In dieser Note möchten wir die Ansicht verschiedener Expert:innen über die Rolle der Wärmepumpe (Solewärmepumpen sind effizienter als Luftwärmepumpen und PVT Systeme profitieren von diesem systematischen Vorteil) für die Gesamtsystemeffizienz aufgreifen (siehe Note "Die Rolle der WP") und mit Ergebnisse aus der Literatur näher beleuchten. 

Ergebnisse aus der Literatur

Monovalente Nutzung von PVT ohne Erdwärmesonden

Erkenntnisse aus früheren Projekten nutzen eine Versorgung mit Luft-Wärmepumpen als Referenzfall (vgl. PVT-Wärmepumpen-System – tab – Das Fachmedium der TGA-Branche). In der genannten Studie erreicht die Luft-Wärmepumpe im Beispielgebäude eine System-Jahresarbeitszahl von 3,4. Die 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). Damit zeigt sich noch keine eindeutige Effizienzsteigerung allein durch die Nutzung einer PVT-Anlage.

Da in dieser Studie (und weiteren Referenzen) jedoch unterschiedliche Wärmepumpentypen verwendet werden – Luft-Wärmepumpen im Basisfall, Sole-Wärmepumpen im PVT-Fall – entsteht ein systemischer Vorteil zugunsten der PVT-Variante, da Sole-Wärmepumpen typischerweise höhere COP-Werte erreichen.

Diesen Einwand greifen wir auf und untersuchen ihn im Folgenden mithilfe unserer eigenen Simulationsergebnisse in der Note “Offene PVT als Quelle”.

Mono- und bivalente PVT Nutzung mit Erdwärmesonden in MFH Chhugani et al. (2023)

Der Artikel untersucht die Effizienz eines Wärmepumpensystems mit PVT und Erdwärmesonden als Quelle für die Versorgung eines MFH (KfW55) mit 8 Wohneinheiten (je 84 m2 groß). Der Raumwärmebedarf und Trinkwarmwasserbedarf betragen jeweils 21.1 MWh/a (31 kWh/(m²·a)) und ca. 6.7 MWh/a (10 kWh/(m²·a)).

Die Bilder unten zeigen die angenommene Effizienz der Sole (links) und Luft (rechts) Wärmepumpen für verschiedene Betriebstemperaturen. Während die Effizienz der Luftwärmepumpe zwischen 2 und 5 liegt, weißt die Sole-WP Effizienzen zwischen 3 und 6 für die gleiche Temperaturniveaus. Dies macht den systematischen Vorteil der Nutzung einer Sole-Wärmepumpe deutlich.

Vergleich der COP Werte der Wärmepumpen für den Basisfall (Luftwärmepumpe) und PVT-Fall (als mono- oder bivalente Betrieb ohne/mit Erdsonden)

Die jährliche Systemeffizienz für das PVT System im monovalenten Betrieb wird unter diesen Bedingungen (u.a. oben angenommene COP-Werte) ab eine Fläche von 40 m² besser als für eine direkte Versorgung mit PV und Luft-Wärmepumpe (siehe Bild 2a). Bei eine Wärmepumpe von 12.5kW thermische Leistung entspricht die eine spezifische PVT Fläche von ca. 3m²/kW_th. Die Vorteile der Eigennutzung des PV(T) Stroms spielt für diesen Unterschied eine große Rolle.

Bild 2b zeigt das positive Zusammenspiel der PVT Fläche mit dem Erdwärmesonden: ab eine PVT-Fläche von 40 m² ist keine große Reduktion der CO2 Emissionen zu verzeichnen, d.h. der monovalente Betrieb mit PVT ist vorteilhaft. Für kleinere PVT-Flächen hingegen sind deutliche Unterschiede in der Emissionen (ergo Systemeffizienz) für die verschiedene Längen der Erdwärmesonden zu sehen. Das Bild zeigt deutlich, dass eine Steigerung der PVT Fläche um 10m2 eine ähnliche Verbesserung der Systemeffizienz wie ca. 30m eine längere Erdbohrung.