Kombination von Solarthermie, Wärmepumpe und Photovoltaik. Das Nullenergiehaus

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1 Kombination von Solarthermie, Wärmepumpe und Photovoltaik Das Nullenergiehaus 1

2 Schüco Clean Energy² System Technology Umfassende Systemlösungen zur Nutzung von Sonnenenergie 2

3 Schüco Clean Energy² System Technology Umfassende Systemlösungen zur Nutzung von Sonnenenergie Lösungen für EFH-Neubau => Nullenergie aus Solarthermie + Wärmepumpe + PV Lösungen für EFH-Modernisierung => Hybrid-Wärmepumpe Solarthermie + Wärmepumpe + Gasbrennwert Lösungen für Gewerbeimmobilien => Solar unterstützte Kühlung und Heizung Solarthermie + Absorbtionskälte 3

4 Kombination von Solarthermie, Wärmepumpe und Photovoltaik 1 Einführung und Systembeschreibung 2 Feldtestergebnisse 3 Verfahren zur Bestimmung der Jahresarbeitszahl 4 Gesamtsystembilanzierung 4

5 ESTTP Vision % solar beheizte Gebäude als Gebäudestandard Parameter zur Zielerreichung: Nutzung des Daches für Solarthermie und Photovoltaik Effiziente Speicher Effizientes Heizsystem Intelligentes System zur Kombination der Energiequellen 5

6 Kombination aus 3 Technologien Solarthermie, Wärmepumpe und Photovoltaik Photovoltaikanlage Erdwärmesonde Solarkombispeicher Kollektorfeld Sole/Wasser Wärmepumpe 6

7 Kombination von Solarthermie, Wärmepumpe und Photovoltaik Solarthermische Anlage: Heizungsunterstützende Solaranlage mit ca. 11 m² Kollektorfläche und 750 Liter Solarkombispeicher Sole/Wasserwärmepumpe: Niedertemperatur-Wärmepumpe mit 5 kw Leistungsabgabe, COP B0/W35 = 4,3 Erdwärmesonde mit ca. 75 m Länge Photovoltaikanlage Installierte Leistung ca. 2,2 kwp 7

8 Wechselwirkung Solarthermie und Wärmepumpe Gegenseitige Optimierung Wärmeabgabseite: Beide Systeme haben eine höhere Effizienz bei geringen Systemtemperaturen Wärmepumpen COP-Kurve Wärmequellenseite: Wärmepumpe => je höher die Temperatur der Quelle desto höher der COP 1,00 0,90 Solarkollektor => je niedriger die Temperatur im Kollektor desto höher der Wirkungsgrad Kollektor-Wirkungsgrad-Kurve 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 η [-] ,00

9 Erdwärmesonde gespeicherte Solarenergie Solar Regeneration des Erdreichs Ungestörte Erdreichtemperatur beträgt 13 C Gleichgewicht aus: Geothermischer Wärmefluss: nur 0,1 W/m² Solarstrahlung 1000 W/m² Energiezufuhr Erdreich: Wärmeentzug durch Wärmepumpen führt zu einer Verschiebung des Gleichgewichtes und damit zur Ausbildung eines Kältekegels 9

10 Niedertemperatur-Kollektor Design für Betrieb unter Umgebungstemperaturen Kondensatbeständig Kaschierte, imprägnierte Mineralwolle kontrollierte Ableitung anfallenden Kondensats Frontscheibe strukturiert Sammelrohrmäander geringste Druckverluste auch bei niedrigen Systemtemperaturen Wirkungsgradsteigerung um bis zu 10% 10

11 Mehrfache Solarthermienutzung Konzept Solarthermie und Wärmepumpe 1. Direkte Nutzung der Solarenergie bei ausreichenden Temperaturen im Kombispeicher zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung. 2. Unterstützung der Wärmepumpe durch Anheben des Temperaturniveaus im Solekreis. 3. Regeneration des Erdreiches bei Wärmepumpenstillstand und Solarertrag. 4. Nutzung der im Erdreich zwischengespeicherten Solarwärme beim nächsten Wärmepumpenstart. 11

12 Kombination von Solarthermie, Wärmepumpe und Photovoltaik 1 Einführung und Systembeschreibung 2 Feldtestergebnisse 3 Verfahren zur Bestimmung der Jahresarbeitszahl 4 Gesamtsystembilanzierung 12

13 Feldtest Anlagenbeschreibung Einfamilienhaus Baujahr 2006 beheizte Wohnfläche 140 m² Heizwärmebedarf 47,5 kwh/m²/a erforderliche Heizlast 5,8 kw 4 Personen Anlagentechnik 11 m² Kollektorfläche 5 kw Sole/Wasserwärmepumpe Heizsystem Fußbodenheizung 35/28 C berechnete JAZ = 4,1 (VDI 4650, 2006 nur Heizung) 13

