldtest wurden im Winterbetrieb speziell zwei Funktionen überprüft:

Die Enteisungsfunktion für den Luft-Sole-Wärmetauscher und das Schneeabrutschen insbesondere in Verbindung mit der Antaufunktion. Die Wintermonate 2008/2009 hatten zum Teil auergewöhnlich tiefe Temperaturen. Dadurch konnten wichtige Erfahrungen im Betriebsverhalten  bei niedrigen Außentemperaturen gewonnen werden, insbesondere zur Entfernung von Eis und Schnee auf der Verglasung. Beide Funktionen müssen in der Parametrierung noch angepasst werden und lassen dann eine weitere Effizienzsteigerung erwarten. Allerdings ist bereits beim heutigen Zustand eine sichere Funktion der Anlagen gewährleistet. Die Feldtesterfahrungen zeigen auch, dass die Hybridkollektoren tagsüber auch ohne aktive Wärmezufuhr aus dem  Kombispeicher durch Solarstrahlung enteist werden, wenn die Temperatur entsprechend angehoben wird. Auch dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber Luftwärmepumpen, bei denen zum Enteisen immer Energie vom System, d. h., letztlich Strom zugeführt werden muss.