Einsatz von PV-Systemen mit Wärmepumpen und Batteriespeichern zur Erhöhung des Autarkiegrades in Einfamilienhaushalten

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1 3. Symposium Photovoltaische Solarenergie 4. bis 6. März 215 Kloster Banz, Bad Staffelstein Einsatz von PV-Systemen mit Wärmepumpen und Batteriespeichern zur Erhöhung des Autarkiegrades in Einfamilienhaushalten Tjarko Tjaden, Felix Schnorr, Johannes Weniger, Joseph Bergner, Volker Quaschning Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin Wilhelminenhofstraße 75a, Berlin Internet: 1 Einleitung Mit einem Anteil von über 85% an der Wärmeerzeugung durch erneuerbare Energien liegt der Schwerpunkt in Deutschland derzeit noch auf dem Einsatz von Biomasseanwendungen. Da jedoch das Biomassepotenzial Deutschlands selbst bei erheblicher Reduktion des Wärmebedarfs für eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien nicht ausreicht, stellt sich die Frage, welchen Beitrag die Solarenergie als eine der wenigen regenerativen Alternativen für die Wärmebereitstellung leisten kann. Mit massiv gefallenen Systemkosten der Photovoltaik (PV) und der in den letzten Jahren stark vorangeschrittenen Verbreitung von Wärmepumpen (WP) sind neue Möglichkeiten zur kostengünstigen und klimafreundlichen Wärmeerzeugung entstanden. Gleichzeitig sind in Deutschland bereits mehr als 15. Batteriespeicher in Kombination mit netzgekoppelten PV-Anlagen installiert worden. In diesem Zusammenhang soll geklärt werden, welchen Nutzen die Kombination aus PV und WP bringt und welchen Beitrag ein zusätzlich installierter Batteriespeicher bei der Wärmebereitstellung in Einfamilienhäusern leisten kann. Eine wichtige Rolle spielt dabei eine zentrale Regelung auf Haushaltsebene in Form eines Energiemanagements, die die verschiedenen Energieflüsse messen und die Geräte im Haushalt steuern kann (Bild 1). Batteriespeicher Raumtemperatur Regelung Heizung module Wechselrichter = = Verbraucher Wärmepumpe kwh Zweirichtungszähler Trinkwarmwasserspeicher Netz Außenluft, Erdreich Bild 1: Photovoltaiksystem zur Strom- und Wärmeversorgung mit Batteriespeicher, Trinkwarmwasserspeicher und an den Haushaltsstromkreis angeschlossener Wärmepumpe.

2 2 Zielsetzung und Methodik Ziel dieser Ausarbeitung ist es, das Zusammenspiel von praxisnahen Systemkonfigurationen mit PV- Systemen, Batteriespeichern und Wärmepumpen für unterschiedliche Gebäudetypen zu simulieren und zu bewerten. Im Fokus steht dabei der maximal mögliche Grad der Eigenversorgung (Autarkiegrad), den ein Haushalt, dessen Energieversorgung vollständig auf Strom basiert, mit einem PV- System erreichen kann. Anhand verschiedener Szenarien des Wärmebedarfs durch unterschiedliche Gebäudestandards werden PV-WP-Systeme auf Basis 1-minütiger Wetterdaten für einen repräsentativen Standort in Deutschland untersucht. Dabei findet eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Betriebsweisen der Wärmepumpe statt. Des Weiteren wird dem System ein AC-gekoppelter Batteriespeicher auf Lithium-Basis hinzugefügt und dessen Einfluss auf den Autarkiegrad analysiert. 2.1 Betriebsstrategie und energetische Bewertung Als Betriebsstrategie des PV-Speichersystems mit Batteriespeicher und Wärmepumpe wird eine rein eigenversorgungserhöhende Regelung verfolgt. Der Direktverbrauch P DV wird in jedem Zeitschritt entweder durch die Höhe der PV-Leistung P PV oder der Verbrauchsleistung P VB begrenzt, wobei sich letztere aus der Haushaltslast P HH und Wärmepumpenleistung P WP zusammensetzt. Sind noch Überschüsse vorhanden, erfolgt die Speicherung durch Ladung der Batterie mit der Leistung P BL und im Wärmesystem über einen verstärkten oder verlängerten Einsatz der Wärmepumpe. Hierbei liegt die Priorität auf der elektrischen Speicherung, gefolgt von der Anhebung der Temperatur im Trinkwarmwasserspeicher und schlussendlich der Raumtemperatur. Als wichtige energetische Bewertungsgröße berechnet sich der Eigenverbrauchsanteil e nach e = e HH + e WP = E DV,HH + E DV,WP + E BL E PV = (P DV,HH + P DV,WP + P BL ) Δt P PV Δt (1) und gibt den Anteil der erzeugten PV-Energie an, der zeitgleich durch die Haushaltslast oder Wärmepumpe sowie zur Batterieladung genutzt wird. Eine weitere Größe zur Bewertung der energetischen Performance des Systems stellt der Autarkiegrad a dar. Er gibt an, welchen Anteil der erzeugte Solarstrom durch die direktverbrauchte Energie E DV oder Entladung der Batterie E BE an der Versorgung des Haushalts und der Wärmepumpe ausmacht und berechnet sich nach: a = a HH E HH + a WP E WP E VB = E DV + E BE E VB = P DV Δt + P BE Δt (P HH + P WP ) Δt. (2) Sowohl der Eigenverbrauchsanteil als auch der Autarkiegrad beziehen sich auf die Jahresenergiemengen und eignen sich für eine technische und ökonomische Bewertung von Eigenversorgungssystemen. Die Einflüsse anderer Ausrichtungen, Standorte und Haushaltslastprofile auf den Eigenverbrauchsanteil und den Autarkiegrad wurden bereits in [1] und [2] analysiert und sind nicht Gegenstand dieser Untersuchung. Die Effizienz der Wärmepumpe wird über die Jahresarbeitszahl beschrieben und berechnet sich je nach Betriebsmodus zu JAZ Heizen = Q Heizen Δt P WP,Heizen Δt, JAZ Kühlen = Q Kühlen Δt P WP,Kühlen Δt, JAZ TWW = Q TWW Δt P WP,TWW Δt. (3) 2.2 Anschluss der Wärmepumpe Eine wichtige Fragestellung, vor der potenzielle Betreiber von Wärmepumpen stehen, ist die Entscheidung, ob die Wärmepumpe an den Haushaltsstromzähler oder einen gesonderten Wärmepumpenzähler angeschlossen werden sollte. Auf der einen Seite erlaubt dies die Nutzung von vergünstigten Wärmestromtarifen, auf der anderen Seite kann der lokal erzeugte Solarstrom verschaltungsbedingt so nicht für die Wärmepumpe genutzt werden. Soll der erzeugte PV-Strom also zur Wärmebe-

