Energiesysteme

Wärmepumpe

PVT-Kollektor und Wärmepumpe

Aufbau und Funktion

Wärmepumpen sind elektrisch betriebene Wärmeerzeuger, die auf erneuerbare Wärmequellen in der Umwelt zurückgreifen. Im Falle von Photovoltaisch-Thermischen (PVT) Kollektoren mit Sole-Wasser-Wärmepumpen werden PVT-Kollektoren als einzige Wärmequelle für Wärmepumpen genutzt. Photovoltaisch-Thermische (PVT) Kollektoren sind eine Kombination aus einem solarthermischen Kollektor und einem Photovoltaikmodul in einem einzigen Bauteil und erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme aus derselben Fläche. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb mit Wärmepumpen bei geringen Betriebskosten. PVT-Kollektoren sind jedoch teurer als normale PV-Module, die mit hohen Investitionskosten verbunden sind.

Durch einen mechanischen Kompressionsprozess hebt die mit Strom betriebene Wärmepumpe das Temperaturniveau der Quelle auf die gewünschte Temperatur an. Je geringer der Unterschied zwischen der Quelltemperatur und der Austrittstemperatur ist, desto geringer ist der Stromverbrauch der Wärmepumpe. Durch die Nutzung der Solar- und Umweltwärmequellen mittels PVT-Kollektoren minimiert das System den Bedarf an Primärenergie, was zu einer hohen Effizienz führt. Mit einer guten Umweltbilanz verringert diese Systemkonfiguration den Bedarf an Wärmeenergie aus nicht-erneuerbaren Quellen erheblich und ist damit eine verantwortungsvolle Wahl für die Energiewende.

Bei dieser Systemkonfiguration ist auch stromerzeugende PVT-Kollektoren vorhanden. Der erzeugte Solarstrom fließt primär zur Wärmepumpe und den eigenen Haushalt. Zusätzlich kann ein Batteriespeicher (PV-Speicher) installiert werden, der überschüssigen Sonnenstrom aufnimmt und ihn für die Nacht oder sonnenarme Tage speichert. Insgesamt reduziert sich so die Strommenge, die vom Energieversorger eingekauft werden muss und es ergeben sich Ersparnisse. Solarstromüberschüsse, die trotz Batteriespeicher und Eigenverbrauch auftreten, werden ins öffentliche Netz eingespeist und vom Netzbetreiber nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet.

Die Wärmepumpe mit PVT-Kollektoren ist das zentrale Element der Heizungsanlage. Der Heizkreislauf zum Gebäude ist über einen Kombispeicher angebunden. Das Warmwasser wird über die Frischwasserstation erwärmt und von den Verbrauchern gezapft.

Der für den Haushalt und die Wärmepumpe benötigte Strom wird überwiegend aus der hauseigenen PVT-Anlage bezogen. Reicht der Solarstrom nicht aus, wird Strom aus dem öffentlichen Netz genutzt.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Gute Effizienz bei der Wärmeerzeugung
Auf derselben Dachfläche wird sowohl Wärme als auch Strom erzeugt
Niedrige Betriebskosten aufgrund des verfügbaren PVT-Stroms zur Nutzung
Es sind keine Tiefenbohrungen nötig und kein Außenlärm wie bei einer Luft-Wärmepumpe
Deutliche Reduktion des CO₂-Ausstoßes gegenüber einer klassischen Gasheizung und Netzstrombezug
Hoher Autarkiegrad durch Eigenversorgung möglich
Unabhängiger von steigenden Strompreisen
Es wird kein Gas oder Gasanschluss benötigt
Unabhängig von schwankenden oder steigenden Gaspreisen

Nachteile:

Es gibt bauliche Voraussetzungen (z.B. Tragfähigkeit und Ausrichtung des Daches)
Erhöhte Investitionskosten durch die PVT-Kollektoren
Keine vollständige Unabhängigkeit

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Wärmepumpe mit Erdwärmesonde

