02. Februar 2023

Umweltfreundlich und kostensparend heizen mit Wärmepumpe und Photovoltaik

Hauptsächlich in Neubauten gelten Wärmepumpen als Heizung der Zukunft, da sie erneuerbare Energien aus der Umgebung sehr günstig zum Heizen nutzen können. Hocheffizient, nahezu wartungsfrei und sehr langlebig nutzen Wärmepumpen die natürliche Wärme aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser.

Dabei gewinnt eine Wärmepumpe aus einer Kilowattstunde Strom das Drei- bis Vierfache an Wärme[1]. Somit werden rund 75 % erneuerbare Energien zum Heizen genutzt und lediglich 25 % Strom zur Erhöhung des Temperaturniveaus benötigt. Wird die Wärmepumpe mit einer Photovoltaik-Anlage kombiniert, so können auch diese verbleibenden 25 % Energie durch selbsterzeugten Solarstrom genutzt werden.

Wärmepumpen wandeln regenerative Energien in Wärme um

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist vom Prinzip her genau dieselbe, wie wir sie von einem herkömmlichen Kühlschrank kennen. Während jedoch der Kühlschrank seinem Innenraum Wärme entzieht und diese an die Umgebung abgibt, entzieht die Wärmepumpe dem Außenbereich Wärme und gibt sie in Form von Heizungsenergie in das Gebäude ab.

Dafür nutzen Wärmepumpen verschiedene Quellen. Sie können entweder die natürliche Wärme aus der Umgebungsluft nutzen oder dem Erdreich sowie dem Grundwasser. Dafür macht sich die Wärmepumpe ein physikalisches Prinzip zunutze, den sogenannten Joule-Thomson-Effekt[2]. Der positive Nebeneffekt: Die Wärmepumpe heizt im Winter und kühlt im Sommer in Verbindung mit einer Flächenheizung.

Die verschiedenen Arten von Wärmepumpen mit Photovoltaik kombiniert

Je nach Nutzung der Wärmequelle gibt es Wärmepumpen in verschiedenen Ausführungen und Bauarten. Hier sind die wichtigsten Arten von Wärmepumpen kurz aufgeführt.

Wärmepumpen arbeiten besonders energieeffizient, wenn eine niedrige Vor- und Rücklauftemperatur vorliegt. Aus diesem Grund arbeiten insbesondere Niedertemperaturheizungen ideal in Verbindung mit einer Wärmepumpe.

Diese Technik steckt in einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus einer Wärmequellenanlage, einer Wärmepumpe und einem Wärmeverteil- und Speichersystem. Die Wärmequellenanlage entzieht der Umgebung die benötigte Wärmeenergie. Die eigentliche Wärmepumpe macht anschließend die gewonnene Umweltwärme nutzbar. Und das Wärmeverteilsystem sorgt für die Wärmestreuung im Haus und das Speichersystem speichert Wärmeenergie zwischen. Dabei läuft der technische Prozess in drei Schritten ab.

Schritt 1: Wärme-Gewinnung

Innerhalb der Wärmequellenanlage zirkuliert eine Sole (mit Frostschutzmittel versetztes Wasser). Diese nimmt die Umweltwärme aus Erde und Wasser auf und gibt sie an die Wärmepumpe weiter. Wird die Wärme der Luft entzogen, so wird die Außenluft über einen Ventilator angesogen und dann der Wärmepumpe zugeführt.

Schritt 2: Wärme-Nutzbarmachung

Die Wärme steht jetzt der Wärmepumpe zur Verfügung und wird innerhalb eines weiteren Kreislaufs aufbereitet, in dem ein Kühlmittel zirkuliert. Dafür erwärmt die Umweltenergie im Wärmetauscher (Verdampfer) das Kältemittel, bis es verdampft. Dieser Dampf wird anschließend zu dem Verdichter (Kompressor) geleitet, der das Temperaturniveau durch Druck erhöht. Nun wird in einem weiteren Wärmetauscher (Verflüssiger) das Kältemittelgas kondensiert. Dabei gibt es seine Wärme ab. Für diese Wärmegewinnung wird zusätzlich elektrischer Strom benötigt.

Schritt 3: Beheizung

Die aufbereitete Wärme steht nun dem Wärmeverteil- und Speichersystem zur Verfügung, die es auf ein Heizmedium überträgt. In der Regel wird als Heizmedium Wasser genutzt. Das erwärmte Wasser zirkuliert innerhalb des Heizsystems des Gebäudes (zum Beispiel innerhalb von Flächenheizungen, Fußboden-/Wandheizungen oder Heizkörpern). Oder es wird weitergeleitet zu einem Heizungspufferspeicher beziehungsweise Warmwasserspeicher.

Photovoltaik + Wärmepumpe: die perfekte Kombination für Umwelt und Kosteneinsparung

Für die Nutzbarmachung der Umgebungsenergien aus Luft, Erde und Wasser benötigt eine Wärmepumpe zusätzliche Energie. Auch wenn diese nur rund ein Viertel des Gesamtenergiebedarfs der Pumpe darstellt, handelt es sich dabei in der Regel um Strom aus dem öffentlichen Netz.

