Effiziente Kombination: PVT-Kollektoren und Wärmepumpe

Städtische Räume sind meist dicht besiedelt und haben einen hohen Energiebedarf. Soll dieser mit erneuerbarer Energie gedeckt werden, müssen geeignete Flächen möglichst effizient zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden. Hier bieten sich PVT-Kollektoren (photovoltaisch-thermische Kollektoren) an, die Solareinstrahlung photoelektrisch in Strom und solarthermisch in Wärme umwandeln.

Strom und Wärme können als Antriebsenergie beziehungsweise Wärmequelle für Wärmepumpen genutzt werden. Besonders relevant kann dies für ältere, sanierungsbedürftige Gebäude in dichter Bebauung sein, bei denen die Wärmequellen Außenluft und Erdwärme nur schwer erschlossen werden können.

Im Forschungsvorhaben PVTsolutions hat ein Team des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE gemeinsam mit dem Heizsystemanbieter Solvis und dem Absorberhersteller Solab jetzt PVT-Kollektoren mit soledurchströmtem Absorber entwickelt, die auch in Kombination mit einer Wärmepumpe gute Erträge erzielen können. Eine ihrer Entwicklungen konnten die Forschenden erfolgreich beim Europäischen Patentamt anmelden.

PVT-Kollektoren für unterschiedliche quellenseitige Temperaturniveaus

Auf einer Pilotfertigungslinie haben die Projektpartner zwei unterschiedliche PVT-Kollektortypen gefertigt. Die photovoltaisch-thermischen Kollektoren wurden in Demogebäuden getestet.

PVT-Kollektor mit Frontglas und Dämmung: Hierbei handelt es sich um einen gedämmten und vorderseitig abgedeckten Kollektor. Die zusätzliche Frontabdeckung des PV-Moduls durch eine Glasscheibe sowie die rückseitige Wärmedämmung minimieren den Wärmeverlust an die Umgebung. So können möglichst hohe Vorlauftemperaturen bei guter Effizienz erreicht werden. Der PVT-Kollektor ermöglicht es, in einem Heizsystem mit Niedertemperatur-Trinkwassererwärmung die Wärme direkt und ohne Temperaturhub durch eine Wärmepumpe zu nutzen. Das Wissenschaftsteam konnte zeigen, dass im Sommer und in den Übergangszeiten eine direkte Speicherbeladung (ohne Wärmepumpe) mit guter Kollektoreffizienz möglich ist. Kombiniert man diese Funktion zusätzlich mit einer Wärmepumpe, können die PVT-Kollektorjahreserträge nochmals deutlich steigen.

PVT-Niedertemperatur-Kollektor: Diese unabgedeckte Kollektorvariante ist teilweise mit einem Luftwärmeübertrager ausgestattet, der in Form von Alulamellen auf der Rückseite des Absorbers angebracht ist (Bild 6). Auf diese Weise ist es möglich, auch ohne Solarstrahlung Quellwärme für eine Wärmepumpe bereitzustellen. Experimente an kleinskaligen Absorbermustern haben gezeigt, dass die Lamellenstruktur eine Leistungssteigerung von 50 % und mehr im Vergleich zur Probe ohne Lamellen ermöglicht. Bei einer realen PVT-Installation ist die Steigerung aber sehr stark von der Montagesituation abhängig. Dieser Kollektortyp ist sehr spezifisch darauf ausgerichtet als Wärmequelle für eine Wärmepumpe im Heizsystem eines Gebäudes zu fungieren.

Unabgedeckte PVT-Kollektoren

Sind unabgedeckte PVT-Kollektoren die einzige Wärmequelle für eine Wärmepumpe, hängen der Wärmeertrag sowie die Systemleistung und -effizienz wesentlich von der Größe der Übertragungsfläche zur Umgebungsluft beziehungsweise des PVT-Kollektorfelds ab: Je größer etwa die durch Lamellen gesteigerte Übertragungsfläche beziehungsweise PVT-Kollektorfläche, desto höher ist die Verdampfertemperatur und desto besser die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe. Eine aufwändigere Bauart oder eine größere Kollektorfläche bedingen aber zugleich höhere Investitionskosten.

