Ingenieurfall: Hybrides PVT-Solarmodul- und Wärmepumpensystem

Eine Kombination aus erneuerbaren Energietechnologien ist mehr als die Summe ihrer Teile. Photovoltaisch-thermische Systeme in Verbindung mit Wärmepumpensystemen zählen zu den vielversprechendsten nachhaltigen hybriden Energieversorgungslösungen für Gebäude. Im Gegensatz zu herkömmlichen Formen der Solarwärme oder der Solarlichtübertragungstechnologien können PVT-Technologien sowohl elektrische Energie als auch Wärme erfassen, während die Wärmepumpe thermische Energie niedriger Temperatur (Wärme) auf eine nutzbare Temperatur anhebt. Gemeinsam bilden sie ein starkes Duo, das weltweit in realen Installationen erprobt und bewährt ist.

So funktioniert das Hybridsystem

Der PVT-Kollektor (Photovoltaisch-Thermisch) ist das zentrale Element dieses Systems und besteht aus Photovoltaikzellen, die auf der Rückseite an einem thermischen Absorber befestigt sind. Die PV-Zellen erzeugen Strom, wenn sie von der Sonne bestrahlt werden, und der thermische Absorber sammelt die Abwärme der Module und leitet sie an ein Fluid weiter, das in einem Kreislauf zirkuliert. Das Zwei-in-Eins-Design dieses Produkts löst einen der grundlegenden Nachteile herkömmlicher Solar-PV-Module – Überhitzung. Unter normalen Betriebsbedingungen des PVT-Kühlsystems wurde diese Energie untersucht; dabei zeigte sich, dass die elektrische Effizienz durch den Einsatz des PVT-Kühlsystems deutlich verbessert wird.

Die gewonnene Wärme wird dann als Niedertemperatur-Wärmequelle in einem Wärmepumpenkreislauf genutzt, wodurch die Belastung des Verdichters geringer ausfällt. Bei vielen Konfigurationen stellt die von der PVT-Anlage erzeugte thermische Energie einen bedeutenden Anteil der gesamten Wärmezufuhr an das System dar. Das Flüssigkeits-Überströmungsverfahren gewährleistet beispielsweise eine verbesserte Benetzung der Wände und eine vollständige Nutzung der für den Wärmeaustausch verfügbaren Oberfläche; dadurch saugt der Verdichter Dampf mit höherer Dichte an und es werden sowohl die thermische als auch die elektrische Leistung gesteigert. Diese effektive Kombination der beiden Technologien bildet einen geschlossenen Kreislauf, da Abwärme als Ressource genutzt wird.

Leistungskennzahlen aus realen Installationen

Die Leistung von PVT-Wärmepumpen-Hybridsystemen ist beeindruckend, und reale Messdaten bestätigen dies. Für das Gewächshaus an der Prüfstandsanlage für echte Winterbedingungen wurden Hybridanlagen – bestehend aus 12-kW-PVT-Solar-Kollektorfeldern und einer drehzahlgeregelten 10-kW-Wärmepumpe – hinsichtlich ihrer thermischen und elektrischen Leistung untersucht. Die Innentemperatur des Gewächshauses blieb während des gesamten Winters konstant bei 10 °C, unabhängig von Außentemperaturen unter −10,5 °C; insgesamt wurde eine Wärmemenge von 11.253 kWh bereitgestellt. Da während der Nebensaison nahezu kein Heizwärmebedarf bestand, wurde der übrige Betrag von 11.125 kWh gespeichert und anschließend in die jährliche Heizlast eingespeist, sodass sich eine Gesamtwärmemenge für das Jahr von 22.378 kWh ergab.

Seitens der Elektrik erzeugte das PVT-System im Jahresverlauf 3.839 kWh Strom und deckte damit 36,72 % des gesamten Stromverbrauchs der Wärmepumpe und des Zusatzsystems ab. Ein saisonaler Leistungskoeffizient (CoP) von 3,38 zeigte die Studie: Die Integration von PVT-Kollektoren mit einer Wärmepumpe unter kalten Bedingungen ermöglicht erhebliche Einsparungen beim Energieverbrauch sowie eine geringere Abhängigkeit vom konventionellen Stromnetz.