Ein Energiespeicher optimiert das Zusammenspiel von Photovoltaik und Wärmepumpe

Steigende Strompreise und sinkende Einspeisevergütungen führen dazu, dass es heute am sinnvollsten ist, möglichst viel des eigenen Solarstroms selbst zu verbrauchen. Eine Wärmepumpe nutzt diese Sonnenenergie zum Heizen und Warmwasseraufbereiten.

Jedoch kann der Eigenverbrauchsanteil um ein Vielfaches gesteigert werden mithilfe eines Energiespeichers. Damit wird ein Zwischenspeichern der überschüssig produzierten Sonnenenergie während des Tages möglich, die dann während der Abend- und Nachtstunden weiterhin zum Antrieb der Wärmepumpe genutzt werden kann.

Neben dem positiven Effekt für die Umwelt und das Klima werden dadurch die Kostenersparnisse für das Heizen und die Warmwasseraufbereitung erheblich gesenkt. Zudem befreit ein derart autarkes Energiesystem von der Abhängigkeit des Strom- und Brennstoffmarkts.

Diese technischen Möglichkeiten der Steuerung einer Photovoltaik-Wärmepumpen-Anlage gibt es

Bereits heute gibt es verschiedene technische Möglichkeiten für die Kommunikation zwischen einer Photovoltaik-Anlage und einer Wärmepumpenheizung. Dabei erfolgt die Anbindung in der Regel über SG-Ready, einer Schnittstelle an der Wärmepumpe für die intelligente Steuerung der PV-Anlage und der Wärmepumpe. SG steht für Smart Grid (intelligentes Stromnetz).

Dank der SG-Ready Schnittstelle kann die Wärmepumpe ein Signal erhalten, wenn die Solaranlage einen Überschuss an Sonnenenergie erzeugt, sodass die Wärmepumpe dann diesen Solarstrom beispielsweise für das Aufheizen des Warmwasserspeichers nutzt. Die Schnittstelle kann auf verschiedene Arten angesteuert werden.

Steuerung über Relais-Schaltung nach Leistung

Der Wechselrichter wird direkt über eine Leitung mit der Wärmepumpe verbunden. Hierfür kann ein Relais mit potentialfreien Kontakten genutzt werden, über welches die meisten Wechselrichter verfügen. Wird nun durch die Solaranlage so viel Energie erzeugt, dass ein bestimmter Schwellwert überschritten wird, dann schaltet das Relais.

Der Schwellwert kann individuell eingestellt werden und entspricht normalerweise der Leistung des Durchschnittsverbrauchs des Haushalts plus der Leistung der Wärmepumpe (500 W). Wird der Schwellwert erreicht, dann steuert der Wechselrichter den SG-Ready-Eingang an.

Steuerung über Smart Meter

Statt des Wechselrichters kann auch ein intelligenter Stromzähler (Smart Meter) die Wärmepumpe über eine Leitung ansteuern. Auch hier wird die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe im Vorfeld eingestellt und gilt als Schaltkriterium. Dadurch wird nicht der produzierte Solarstrom gemessen, sondern lediglich der überschüssige Sonnenstrom nach Versorgung aller weiteren Stromverbraucher im Haushalt.

Steuerung über Energiemanagement-System

Ebenfalls kann die Steuerung durch einen smarten Energiemanager erfolgen. Das smarte Energiemanagement-System ermöglicht darüber hinaus die Visualisierung der Energieflüsse und eine ideale Nutzung des selbst erzeugten Solarstroms.

Innerhalb des Energiemanagement-Systems können einzelne Stromverbraucher (Waschmaschinen, Trockner etc.) hinterlegt werden. Wird ausreichend PV-Strom produziert, werden sie entweder direkt oder über eine Funksteckdose durch den Energiemanager aktiviert.

Dieses smarte System zieht sogar Wetterdaten aus dem Internet hinzu, sodass auf Basis von Ertragsprognosen eine erweiterte Optimierung des Eigenverbrauchs ermöglicht wird. Wie alle weiteren Verbraucher können auch Wärmepumpen problemlos in ein Energiemanagement-System eingebunden werden.

Photovoltaik und Wärmepumpe – Fazit

Die Kombination von Photovoltaik und Wärmepumpe ist eine nachhaltige und effiziente Möglichkeit, beide Systeme zu optimieren, sodass eine deutliche Steigerung des Eigenverbrauchs erreicht wird. Das trägt erheblich zur Wirtschaftlichkeit beider Anlagen bei. Dies kann sogar noch übertroffen werden, indem die Photovoltaik-Anlage und die Wärmepumpe um einen Energiespeicher (Stromspeicher, Pufferspeicher) erweitert wird.

Während der durchschnittliche Eigenverbrauch bei Solaranlagen bei 30 % liegt, erhöht sich dieser durch die Wärmepumpe auf rund 50 %. Mit Einsatz eines Speichers lässt sich der Eigenverbrauch sogar auf 80 % steigern. Damit bietet dieses Energiesystem neben einem hohen Autarkiegrad auch eine ausgesprochen gute Wirtschaftlichkeit aller Komponenten.