Modellbildung und Simulation von photovoltaisch angetriebenen Wärmepumpensystemen

Im Jahr 2012 entfiel knapp ein Viertel des Endenergieverbrauchs der Bundesrepublik Deutschland auf die Bereitstellung von Raumwärme und Brauchwarmwasser in Privathaushalten. Die technische Umsetzung erfolgt dabei in aller Regel noch immer auf der Basis von konventionellen Energieträgern. Verschiedene Untersuchungen zeigten jedoch, dass stattdessen der Einsatz einer Wärmepumpe in Kombination mit einer lokalen photovoltaischen Stromerzeugung enorme energetische und ökologische Potentiale eröffnet. Neben zahlreichen Definitionen für bilanzielle Niedrigst- oder Plusenergiegebäude befassten sich bislang nur wenige Arbeiten mit der tatsächlich erreichbaren Netzautarkie solcher Systeme. Die vorliegende Ausarbeitung untersucht daher im Speziellen die Wechselwirkungen zwischen Gebäude- und Anlagentechnik. Dazu werden u.a. Berechnungsmodelle für ein typisches Einfamilienhaus mit variierenden energetischen Standards sowie für verschiedene Raumheizungssysteme, thermische und elektrische Speicher, eine Leistungs-modulierende Wärmepumpe und eine Photovoltaik-Anlage erstellt. Ebenso werden die gängigen hydraulischen Einbindungen aufgezeigt, bewertet und eine optimierte Variante vorgeschlagen. Auf der Grundlage der hydraulischen Voraussetzungen wird auch ein detailliertes Regelungskonzept des Kaltdampfprozesses einer Wärmepumpe vorgestellt. Anhand der Simulationsstudien zeigt sich, dass selbst für ein hoch-wärmegedämmtes Gebäude mit maximaler Photovoltaik-Belegung sowie thermischen und elektrischen Speichern einer üblichen Größenordnung keine vollständige Autarkie zu erwarten ist. Höchstwerte der Netzunabhängigkeit ergeben sich mit etwa 60 - 70 %. Als entscheidend stellt sich dabei der Einsatz eines elektrischen Speichers zum Ausgleich der tageszyklischen Schwankungen zwischen Wärmebedarf bzw. Stromverbrauch und der solaren Einstrahlung heraus. Das Potential von thermischen Speichern und Eigenstrom-optimierten Regelstrategien erweist sich unterdessen als gering, da das größte Hindernis zu einer vollständigen Autarkie in der saisonalen Diskrepanz zwischen Photovoltaik-Strom und Wärmebedarf besteht. Ferner wird ein thermisches Modell für einen sog. Photovoltaik-Luftkollektor erstellt. Die Grundidee zur Steigerung der Wärmepumpen-Effizienz durch eine Vorerwärmung der Außenluft bei gleichzeitiger Kühlung der Photovoltaik-Zellen zeigt sich dabei jedoch als kaum nutzbar.