Solar-Reports:


NEU: Energie Effizientes Bauen im Solar-Magazin

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Der Solar-Report im August 2001 ist der Beginn der Kooperation zwischen dem Solarserver und der Zeitschrift "Energie Effizientes Bauen". Die EB bietet aktuelle fachliche Informationen zum Thema Passivhaus und Niedrigenergiebauten, einem Arbeitsfeld, in dem die Nutzung der Solarenergie besonders sinnvoll ist. Der Solarserver berichtet laufend über Photovoltaik- und Solarwärmeanlagen, die zentralen Bestandteile ganzheitlich konzipierter Bauten.


Solarbetriebene Wärmepumpen für die Gebäudeheizung:
Photovoltaik und Wärmepumpe versorgen Wohngebäude vollständig mit erneuerbarer Energie

von Thomas Stark
15. 08 2001

Als einem zentralen Faktor der zukünftigen Energieerzeugung wird der Photovoltaik - insbesondere integriert in die Gebäudehülle - eine besonders große Bedeutung zugesprochen, was sich in der umfangreichen Förderung über das 100.000-Dächer-Programm und der erhöhten Einspeisevergütung durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) deutlich abzeichnet.

Erdgekoppelte Wärmepumpe

 

Ebenso bieten Wärmepumpen für die Erzeugung von Raum- und Brauchwasserwärme in Wohngebäuden zunehmend interessante Aspekte. In elektrisch betriebener Form sind sie in nahezu allen Leistungsklassen verfügbar und insbesondere für den Bedarf von Wohngebäuden geeignet.

Ist die elektrische Wärmepumpe, die mit Energie aus dem derzeitigen Strommix betrieben wird, unter ökologischen Gesichtspunkten gegenüber den fossilen Techniken nur unwesentlich im Vorteil, so ändert sich dies drastisch, wenn man als Energiequelle für den Betrieb regenerativ erzeugten Strom zugrunde legt.

Foto: Erdgekoppelte Wärmepumpe (Initiativkreis Wärmepumpe, München)

Hier kommt nun die Photovoltaik ins Spiel. In idealer Weise lassen sich elektrische Wärmepumpen mit Photovoltaikanlagen kombinieren. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn an dem zu beheizenden Gebäude eine für die Solarnutzung geeignete Dach- oder Fassadenfläche zur Verfügung steht.

Die Technik

Elektrische Wärmepumpen sind Geräte, die über einen Verdichter Wärme mit geringem Temperaturniveau auf ein für die Raumheizung und die Brauchwassererwärmung geeignetes Temperaturniveau "pumpen". Der Antrieb erfolgt über elektrische Energie, während die Wärme im Idealfall aus der direkten Umgebung bezogen wird. Im einfachsten Fall kann die Außenluft dafür herangezogen werden. Da der Jahrestemperaturverlauf der Außenluft jedoch dem Heizenergiebedarf gegenläufig ist, wird zunehmend die in der oberflächennahen Erdschicht und im Grundwasser gespeicherte Wärme verwendet.

Das Prinzip der Wärmepumpe entspricht im wesentlichem dem eines Kühlschranks mit umgekehrtem Nutzen. Die wichtigste technische Eigenschaft ist dabei die sogenannte "Arbeitszahl", die ein Kennwert für die Güte der Anlage ist. Ein Wert von 4 bedeutet dabei, daß in dem System aus einer Kilowattstunde Strom 4 Kilowattstunden Wärme erzeugt werden. Die Arbeitszahl steigt mit abnehmender Differenz zwischen der Wärmequellen-Temperatur und der zu erzeugenden Nutzwärme. Dementsprechend wirkt sich eine niedrige Vorlauftemperatur, wie sie zum Beispiel in Fußbodenheizungen realisiert werden kann, günstig auf die Energiebilanz der Anlage aus.

Plusenergiehaus in Fellbach

Die der Umgebung entnommene Wärme ist - unabhängig davon, ob diese aus der Luft, dem Erdreich oder dem Wasser stammt - letztlich gespeicherte Sonnenenergie. Es bietet sich nun an, den zum Betrieb der Wärmepumpe benötigten Strom ebenfalls aus Sonnenenergie zu gewinnen. Zur direkten Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie steht dafür die Photovoltaik zur Verfügung.

Foto: Plusenergiehaus in Fellbach (energiedesign, Waiblingen)

Der zentrale Baustein einer Photovoltaikanlage ist das Generatorfeld. Darunter versteht man die Summe der Module, die wiederum aus Solarzellen aufgebaut sind. Über diese wird in einem physikalischen Prozeß ohne bewegliche Teile, Geräuschentwicklung und Emissionen, einfallendes Licht in Strom umgewandelt. Neben den Modulen besteht ein photovoltaisches System aus weiteren Komponenten. Ist das Gebäude an ein öffentliches Stromnetz angeschlossen, beschränken sich diese Komponenten im Wesentlichen auf Wechselrichter, um den solarerzeugten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umzuwandeln, und auf Vorrichtungen zur Netzeinspeisung.

Das Konzept

Ein wesentliches Problem des solarerzeugten Stroms ist die zeitliche Abhängigkeit von der Solarstrahlung. Um Angebot und Nachfrage auszugleichen ist eine aufwendige Speicherung nötig. Diese kann durch den Anschluß an das öffentliche Stromnetz umgangen werden. Das Netz wirkt dabei wie ein großer Puffer: Ist der Stromertrag größer als der Verbrauch im Gebäude, wird der überschüssige Teil gegen eine Vergütung eingespeist. Bei Bedarf kann die erforderliche Strommenge wie üblich vom Netz bezogen werden. Durch die erhöhte Einspeisevergütung für solarerzeugten Strom über das EEG wird in der Regel aus wirtschaftlichen Gründen der Ertrag der Photovoltaikanlage unabhängig vom Hausnetz vollständig eingespeist.

