Solare Gebäude-Wärmeversorgung mit unverglastem photovoltaisch-thermischen Kollektor, Erdsonde und Wärmepumpe für 100% solaren Deckungsanteil
Präsentationen zum Abschlussworkshop 30.03.2011 am ISFH finden Sie unten am Ende dieser Seite.
Im Rahmen des Projektes BiSolar-WP untersucht das ISFH ein neues Wärmeversorgungssystem mit Wärmepumpe, deren jährlicher Strombedarf zu 100% durch einen photovoltaisch-thermischen Kollektor gedeckt wird. Das System besteht aus unverglasten photovoltaisch-thermischen Kollektoren (PVT-Kollektoren) sowie einer Wärmepumpe (WP) mit Erdsonde. Der PVT-Kollektor liefert dabei über zwei Pfade solare Energie: Zum einen solare Niedertemperaturwärme für die Wärmepumpe und für die thermische Regeneration der Erdsonde und zum anderen solar erzeugten Strom, der direkt an den Wärmpumpenkompressor (BiSolar-WP) geliefert oder in das elektrische Netz eingespeist wird. Bei richtiger Auslegung wird so bei ausgeglichener Jahresbilanz eine 100%tige Deckung des Wärmepumpenstromverbrauchs durch die photovoltaische Stromerzeugung erreicht.
Die photovoltaisch erzeugte elektrische Energie entspricht natürlich nicht zu jedem Zeitpunkt dem elektrischen Bedarf der Wärmepumpe, sondern deckt deren Verbrauch in der Jahressumme. Die angestellte Betrachtung geht also von einer Nutzung des elektrischen Stromnetzes als idealem Speicher aus. In der Abbildung findet sich die Prinzipskizze eines BiSolar-WP-Systems.
Eine Besonderheit des PVT-Kollektors im Wärmepumpensystem ist das Auftreten zweier Effekte, die den Systemswirkungsgrad verbessern:
- 1. Ein konventionelles Wärmepumpensystem mit Erdsonde arbeitet auf einem niedrigen Temperaturniveau zwischen -5°C und +10°C. Wird dieses mit dem unverglasten PVT-Kollektor verbunden, ist dort ein dementsprechend geringes Betriebstemperaturniveau zu erwarten. Niedrigere Temperaturen sind dabei für den PVT-Kollektor besonders günstig, denn sie verbessern gleichzeitig seinen thermischen und elektrischen Wirkungsgrad. Eine Reduzierung der Modultemperatur in einem PVT-Kollektor von beispielsweise 60°C, wie im Sommer an ungekühlten PV-Modulen üblich, auf 40°C führt zu einer elektrischen Wirkungsgradverbesserung um 10%.
- 2. Die abgeführte thermische Leistung aus dem PVT-Kollektor wird der Erdsonde oder der Wärmepumpe zugeführt. Durch diese zugeführte Solarwärme kommt es zu einer Temperaturerhöhung in der Erdsonde und der Wärmepumpe, was zu einem verringerten elektrischen Verbrauch der Wärmepumpe führt. In allererster Näherung verbessert eine Temperaturerhöhung der Wärmequelle einer Wärmepumpe um 10 K dabei die Wärmepumpenarbeitszahl um ca. 1,5.
Wie die beiden aufgeführten Punkte zeigen, verbindet sich mit dem PVT-Kollektor im Wärmepumpensystem ein Doppelnutzen gegenüber dem getrennten Betrieb von Photovoltaik und Solarthermie. Mit der Verbindung von Wärmepumpensystem und Photovoltaikmodul durch den PVT-Kollektor verringert sich der Wärmepumpenverbrauch einerseits und der Photovoltaikertrag wird andererseits gesteigert.
Das ISFH führt innerhalb des Projekts BiSolar-WP die wissenschaftliche Begleitung und Bewertung dieses synergetischen Nutzens von PVT-Kollektoren durch. Im Projektmittelpunkt steht dabei der PVT-Kollektor zum einen als einzelne Komponente und zum anderen im Hinblick auf die Anwendung innerhalb eines Wärmepumpensystems.
Im Rahmen des Projektes soll untersucht werden, unter welchen Randbedingungen und wie Anlagen zu dimensionieren sind, damit der solare erzeugt Strom den Verbrauch der Wärmepumpe deckt. Dazu wird eine Pilotanlage aufgebaut und in Betrieb genommen, die so ausgelegt ist, dass der jährliche Stromertrag dem Strombedarf der Wärmepumpe entspricht.
Zum Erreichen des übergeordneten Projektziels werden vom ISFH die folgenden Teilaufgaben durchgeführt:
- Vermessung und Bewertung der BiSolar-WP Pilotanlage
- Ermittlung des photovoltaischen Mehrertrags aufgrund der niedrigeren Temperaturen im PVT-Kollektor
- Ermittlung der Stromersparnis an Wärmepumpen durch die eingebrachte Wärme des PVT-Kollektors
- Vermessung und Bewertung des PVT-Kollektors in der Pilotanlage sowie weiterer PVT-Kollektortypen an outdoor Testständen des ISFH
- Erstellung und Verifizierung des PVT-Kollektor-Simulationsmodells für die Simulationsumgebung TRNSYS
- Erstellung und Verifizierung eines Referenzanlagen-Simulationsmodells, mit der Zielsetzung einer Systemoptimierung und Größendimensionierung der Anlagenkomponenten
Das Projekt BiSolar-WP wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Kennzeichen 0325952B gefördert und wird noch bis Mitte 2011 andauern. Projektpartner ist die Gesellschaft zur Entwicklung und Förderung von geothermen Anlagen (GEFGA) aus Limburg.
Vorträge des Abschlussworkshops vom 30.03.2011 zum Download:
Abbildung: Prinzipskizze des BiSolar-WP Systems.