Systembeschreibung

Aufbau und Funktion

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Sehr geringe Betriebskosten
Deutliche Reduktion des CO₂-Ausstoßes gegenüber einer klassischen Gasheizung
Es wird kein Gas oder Gasanschluss benötigt
Unabhängig von schwankenden oder steigenden Gaspreisen
Stabiles Quelltemperaturniveau

Nachteile:

Gaskosteneinsparung zu Lasten einer Stromkostenerhöhung
Abhängigkeit von steigenden Strompreisen der Netzbetreiber
Hohe Investitionskosten durch Erdwärmesondenbohrung
Es gibt bauliche Voraussetzungen (z.B. Bodenbeschaffenheit und ausreichend Platz für die Bohrung)
Generell hohe Investitionskosten

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PVT mit erdwärmesonde und Wärmepumpe

Systembeschreibung

Aufbau und Funktion

Wärmepumpen sind elektrisch betriebene Wärmeerzeuger, die auf erneuerbare Wärmequellen in der Umwelt zurückgreifen. Im Fall von Photovoltaisch-Thermische (PVT) Kollektoren und Erdwärmesonden Kombinationen dienen als Wärmequelle für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe. Photovoltaisch-Thermische (PVT) Kollektoren sind eine Kombination aus einem solarthermischen Kollektor und einem Photovoltaikmodul in einem einzigen Bauteil und erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme aus derselben Fläche. Bei Erdwärmesonden wird die Wärme aus tieferen Schichten des Erdreichs (Geothermie) genutzt und über eine Erdsonde zur Wärmepumpe transportiert.

Die PVT mit Erdwärmesonden und Wärmepumpen weist die höchste Systemeffizienz auf, wobei der dominierende Teil dieses Systems die Erdwärmesonde ist. In dieser Systemkonfiguration kann die PVT vorteilhaft sowohl für die direkte Wärmeversorgung der Wärmepumpe als auch für die Regeneration der Erdwärmequelle genutzt werden. Die solare Regeneration ermöglicht einen nachhaltigen Betrieb des Erdwärmesondenfeldes, da langfristige Auskühlungseffekte verhindert werden. Insbesondere bei größeren Anlagen, bei denen eine kleinere Dimensionierung bis zu 30 % möglich ist, oder zum Ausgleich von Planungsunsicherheiten spielt PVT eine wichtige Rolle.

Dies erlaubt einen effizienten Betrieb mit geringen Energiekosten. Allerdings erfordert die Bohrung der Erdwärmesonde eine Genehmigung und ist mit hohen Investitionskosten verbunden und PVT-Kollektoren sind auch jedoch teurer als normale PV-Module.

In einem mechanischen Verdichtungsprozess, für den die Wärmepumpe Strom benötigt, wird das Quelltemperaturniveau auf die gewünschte Temperatur angehoben. Je geringer die Differenz zwischen Quelltemperatur und Abgabetemperatur, desto geringer ist der Stromverbrauch der Wärmepumpe. Durch die Nutzung der Umweltwärmequelle, muss verhältnismäßig wenig Primärenergie bereitgestellt werden und es ergibt sich ein sehr hoher Wirkungsgrad. Die Umweltbilanz dieses Systems ist sehr gut, da der gesamte Wärmeenergiebedarf einer Wärmepumpe aus der regenerativen Erdwärmequelle oder aus der Solarenergie entnommen wird..

Bei dieser Systemkonfiguration ist auch stromerzeugende PVT-Kollektoren vorhanden. Der erzeugte Solarstrom fließt primär zur Wärmepumpe und den eigenen Haushalt. Zusätzlich kann ein Batteriespeicher (PV-Speicher) installiert werden, der überschüssigen Sonnenstrom aufnimmt und ihn für die Nacht oder sonnenarme Tage speichert. Insgesamt reduziert sich so die Strommenge, die vom Energieversorger eingekauft werden muss und es ergeben sich Ersparnisse. Solarstromüberschüsse, die trotz Batteriespeicher und Eigenverbrauch auftreten, werden ins öffentliche Netz eingespeist und vom Netzbetreiber nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet.