Eine Deckung des Strombedarfs durch eine Photovoltaikanlage kann also nur formal über die Jahresbilanz erfolgen. Im Gesamtsystem betrachtet, ist dies jedoch durchaus zulässig und sinnvoll. Bei der Dimensionierung der Photovoltaikanlage ist dann neben der zur Verfügung stehenden Fläche und finanziellen Aspekten auch der Strombedarf des Gebäudes von Interesse. Der Ertrag der Photovoltaikanlage kann gedanklich einem spezifischen Bedarf zugeordnet werden. Bei Wohngebäuden sind dies zum Beispiel Strom für Raumwärme und Brauchwasser über eine Wärmepumpe, sowie Haushaltsstrom.

Dachintegrierte Photovoltaikmodule

Je nach Ziel kann die Photovoltaikanlage Teilbereiche oder den Gesamtbedarf abdecken.

Foto: Dachintegrierte Photovoltaikmodule (Dachziegelwerke Pfleiderer, Winnenden)

Beispiele

Anhand eines Beispielgebäudes soll zunächst das Prinzip der Bilanzbetrachtung verdeutlicht werden. Als Grundlage dient ein freistehendes Einfamilienhaus mit 150 m² beheizter Fläche. Unter Voraussetzung eines Dämmstandards entsprechend Niedrigenergiebauweise wird ein Jahresheizwärmebedarf in Höhe von 9.000 kWh/a erwartet. Darüber hinaus ist ein durchschnittlicher Wärmebedarf für Brauchwasser eines Vier-Personen-Haushaltes von 3.000 kWh/a zugrunde gelegt. Der gesamte Wärmebedarf soll hierbei von einer erdgekoppelten Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 4 bereitgestellt werden. Diese benötigt dafür einem Strombedarf in Höhe von 2.250 kWh/a für die Raumwärme und weitere 750 kW/a für das Brauchwasser. Der am schwierigsten einzuschätzende Posten "Haushaltsstrom" wird mit 3.500 kWh/a angenommen.

Für die Energieerzeugung soll nun eine durchschnittliche Photovoltaikanlage mit einem spezifischen Jahresertrag pro Quadratmeter Generatorfläche in Höhe von 85 kWh herangezogen werden. Da sowohl der gesamte Energiebedarf des Gebäudes als auch die Erzeugung in Form von elektrischer Energie zugrunde liegt, können hier die Daten ohne den Umweg über Primärenergiekennzahlen direkt gegenübergestellt werden. Damit läßt sich in einfacher Weise überschlägig die solare Deckungsrate auf Basis einer definierten Photovoltaikfläche ablesen, oder der erforderliche Flächenbedarf für die Deckung der entsprechenden Bilanzposten ermitteln. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, würde zur Deckung des Strombedarfs für die Raumheizung des Beispielgebäudes eine Photovoltaikfläche von ca. 27 m² benötigt, für das Brauchwasser etwa weitere 9 m². Soll der gesamte Jahresstrombedarf bilanziert über Solarenergie erzeugt werden, wären dafür circa 77 m² Generatorfläche nötig. Eine Dachfläche dieser Größe ist bei gut geplanten Einfamilienhäusern in der Regel vorhanden.

Beispielhafte Energiebilanz

Grafik: Beispielhafte Energiebilanz zur überschlägigen Ermittlung der erforderlichen
Generatorfläche für die Deckung des Strombedarfs (EB)

Da die zur Deckung der Raumwärme benötigte Leistung der Photovoltaikanlage mit Verbesserung des Dämmstandards abnimmt, ist das Prinzip der solarbetriebenen Wärmepumpe besonders für Passivhäuser interessant. Das von Prof. Dr. Malz entwickelte Konzept, in dem neben neuen Ansätzen zur Energieverteilung in Passivhäusern und der regenerativen Deckung des Bedarfs auch die Mobilität in die Betrachtung mit einbezogen wird, sieht entsprechend eine Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik zur Wärmeversorgung vor.

Das freistehende Einfamilienhaus der Familie Malz in Passivhaus-Bauweise weist einen spezifischen Heizwärmebedarf von lediglich 10 kWh/m²a. Der daraus resultierende geringe Strombedarf für die Kleinstwärmepumpe kann in der Jahresbilanz mit wenigen Quadratmetern Photovoltaikfläche solar gedeckt werden. Die PV-Anlage mit knapp 8 kWp installierter Leistung wird dadurch den Prognosen zufolge deutlich mehr Energie erzeugen, als für einen normalen Betrieb des Gebäudes benötigt wird. Während die Nachbargebäude übliche Verbraucher darstellen, wird dieses Haus zu einem Energieversorger im Gesamtsystem. Weitergehende Informationen zu diesem Projekt sind auf der Internetseite http://www.fellbach-solar.de zu finden.

Weiterführende Literatur:

Broschüre "Energie Photovoltaik - architektonische Gebäudeintegration", Informationszentrum Energie im Landesgewerbeamt B-W, Stuttgart

Broschüre "Planen mit der Sonne", Initiativkreis Wärmepumpe e.V., München

Voss, Karsten, et.al. "Gebäudeenergiekonzepte mit Photovoltaik", Fraunhofer ISE, Freiburg, in: 16. Symposium Photovoltaische Solarenergie, OTTI e.V., Regensburg

Der Autor:

Dipl.-Ing Thomas Stark, Institut für Baukonstruktion L2,
Prof. Stefan Behling, Universität Stuttgart
Geschwister-Scholl-Straße 24B, 70176 Stuttgart
e-Mail: t.stark@baunetz.de

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