3 reitstellung des Gebäudes dienen, muss diese an den Haushaltstromkreis angeschlossen werden (Bild 1). Weitere Vorteile sind eine vereinfachte Zählerverschaltung und eine Reduktion der Grundgebühren, die Möglichkeit zur aktiven Einbindung der Wärmeerzeugung in ein Energiemanagement, eine Verringerung von Abregelungsverlusten der Netzeinspeisung, sowie die Möglichkeit der Kombination mit weiteren Erzeugern, wie einem Blockheizkraftwerk. Unter Berücksichtigung des Jahresenergieverbrauchs der Wärmepumpe E WP, des Haushaltsstromtarifs T HH, des Wärmepumpenstromtarifs T WP, des Tarifs der Einspeisevergütung T PV und den jährlichen Kosten des Wärmepumpenzählers in Form der Grundgebühr K Z,WP kann bestimmt werden, ob sich der Anschluss der Wärmepumpe an den Haushaltsstromkreis lohnt. Der minimale Autarkiegrad des Wärmepumpenstrombedarfs a WP,min berechnet sich nach a WP,min = T HH - T WP - k Z,WP T HH - T PV mit k Z,WP = K Z,WP E WP (4) und beschreibt, welchen Anteil des Wärmepumpenstrombedarfs ein PV-System mindestens decken muss, damit ein Verzicht auf den vergünstigten Wärmestromtarif wirtschaftlich rentabel ist. Bild 2 zeigt exemplarisch die Ergebnisse für zwei Gebäudetypen mit unterschiedlich hohen Jahresstromverbräuchen der Wärmepumpe. Verbraucht beispielsweise die Wärmepumpe in einem Haus jährlich 6 kwh Strom bei einem Tarif von 18,5 ct/kwh und einem Haushaltsstromtarif von 28 ct/kwh, so müsste ein PV-System mindestens 5% des Wärmepumpenstrombedarfs decken, damit sich der Anschluss an den Haushaltsstromkreis rechnet (Bild 2, links). Verbraucht die Wärmepumpe aufgrund effizienterer Technik oder durch eine Modernisierung des Gebäudes nur 15 kwh/a, so lohnt sich die Umschaltung bereits ab einem a WP,min von 18%. Mit zunehmender Effizienz des Gebäudes oder der Anlagentechnik lohnt sich folglich der Anschluss der Wärmepumpe an den Haushaltsstromkreis. erforderlicher Autarkiegrad bei erforderlicher Autarkiegrad bei Bild 2: Erforderliche Autarkiegrade des Wärmepumpenstrombedarfs a WP,min für einen ökonomischen Betrieb der Wärmepumpe in Kombination mit einem netzgekoppelten PV-System bei Stromverbräuchen der Wärmepumpe von 6 kwh/a (links) und 15 kwh/a (rechts). Annahmen: 1 /a Grundgebühr des Wärmepumpenzählers und 12,5 ct/kwh Einspeisevergütung für PV-Strom. 3 Datengrundlage und Modellierung Im Folgenden werden die Daten und Modelle vorgestellt, mit denen die Einflüsse des Systembetriebs auf den Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad des Haushalts untersucht werden. Die Simulationsrechnungen wurden mit 1-minütiger Simulationsschrittweite durchgeführt.

4 3.1 Datengrundlage Die Simulation von PV-Speichersystemen sollte mit zeitlich hochaufgelösten energiemeteorologischen Zeitreihen erfolgen. Dafür wurde auf Messdaten des Baseline Surface Radiation Network (BSRN) für den Standort Lindenberg (LIN) zurückgegriffen, welche unter anderem 1-minütige Mittelwerte der Direkt- und Diffusbestrahlungsstärke sowie der Lufttemperatur beinhalten [3]. Als Referenz dient das Jahr 24 mit einer Globalbestrahlungssumme von 173 kwh/m². Für die realitätsnahe Berechnung der Gleichzeitigkeit von PV-Erzeugung und Last, sollten auch die elektrischen Lastprofile in einer hohen zeitlichen Auflösung vorliegen. Hierbei wird auf ein 1-minütiges Lastprofil zurückgegriffen, welches mit Hilfe der Richtlinie VDI 4655 [4] erstellt wurde. Dieses Haushaltslastprofil hat sich in vorhergehenden Untersuchungen als repräsentativ für die Untersuchung von PV-Speichersystemen erwiesen [1]. Es wurde ein Jahresverbrauch von 4 kwh angenommen. 3.2 Photovoltaiksystem mit Batteriespeicher Für die nachfolgenden Simulationen wurde ein AC-gekoppeltes PV-Speichersystem modelliert, dessen PV-Generator südlich ausgerichtet und um 45 geneigt ist. Die Umrechnung der Direkt- und Diffusstrahlung auf die geneigte Ebene liefert in der Jahressumme eine Bestrahlung von 129 kwh/m². Anschließend erfolgt die Berechnung der DC- und AC-Leistungsabgabe des PV-Systems über Kennlinienmodelle der Einzelkomponenten, wobei auch der Einfluss der thermischen Trägheit des PV- Generators auf die Modultemperatur abgebildet wurde [5], [6]. Nach Berücksichtigung weiterer Systemverluste ergibt sich ein Jahresertrag von 15 kwh/kwp bei einer Performance Ratio (PR) von 87%. Das AC-gekoppelte Speichersystem beinhaltet eine Lithium-Ionen-Batterie und wird mit einem mittleren Energiewirkungsgrad von 84% abgebildet. Die Leistung des Batteriewechselrichters beträgt 1 kw pro kwh nutzbarer Speicherkapazität. 3.3 Gebäudemodell Der Heizwärmebedarf eines Gebäudes wird von zahlreichen Einflussgrößen bestimmt. Das für diese Untersuchung verwendete Gebäudemodell sollte in der Lage sein, die Innentemperatur in Abhängigkeit der Außentemperatur, der Heiz- und Kühlleistung sowie der internen und externen Gewinne möglichst genau bei gleichzeitig geringem Rechenaufwand abzubilden (Bild 3). Da die Speicherfähigkeit des Gebäudes einen großen Einfluss auf den zeitlichen Verlauf der benötigten Heizleistung hat, kommen nur dynamische Gebäudemodelle infrage. Nebenbedingung des gewählten Gebäudemodells sollte sein, dass es einfach und durch Messwerte im Betrieb zu parametrisieren ist, damit es sich in der Praxis auch leicht auf Reglern implementieren lässt. Dies würde zugleich eine vereinfachte Umsetzung von prädiktiven Betriebsstrategien für PV-Speichersysteme in Energiemanagementsystemen ermöglichen. Außentemperatur Heizung / Kühlung interne Gewinne Solare Gewinne durch Fenster Wärmeverluste durch Konvektion und Leitung thermischer Speicher Bild 3: Schematische Darstellung der thermischen Gewinne und Verluste eines Wohngebäudes.

5 Ein vielversprechender Ansatz ist die Abbildung des Gebäudes als Grey-Box-Modell über ein elektrisches Ersatzschaltbild, bestehend aus verschiedenen Wärmewiederständen und Wärmekapazitäten. Solche Ersatzschaltbilder können wiederum über Differentialgleichungen oder diskrete Zeitschritte in Simulationen genutzt werden. In [7] wurden verschiedene Ersatzschaltbilder diskutiert und bewertet. Allgemein eignen sich demnach die beschriebenen Modelle für die Simulation und den Reglerentwurf, wobei die Parametrisierung der Modelle oftmals schwierig ist. Für diese Ausarbeitung wurde das Gebäude über ein 2R2C-Modell als 1-Zonen-Gebäude abgebildet (Bild 4). Hierbei kann C1 der Wärmekapazität des Luftvolumens, R1 dem mittleren Wärmewiderstand zu den Außenwänden- und Fenstern, C2 der Wärmekapazität der Gebäudehülle und R2 dem mittleren Wärmewiderstand nach Außen über Konvektion, Strahlung und Lüftung in Näherung zugeordnet werden. Q h Q g T R Tz T R1 R2 C1 C2 Q Bild 4: Verwendetes Grey-Box-Modell zur Abbildung eines 1-Zonen-Gebäudes als 2R2C Netzwerk. Die Heizleistung Q h und die internen sowie externen Gewinne Q g wirken zu gleichen Teilen über Konvektion und Strahlung auf die Knoten der Raumtemperatur T R sowie der virtuellen Zwischentemperatur T ZW. Somit entsteht ein Wärmestrom, der je nach Innen- und Außentemperatur zu den Wärmeverlusten Q V führt Parametrisierung Die Parametrisierung des Modells sollte so erfolgen, dass es universell für eine große Bandbreite an Gebäuden einsetzbar ist. Im Rahmen des IEA-SHC Task 32 wurden Referenzgebäude für Gebäudesimulationen erstellt, die allgemeingültige Ergebnisse für Heiz- und Kühlbedarfe von Gebäuden inkl. Trinkwarmwasserbereitung liefern sollen [8]. Mit dem Namen SFH (Single Family House) und den Zusätzen 3, 6 und 1, welche dem spezifischen Heizenergiebedarf in kwh/(m² a) Wohnfläche für den Standort Zürich entsprechen, beinhaltet der Task 32 drei unterschiedlich gedämmte Einfamilienhäuser. Diese Bezeichnungen werden in der vorliegenden Ausarbeitung übernommen. Die Gebäude sind gut dokumentiert und stehen in der Gebäudesimulationsumgebung TRNSYS zur Verfügung. Um Einblicke in das Systemverhalten der Haustypen zu gewinnen, wurden Sprungantworten der Innentemperatur der beschriebenen Gebäude bei unterschiedlichen Heizleistungen erstellt. Anschließend wurden die Parameter R1, R2, C1 und C2 in MATLAB durch eine Optimierungsrechnung bestimmt. Ziel hierbei war es, den mittleren quadratischen Fehler (engl. root mean square error, RMSE) der Differenz zwischen der Sprungantwort der Raumtemperatur aus TRNSYS und dem Ersatzschaltbild zu minimieren. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Optimierung und Bild 5 exemplarisch den Verlauf der Raumtemperaturen für einen Gebäudetyp. Mit einem RMSE von,9 C liefert das Modell eine zufriedenstellende Genauigkeit. Die Heizlast der Gebäude wurde anschließend in Anlehnung an die DIN EN ermittelt [9], wobei als kälteste Außentemperatur mit C das gleitende 24-Stunden-Mittel der vorliegenden Zeitreihe der Außentemperatur verwendet wurde.

