Potentiale der dynamisierten Betriebsführung von Wärmepumpen in Kombination mit PVT am Beispiel des Living Lab Wuppertal

Laut Koalitionsvertrag der Ampelregierung sollen ab 2025 neu eingebaute Heizungen zu 65% mit erneuerbarer Energie betrieben werden. Die Forderung kann u.a. durch den Anschluss an ein Fernwärmenetz, den Einbau einer Biomasseheizung, bei gut gedämmten Liegenschaften durch die Nutzung von Stromdirektheizungen etc. erfüllt werden. Derzeit absehbar wird jedoch vor allem die Verbreitung der Wärmepumpe zunehmen.

Aufgrund der Kompatibilität zu bestehenden Heizsystemen und damit geringen Umbau-Maßnahmen sind X-zu Wasser-Wärmepumpen besonders geeignet für den deutschen Gebäudebestand. Bei neu verbauten Wärmepumpen wird als Wärmequelle meistens Außenluft genutzt. Jedoch kann aufgrund der baulichen Umstände oder bestehender Auflagen z.B. zum Lärmschutz, die Nutzung von Luft-Wasserwärmepumpen erschwert sein. PVT-Sole-Wärmepumpen bieten durch die Kombination zweier Wärmequellen potenziell höhere Jahresarbeitszahlen als Luft-Wärmepumpen, sind prinzipbedingt geräuscharm und kombinieren PV- und Wärmeerzeugung, damit sind sie besonders geeignet für den hochverdichteten urbanen Raum mit beschränktem Flächenpotenzial, besonders für Solarsysteme.

Grundsätzlich stellen Wärmepumpen durch die Abhängigkeit der Effizienz von den Quell- und Senktemperaturniveaus besondere Anforderungen an die Betriebsführung. Für PVT-Wärmepumpen werden die Anforderungen noch durch die verstärkte Abhängigkeit von der Witterung verschärft. Umso geeigneter sind PVT-Wärmeerzeuger zur Demonstration des Nutzens eines bedarfsorientierten, effizienten Verfahrens zur Senkung der Betriebskosten und Dekarbonisierung. Eine Verringerung der Betriebskosten kann hier durch die Senkung der Lebenszykluskosten die höheren Beschaffungskosten ausgleichen.

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens, mit dem die Betriebskosten von PVT-WP so weit abgesenkt werden können, dass eine wirtschaftliche Nutzung in vielen Bestandsgebäuden möglich ist. Dies soll durch die Kombination neuer sowie bestehender Regelstrategien erreicht werden. Ansätze sind unter anderem die Maximierung der Systemeffizienz durch Eigennutzung des PV-Stromes, ein Fit von Bedarf und Bereitstellung der Wärmeträgertemperaturen, das Management thermischer Speicher sowie die Einbeziehung zeitvariabler Stromtarife in das Gesamtkonzept.

Für die Entwicklung des Verfahrens sollen sowohl numerische Modelle, basierend auf der Software TRNSYS sowie das Living-Lab in Wuppertal genutzt werden. Hierzu wird, begleitet durch diese Arbeit, ein PVT-Wärmeerzeuger gebaut. Durch einen geregelten Durchlauferhitzer am Kalt-Speicher ist die Simulation von unterschiedlichen PVT-Feldern und Feldgrößen möglich. Als Wärmeverbraucher fungieren unterschiedlich an das Wärmenetz angeschlossene unbewohnte Gebäude, mit denen sich verschiedene Szenarien simulieren lassen. Der bewohnte Zustand kann durch Besucher abgebildet werden, der Fokus liegt auf der Optimierung des Heizbetriebes, denn Warmwasser wird in den Gebäuden dezentral bereitgestellt.