Um hier ein Optimum an Systemeffizienz und Wärmegestehungskosten für unterschiedliche PVT-Kollektorbauarten zu identifizieren und vergleichen zu können, wurden Systemsimulationen unter Variation der PVT-Kollektortypen und der installierten Kollektorfläche durchgeführt. Die Auftragung der Jahresarbeitszahl beziehungsweise der Wärmegestehungskosten über die jeweils verwendete Kollektorfläche pro Nennwärmeleistung der Wärmepumpe zeigt dabei die optimalen beziehungsweise erforderlichen Mindestflächen. So zeigte sich etwa, dass bei einem rückseitig ungedämmten PVT-Kollektor eine Kollektorfläche über 4 m²/kWth,WP,Nenn erforderlich ist, um bei der JAZ vergleichbare Werte wie eine Luft/Wasser-Wärmepumpe zu erzielen (Bild 3).

Allgemein ist es so, dass die Wärmeerträge und damit die JAZ steigen, je besser die thermische Anbindung des Fluids an die Umgebung ist. Dies kann etwa durch einen optimierten Wärmeübertrager im PVT-Kollektor ermöglicht werden. Ist das Kollektorfeld ausreichend groß, wird eine Jahresarbeitszahl zwischen der von Luft/Wasser- und Sole/Wasser-Wärmepumpen erzielt. Je nach Kollektorbauart sind Kollektorfelder mit einer Größe von ca. 2 bis 5 m²/kW_th,WP,Nenn erforderlich.

Wärmepumpen-Booster mit abgedeckten PVT-Kollektoren

Gerade in Mehrfamilienhäusern gibt es einen hohen Bedarf an Warmwasser. Eine direkte Nutzung der PVT-Wärme ist allerdings bei geringer Sonneneinstrahlung aufgrund der hohen geforderten Temperaturen für Warmwasser oftmals nicht möglich. Deshalb untersuchten die Forschenden, wie hier abgedeckte PVT-Kollektoren am besten integriert werden können. Dazu kombinierten sie die Anlage mit einem Wärmespeicher und einer Booster-Wärmepumpe, die PVT-Kollektoren werden je nach verfügbarer Solartemperatur direkt, sowie seriell und parallel über die Wärmepumpe, eingebunden. Auch die Erwärmung des oberen Speichervolumens unter Abkühlung des unteren Speichervolumens (Exergiebetrieb) ohne Solarbetrieb ist möglich. Durch die niedrigen Speichertemperaturen im unteren Volumen und die flexible Einbindung arbeiten die PVT-Kollektoren auf niedrigem Temperaturniveau und erzielen dadurch hohe thermische und elektrische Erträge.

Es zeigte sich, dass der Einsatz einer Booster-Wärmepumpe die thermischen Erträge von PVT-Kollektoren steigert (bis zu 300 % bei abgedeckten PVT-Kollektoren). Da die Quelltemperatur auch bei geringer Einstrahlung durch die Wärmepumpe auf die Soll-Temperatur angehoben wird, kann ein deutlich größerer Anteil erneuerbarer Wärme für die Trinkwassererwärmung verwendet werden. Der Beitrag des fossil befeuerten Heizkessels konnte im Simulationsbeispiel so um 33 % verringert werden.

Praxistests mit Mehrfamilienhaus und einem Bürogebäude

Getestet wurden die entwickelten PVT-Kollektoren und die verschiedenen Systemkonfigurationen in einem Mehrfamilienhaus in Salzgitter-Hallendorf (Bild 2) und einem Bürogebäude in Wierthe bei Braunschweig (Bild 1). Dazu wurden die Anlagen mit Messtechnik ausgestattet, ihre Betriebsdaten mehrere Monate lang erfasst und ausgewertet.

Im Mehrfamilienhaus kamen zehn abgedeckte PVT-Kollektoren (17 m²), ein 950-l-Pufferspeicher mit integriertem Heizmodul (Gas-Brennwert), eine Warmwasser- und Solarstation sowie eine Sole/Wasser-Booster-Wärmepumpe zum Einsatz (Bilder 4 und 5). Durch die kontinuierliche Erfassung der Betriebsdaten konnte das System schrittweise verbessert werden. Die Auswertung der Ergebnisse dieser Demonstrationsanlage wird sowohl von Solvis, als auch im Projekt integraTE (Initiative zur Marktetablierung und Verbreitung von Anlagen zur thermisch-elektrischen Energieversorgung mittels PVT-Kollektoren und Wärmepumpen im Gebäudesektor, pvt-energie.de) weitergeführt.