6 Raumtemperatur in C Heizleistung in kw Tabelle 1: Ergebnis der Parametrisierung des Gebäudemodells (2R2C) für die Referenzgebäude des Task 32 [8] und Berechnung der maximalen Heizlast für die Wetterdaten des Standorts Lindenberg. Alle Gebäude haben eine Nutzfläche von 14 m². Gebäudetyp 1/R1 1/R2 C1 C2 RMSE(TR) maximale Heizlast Auslegung Vorlauf / Rücklauf Heizgrenztemperatur in W/K in W/K in kwh/k in kwh/k in C in kw in C in C SFH ,23 14,7,1 2,5 kw 35 / 3 11 SFH ,22 14,6,9 3,9 kw 4 / SFH ,21 14,5,11 5,5 kw 6 / RMSE =,9 C Zeit in Minuten Bild 5: Vergleich von Sprungantwort der Raumtemperatur gemäß der TRNSYS-Simulation und des 2R2C Gebäudemodells für das SFH6 Gebäude bei einer Außentemperatur von C Externe und interne Gewinne Mit verbessertem Gebäudestandard nimmt auch die Bedeutung von externen und internen Gewinnen zur Bereitstellung der Heizleistung zu. Zur Berücksichtigung dieses Umstandes wurden Gewinne durch die auf die Fensterflächen eintreffende Solarstrahlung, die Abwärme von elektrischen Verbrauchern und die Wärmeerzeugung durch sich im Gebäude aufhaltende Personen berücksichtigt. Die Modellierung erfolgte in Anlehnung an die Vorgehensweise nach Task 32 [8, S. 8 f.]. Die Wärmeabgabe von sich im Gebäude befindenden Personen kann mit 1 W pro Person angenommen werden. Durch Multiplikation mit der Anzahl der Personen und einem stündlichen Anwesenheitsprofil ergibt sich der Beitrag der Personen zur Raumwärmeerzeugung. Bei drei Personen resultiert daraus ein Heizenergiebeitrag von 931 kwh/a. Die nutzbare Abwärme der elektrischen Geräte ist in der Regel kleiner als das vorliegende elektrische Haushaltlastprofil P VB, da beispielsweise ein Teil der elektrisch erzeugten Wärme von Waschund Spülmaschine das Gebäude ohne einen Einfluss auf die Raumtemperatur durch den Abfluss verlässt. Da das vorliegende Lastprofil nicht geräteaufgelöst vorhanden ist, wird pauschal angenommen, dass zu jedem Zeitpunkt 5% der gesamten Haushaltslast als Abwärme zur Erhöhung der Raumtemperatur anfällt. Dies summiert sich im Jahresverlauf auf 2 kwh/a und liegt mit einer mittleren Heizleistung von 1,63 W/m² Wohnfläche am unteren Ende der Bandbreite anderer Untersuchungen [1, S. 11], [11, S. 36]. Einen weiteren wichtigen Beitrag liefert die solare Einstrahlung durch die Fenster. Hierbei wird in jedem Zeitschritt die Globalstrahlung auf senkrechte Flächen mit Nord-, Ost-, Süd- und West- Ausrichtung berechnet. Aus der solaren Einstrahlung E s und den aus Task 32 stammenden Fensterflächen A F sowie Energiedurchlassgraden der Fenster g F errechnen sich die solaren Gewinne Q h,sol damit zu 36 Q h,sol(t) = α= (E s (α,t) A F (α,t)) g F f sol,nutz. (5)

7 Der solare Nutzungsfaktor f sol,nutz ergibt sich dabei über den Tag des Jahres DOY zu f sol,nutz =,2 +,1 (,5 cos ( 4π DOY+π) +,5) (6) 365 und beschreibt, dass im Frühling und Herbst bis zu 3% der Solarstrahlung effektiv auf die Fensterflächen auftreffen, während sich dies im Sommer und Winter auf 2% reduziert. Diese Annahme begründet sich im Winter hauptsächlich durch Verschattung durch umstehende Objekte und im Sommer durch die verstärkt genutzten aktiven Verschattungsmöglichkeiten zum sommerlichen Wärmeschutz. Der solare Eintrag in das Gebäude summiert sich nach Formel (4) auf 3379 kwh/a. Nicht alle beschriebenen Gewinne führen tatsächlich zur Reduktion des Heizwärmebedarfs, da sie nicht immer mit dem Raumwärmebedarf korrelieren. Im Sommer führen die sogenannten Gewinne zudem unter Umständen zu einem Kühlbedarf. 3.4 Wärmepumpe und Trinkwarmwasserspeicher Die Bereitstellung des verbleibenden Wärmebedarfs übernimmt in dem vorliegenden System eine monovalent betriebene Wärmepumpe. Die Erwärmung des Trinkwassers hat dabei eine höhere Priorität als die Bereitstellung von Raumwärme. Eine etwaige Speicherung überschüssigen Stroms kann durch die Temperaturerhöhung des Speichers erfolgen. Auf einen Pufferspeicher im Heizungssystem wurde verzichtet, da eine Speicherung hier bei höheren Temperaturen stattfinden würde als bei direkter Erhöhung der Raumlufttemperatur über das Heizungssystem. Mit einer Wärmekapazität von über 1 kwh/k bieten die Gebäude hierbei bereits ein großes Speicherpotenzial, vgl. Tabelle 1. Im Folgenden werden die Modelle und Regelungen der Wärmepumpe sowie des Trinkwarmwasserspeichers näher erläutert Trinkwarmwasserspeicher Für die Beschreibung thermischer Speicher existieren zahlreiche Modelle, wobei sie sich in ihrer Komplexität stark unterscheiden. Da in dieser Arbeit eine Wärmepumpe im monovalenten Betrieb zum Einsatz kommt und lediglich kleine Trinkwarmwasserspeicher betrachtet werden, kann ein einfaches Modell zur Beschreibung des Speichers herangezogen werden. Dieses sieht eine homogen verteilte Speichertemperatur ϑ SP vor, wie sie in der Praxis auch aufgrund der Hygiene gewünscht wird [12, S. 29]. Der iterative Ansatz zu Ermittlung der Speichertemperatur, ist im Folgenden dargestellt und wird in ähnlicher Form häufig verwendet [13, S. 12]. ϑ SP (t+1) = ϑ SP (t) + t m SP c W m WP c W (ϑ WP,VL (t ) - ϑ SP (t)) -m TWW(t) c W (ϑ SP (t) - ϑ KW (t)) - UA eff (ϑ SP (t) - ϑ U (t)) (7) Die Gleichung leitet sich aus der Energiebilanz ab und gliedert sich in den Wärmeintrag durch die Wärmepumpe, die Wärmeabgabe in Form eines Zapfprofils mit einem Massenstrom m TWW und die Wärmeverluste über die Oberfläche A des Speichers bei konstanter Umgebungstemperatur von 15 C. Alle Parameter werden im Weiteren als konstant angenommen, wobei für die Wärmeverluste ein spezifisch auf das Speichervolumen bezogener Wärmeverlust aus [13, S. 121] mit UA eff =,85 W K +,38 W K*l V SP (8) abgeleitet wurde. Die Last in Form eines Zapfprofils wird durch einen Algorithmus von Jordan und Vajen [14] für einen täglichen Verbrauch von 2 l bei 45 C bestimmt. Bei der Annahme von 4 Personen im Haushalt ist dies ein mittlerer Bedarf [15, S. 125]. Die Kaltwassertemperatur ϑ KW wird wie in Task 32 beschrieben über eine Sinusfunktion ermittelt [8, S. 2 3] und liegt zwischen 3,4 und 16 C.