Die PVT + Erdwärmepumpe ist das zentrale Element des Heizungssystems. Der Heizkreislauf zum Gebäude ist über einen Kombispeicher angebunden. Das Warmwasser wird über die Frischwasserstation erwärmt und von den Verbrauchern gezapft.

Der für den Haushalt und die Wärmepumpe benötigte Strom wird primär aus der eigenen PVT-Anlage bezogen. Wenn der Solarstrom nicht ausreicht, wird Strom aus dem öffentlichen Stromnetz verwendet.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Sehr hohe Effizienz bei der Wärmeerzeugung
Stabiles Quelltemperaturniveau
Sehr geringe Betriebskosten
Die solare Regeneration ermöglicht einen nachhaltigen Betrieb des Erdwärmesondenfeldes
Deutliche Reduktion des CO₂-Ausstoßes gegenüber einer klassischen Gasheizung und Netzstrombezug
Hoher Autarkiegrad durch Eigenversorgung möglich
Unabhängiger von steigenden Strompreisen
Es wird kein Gas oder Gasanschluss benötigt
Unabhängig von schwankenden oder steigenden Gaspreisen

Nachteile:

Es gibt bauliche Voraussetzungen (z.B. Tragfähigkeit und Ausrichtung des Daches, sowie Bodenbeschaffenheit)
Erhöhte Investitionskosten durch die zusätzliche PVT-Anlage und die Erdwärmesondenbohrung
Keine vollständige Unabhängigkeit

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Wärmepumpe mit Erdwärmesonde und PV-Anlage

Systembeschreibung

Aufbau und Funktion

Wärmepumpen sind elektrisch betriebene Wärmeerzeuger, die auf erneuerbare Wärmequellen der Umwelt zurückgreifen. Im Falle der Erdwärmepumpe wird die Wärme aus tieferen Schichten des Erdreichs genutzt (Geothermie) und von einer Erdwärmesonde zur Wärmepumpe befördert. Die Erdwärmesonde bietet im Vergleich zur Umgebungsluft ganzjährlich ein stabiles Quelltemperaturniveau. Dies erlaubt einen effizienten Betrieb mit geringen Energiekosten. Allerdings erfordert die Bohrung der Erdwärmesonde eine Genehmigung und ist mit hohen Investitionskosten verbunden.

In einem mechanischen Verdichtungsprozess, für den die Wärmepumpe Strom benötigt, wird das Quelltemperaturniveau auf die gewünschte Temperatur angehoben. Je geringer die Differenz zwischen Quelltemperatur und Abgabetemperatur, desto geringer ist der Stromverbrauch der Wärmepumpe. Durch die Nutzung der Umweltwärmequelle, muss verhältnismäßig wenig Primärenergie bereitgestellt werden und es ergibt sich ein sehr hoher Wirkungsgrad. Die Umweltbilanz dieses Systems ist gut, da ein großer Teil der benötigten Wärmeenergie aus der regenerativen Erdwärmequelle entnommen wird.

Bei dieser Systemkonfiguration wird zusätzlich eine stromerzeugende Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) installiert. Der erzeugte Solarstrom fließt primär in den eigenen Haushalt und zur Wärmepumpe. Zusätzlich kann ein Batteriespeicher (PV-Speicher) installiert werden, der überschüssigen Sonnenstrom aufnimmt und ihn für die Nacht oder sonnenarme Tage speichert. Insgesamt reduziert sich so die Strommenge, die vom Energieversorger eingekauft werden muss und es ergeben sich Ersparnisse. Solarstromüberschüsse, die trotz Batteriespeicher und Eigenverbrauch auftreten, werden ins öffentliche Netz eingespeist und vom Netzbetreiber nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet.

