Entwickler des Instituts für Solartechnik (SPF) im schweizerischen Rapperswil haben zusammen mit ihren Kollegen der Technischen Hochschule Rapperswil (HSR) und acht weiteren Projektpartnern eine effizienteres Solar-Wärmepumpen-Heizsystem vorgestellt. Das System besteht aus nur drei Komponenten: der Solaranlage, dem Speicher und dem Hydraulikmodul in dem die Wärmepumpe zusammen mit dem Frischwassermodul und anderen Komponenten bereits integriert ist. Die Schweizer haben für ihre solarthermische Anlage unverglaste Flachkollektoren genommen, die ihre Wärme als Quelle für die Wärmepumpe liefern. Dadurch produziert die Solaranlage über das gesamte Jahr hinweg zwar weniger Ertrag. Aber dafür gibt es im Sommer auch keine Stagnation.
Das Gesamtsystem betrachtet
Mit ihrer Entwicklung haben es die Schweizer Forscher geschafft, eine Anlage zu entwickeln, die 30 Prozent weniger Strom verbraucht als vergleichbar dimensionierte Wärmepumpensysteme. Die verbesserte Effizienz erreichen die Entwickler aus Rapperswil zu einem großen Teil durch die Verwendung neuer Technologien der Wärmepumpentechnik, der Beschichtung der Absorber in den Solarkollektoren und der Isolationstechnik. Die eigentlichen Effizienzgewinne resultieren aber aus der Herangehensweise der Forscher. Denn sie betrachteten nicht mehr jeden Teil der Anlage einzeln, sondern sie haben den Schwerpunkt auf das Gesamtsystem gelegt. Hier spielt nicht mehr die Rolle, ob die Solaranlage oder eine andere Einzelkomponente besonders effizient ist, sondern was sie für das Gesamtsystem bringt. „Vor jedem Entwicklungsschritt wurde nicht nur die Frage beantwortet, was die Vorteile für die entsprechende Komponente sind, sondern auch, was dies für Auswirkungen auf die Effizienz des gesamten Systems hat“, beschreiben die Projektpartner ihre Herangehensweise. „So wurden während des Projekts Entwicklungsideen mit zu geringem Nutzen im Vergleich zu den Kosten frühzeitig aussortiert.“
Innovative Einzelteile zum Gesamtsystem zusammengestellt
Am Ende kamen mehrere Entwicklungen heraus, die in der Summe in hocheffizientes Heizsystem ergeben. So wurden zum Beispiel die Wärmeverluste des Systems durch Vakuum-Isolierungen verringert. Zusätzlich haben die Entwickler die Temperaturschichtung im Speicher für den Betrieb mit einer Wärmepumpe optimiert. So erreichen sie, dass sich warme und kalte Wasserschichten nicht mischen. Denn dies würde zu einer höheren Vorlauftemperatur an der Wärmepumpe führen. Dadurch würde die Betriebstemperatur und so auch der Stromverbrauch der Wärmepumpe steigen.
Auch für die Wärmepumpe haben die Schweizer die neusten Technologien verwendet. So arbeitet der Scroll-Verdichter mit einer sogenannten Economizer-Schaltung, die auch bei hoher Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmeabgabe ans Heizsystem mit wenig Stromverbrauch arbeitet. Auf diese Weise sind auch Wärmequellen mit zeitweise tiefer Temperatur möglich, wie sie die Solarabsorber im Winter aufweisen. Auch können solche System in Altbauten eingesetzt werden, in denen die Heizsysteme eine Vorlauftemperatur von mehr als 60 Grad Celsius brauchen. Die Verdichter erwärmen das Trinkwasser auch so weit, dass Legionellenschaltungen ohne weiteres möglich werden. Eine weitere Systemverbesserung konnten die Schweizer erreichen, indem sie bei Raumheizung auf niedrigen Temperaturen gleichzeitig eine geringe Wärmemenge auf höherer Temperatur aus der Wärmepumpe ausgekoppeln und für die Warmwasseraufbereitung verwenden. „Dank dieser sogenannten Heissgasnutzung wird im Winter Warmwasser als Nebenprodukt der Raumheizung erstellt, was die Effizienz der Anlage weiter erhöht“, beschreiben die Forscher ihre Idee.