8 3.4.2 Wärmepumpe Das hier verwendete Modell findet seinen Ursprung in der Herangehensweise von Schwamberger [16], welches aus der MATLAB-Toolbox CARNOT [17] entnommen und in MATLAB-Code überführt wurde. Validiert und dokumentiert wurde das Modell in [18] und [19]. Die Simulation einer Wärmepumpe basiert dabei hauptsächlich auf den vom Hersteller zur Verfügung gestellten Diagrammen mit Messergebnissen der Wärmeleistung und Leistungsaufnahme für verschiedene Quell- und Zieltemperaturen nach DIN EN Auf die Abbildung der Rohrleitungsverluste und Kapazität der Wärmepumpe wurde verzichtet. Um die Vorteile einer seltener taktenden Wärmepumpe zu berücksichtigen, wurden im Gegenzug Anfahrverluste nach Mercker et al. [2] mit einer Zeitkonstante von 3 s hinzugefügt. Grundlage für die hier verwendete Wärmepumpe sind die Herstellerangaben der Luft/Wasser- Wärmepumpe WPL 13 E des Herstellers STIEBEL ELTRON. Um eine je nach Gebäudetyp vergleichbare Simulation durchführen zu können, wird die Wärmepumpe hinsichtlich ihrer maximalen Heizleistung im Auslegungsfall über einen Dimensionierungsfaktor an den Gebäudetyp angepasst. Somit werden die Kennlinien für die gewählte Wärmepumpe auf andere Leistungsklassen übertragen, ohne die Charakteristik der Heizleistung in Abhängigkeit der Außentemperatur zu verändern. Eine wichtige Fragestellung dieser Untersuchung ist, inwieweit modulierende Wärmepumpen einen positiven Einfluss auf den Eigenverbrauch von lokal erzeugtem PV-Strom haben. Moderne Inverter- Wärmepumpen können über eine Frequenzanpassung die aufgenommene elektrische Leistung und damit auch die abgegebene thermische Leistung anpassen. Dies erfolgt für gewöhnlich über die Heizkurve des Heizungssystems. In [21] konnte nachgewiesen werden, dass ein solcher Betrieb in der Praxis möglich ist. Für diese Untersuchung wird angenommen, dass der Modulationsfaktor mod h unter Berücksichtigung einer Sicherheit von 1% für die Trinkwarmwassererwärmung und eventuelle Aufheizphasen über mod h (T ) = m x modmin ( Q h,bed rf (T ) Q h,wp (T ) +,1) (9) berechnet werden kann, wobei mod min den minimalen Modulationsfaktor der Wärmepumpe beschreibt. Für diese Ausarbeitung wurden drei Wärmepumpenkonzepte untersucht. Eine einstufige, nicht regelbare Wärmepumpe (mod min = 1), eine um 5% regelbare, marktübliche Inverter- Wärmepumpe (mod min =,5) und eine ideal regelbare Wärmepumpe (mod min = ). Letztere Variante wird aktuell im Bereich der Fahrzeugklimatisierung eingesetzt und ließe sich prinzipiell auf stationäre Anwendungen übertragen [22]. Bild 6 verdeutlicht hierbei, dass niedrigere minimale Modulationsgrade zu einer besseren Anpassung von Leistungsangebot und Nachfrage führen. Da die Wärmepumpe im weiteren Verlauf auch zur Kühlung eingesetzt wird, wurden äquivalente Annahmen zur Modellierung des Kühlbetriebes getroffen. Für eine vollständige Beschreibung des Wärmesystems, sind die die wesentlichen Parameter und Kenngrößen nochmals in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2: Parameter und Regelgrößen des Wärmesystems. Solltemperatur TWW-Speicher 45 C Hysterese: -4 K Solltemperatur Raumluft (Heizbedarf) 21 C Hysterese: +/- 1 K Solltemperatur Raumluft (Kühlbedarf) 24 C Hysterese: +/- 1 K Trinkwarmwasserspeicher 2 l UA eff = 1,61 W/K Elektrische Leistung Not-Heizstab 8,8 kw bei ϑsp < 3 C

9 Kühl- / Heizbedarf in kwh Gewinne in kwh Kühl- / Heizbedarf in kwh Gewinne in kwh Kühl- / Heizbedarf in kwh Gewinne in kwh Heizleistung in kw COP elektrische Leistung in kw Heizlast Gebäude ohne Modulation mod_min = 5% mod_min = % COP der WP ohne Modulation mod_min = 5% mod_min = % Quelltemperatur in C Quelltemperatur in C Bild 6: Darstellung der Heizleistung (links) und der elektrischen Aufnahmeleistung sowie des COP (rechts) für die modellierte Wärmepumpe bei Anwendung drei verschiedener Einschränkungen des Modulationsbereichs. 3.5 Energiebedarf am Referenzstandort Zur späteren Einschätzung der Leistungsfähigkeit und der Grenzen des PV-Speichersystems mit Wärmepumpe, soll an dieser Stelle der Strom-, Wärme- und Kühlbedarf der Gebäude im saisonalen Verlauf untersucht werden. Bild 7 zeigt die saisonalen Verläufe des Bedarfs an thermischer Energie für Trinkwarmwasser, Heizung und Kühlung sowie den Einfluss der externen und internen Gewinne. Die Tabelle 3 beinhaltet die Jahressummen. SFH1 SFH6 SFH Heizung / Kühlung TWW Monat des Jahres Heizung / Kühlung TWW Monat des Jahres Heizung / Kühlung TWW Monat des Jahres Bild 7: Saisonaler Verlauf des Heiz- und Kühlbedarfs sowie der internen und externen Gewinne für die drei Untersuchten Referenzgebäude SFH1, SFH6 und SFH Personen elektrisch solar Monat des Jahres Personen elektrisch solar Monat des Jahres Personen elektrisch solar Monat des Jahres

