Integration von Hauswärmepumpen mit Solar-PV und Batteriespeicher

Hydronische Systemanschlüsse für die Wärmepumpensysteme

Forscher am Fraunhofer ISE haben das Potenzial von Solarstromanlagen auf Wohndächern erforscht, insbesondere wie sie mit Wärmepumpen und Batteriespeichern zusammenarbeiten können.

Ihre Studie konzentrierte sich auf ein 1960 erbautes Einfamilienhaus in Freiburg, Deutschland, das mit einem System ausgestattet war, das Photovoltaik (PV)-Paneele, eine Wärmepumpe und einen Batteriespeicher kombinierte und alles von einem Smart Grid (SG) verwaltet wurde. bereit Kontrolle. Shubham Baraskar, ein Forscher, teilte dem PV Magazine mit, dass die intelligente Steuerung den Betrieb der Wärmepumpe effektiv steigerte, indem sie die eingestellten Temperaturen erhöhte. Beispielsweise erhöhte die Steuerung die Vorlauftemperatur für die Warmwasserbereitung um 4,1 Kelvin, was zu einer Reduzierung der Jahresarbeitszahl (SPF) um 5,7 % von 3,5 auf 3,3 führte. Im Raumheizungsmodus reduzierte die intelligente Steuerung den Lichtschutzfaktor um 4 %, von 5,0 auf 4,8.

Der SPF unterscheidet sich, ähnlich wie der Leistungskoeffizient (COP), dadurch, dass er über einen längeren Zeitraum unter unterschiedlichen Bedingungen berechnet wird. 

Baraskar und sein Team haben ihre Ergebnisse in ihrer Studie „Analyse der Leistung und des Betriebs eines Photovoltaik-Batterie-Wärmepumpensystems basierend auf Feldmessdaten“ detailliert beschrieben, die in Solar Energy Advances veröffentlicht wurde. Sie stellten fest, dass die Hauptvorteile von PV-Wärmepumpensystemen ein geringerer Netzverbrauch und niedrigere Stromkosten sind.

Bei der vorgestellten Wärmepumpenanlage handelt es sich um eine 13,9 kW Erdwärmeanlage mit Pufferspeicher für die Raumheizung. Es umfasst außerdem einen Tank und eine Frischwasserstation für die Warmwasserbereitung (DHW), beide mit elektrischen Zusatzheizungen.

Die Solar-PV-Anlage ist mit einem Neigungswinkel von 30 Grad nach Süden ausgerichtet, verfügt über eine Leistung von 12,3 kW und erstreckt sich über 60 Quadratmeter. Die DC-gekoppelte Batterie hat eine Kapazität von 11,7 kWh. Das ausgewählte Haus verfügt über eine beheizte Fläche von 256 m² und einen jährlichen Heizwärmebedarf von 84,3 kWh/m²a.

Die Forscher erklärten, dass der Gleichstrom der PV- und Batterieeinheiten über einen Wechselrichter mit einer maximalen Leistung von 12 kW und einem europäischen Wirkungsgrad von 95 % in Wechselstrom umgewandelt wird. Die SG-ready-Steuerung interagiert mit dem Stromnetz und passt den Systembetrieb entsprechend an. Dies ermöglicht die Reduzierung der Netzbelastung in Zeiten hoher Last, indem die Wärmepumpe ausgeschaltet oder in umgekehrten Situationen aktiviert wird.

In dem von den Forschern entwickelten System wird der Solarstrom der PV-Module zunächst für den Haushaltsbedarf genutzt. Die überschüssige Energie wird dann an die Batterie weitergeleitet. Erst wenn der Bedarf des Hauses gedeckt ist und die Batterie vollständig geladen ist, wird überschüssige Energie ins Netz eingespeist. Wenn umgekehrt die PV-Anlage und die Batterie den Energiebedarf des Hauses nicht decken können, wird auf Strom aus dem Netz zurückgegriffen.

Das Team betonte, dass der SG-Ready-Modus aktiviert wird, wenn der Akku entweder vollständig oder maximal aufgeladen ist und immer noch überschüssiger Solarstrom vorhanden ist. Es schaltet sich aus, wenn die Solarenergie mindestens 10 Minuten lang geringer ist als der Bedarf des Hauses.

Ihre Studie, die detaillierte 1-Minuten-Daten von Januar bis Dezember 2022 umfasste, untersuchte den Eigenverbrauch, den Solaranteil, den Wirkungsgrad der Wärmepumpe und die Auswirkungen des PV-Systems und der Batterie auf die Leistung der Wärmepumpe. Sie fanden heraus, dass die SG-Ready-Steuerung die Vorlauftemperaturen der Wärmepumpe für Warmwasser (Warmwasser) um 4,1 K erhöhte und über das Jahr hinweg eine Eigenverbrauchsquote von 42,9 % erreichte, was zu finanziellen Einsparungen für Hausbesitzer führte.

Der Strombedarf für die Wärmepumpe wurde zu 36 % durch das PV-/Batteriesystem gedeckt, davon 51 % im Warmwasserbetrieb und 28 % im Raumheizbetrieb. Sie stellten jedoch fest, dass höhere Temperaturen den Wirkungsgrad der Wärmepumpe im Warmwassermodus um 5,7 % und im Raumheizmodus um 4,0 % verringerten.

Baraskar wies auf einen Nachteil bei der Raumheizung hin: Die intelligente Steuerung führte manchmal dazu, dass die Wärmepumpe aufgrund wahrscheinlicher Erhöhungen der Speichersolltemperatur über den erforderlichen Heiztemperaturen arbeitete, selbst wenn keine Heizung erforderlich war. Er erwähnte auch die Möglichkeit eines erhöhten Wärmeverlusts aufgrund zu hoher Lagertemperaturen.

Das Team plant, in Zukunft weitere Kombinationen von PV-/Wärmepumpensystemen mit verschiedenen Konfigurationen und Steuerungen zu erkunden. Sie betonten, dass diese Ergebnisse spezifisch für die von ihnen getesteten Systeme seien und je nach Gebäude- und Energiesystemspezifikationen variieren könnten.