Die Erdwärmepumpe ist das zentrale Element des Heizungssystems. Der Heizkreislauf zum Gebäude ist über einen Kombispeicher angebunden. Das Warmwasser wird über die Frischwasserstation erwärmt und von den Verbrauchern gezapft.

Der für den Haushalt und die Wärmepumpe benötigte Strom wird primär aus der eigenen PV-Anlage bezogen. Wenn der Solarstrom nicht ausreicht, wird Strom aus dem öffentlichen Stromnetz verwendet.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Sehr hohe Effizienz bei der Wärmeerzeugung
Stabiles Quelltemperaturniveau
Sehr geringe Betriebskosten
Deutliche Reduktion des CO₂-Ausstoßes gegenüber einer klassischen Gasheizung und Netzstrombezug
Hoher Autarkiegrad durch Eigenversorgung möglich
Unabhängiger von steigenden Strompreisen
Es wird kein Gas oder Gasanschluss benötigt
Unabhängig von schwankenden oder steigenden Gaspreisen

Nachteile:

Es gibt bauliche Voraussetzungen (z.B. Tragfähigkeit und Ausrichtung des Daches, sowie Bodenbeschaffenheit)
Erhöhte Investitionskosten durch die zusätzliche PV-Anlage und die Erdwärmesondenbohrung
Keine vollständige Unabhängigkeit

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Luftwärmepumpe

Systembeschreibung

Aufbau und Funktion

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Vergleichsweise kostengünstiges Wärmepumpensystem
Im Vergleich zu anderen Wärmepumpensystemen ist die Installation sehr einfach
Deutliche Reduktion des CO₂-Ausstoßes gegenüber einer klassischen Gasheizung
Es wird kein Gas oder Gasanschluss benötigt
Unabhängig von schwankenden oder steigenden Gaspreisen

Nachteile:

Die Wärmepumpe ist Lärm verursachend und muss in einem gewissen Abstand zu den Nachbarn aufgestellt werden
Im Vergleich zu Erdwärmepumpen und PVT-Wärmepumpen ist die Effizienz geringer
Gaskosteneinsparung zu Lasten einer Stromkostenerhöhung
Abhängigkeit von steigenden Strompreisen der Netzbetreiber

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Luftwärmepumpe und PV-Anlage

Systembeschreibung

Aufbau und Funktion

Wärmepumpen sind elektrisch betriebene Wärmeerzeuger, die erneuerbare Wärmequellen aus der Umwelt nutzen. Im Falle von Luftwärmepumpen wird die Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt.

Bei einem mechanischen Verdichtungsprozess, für den die Wärmepumpe Strom benötigt, wird das Temperaturniveau der Quelle auf die gewünschte Temperatur angehoben. Je kleiner die Differenz zwischen der Quelltemperatur und der Ausblastemperatur ist, desto geringer ist der Stromverbrauch der Wärmepumpe. Durch die Nutzung der Umweltwärmequelle muss relativ wenig Primärenergie bereitgestellt werden, was zu einem hohen Wirkungsgrad führt.

Die Installation einer Luftwärmepumpe außerhalb des Hauses ist einfacher zu realisieren als die Installation einer Erdwärmepumpe mit einer Erdsonde, da keine Tiefenbohrungen erforderlich sind. Allerdings ist das Temperaturniveau der Quelle nicht so stabil wie bei einer Erdwärmesonde. Insbesondere in den kalten Wintermonaten kann die Quellentemperatur rasch unter den Gefrierpunkt sinken. Dies führt zu einem erhöhten Stromverbrauch der Wärmepumpe. Im Sommer hingegen ist die Lufttemperatur meist höher als die Temperatur im Erdreich.