10 Verbrauch in kwh mittlere elektrische Last in W Tabelle 3: Jahressummen der Energiebedarfe der Referenzgebäude inklusive externer und interner Gewinne. SFH1 SFH6 SFH3 Heizenergiebedarf kwh/a Kühlenergiebedarf kwh/a Trinkwarmwasser kwh/a davon Speicherverluste kwh/a Das elektrische Haushaltslastprofil ist für alle drei Gebäude identisch. Bild 8 zeigt den monatlichen Verlauf mit leichtem Verbrauchsrückgang in den Sommermonaten (links) und den tagesmittleren Verbrauch (rechts) Monat des Jahres Stunde des Tages Bild 8: Saisonaler (links) und tagesmittlerer (rechts) Verlauf des Haushaltsstromverbrauchs für das untersuchte Einfamilienhaus bei einem Jahresverbrauch des Haushaltsstroms von 4 kwh. 4 Einfluss des Wärmepumpenbetriebes auf das elektrische Lastprofil In früheren Untersuchungen konnte bereits nachgewiesen werden, dass der saisonale und tagesmittlere Verlauf des Haushaltsstromverbrauchs entscheidend den Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad von PV-Speichersystemen beeinflusst [1]. Daher sollen an dieser Stelle zunächst die Auswirkungen des Wärmepumpenbetriebs und des Gebäudestandards auf den elektrischen Stromverbrauch der Wärmepumpe untersucht werden. Neben den drei verschiedenen Referenzgebäuden stehen dabei die Möglichkeit einer Nachtabsenkung des Heizungssystems und die Anpassung der Wärmepumpenleistung über den Modulationsfaktor im Fokus. 4.1 Gebäudetyp Bedingt durch die verschiedenen Systemtemperaturen des Heizungssystems der Referenzgebäude, weist die Wärmepumpe Unterschiede in den Jahresarbeitszahlen (JAZ) auf, vgl. Tabelle 4. Tabelle 4: Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpe in Abhängigkeit des Referenzgebäudes. SFH1 SFH6 SFH3 JAZ Heizen 3, 3,7 3,8 JAZ Kühlen 3,2 3,3 3,6 JAZ Trinkwarmwasser 2,9 3, 3, JAZ Gesamt 3, 3,5 3,5 Während die Arbeitszahlen zur Trinkwarmwassererzeugung nahezu identisch sind, verbessert sich die Arbeitszahl zum Heizen aufgrund niedrigerer Vorlauftemperaturen bei den energetisch besseren Ge-

11 Anteil der Stunde am Jahresenergieverbrauch elektrische Leistung in kw bäuden SFH6 und SFH3. Durch den hohen Anteil der Trinkwarmwasserbereitung beim SFH3 steigt die Jahresarbeitszahl jedoch im Vergleich zum SFH6 nicht mehr an. Hinsichtlich der Effizienz entsprechen diese Ergebnisse eher guten Systemen aus einem Monitoring Bericht verschiedener Wärmepumpensysteme [23, S. 54 ff.]. Im weiteren Verlauf wird dargestellt, wie hoch die Laufzeit der Wärmepumpe über das Jahr gesehen ist und wie sich der elektrische Energieverbrauch über den Tag verteilt. Es wird deutlich, dass die Wärmepumpe unabhängig vom Gebäudetyp circa 2 h/a in Betrieb ist (Bild 9). 4 SFH1 3 SFH6 SFH Stunden im Jahr Bild 9: Jahresdauerlinie der elektrischen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe ohne Modulation für die drei Referenzgebäude SFH1, SFH6 und SFH3. Aus den Simulationsergebnissen geht hervor, dass die Laufzeit der Wärmepumpe relativ gleichmäßig auf den Tag und die Nacht verteilt ist, weshalb im nächsten Schritt der Einfluss einer Nachtabsenkung untersucht werden soll. 4.2 Nachtabsenkung In Heizungssteuerungen ist es üblich, dass der Betrieb der Heizungsanlage in den Nachstunden, oftmals zwischen 22: und 6: Uhr, gedrosselt wird. In dieser Arbeit wurde hierbei eine Absenkung der Soll-Raumtemperatur um 2 K gewählt. Neben einer Verschiebung der Laufzeiten führt dies darüber hinaus zu einer Senkung des Energieverbrauchs um 1,5 bis 5,5 %. Wie Bild 1 aufzeigt, bewirkt die Nachtabsenkung bei allen Gebäuden eine deutliche Erhöhung des anteiligen Jahresenergieverbrauchs zwischen 7: und 15: Uhr. Je besser der Energiestandard des Gebäudes ist, desto geringer fällt die Verbesserung aus, da der Heizenergieverbrauch gegenüber dem nicht veränderten Trinkwarmwasserverbrauch an Bedeutung verliert. 15% 12% 9% SFH1 SFH6 SFH3 6% 3% % Stunde des Tages Bild 1: Anteil der Stunde des Tages am Jahresenergieverbrauch der Wärmepumpe mit und ohne Nachtabsenkung für die drei Referenzgebäude SFH1, SFH6 und SFH3.

12 elektrische Leistung in kw elektrische Leistung in kw Für alle drei Gebäude ist zu erwarten, dass durch die Nachtabsenkung der Eigenverbrauch von Solarstrom vor allem in den Vormittagsstunden deutlich steigt. Ein weiterer Nebeneffekt könnte sein, dass ein vorhandenes Batteriespeichersystem während der Nacht hauptsächlich den Haushaltsstromverbrauch deckt und nicht übermäßig durch die Wärmepumpe entladen wird. 4.3 Minimaler Modulationsfaktor Unter Berücksichtigung einer vorhandenen Nachtabsenkung soll im Folgenden noch der Einfluss des minimalen Modulationsfaktors auf den Verlauf des elektrischen Strombedarfs der Wärmepumpe untersucht werden. Ziel einer möglichst guten Modulation ist es, die Laufzeit der Wärmepumpe zu erhöhen und für eine durchschnittlich geringere Leistungsaufnahme zu sorgen. Dies erhöht die Gleichzeitigkeit der PV-Erzeugung und des Wärmepumpenstrombedarfs. Darüber hinaus wird die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass ein vorhandener Batteriewechselrichter bei der Entladung an seine Leistungsgrenze stößt. Hieraus könnte ein positiver Beitrag für den Autarkiegrad resultieren. Auch häufiges Takten und damit erhöhte Anfahrverluste können durch längere Laufzeiten reduziert werden. Dies resultiert in nochmals leicht steigenden Jahresarbeitszahlen, wobei eine vollständige Modulierbarkeit der Wärmepumpe mit zunehmender Gebäudeeffizienz einen immer kleineren Einfluss auf die Ergebnisse hat, vgl. Tabelle 5. Tabelle 5: Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpe in Abhängigkeit des Referenzgebäudes für verschiedene Modulationsfaktoren und gleichzeitig aktiver Nachtabsenkung. SFH1 SFH6 SFH3 mod min JAZ Heizen 3,1 / 3,1 3,8 / 3,8 3,9 / 4, 5% / % JAZ Kühlen 3,9 / 3,4 4, / 3,5 4,3 / 3,7 5% / % JAZ Trinkwarmwasser 2,9 / 2,9 3, / 3, 3, / 3, 5% / % JAZ Gesamt 3,1 / 3,1 3,5 / 3,6 3,5 / 3,5 5% / % Aus Bild 11 kann entnommen werden, dass die Laufzeit der Wärmepumpe je nach Modulationsfaktor um auf bis zu 5 h im Jahr gesteigert werden kann (vgl. Bild 9, links). Damit nimmt die Wärmepumpe mit ihrer elektrischen Leistungsaufnahme während mehrerer Monate und vor allem bei energetisch gut gedämmten Gebäuden gegenüber dem stark fluktuierenden Haushaltsstrombedarf zunehmend die Form einer erhöhten Grundlast ein. 4 = 5% SFH1 4 = % SFH1 3 SFH6 SFH3 3 SFH6 SFH Stunden im Jahr Stunden im Jahr Bild 11: Jahresdauerlinie der elektrischen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe mit einem minimalen Modulationsfaktor von 5% (links) und voller Modulationsbreite (rechts) für die drei Referenzgebäude SFH1, SFH6 und SFH3.