14 Feldtest Verlauf der Erdreichtemperaturen Verlauf der Quellentemperaturen - Erdsondenvorlauf (Schüco HPSol 05 am Standort Herford) Energiemengen der solaren Erdreichregeneration (gemesssen) Quellentemperatur (Durchschnitt über die Heizperiode - gemessen) Quellentemparatur (Monatsdurchschnitt im Verdichterbetrieb - gemessen) 25 22, Jul. 07 Aug. 07 Sep. 07 Okt. 07 Nov. 07 Dez. 07 Jan. 08 Feb. 08 Mrz. 08 Apr. 08 Mai. 08 Jun. 08 Energiemenge in kwh Jul. 08 Aug. 08 Sep. 08 Okt. 08 Nov. 08 Dez. 08 Jan. 09 Feb. 09 Mrz. 09 Apr , ,5 10 7,5 5 2,5 0 Temperatur in C 14

15 Feldtest monatliche COP und Jahresarbeitszahl inkl. solare Gewinne COP-Verlauf im kombinierten Warmwasser und Heizbetrieb (Schüco HPSol 05 am Standort Herford) Energiemenge in kwh Ertrag incl. solarer Gewinne (netto) Energieaufnahme WP (elektrisch) resultierende Jahresarbeitszahl Energieabgabe WP (thermisch) regenerativer Faktor (incl. solare Gewinne) /08 08/09 COP 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 COP / JAZ 1 0,5 0 Zeitraum der Messung 15

16 Kombination von Solarthermie, Wärmepumpe und Photovoltaik 1 Einführung und Systembeschreibung 2 Feldtestergebnisse 3 Verfahren zur Bestimmung der Jahresarbeitszahl 4 Gesamtsystembilanzierung 16

17 Jahresarbeitszahl inkl. solare Gewinne Berechnungsansatz JAZ inkl. Solar = 17

18 Jahresarbeitszahl inkl. solare Gewinne Berechnungsvorschlag 1. Erdreichregeneration führt zu höheren mittleren Soletemperaturen => Ansatz + 5 C Sole min für solar regenerierte Sonden in der VDI Berechnungsformel für JAZ inkl. Solar β WP+Solar = a * β WP + b * β Solar β WP = Gesamtjahresarbeitszahl aus VDI 4650 β Solar = Jahresarbeitszahl Solaranlage a = Leistungsanteil Wärmepumpe b = Leistungsanteil Solaranlage 3. Beispielgebäude β WP+Solar = 97 % * 4,1 + 3% * 35 = 4,7 18

19 Jahresarbeitszahl inkl. solare Gewinne Ermittlung aus Feldtestmesswerten 1. Jahresarbeitszahl Wärmepumpe Messung von Wärmemenge und Stromaufnahme der Wärmepumpe inkl. der Solepumpe JAZ incl. solarer Gewinne (Schüco HPSol 05 am Standort Herford) 5,2 5,0 2. Regenerativer Faktor = Mehrnutzen durch Solarthermie Messung der Netto Solargewinne zuzüglich üblichen Speicherverluste eines Wärmepumpen-Trinkwarmwasserspeichers (z.b. 1,7 kwh/d für 300 l WP-Speicher) JAZ ,8 3,6 2007/ / Jahresarbeitszahl inkl. solarer Gewinne = Umweltwärme (Erdreich + Solar) + Stromaufnahme (Kompr.+ Sole- + Solarpumpe) / Stromaufnahme regenerative Energienutzung - Solar direkt regenerative Energienutzung - über die Erdsonde benötigte Antriebsenergie - Solarpumpe benötigte Antriebsenergie - Wärmepumpe (incl. Hilfsantriebe) 19

20 Kombination von Solarthermie, Wärmepumpe und Photovoltaik 1 Einführung und Systembeschreibung 2 Feldtestergebnisse 3 Verfahren zur Bestimmung der Jahresarbeitszahl 4 Gesamtsystembilanzierung 20

21 Vollständige Unabhängigkeit Beispielrechnung Nullenergiehaus 21

22 Bilanzierung des Photovoltaikertrages Regenerativer Strom zur Reduzierung des Endenergiebedarfes Energieeinsparverordnung EnEV : Photovoltaikstrom kann vom Endenergiebedarf abgezogen werden. Beispielgebäude nach EnEV 2009 Effizienzhaus 55 Wohnfläche 140 m 2 Primärenergiebedarf 35 kwh/(m²a) Endenergiebedarf 14 kwh/(m²a) Photovoltaikertrag 1900 kwh/a => Endenergie = 0 kwh/(m²a) 22

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 23