In dieser Notiz greifen wir die Einschätzungen verschiedener Expert:innen zur „marginalen“ bzw. geringen Effizienzsteigerung von Systemen durch den Einsatz von PVT-Flächen auf (siehe auch die Notizen "Die Rolle der WP" sowie "Offene-PVT als Quelle"). Die folgenden Ergebnisse ergänzen die Untersuchung zur Systemeffizienz im Artikel PVT-Wärmepumpen-System - tab - Das Fachmedium der TGA-Branche, in dem eine Kombination aus PVT und solarthermischen Flächen betrachtet wird.
Ergebnisse aus der Literatur
Erkenntnisse aus vergangenen Projekten nutzen eine Luft-Wärmepumpe als Referenz (vgl. PVT-Wärmepumpen-System – tab – Das Fachmedium der TGA-Branche). Im Beispielgebäude erreicht die Luft-Wärmepumpe eine System-Jahresarbeitszahl von 3,4. Eine Versorgung mit einer PVT-Anlage in Kombination mit einer Sole-Wärmepumpe liegt dagegen zwischen 4,1 (hydraulisch optimierte Konfiguration) und 2,9 (nicht optimiertes Zweileiternetz). Daraus ergibt sich keine eindeutige Effizienzsteigerung allein durch den Einsatz einer PVT-Anlage.
In der Notiz “Offene-PVT als Wärmequelle” vergleichen wir die Versorgung mit und ohne PVT-Fläche für dasselbe Gebäudemodell (PVT-Wärmepumpen-System – tab – Das Fachmedium der TGA-Branche). Die Nutzung von PVT bei gleicher Wärmepumpe führt zu niedrigeren Quellentemperaturen, wodurch die Systemeffizienz leicht sinkt.
In dieser Notiz erweitern wir die Betrachtung um eine kombinierte Versorgung mit Solarthermie. Dabei untersuchen wir die Frage, ob eine synergetische Nutzung von Solarthermie und PVT zu einer deutlichen Effizienzsteigerung führen kann.
Ergebnisse aus unsere Simulationen
Um den Einfluss einer Kombination aus PVT- und solarthermischen Flächen auf die Systemeffizienz eines Mehrfamilienhaus-Versorgungssystems zu bewerten, betrachten wir die Jahresarbeitszahl einer Anlage mit identischer Wärmepumpe. Die Anlage aus dem oben genannten Artikel wurde dafür mithilfe der Open-Source-Software MTRESS 3.01 an drei verschiedenen Standorten und mit drei unterschiedlichen Wärmequellen simuliert.
- Die grauen Balken („Air-source HP“) zeigen die Systemeffizienz an drei Standorten bei Nutzung der Außenluft als Wärmequelle.
- Die blauen Balken („WISC-PVT“) zeigen die Ergebnisse bei Nutzung einer offenen PVT-Fläche mit 95 m².
- Die grünen Balken („WISC+Flat Plate“) zeigen die Systemeffizienz bei einer Kombination aus 63 m² offener PVT-Fläche und 32 m² Solarthermie.
Bild 1: Jahresarbeitszahl (SPF, seasonal performance factor) für das System mit Lift als Wärmequelle (graue Balken), mit 95m2 offene PVT Kollektoren (WISC) als Quelle (blaue Balken) sowie mit 63m2 offene WISC PVT-Kollektoren und 32 m2 solarthermische Kollektoren.
Die Nutzung einer PVT-Anlage führt zu einer Verringerung der Systemeffizienz. Hauptgrund hierfür sind die häufiger auftretenden niedrigeren Quellentemperaturen der PVT-Anlage (siehe orangefarbene Balken in Bild 2). Bild 2 zeigt für den Standort Würzburg, wie oft die Wärmepumpe in bestimmten Temperaturbereichen betrieben wird – einmal mit Außenluft als Quelle (blaue Balken) und einmal mit einer 95 m² großen PVT-Fläche aus WISC-Kollektoren (orangefarbene Balken). Die PVT-Nutzung verschiebt den Winterbetrieb auf niedrigere Temperaturbereiche und erklärt damit den Rückgang der Jahresarbeitszahl. Dieser Effekt verstärkt sich bei der kombinierten Nutzung von offenen WISC-Kollektoren und Solarthermie, da die PVT-Fläche – als Hauptquelle der Wärmepumpe – kleiner dimensioniert ist.
Die häufiger auftretenden niedrigeren Quellentemperaturen im Fall der kombinierten Nutzung von PVT und Solarthermie (grüne Balken) werden jedoch durch die höheren Ausgangstemperaturen der Solarthermie in den Übergangszeiten ausgeglichen. Insgesamt führt dies zu einer deutlichen Verbesserung der Systemeffizienz (siehe grüne Balken in Bild 1).
Bild 2: Häufigkeit im Betriebs der Wärmepumpe auf verschiedene Temperaturniveaus (quellseitige Temperatur im Verdampfer) bei drei verschiedene Quellen.