13 5 Simulationsergebnisse zum Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad In den folgenden Simulationsrechnungen wurde untersucht, inwieweit sich die verschiedenen Charakteristiken des elektrischen Lastprofils der Wärmepumpe auf den Eigenverbrauch eines PV-Systems mit und ohne Batteriespeichersystem sowie den Autarkiegrad des Haushalts auswirken. Das PV- Speichersystem hat dabei, wenn nicht anders genannt, folgende Parameter PV-Generatorgröße: 1 kwp nutzbare Speicherkapazität: 6 kwh und beschreibt damit die Installation einer durchschnittlichen Speichergröße [24]. Hiermit ergeben sich für die drei Referenzgebäude die in Tabelle 6 beschriebenen spezifischen Auslegungsgrößen. Tabelle 6: Jahresstromverbräuche und Systemauslegungsgrößen der Referenzgebäude. SFH1 SFH6 SFH3 Jahresstrombedarf kwh spezifische PV-Generatorgröße 1,8 1,39 1,64 kwp/mwh spezifische Batteriespeichergröße,65,84,98 kwh/mwh Die energetische Performance der PV-Speichersysteme inklusive Wärmepumpe wird für mehrere Sensitivitäten vorgestellt. Dabei erfolgt immer auch die Analyse, welchen Einfluss die in Abschnitt 4.1 bis 4.3 beschriebenen Maßnahmen auf die erzielbaren Eigenverbrauchsanteile und Autarkiegrade aufweisen. Den Ergebnissen liegt zugrunde, dass die maximale Einspeiseleistung, wie gesetzlich vorgeschrieben auf 7% der PV-Generatorgröße [25] oder mit Batteriespeicher nach den KfW- Förderbedingungen auf 6% der PV-Generatorgröße begrenzt wurde [26]. Zur Einhaltung dieser vorgegebenen maximalen Einspeiseleistung kann es daher zu Abregelungsverlusten kommen. Die Gleichzeitigkeit der Last und Erzeugung wurde hierbei berücksichtigt. 5.1 PV-Wärmepumpensystem ohne Batteriespeicher Zunächst erfolgt eine Untersuchung der Simulationsergebnisse in Abhängigkeit der PV-Generatorgröße von 1 bis 1 kwp. Das Bild 12 (oben) zeigt die Eigenverbrauchsanteile, Autarkiegrade und Abregelungsverluste für die drei Referenzgebäude ohne ein vorhandenes Batteriespeichersystem. Die erzielbaren Autarkiegrade der drei Gebäude nehmen dabei gleichmäßig bei Vergrößerung der PV- Generatorgröße zu. Mit Systemgrößen im Bereich von 7 bis 1 kwp können die Referenzgebäude zwischen 2 und 33% ihres Jahresstrombedarfs selbst decken. Die Abregelungsverluste steigen ebenfalls mit Vergrößerung der PV-Generatorgröße, sind aber mit bis 2% nicht von großer Bedeutung. Durch eine Nachtabsenkung der Soll-Raumtemperatur um 2 K sowie die Modulation der Wärmepumpe (Bild 12, unten) kann eine Steigerung des Autarkiegrades um bis zu 7 Prozentpunkte erreicht werden. Der Effekt wird überlagert durch einen geringeren Kühlbedarf und führt beim SFH3 sogar zu einem leichten Rückgang des Eigenverbrauchsanteils. Am meisten profitieren die Gebäude SFH1 und SFH6 von dem angepassten Wärmepumpenbetrieb, da die absolute Absenkung der mittleren elektrischen Leistungsaufnahme hier am größten ausfällt. Darüber hinaus verfügen das SFH6 und das SFH1 durch die höhere Heizgrenztemperatur über einen erhöhten Heizwärmebedarf in den Frühlings- und Herbstmonaten und damit über eine bessere Übereinstimmung mit der PV-Erzeugung. Insgesamt wird deutlich, dass bezüglich der Regelung des Heizungssystems ein weiter Modulationsbereich der Wärmepumpe den größten Einfluss auf die Steigerung des Autarkiegrades und des Eigenverbrauchsanteils hat. Bei einer PV-Generatorgröße von 1 kwp und einer Wärmepumpe mit einem Modulationsbereich von 5% erreicht das SFH1 insgesamt einen Autarkiegrad von 28%, während sich beim SFH6 31% und beim SFH3 33% ergeben.

14 Δ Eigenverbrauchsanteil und Δ Autarkiegrad Eigenverrbauchsanteil und Autarkiegrad Abregelungs verluste 2% Gebäude mit Wärmepumpe, ohne thermische Speicherung von Überschüssen, ohne Batteriespeicher Eigenverbrauchsanteil e Autarkiegrad a Abregelungsverluste v SFH1 SFH6 SFH3 1% % 6% 4% 2% % 14% 12% 1% 8% 6% 4% 2% % -2% PV Systemgröße in kwp mit Nachtabsenkung und 5% Modulation und 1% Modulation PV Systemgröße in kwp Bild 12: Eigenverbrauchsanteil, Autarkiegrad und Abregelungsverluste eines PV-Wärmepumpensystems für die drei Referenzgebäude in Abhängigkeit der PV-Systemgröße (oben) und Veränderung der untersuchten Größen bei Anpassung des Wärmepumpenbetriebs (unten). 5.2 PV-Wärmepumpensystem mit thermischer Speicherung Die Untersuchungen in Abschnitt 5.1 haben gezeigt, dass die Eigenverbrauchsanteile eines PV- Wärmepumpensystems deutlich unter 5% liegen. Daher wird analysiert, welchen Einfluss eine verlängerte Laufzeit oder das aktive Anschalten der Wärmepumpe bei Zeiten überschüssigen Solarstroms auf den Eigenverbrauch und den Autarkiegrad der Referenzgebäude hat. Die Betriebsstrategie erfüllt dabei folgende Vorgaben, die gleichzeitig als Prioritäten zu verstehen sind: 1. Anhebung der Solltemperatur des Trinkwarmwasserspeichers um maximal 1 K auf 55 C. 2. Anhebung der Solltemperatur der Raumluft um maximal 2 K auf 23 C. Nebenbedingung der Raumtemperaturanhebung ist, dass der Tagesmittelwert der Außentemperatur unterhalb der Heizgrenztemperatur des Referenzgebäudes liegt. Dies verhindert ein Aufheizen des Gebäudes zu Zeiten, in denen kein Heizbedarf anliegt und damit auch kein Netzstrom für die Wärmepumpe substituiert werden könnte. Die Betriebsstrategie kann als eine mögliche Umsetzung des SG- READY -Standards verstanden werden und ist für viele Wärmepumpen in der Praxis anwendbar [27], [28].