Bei dieser Systemkonfiguration wird zusätzlich eine stromerzeugende Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) installiert. Der erzeugte Solarstrom fließt primär in den eigenen Haushalt und zur Wärmepumpe. Zusätzlich kann ein Batteriespeicher (PV-Speicher) installiert werden, der überschüssigen Sonnenstrom aufnimmt und ihn für die Nacht oder sonnenarme Tage speichert. Insgesamt reduziert sich so die Strommenge, die vom Energieversorger eingekauft werden muss und es ergeben sich Ersparnisse. Solarstromüberschüsse, die trotz Batteriespeicher und Eigenverbrauch auftreten, werden ins öffentliche Netz eingespeist und vom Netzbetreiber nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet.

Die Luftwärmepumpe ist das zentrale Element des Heizungssystems. Der Heizkreislauf zum Gebäude ist über einen Kombispeicher angebunden. Das Warmwasser wird über die Frischwasserstation erwärmt und von den Verbrauchern gezapft.

Der für den Haushalt und die Wärmepumpe benötigte Strom wird primär aus der eigenen PV-Anlage bezogen. Wenn der Solarstrom nicht ausreicht, wird Strom aus dem öffentlichen Stromnetz verwendet.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Vergleichsweise kostengünstiges Wärmepumpensystem
Im Vergleich zu anderen Wärmepumpensystemen ist die Installation sehr einfach
Deutliche Reduktion des CO₂-Ausstoßes gegenüber einer klassischen Gasheizung
Es wird kein Gas oder Gasanschluss benötigt
Unabhängig von schwankenden oder steigenden Gaspreisen
Hoher Autarkiegrad durch Eigenversorgung möglich

Nachteile:

Die Wärmepumpe ist Lärm verursachend und muss in einem gewissen Abstand zu den Nachbarn aufgestellt werden
Im Vergleich zu Erdwärmepumpen und PVT-Wärmepumpen ist die Effizienz geringer
Es gibt bauliche Voraussetzungen (z.B. Tragfähigkeit und Ausrichtung des Daches)
Erhöhte Investitionskosten durch die zusätzliche PV-Anlage
Keine vollständige Unabhängigkeit

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Klassische Gasheizung mit Brennwertkessel

Systembeschreibung

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Gasheizung mit thermischen Flachkollektor

Systembeschreibung

Aufbau und Funktion

Das zentrale Element dieser Systemkonfiguration ist die Gas-Brennwertheizung in Kombination mit einem solarthermischen Flachkollektor. Im Inneren der Flachkollektoren findet ein Treibhauseffekt statt, der die Sonnenstrahlung in Wärme umwandelt. Die dabei entstehenden Temperaturen sind ausreichend, um die Gasheizung merklich bei der Erwärmung des Trinkwassers zu unterstützen. Dies verringert den Bedarf an Erdgas, senkt die Gaskosten und spart CO₂ ein. Soll neben dem Trinkwasser auch der Heizkreislauf solarthermisch unterstützt werden, empfiehlt sich die Wahl eines effizienteren Vakuumröhrenkollektors. Dieser Kollektortyp ist teurer, aber auch leistungsstärker.

Der Gas-Brennwertkessel sorgt durch die Verbrennung von Erdgas und mit Hilfe eines spiralförmigen Wärmeübertragers für die Erwärmung des Trinkwassers im Pufferspeicher. Der Heizkreis ist dirket mit der Gasheizung verbunden. In dieser Konfiguration dient der Pufferspeicher ausschließlich zur Versorgung des Haushalts mit Trinkwarmwasser.

Durch den solarthermischen Flachkollektor kann ein Teil der benötigten Wärme im Pufferspeicher mit Hilfe der Sonnenenergie gewonnen werden. Dazu strömt ein spezielles Fluid durch den Kollektor und transportiert die aufgenommene Wärme zum Pufferspeicher. Unter typischen Bedingungen liegt der Wirkungsgrad eines solchen Kollektors zwischen 50 % und 60 %. Je nach Anzahl, Ausrichtung und Neigung der Flachkollektoren kann der Solarwärmeertrag variieren.