Mit solchen innovativen Ideen haben sie die Effizienz des Gesamtsystems so weit erhöht, dass der Betreiber einer solchen Anlage mehr als ein Viertel seines Energieverbrauchs einsparen kann. Dies haben die Schweizer Forscher nachgemessen. Je nach Heizlast und Klima erreichten sie mit ihrem System Energieeinsparungen zwischen 26 und 30 Prozent gegenüber vergleichbaren Heizsystemen, die aus einer Kombination von Wärmepumpe und Solarthermie bestehen.
Installation vereinfacht
Eine entscheidende Verbesserung haben die Schweizer aber nicht nur auf der Basis der einzelnen Komponenten gemacht, die sich zu einem Gesamtsystem zusammenfügen. Sie haben auch die Installation dieses Gesamtsystems vereinfacht. Denn oft liegt es nicht an der Effizeinz des Systems, sondern daran, dass die einzelnen Komponenten nicht ganz richtig in die Hausanlage eingebunden werden. Deshalb haben die Schweizer das Gesamtsystem auf drei Komponenten reduziert. Der hohe Vorfertigungsgrad spart nicht nur viel Zeit beim Aufbau, sondern dient auch der Fehlervermeidung. „Heute werden üblicherweise ein oder zwei Wärmespeicher im Keller platziert, eine Wärmepumpe daneben gestellt, und dann eine Solarstation und eine Heizkreisverteilung an die Wand geschraubt“, beschreibt Igor Mojic, einer der beiden Projektverantwortlichen vom SPF. „Danach beginnt der Installateur, alle Komponenten miteinander zu verbinden, sowie die Temperaturfühler zu setzen und an das Regelgerät anzuschliessen. Oft kommt es zu Planungs- oder Installationsfehlern. Dies führt dazu, dass entweder der Installateur nochmals auf die Anlage kommen und den Fehler beheben muss, oder noch schlimmer, dass die Anlage lange Zeit sehr ineffizient läuft und viel zu hohe Energiekosten verursacht.“
Fehler vermeiden
Diese Planungs- und Installationsfehler wollten die Schweizer Entwickler von vorn herein verhindern, indem sie die Anordnung aller Komponenten aufeinander abgestimmt haben und diese schon fertig auf die Baustelle liefern. „Auch eine nachträgliche Isolation einzelner Rohre oder Armaturen vor Ort erübrigt sich“, erklärt Mojic. „Der Installationsaufwand im Feld wird dadurch erheblich reduziert, so dass ein Installateur mehr Anlagen in der gleichen Zeit installieren kann. Weil kaum mehr etwas falsch gemacht werden kann, ist auch das Risiko gering, dass er noch einmal gerufen wird um Fehler zu beheben. „Eine hohe Effizienz ist auf diese Weise von vornherein gewährleistet“, betont Igor Mojic.
Auch mit Photovoltaik kombinierbar
Trotz dieses hohen Vorfertigungsgrades kann der Installateur aber auch die solarthermische Anlage durch eine Photovoltaikanlage ersetzt werden. Denn am hydraulischen Modul, das als Gesamtpaket auf der Baustelle ankommt, ändert sich nichts. Der Monteur muss dann nur noch einige Anschlüsse verändern. Der Speicher, der in der Kombination mit der solarthermischen Anlage nur dazu dient, die Vorlauftemperatur für die Wärmepumpe anzuheben, übernimmt bei einer Kombination von Photovoltaik und Wärmepumpe die Aufgabe, die Wärme direkt zu speichern und in das Heizsystem einzuspeisen, wenn sie gebraucht wird.
Die Schweizer Entwickler haben bisher allerdings nur einige Prototypen hergestellt. Sie suchen jetzt nach Investoren und Industriepartnern, um ihr effizientes Heizsystem gemeinsam mit der HRS in Richtung Serienreife weiterzuentwickeln. (Sven Ullrich)