15 Δ Eigenverbrauchsanteil und Δ Autarkiegrad Eigenverrbauchsanteil und Autarkiegrad Abregelungs verluste Bei einer PV-Generatorgröße von 1 kwp und einer Wärmepumpe ohne Modulation oder Nachtabsenkung, erreicht das SFH1 insgesamt einen Autarkiegrad von 3%, während sich beim SFH6 36% und beim SFH3 sogar 41% ergeben (Bild 13, oben). Gegenüber einem Wärmepumpenbetrieb ohne die Ansteuerung der SG-Re dy -Schnittstelle kann der Autarkiegrad der Referenzgebäude folglich zwischen 7 und 9% gesteigert werden. Hierbei gilt, dass die Erhöhung vor allem bei energetisch gut gedämmten Gebäuden und kleinen PV-Generatorgrößen zu beobachten ist. Der Grund hierfür ist die geringere elektrische Anschlussleistung der Wärmepumpe. Diese erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass auch bei kleinen PV-Systemen in der Übergangszeit die Überschüsse noch ausreichen, um die Wärmepumpe aktiv anzuschalten oder verlängert laufen zu lassen. Eine weitere Steigerung durch Nachtabsenkung oder Modulation der Wärmepumpe ist nur noch im Bereich von bis 2% möglich (Bild 13, unten). Somit k nn zus mmengef sst erden, d ss der Nutzen der SG-Re dy -Schnittstelle hinsichtlich der Erhöhung des Autarkiegrades abnimmt, wenn bereits andere Maßnahmen wie eine Nachtabsenkung oder die Modulation der Wärmepumpe im System aktiv sind. 2% Gebäude mit Wärmepumpe, mit thermischer Speicherung von Überschüssen, ohne Batteriespeicher Eigenverbrauchsanteil e Autarkiegrad a Abregelungsverluste v SFH1 SFH6 SFH3 1% % 6% 4% 2% % 14% 12% 1% 8% 6% 4% 2% % -2% PV Systemgröße in kwp mit Nachtabsenkung und 5% Modulation und 1% Modulation PV Systemgröße in kwp Bild 13: Eigenverbrauchsanteil, Autarkiegrad und Abregelungsverluste eines PV-Wärmepumpensystems für die drei Referenzgebäude mit aktiver thermischer Nutzung überschüssigen Solarstroms in Abhängigkeit der PV- Systemgröße (oben) und Veränderung der untersuchten Größen bei Anpassung des Wärmepumpenbetriebs (unten).

16 Δ Eigenverbrauchsanteil und Δ Autarkiegrad Eigenverrbauchsanteil und Autarkiegrad Abregelungs verluste 5.3 PV-Wärmepumpensystem mit Batteriespeicher Anstatt die Wärmepumpe zur thermischen Speicherung überschüssigen Solarstroms zu nutzen, können alternativ auch Batteriespeicher eingesetzt werden. Für ein PV-System mit 1 kwp zeigt das Bild 14 (oben) den Einfluss der nutzbaren Speicherkapazität auf die energetische Performance der drei Referenzgebäude. Im Vergleich zu den Systemen ohne Batteriespeicher kann der Autarkiegrad der Gebäude nochmals deutlich erhöht werden. Bei einer nutzbaren Speicherkapazität von 6 kwh versorgen sich die drei Referenzgebäude zwischen 4 und 58% selber mit Strom. Aufgrund der Berücksichtigung einer Einspeisegrenze von 6% der installierten PV-Generatorleistung liegen die Abregelungsverluste bei circa 4,5%. Die ohnehin schon hohen Autarkiegrade können durch Anpassung der Wärmepumpensteuerung, ähnlich der PV-Wärmepumpensysteme ohne Batteriespeicher, nochmals um bis 6 Prozentpunkte gesteigert werden Bild 14 (unten). Insgesamt erreicht das SFH1 mit modulierender Wärmepumpe und einem 1-kWp-PV-System sowie 6-kWh-Batteriespeicher einen Autarkiegrad von 49%. Das SFH6 kann sich bei gleicher Konfiguration zu 59% selbst versorgen, während sich beim SFH3 66% ergeben und damit nur noch 1/3 des gesamten Strombedarfs des Hauses aus dem öffentlichen Netz bezogen werden muss. 5% Gebäude mit Wärmepumpe, ohne thermischer Speicherung von Überschüssen, mit Batteriespeicher Eigenverbrauchsanteil e Autarkiegrad a Abregelungsverluste v SFH1 SFH6 SFH3 4% 6% 4% 2% % 14% 12% 1% 8% 6% 4% 2% % -2% nutzbare Speicherkapazität in kwh mit Nachtabsenkung und 5% Modulation und 1% Modulation nutzbare Speicherkapazität in kwh Bild 14: Eigenverbrauchsanteil, Autarkiegrad und Abregelungsverluste eines PV-Wärmepumpensystems für die drei Referenzgebäude mit 1 kwp Photovoltaik in Abhängigkeit der nutzbaren Speicherkapazität (oben) und Veränderung der untersuchten Größen bei Anpassung des Wärmepumpenbetriebs (unten).

17 Δ Eigenverbrauchsanteil und Δ Autarkiegrad Eigenverrbauchsanteil und Autarkiegrad Abregelungs verluste 5.4 PV-Wärmepumpensystem mit Batteriespeicher und thermischer Speicherung Nachdem bereits aufgezeigt wurde, dass sich Einfamilienhaushalte mit realistischen PV-Generatorund Batteriespeichergrößen zusammen mit einer Wärmepumpe zu über 5% selbst mit Energie versorgen können, wird abschließend untersucht, ob durch die bereits in Abschnitt 5.2 vorgestellte Ansteuerung der SG-Re dy -Schnittstelle zur aktiven thermischen Speicherung von überschüssigem Solarstrom eine weitere Erhöhung des Autarkiegrads erreicht werden kann. Die Betriebsstrategie verfolgt dabei zunächst die Ladung der Batterie und anschließend die thermische Speicherung. Gegenüber einem Betrieb der Wärmepumpe parallel zu einem PV-Speichersystem ohne thermische Speicherung überschüssigen Stroms kann der Autarkiegrad der Referenzgebäude bei Überhitzung des Trinkwarmwasserspeichers und Anhebung der Raumtemperatur nochmals um 5 Prozentpunkte gesteigert werden; mit Anpassung der Betriebsweise der Wärmepumpe nochmals um 2 Prozentpunkte mehr (Bild 15). Gleichzeitig werden die Abregelungsverluste leicht reduziert. Die Eigenverbrauchsanteile liegen je nach nutzbarer Kapazität des Batteriespeichers und Art des Referenzgebäudes zwischen 2 und 5%. Dies zeigt auf, dass große Anteile des erzeugten PV-Stroms noch in das Netz eingespeist werden. Zur weiteren Nutzung des Solarstroms vor Ort ist spätestens an dieser Stelle ein saisonaler oder zumindest mehrtägiger Speicher gefragt. 5% Gebäude mit Wärmepumpe, mit thermischer Speicherung von Überschüssen, mit Batteriespeicher Eigenverbrauchsanteil e Autarkiegrad a Abregelungsverluste v SFH1 SFH6 SFH3 4% 3% 6% 4% 2% % 14% 12% 1% 8% 6% 4% 2% % -2% nutzbare Speicherkapazität in kwh mit Nachtabsenkung und 5% Modulation und 1% Modulation nutzbare Speicherkapazität in kwh Bild 15: Eigenverbrauchsanteil, Autarkiegrad und Abregelungsverluste eines PV-Wärmepumpensystems für die drei Referenzgebäude mit 1 kwp Photovoltaik und aktiver thermischer Nutzung überschüssigen Solarstroms. Darstellung in Abhängigkeit der nutzbaren Speicherkapazität (oben) und Veränderung der untersuchten Größen bei Anpassung des Wärmepumpenbetriebs (unten).