Der für den Haushalt benötigte Strom, sowie das benötigte Erdgas werden ausschließlich und kostenpflichtig aus dem öffentlichen Strom- bzw. Gasnetz bezogen.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Reduktion des Gasverbrauchs und der Gasbezugskosten
Gewisse Unabhängigkeit gegenüber schwankenden Gaspreisen
Reduktion des CO₂-Ausstoßes gegenüber einer klassischen Gasheizung ohne erneuerbaren Anteil
Einfache und robuste Bauweise der Flachkollektoren (Lebensdauer 20-30 Jahre)
Vergleichsweise günstige Alternative

Nachteile:

Gasanschluss zum Haus ist vorausgesetzt
Keine vollständige Unabhängigkeit gegenüber Gasversorgungsunternehmen
Es gibt bauliche Voraussetzungen (z.B. Tragfähigkeit und Ausrichtung des Daches)
Der Gaseinsparung stehen höhere Investitionskosten gegenüber

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Elektrischer Durchlauferhitzer ohne PV-Anlage

Systembeschreibung

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Elektrischer Durchlauferhitzer mit PV-Anlage

Systembeschreibung

Aufbau und Funktion

Bei dem elektrischen Durchlauferhitzer handelt es sich um eine Elektroheizung, die das durchströmende Wasser innerhalb kürzester Zeit auf die gewünschte Temperatur erhitzt. Dafür benötigt die im Inneren gelegene Heizwendel sehr viel Strom. Der Wärmerzeuger ist jedoch kompakt und günstig in der Anschaffung.

In dieser Systemkonfiguration erwärmt der Durchlauferhitzer das Wasser für den externen Pufferspeicher über einen spiralförmigen Wärmeübertrager. Die Verbraucher zapfen das benötigte Warmwasser aus dem Pufferspeicher. Der Heizkreis ist direkt mit dem elektrischen Durchlauferhitzer verbunden.

Die Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) erzeugt Strom, der primär in den eigenen Haushalt und zum elektrischen Durchlauferhitzer fließt. Zusätzlich kann ein Batteriespeicher (PV-Speicher) installiert werden, der überschüssigen Sonnenstrom aufnimmt und ihn für die Nacht oder sonnenarme Tage speichert. Insgesamt reduziert sich so die Strommenge, die vom Energieversorger eingekauft werden muss und es ergeben sich Ersparnisse. Solarstromüberschüsse, die trotz Batteriespeicher und Eigenverbrauch auftreten, werden ins öffentliche Netz eingespeist und vom Netzbetreiber nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet.

Der für den Haushalt und den Durchlauferhitzer benötigte Strom wird primär aus der eigenen PV-Anlage und ggf. aus dem Batteriespeicher bezogen. Wenn der Solarstrom nicht ausreicht, wird Strom aus dem öffentlichen Stromnetz verwendet.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Sehr geringe Investitionskosten für das Heizungssystem
Kompakte und platzsparende Bauweise des Heizungssystems
Es wird kein Gas oder Gasanschluss benötigt
Unabhängig von schwankenden oder steigenden Gaspreisen
Unabhängiger von steigenden oder schwankenden Strompreisen
Keine CO₂-Emissionen aufgrund der Verbrennung von Erdgas, daher kein CO₂-Preis

Nachteile:

Sehr hoher Stromverbrauch des elektrischen Durchlauferhitzers
Teilweise Abhängigkeit von steigenden oder schwankenden Strompreisen
Starkstromanschluss notwendig

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Systemauswahl

Systemanalyse

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Wärmepumpe

PVT-Kollektor und Wärmepumpe

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Wärmepumpe mit Erdwärmesonde

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PVT mit erdwärmesonde und Wärmepumpe

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Wärmepumpe mit Erdwärmesonde und PV-Anlage

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Luftwärmepumpe

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Luftwärmepumpe und PV-Anlage

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Klassische Gasheizung mit Brennwertkessel

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Gasheizung mit thermischen Flachkollektor

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Elektrischer Durchlauferhitzer ohne PV-Anlage

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Elektrischer Durchlauferhitzer mit PV-Anlage

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