In einem gewerblichen Gebäude erreichte das System mit einer PVT-Fläche von 392 m² in einer typischen Woche einen Heizungs-CoP zwischen 5,8 und 6,3. Der umfassende System-CoP lag bei bis zu 11,4, während der jährliche Durchschnitts-CoP bei 5,5 lag. Die Amortisationsdauer des Systems betrug lediglich 3,8 Jahre. Eine weitere ganzjährig durchgeführte Untersuchung ergab einen durchschnittlichen CoP von 2,92 im Winter, 3,69 im Sommer und 3,46 in den Übergangszeiten; dabei wies der PVT-Verdampfer eine durchschnittliche thermische Effizienz von 60,37 % und eine gesamte thermoelektrische Effizienz von 70,12 % für durchschnittliche Monate auf. Dies gilt für Anwendungen sowie für Kostenvorteile.

Anwendungen und Kosten-Nutzen

Hybride PVT-Wärmepumpensysteme können besonders vorteilhaft für Standorte mit einem hohen jährlichen Wärmebedarf sein, wie beispielsweise Schwimmbäder, Waschsalons und Gewächshäuser. Diese Systeme können den größten Teil – wenn nicht sogar den gesamten – Heizbedarf decken und zudem einen Großteil des elektrischen Energiebedarfs für Haushaltsgeräte auf solchen Standorten abdecken, wenn sie als ‚primäre‘ Stromquelle für die Solarenergie genutzt werden. In den letzten Jahren wurden PVT-unterstützte Erdwärmepumpen (PVT-GHPs) eingeführt, bei denen sich eine um bis zu 20 Prozent höhere gesamte PVT-Exergieeffizienz sowie eine um 25,6 Prozent niedrigere Spitzen-Temperatur der PV-Module nachweisen ließ.

Die Kosteneinsparungen beschränken sich nicht nur auf den Energieverbrauch. In einer kommerziellen Anwendung zeigte sich, dass das System die jährliche Temperaturschwankung der Erdwärmespeicherung um lediglich 0,4 °C verringerte und eine Amortisationsdauer von 3,8 Jahren aufwies. Bei größerem Bohrlochabstand verkürzte sich die Amortisationsdauer um 18,8 %. Die Installation von PVT-Systemen zusammen mit Wärmepumpen führte zu einer Einsparung an Netzstrom von bis zu 70 % und damit auch zu einer Reduktion der CO₂-Emissionen sowie der Lebenszykluskosten!

Zukünftige Auswirkungen

Die Energiewende steht unmittelbar bevor; Vorschriften zur Gebäudeenergieeffizienz werden strenger als je zuvor durchgesetzt, und hybride PVT-Wärmepumpensysteme werden eine entscheidende Rolle spielen. Die Technologie zeigt zudem, dass erneuerbare Energiesysteme derart konzipiert werden können, dass ihre Leistung in Kombinationssystemen deutlich über der Einzelleistung der einzelnen Komponenten liegt. Das hybride PVT-Wärmepumpensystem ist daher eine etablierte, wirtschaftliche und umweltfreundliche Lösung für alle, die in ihre Immobilien investieren möchten, um Energieunabhängigkeit und Nachhaltigkeit zu erreichen.

Gegründet im Jahr 2009 arbeitet Jiangsu DHC Environmental Si-Tech Co., Ltd. mit Produkten für grüne Energie. Aufgrund ihrer hohen Qualität und ihres Serviceangebots liefert das Unternehmen sämtliche PVT-Solarmodule, Wärmepumpen, Windturbinen und LiFePO₄-Akkus für den Einsatz in Hybrid-Systemen. Rufen Sie uns noch heute an, um zu erfahren, wie unsere Lösungen Ihre Betriebskosten senken und Ihnen Energieunabhängigkeit verschaffen.