SPF- Industrietag 2014: Wärmepumpe und Solarwärme: Vermeintliche und tatsächliche Synergien. Dr. Michel Haller Projektleiter F+E

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1 SPF- Industrietag 2014: Wärmepumpe und Solarwärme: Vermeintliche und tatsächliche Synergien Dr. Michel Haller Projektleiter F+E

2 Solarwärme und Wärmepumpen Synergien? Wärmepumpe Erdsonden??? Bild: Hoval Nutzenergie? Eis-Speicher? Kollektoren Speicher Bild: Meyer Burger 2 Bild: Soltop

3 Übersicht / Auswahl an Themen Jahresarbeitszahlen von Komponenten und Systemen Kombispeicher: Fluch oder Segen? Enthitzerschaltung / Entwicklungen im EU Projekt MacSheep Resultate verschiedener System-Konzepte im IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38 Erfüllung der Erwartungen an Synergien 3

4 Kombination Solarwärme und Wärmepumpe Mass für energetische Effizienz ist das Verhältnis von Wärme- Lieferung [kwh] zu Stromverbrauch [kwh] über das ganze Jahr Wärmepumpe: JAZ ca JAZ = Jahresarbeitszahl el. Strom Umwelt Wärmepumpe Wärme Solaranlage: Faktor ca el. Strom Sonne Sonnenkollektor Wärme Aber: 100% solare Heizung ist mit hohen Kosten Verbunden Deshalb: 100% Solar durch den Sommer, Teilsolar durch Frühling, Herbst und Winter den (grossen) Rest übernimmt die Wärmepumpe 4

5 Steigerung der System-Arbeitszahl durch Solarwärme Beispiel für ein Einfamilienhaus mit Luft-Wasser Wärmepumpe (Q RH = 8100 kwh/a, Q WW = 2100 kwh/a) 4.5 SPF JAZ of the System system [-] [-] Achtung: bei anderen Lasten und/oder anderem Klima sind auch die Resultate deutlich anders collector Kollektorfläche area [m2] 2 ] 5

6 Jahresarbeitszahlen (JAZ): Achtung Bilanzgrenze! JAZ = 4.4 System vor Speicher JAZ = 5.1 Wärmepumpe, Speicher Warmwasser Luft Raumheizung M Kollektoren Verringerung der Jahresarbeitszahl «vor Speicher» zu «System» Wärmepumpe ohne Solar: Wärmepumpe mit Solar: Kaltwasser 6

7 Jahresarbeitszahlen könnnen täuschen... «hardware in the loop» Test von zwei WP-Solar Systemen 5 Arbeitszahl SPF of the system System electricity elektrischer consumption Bedarf 120 space Raumwärmelieferung heat supplied kwh kwh A B 0 A B 0 A B Mögliche Ursachen für höheren elektrischen Bedarf trotz höherer JAZ: Ungünstige Einstellungen der Regelung von Heizkreispumpe und Mischer Weglassen von Thermostatventilen 7

8 Kombispeicher: Fluch und Segen Vorteile im Vergleich zu zwei Speicher Frischwassermodul Weniger Wärmeverluste, da besseres Oberflächen/Volumen-Verhältnis T WW WP WP Einfachere Installation Weniger Platzbedarf T WW Nachteile T RH RH T RH RH In Kombination mit Wärmepumpen hohe Anforderungen an Speicherschichtung, Fühlerpositionierung, und Regelung gute Lösung schlechte Lösung bis zu 50% mehr Verbrauch elektrischer Energie 8

9 Flyer... 9

10 Enthitzerschaltung: Beispiel Raumheizung mit 35 C Kältemittel: Nach Kompressor 68 C Kondensation bei 37 C WP liefert Raumwärme: Vorlauf 35 C Durch Enthitzerschaltung 20% der Leistung ans Warmwasser! 60 C Veränderung COP durch Enthitzer von 4.44 auf C Vorlauf ohne Enthitzer: COP = 2.91 Temperature [ C] Temperatur-Enthaplie-Diagramm R410A 39 bar 34 bar 29 bar 24 bar 19 bar 14 bar 9 bar Enthalpy [kj/kg] 10

11 WP-Solar Entwicklung im Rahmen eines EU Projektes WW-Bereitung: - Solar während 60% des Jahres - Enthitzer in der Heizperiode Weitere Eigenschaften: - Leistungsgeregelte Wärmepumpe - Kompatibel mit Thermostatventilen in allen Heizkreisen - Vakuumisolierter Kombispeicher - Unverglaste selektive Absorber als einzige Wärmequelle (auch Erdsonde als Quelle oder PV anstatt ST möglich) Kooperationspartner: - TU Graz, Energie Solaire SA Jahressimulationen (TRNSYS) Heizkreis mit Thermostatventilen Resultate WP-Starts für Warmwasser 14 / Jahr Speicherbeladung durch WP für Laufzeitverlängerung < 1 h / Jahr Energieeinsparung (elektrisch) gegenüber «state of the art» 26% 11

12 Resultate des IEA SHC Task 44 / HPP Annex Simulationsstudien von verschiedenen Autoren / Task Teilnehmern... vergleichbare Randbedingungen für Klima und Wärmelast (Raumheizung + WW) JAZ SPF Kollektorfläche collector area [m [m 2 ] 2 ] «solar only»: Solarkollektoren als einzige Wärmequelle der Wärmepumpe. Kollektoren bei «solar only»: verglast, selektiv unverglast, Schwimmbad-Absorber, oder Kombination 12

13 Verschiedene Systemkonzepte simuliert IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38 - SFH 45 Strasbourg verschiedene Autoren / Studien Luft-WP ohne Solar Luft-WP mit Solar Luft-WP mit Solar Parallel + Seriell Erdsonden-WP ohne Solar Einzelsonden-WP mit Regeneration Erdsonden-WP mit Solar Nur Solar als Wärmequelle für WP Nur Solar als Wärmequelle für WP Premium JAZ SHP 13

14 Zusammenfassung Erwartungen bezüglich Erhöhung JAZ System durch Solarwärme für Warmwasser Solarwärme für Warmwasser und Raumheizung Zwei-Quellen-WP und serielle Nutzung von Solarwärme Gute JAZ mit «nur» Kollektoren als Wärmequelle Kombination mit Kombispeicher gut integriert / schlecht integriert Kombination Solarwärme im Sommer & Enthitzer im Winter für WW Regeneration Einzelsonde / Sondenfelder -> mehr dazu nach der Pause... Resultate / / 14

15 Ausblick Wir testen für Sie kombinierte Heizsysteme für Raumwärme und Warmwasser mit: Wärmepumpen (L/W, S/W, W/W) Pellets-Kessel Öl- und Gas-Kessel Solarwärme Solarstrom alle Kombinationen Neu: Wir testen für Sie die Schichtungs-effizienz Ihres Wärmespeichers 15

16 Danksagung Bundesamt für Energie BFE, Bern Projekte SOL-HEAP & HIGH-ICE EU FP7 project MacSheep: IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38 Solar and Heat Pump Systems: 16