18 Autarkiegrad Autarkiegrad 6 Zusammenfassung Im Rahmen dieser Ausarbeitung wurde auf Basis von Literaturrecherchen und einer Parameteridentifikation ein Simulationsmodell entworfen, um zeitlich hochaufgelöste Jahressimulationen von Gebäuden mit Photovoltaik-Systemen, Batteriespeichern und Wärmepumpen durchzuführen. Ferner wurden verschiedene Betriebsstrategien für Wärmepumpen in unterschiedlichen Referenzgebäuden implementiert und deren Einfluss auf das elektrische Lastprofil der Wärmepumpe analysiert. Anhand von Parametervariationen der PV-System- und Batteriespeichergröße wurde untersucht, wie hoch die Eigenverbrauchsanteile und Autarkiegrade der Referenzgebäude ausfallen. Je nach Gebäudetyp lassen sich mit einer PV-Generatorgröße von 1 kwp zwischen 2 und 7% des gesamten Strombedarfs eines Haushalts mit Photovoltaikstrom decken (Bild 16). Die größte Veränderung der Unabhängigkeit kann durch Batteriespeicher erzielt werden, da diese die Versorgung sowohl des Haushalts als auch der Wärmepumpe mit überschüssigem Solarstrom ermöglichen. Darüber hinaus bewirkt eine gezielte Betriebsweise der Wärmepumpe unabhängig von anderen Maßnahmen eine Erhöhung des Autarkiegrades um bis zu 8 Prozentpunkte. Dies wird über eine Nachtabsenkung im Heizungssystem in Kombination mit einer modulierenden Wärmepumpe erreicht. Ferner ermöglicht die aktive Nutzung der unter Wärmepumpen weitverbreiteten SG-Re dy -Schnittstelle eine weitere Erhöhung des Autarkiegrades um durchschnittlich 5 Prozentpunkte. 8% 7% 6% min / max mittel SFH1 min / max mittel SFH6 min / max mittel SFH3 8% 7% 6% 5% 5% 4% 4% 3% 3% 2% 1 kwp kwh - 1 kwp kwh SG-Ready 1 kwp 6kWh - 1 kwp 6kWh SG-Ready 1 kwp kwh - 1 kwp kwh SG-Ready 1 kwp 6kWh - 1 kwp 6kWh SG-Ready 1 kwp kwh - 1 kwp kwh SG-Ready 1 kwp 6kWh - 1 kwp 6kWh SG-Ready 2% Bild 16: Autarkiegrade der drei Referenzgebäude für verschiedene Systemkombinationen sowie mit und ohne Berücksichtigung der aktiven thermischen Nutzung von überschüssigem Solarstrom (SG-Ready). Grundsätzlich ist die Nutzung des Solarstroms über die Wärme aber nur möglich, wenn diese mit an den Haushaltsstromkreis angeschlossen ist. Damit dem Betreiber der Anlage durch den Verzicht auf einen vergünstigten Wärmestromtarif kein finanzieller Nachteil, sondern im Gegenteil sogar ein Vorteil entsteht, müssen Untergrenzen des Autarkiegrades des Wärmepumpenstrombedarfs erreicht werden, vgl. Bild 2. Hinsichtlich der praktischen Umsetzbarkeit hoher Autarkiegrade sind die vorgestellten Regelstrategien notwendig. Hierbei sind die Hersteller von Wärmepumpen dazu aufgerufen, vorhandene Kommunikationswege wie die SG-Ready -Schnittstelle weiter auszugestalten und zu konkretisieren. Im Vordergrund sollte hierbei die Möglichkeit einer aktiven Ansteuerung des Modulationsbereiches der Wärmepumpe stehen. Nur so lassen sich PV-Wärmepumpensysteme zukünftig solaroptimiert betreiben und für eine aktive Integration größerer dezentraler PV-Erzeugungskapazitäten nutzen. Danksagung Die präsentierten Ergebnisse sind im Verbund orh ben: Langlebige Qualitätsmodule für PV-Systeme mit Speicheroption und intelligentem Energiemanagement (LAURA) Teilvorhaben: Energiemanagement und Optimierung von Photovoltaiksystemen mit Batterie- und Wärmespeichern (PVstore) entstanden (Förderkennzeichen: G). Die Autoren danken dem Projektträger Jülich (PtJ) und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) für das entgegenbrachte Vertrauen.

19 Literatur [1] T. Tj den, J. Weniger, J. Bergner, F. Schnorr, V. Qu schning: Einfluss des St ndorts und des Nutzerverhaltens auf die energetische Bewertung von PV-Speichersystemen, in 29. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 214, S , Langfassung digital. [2] T. Tj den, J. Weniger, J. Bergner, F. Schnorr, V. Qu schning: Imp ct of the PV Gener tor s Orientation on the Energetic Assessment of PV Self-Consumption Systems Considering Individu l Residenti l Lo d Profiles, in 29th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Amsterdam, 214. [3] PANGAEA: D t Publisher for E rth & En ironment l Science: B seline Surf ce R di tion Network - St tus, 213. [Online]. Verfügbar unter: [Zugegriffen: 1-Dez-213]. [4] Verein Deutscher Ingenieure e. V.: VDI 4655: Referenzl stprofile on Ein- und Mehrf milienhäusern für den Eins tz on KWK-Anl gen, in VDI-Handbuch Energietechnik, Düsseldorf, 28. [5] H. G. Beyer, G. Heilscher, S. Bofinger: Identific tion of Gener l Model for the MPP Performance of PV-Modules for the Application in a Procedure for the Performance Check of Grid Connected Systems, in 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Paris, 24, S [6] H. Schmidt, D.-U. S uer: Wechselrichter-Wirkungsgrade: Praxisgerechte Modellierung und Abschätzung, Sonnenenergie, Bd. 4, S , [7] T. F ßn cht, H. Östreicher, A. W gner: Gebäudemodelle für Modellb sierte Regler und Energiem n gementsysteme, in Proceedings of the 5th German-Austrian IBPSA Conference, Aachen, 214, S [8] R. Heimr th, M. H ller: The Reference He ting System, the Templ te Sol r System, Institut für Wärmetechnik, Graz, A2 of Subtask A - A Report of IEA SHC - Task 32, 27. [9] Deutsches Institut für Normung e.v., Hrsg.: DIN EN Beibl tt 2: Vereinf chtes Verf hren zur Ermittlung der Gebäude-Heizl st und der Wärmeerzeugerleistung, in DIN EN 12831: Heizungsanlagen in Gebäuden Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast, Berlin: Beuth Verlag, 21. [1] W. Streicher, T. Mach, K. Schweyer, R. Heimrath, R. Kouba, A. Thür, D. Jähnig, I. Bergmann, J. Suschek-Berger, H. Rohr cher, H. Kr pmeier: Benutzerfreundliche Heizungssysteme für Niedrigenergie- und P ssi häuser, Technische Universität Graz, Graz, 15, 24. [11] G. Hausladen, T. Auer, J. Schneegans, K. Klimke, H. Riemer, B. Trojer, L. Qian, M. de Borja Torrejon: Lastverhalten von Geba uden unter Beru cksichtigung unterschiedlicher Bauweisen und technischer Systeme - Speicher- und Lastmanagementpotenziale in Geba uden. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 214. [12] E.-R. Schramek, E. Sprenger, H. Recknagel: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, 75. Aufl. München: Oldenbourg Industrieverlag München, 212. [13] U. Eicker: Solare Technologien für Gebäude, 2. Aufl. Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag, 212. [14] U. Jord n, K. V jen: Influence of the DHW Lo d Profile on the Fr ction l Energy S ings: A Case Study of a Solar Combi-System ith TRNSYS Simul tions, Sol. Energy, Bd. 69, S , Juli 21. [15] V. Quaschning: Regenerative Energiesysteme: Technologie, Berechnung, Simulation, 7. Aufl. München: Hanser Verlag, 212. [16] K. Sch mberger: Modellbildung und Regelung on Gebäudeheizungs nl gen mit Wärmepumpen, VDI Verlag, Düsseldorf, Fortschrittsberichte VDI Reihe 6 Nr. 263, [17] Solar Institut Jülich: CARNOT - Conventional And Renewable energy systems Optimization Toolbox - Version [18] G. F ure: V lid tion of ne he t pump model for C rnot libr ry, Viessmann Werke GmbH&Co KG, Faulquemont, 21. [19] M. Middelbeck: V lidierung einer Wärmepumpe mit Hilfe der MATLAB Toolbox CARNOT, Diplomarbeit, Fachhochschule Aachen, Aachen, 23. [2] O. Mercker, P. Pärisch, G. Rockendorf: T kt erh lten on Sole/Wasser-Wärmepumpen - Messung der thermischen Zeitkonst nte und Bedeutung für die J hres rbeitsz hl, in Proceedings of the 5th German-Austrian IBPSA Conference, Aachen, 214, S