Für das Bürogebäude in Wierthe kamen 20 unabgedeckte PVT-Kollektoren auf einer wandhängenden Unterkonstruktion mit einer Gesamtbruttofläche von 33,5 m² und 6,6 kW_p elektrischer Leistung in fünf parallel verschalteten Teilfeldern zum Einsatz (Bild 1). Diese versorgten direkt die Quellseite einer Wärmepumpe mit 8 kW Nennleistung. Die Wärmepumpe deckt eine Teillast eines größeren Bürogebäudes ab, welches einen für ältere Bestandsgebäude üblichen Energiestandard hat.

Teilfeld 1 und 2 bestehen aus PVT-Kollektoren mit rückseitiger Alulamelle (Bild 6). Teilfeld 3 und 4 bestehen aus PVT-Kollektoren mit rückseitiger Alulamelle und Bohrungen an den Stirnseiten für ein verbessertes Luft-Anströmverhalten. Teilfeld 5 stellt die Referenz aus PVT-Kollektoren ohne Alulamelle dar.

Ergebnisse im Demobetrieb mit unabgedeckten PVT-Kollektoren

• Die Oberflächenvergrößerung der Rückseite der PVT-Kollektoren durch Alulamellen erbrachte unter Realbedingungen in dieser Einbausituation entgegen der Erwartungen keinen messbaren Vorteil.
• Die Wärmepumpe der Demonstrationsanlage lief auch bei ungünstigen Witterungsbedingungen durch, der Einsatz des integrierten Heizstabs war nicht notwendig.
• Auch bei reduziertem Flächenverhältnis (2,5 m²/kW) war die Bereitstellung von Temperaturen für Trinkwarmwasserbereitung und Radiatorheizung im Bestand möglich.
• Die PVT-Kollektoren lieferten bei Einstrahlung Quelltemperaturen teils deutlich über den Außenlufttemperaturen.
• Es konnten sehr gute Arbeitszahlen erreicht werden, diese lagen in den einzelnen Monatsmitteln zwischen 3,2 und über 4.

Der Weg zum optimierten PVT-Kollektor

Im Vorhaben PVTsolutions haben die Forschenden zusätzlich eine Fertigungstechnik entwickelt, die die optimierte Produktion von abgedeckten und unabgedeckten PVT-Kollektoren ermöglicht. Dazu war es zunächst erforderlich, die Komponente Absorber anzupassen. Herausforderungen waren dabei die Materialauswahl und Fügetechnik. So müssen beispielsweise Klebstoffe in PVT-Kollektoren jahreszeitlich schwankenden Temperaturen sowie Schnee- und Windlasten standhalten können und dabei möglichst ihre Festigkeit und Elastizität bewahren. Mit verschiedenen Tests konnte schließlich eine optimale Kombination aus Klebstoff und Klebeverfahren für die Produktionsbedingungen gefunden hatten.

Die Pilotfertigungslinie (Bild 7) umfasst 8 Positionen für einen Linienprozess in nur eine Richtung. Auf Position 1 des Rollentischs wird das PV-Modul in die Linie eingefahren. Dort wird der Kleber auf der Rückseite des PV-Moduls aufgetragen. Anschließend wird der Absorber auf das Klebebett aufgelegt und das PVT-Element mit einer Gegenkontur belegt. Auf Position 3 erfolgt eine Gewichtsbeschwerung. Die Positionen 4 bis 7 gewährleisten das Abbinden des Klebers. Auf Position 7 wird das Gewicht wieder abgehoben. Auf Position 8 findet die Qualitätskontrolle statt.

Als Alternative zu bisher verwendeten Absorberblechen identifizierten die Forschenden Aluminium-Streckgitter. Diese können einen Großteil der in der Praxis auftretenden Längenänderungen, die auch auf die Klebeverbindungen wirken, kompensieren. Diese Spannungen treten in der Praxis auf, da sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Glas unterscheiden. Eine Patentanmeldung beim europäischen Patentamt zur spannungsfreien, flächigen Verklebung eines Absorbers durch Streckgitter war erfolgreich und wurde Ende 2022 veröffentlicht.

Markteinführung ab 2023 geplant

Die PVT-Entwicklungen und die Erfahrungen mit der Pilotfertigungsanlage haben gute Voraussetzungen für eine rationelle und kostengünstigere Serienfertigung der PVT-Kollektoren geschaffen. Eine Markeinführung der unabgedeckten PVT-Kollektoren ist für 2023 geplant, der Vertrieb eines PVT-Gesamtsystems ab 2024.  

Die Autorin Birgit Schneider arbeitet am Forschungszentrum Jülich.