Wärmepumpen für Wohngebäude in Verbindung mit Photovoltaik-plus-Speicher erreichen höhere Jahresarbeitszahl

Monatlicher Energieverbrauch und Photovoltaik-Anteil (SF) der Wärmepumpe (links) und der prozentuale Anteil der verschiedenen Stromquellen am jährlichen Stromverbrauch der Wärmepumpe (rechts).

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Eine Forschergruppe des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE hat die Leistung von intelligenten, netzfähigen Wärmepumpen in Kombination mit einer Photovoltaik-Anlage auf dem Dach und einem Batteriespeicher in Einfamilienhäusern untersucht. Die Freiburger Wissenschaftler stellten dabei fest, dass sowohl Photovoltaik-Anlagen als auch die Batteriespeicher die Leistung der Wärmepumpen erheblich verbessern können.

Intelligente, netzfähige Wärmepumpen können vom Netzbetreiber in Zeiten hoher Netzlast abgeschaltet werden. Sie bieten auch den Vorteil, den Photovoltaik-Eigenverbrauch zu maximieren, indem sie ihren Betrieb an die verfügbare Sonnenenergie anpassen. „Der Smart-Grid-Ready-Modus wird aktiviert, wenn die Batterie voll geladen ist oder mit maximaler Leistung geladen wird und noch Photovoltaik-Überschuss vorhanden ist“, so die Wissenschaftler. „Umgekehrt ist die Auslösebedingung erfüllt, wenn die momentane Photovoltaik-Leistung für mindestens 10 Minuten unter dem Gesamtbedarf des Gebäudes liegt.“

Die Wissenschaftler analysierten insbesondere die Leistung einer Photovoltaik-Wärmepumpen-Anlage anhand von 1-Minuten-Felddaten eines 1960 erbauten Einfamilienhauses in Freiburg. Das Haus hat dabei einen jährlichen Heizbedarf von 84,3 Kilowattstunden pro Quadratmeter und eine beheizte Wohnfläche von 256 Quadratmetern.

Eigenverbrauchsquote von fast 50 Prozent

In der Analyse wurde untersucht, wie sich die intelligente Steuerung des Photovoltaik-plus-Speicher-Systems auf die Leistung der Wärmepumpe auswirken kann. Die Forscher berücksichtigten wichtige Leistungsindikatoren (KPIs) wie Eigenverbrauchsquote, Photovoltaik-Anteil, saisonale Leistungszahl und Heizkurve. „Es kann sinnvoll sein, die Leistung der Wärmepumpe nur für den aus dem Netz bezogenen Strom zu bewerten“, erklärten sie. „Dieser Ansatz beruht auf der Annahme, dass der von Photovoltaik- und Batterieanlagen im Haus erzeugte Strom für die Hausbesitzer praktisch kostenlos ist.

Die vorgeschlagene Systemkonfiguration umfasst eine 13,9-Kilowatt-Erdwärmepumpe für Raumheizung und Warmwasserbereitung, eine nach Süden ausgerichtete 12,3-Kilowatt-Photovoltaik-Anlage mit einem Neigungswinkel von 30 Grad, einen 12-Kilowatt-Wechselrichter und eine DC-gekoppelte Batterie mit einer Kapazität von 11,7 Kilowattstunden.

Die Analyse ergab, dass das Photovoltaik-Wärmepumpen-System im Jahresverlauf eine durchschnittliche Eigenverbrauchsquote von 42,9 Prozent erzielen konnte, wobei die höchsten Werte im Winter erreicht wurden. „Im Gegensatz dazu führt ein hoher Photovoltaik-Überschuss zu einem geringeren Eigenverbrauch im Sommer, typischerweise während der Spitzenzeiten der Sonneneinstrahlung“, erklärte das Forschungsteam. „Eine größere Batteriekapazität würde dazu beitragen, den Eigenverbrauch zu maximieren; dies bedeutet jedoch auch, dass der größte Teil der Batteriekapazität in den Wintermonaten mit begrenztem Photovoltaik-Überschuss ungenutzt bliebe.“

Leistungszahl der Wärmepumpen steigt unter bestimmten Bedingungen

Die Wissenschaftler fanden außerdem heraus, dass das Photovoltaik-plus-Speicher-System rund 36 Prozent des Strombedarfs der Wärmepumpe decken konnte. „Aufgrund der höheren Temperaturen in der Senke sinkt die Effizienz der Wärmepumpe im Warmwasserbetrieb um 5,7 Prozent und im Raumheizungsbetrieb um 4,0 Prozent“, so die Wissenschaftler weiter. „Die Ergebnisse zeigten, dass die saisonale Leistungszahl von 4,2 auf 5,2 anstieg, wenn der Solarstrom in die Wärmepumpe eingespeist wurde. Wenn die kombinierte Versorgung der Wärmepumpe durch Photovoltaik und Batteriespeicher berücksichtigt wurde, stieg die Jahresarbeitszahl auf 6,7.

Die Forscher vom Fraunhofer ISE wiesen jedoch auch darauf hin, dass sich die intelligente Steuerung aufgrund höherer Vorlauftemperaturen negativ auf die Effizienz der Wärmepumpe auswirken kann. „Eine langfristige Bewertung auf Systemebene, bei der die Auswirkungen der Speicherverluste und die wirtschaftliche Leistung berücksichtigt werden, kann die Auswirkungen der intelligenten Steuerung auf das System besser beurteilen“, so die Forscher.

Ihre Ergebnisse sind in der Studie „Analysis of the performance and operation of a photovoltaic-battery heat pump system based on field measurement data“ (Analyse der Leistung und des Betriebs eines Photovoltaik-Batterie-Wärmepumpensystems auf der Grundlage von Feldmessdaten) enthalten, die im Fachmagazin „Solar Energy Advances“ erschien.

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