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Steuerung Wärmepumpe: Welche Einstellungen optimieren die Kombination mit Photovoltaik?
Die Kombination von Wärmepumpen und Photovoltaikanlagen (PV) bietet grosses Potenzial zur Reduzierung des Strombezugs und zur Steigerung der Energieeffizienz.
Mit der Wärmepumpe wird der selbstproduzierte Photovoltaikstrom in Nutzwärme umgewandelt. Bei der Dimensionierung einer Wärmepumpe ist die Steuerung der Wärmepumpe der zentrale Faktor, um den Strombezug aus dem Netz zu reduzieren und damit die jährlichen Betriebskosten zu senken. Wie können Eigenverbrauch, Netzbezug und Kosten optimiert werden? Im Auftrag von EnergieSchweiz hat Prof. Dr. David Zogg von der Smart Energy Engineering GmbH das Thema «Optimale Steuerung von Wärmepumpen in Kombination mit Photovoltaik» untersucht. In Praxisprojekten wurde verschiedene Wärmepumpen Steuerungen untersucht und dabei geprüft, wie diese optimiert werden können und was heute technisch möglich ist. Die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Steuerung der Wärmepumpe wurden im Jahresverlauf in der Software zur Planung und Simulation von Wärmepumpen Polysun modelliert. Die Resultate und Erkenntnisse wurden in einem Webinar präsentiert und sind in diesem Blogbeitrag zusammengefasst.
Bedeutung der Wärmepumpe Steuerung
Die Wärmepumpe Steuerung spielt eine entscheidende Rolle für die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der gesamten Heizungsanlage. Eine optimierte Steuerung kann den Strombezug erheblich reduzieren und damit nicht nur zur Erreichung der Klimaziele beitragen, sondern auch den steigenden Strompreisen entgegenwirken. Laut dem Bundesamt für Energie sollen in der Schweiz bis 2030 rund 600.000 Wärmepumpen installiert werden, was nahezu einer Verdopplung entspricht. In Deutschland sind die Ambitionen mit über 6 Millionen installierten Wärmepumpen noch höher.
Steuerung Wärmepumpe mit Photovoltaik: Welche Möglichkeiten gibt es heute in der Praxis?
Für die Modellierung der unterschiedlichen Wärmepumpen Steuerungen wurde das untenstehende Hydraulik-Schema mit den entsprechenden Reglern verwendet. Die Resultate der verschiedenen Möglichkeiten zur Steuerung Wärmepumpe mit Photovoltaik werden anhand eines Referenzzeitraums aus der Simulation in Polysun visualisiert. Das Modell ist aus den im Webinar vorgestellten Praxisbeispielen entstanden. Das Modell enthält programmierbaren Steuerungen zur Steuerung der Heizung, Brauchwarmwasser, welche die Wärmepumpe steuert und eine Steuerung für das Mischventil (Heizregler). Diese Steuerungen wurde für die Modellierung der einzelnen Varianten anders programmiert.
Steuerung Wärmepumpe: Option keine Optimierung
Steuerung Wärmepumpe ohne Optimierung. Die Warmwasser Produktion erfolgt am Tag
Solaranlage und Wärmepumpe sind nicht über eine Steuerung miteinander verbunden. Das bedeutet, dass der Einsatz der Wärmepumpe nicht mit der Verfügbarkeit von Solarstrom getaktet und entsprechend hinsichtlich des Eigenverbrauchs nicht optimiert werden kann.
Als zusätzliche Variante wird im Webinar ein Beispiel mit einer zusätzlichen Batterie gezeigt. Diese wird aufgeladen, wenn Solarstrom zur Verfügung steht und dann meist sofort von der Wärmepumpe am Abend entladen. In der Praxis gibt es viele Beispiele von Batterien, die nur wenig Energie für die Wärmepumpe puffern können. Dies liegt daran, dass die mögliche Batteriegrösse in der Praxis oft begrenzt ist. Einerseits durch die Menge des produzierten Überschussstroms und andererseits durch die vielen Schlechtwettertage, an denen die Batterie nicht gefüllt werden kann. Eine Wärmepumpe benötigt eine relativ konstante Strommenge.
Steuerung Wärmepumpe: Option automatische Optimierung mit Überhöhung Puffer-Speicher, Warmwasserspeicher und Heizen am Tag
Steuerung mit automatischer Optimierung mit Überhöhung Puffer-Speicher, Warmwasserspeicher und Heizen am Tag
Durch die Überhöhung der Temperatur im Pufferspeicher wird der Energieverbrauch der Wärmepumpe mit der Energieerzeugung aus der Photovoltaik optimiert.
Dazu sind mindestens zwei Arten von Thermostaten erforderlich. Am Heizkörper und zur Regelung der Raumtemperatur sollte ein programmierbarer Thermostat vorhanden sein. Damit können Raumtemperatur und Pufferspeicher im Tagesverlauf programmiert werden. Dieses System ist kostengünstig zu realisieren, an Tagen mit geringer Sonneneinstrahlung kommt es jedoch ohne intelligentes System zu einem hohen Verbrauch durch die Wärmepumpe aufgrund des fehlenden Solarstroms.
Heutiger Standard sind Wärmepumpen mit der Option SG-Ready. Dabei wird die Wärmepumpe mit einem Energiemanager verbunden. Dadurch kann die Temperatur des Pufferspeichers oder des Warmwasserspeichers intelligent in Abhängigkeit von der Solarstromerzeugung gesteuert werden. Das Mischventil sorgt dafür, dass die Temperatur im Gebäude nicht zu hoch wird. Die SG-Ready Schnittstelle kennt 4 Betriebszustände: gesperrt, freigegeben, Wunsch, Zwang. Weitere Informationen finden Sie im Webinar.
An Tagen mit hoher Stromerzeugung aus Photovoltaik wird die Speichertemperatur überhöht. Die Speicher entleeren sich schnell, wenn nachts Energie für die Wärmepumpe benötigt wird. Die Speicherkapazität von technischen Speichern ist begrenzt, da die Speicher relativ klein sind.
Möchten Sie mehr zu der Planung von Wäremepumpensystemen mit geschickter Verknüpfung mit PV erfahren und die Möglichkeiten von Polysun kennenlernen?
Zusätzlich zur Überhöhung der Temperatur der technischen Speicher kann eine Batterie hinzugefügt werden und mittels Energiemanager intelligent angesteuert werden. Dadurch wird der nach der Anhebung der Temperatur in den technischen Speicher verfügbare Überschuss der Stromproduktion aus Photovoltaik in einer Batterie gespeichert. Der Energiemanager muss ein Batteriespeicher enthalten oder es muss ein Batteriespeicher nachrüsten werden, was relativ teuer ist.
Die Batterie wird entladen durch den normalen Haushaltsstrom, nicht jedoch durch die Wärmepumpe, da der Pufferspeicher erhöht wurde.
Wann lohnt sich ein PV Heizstab für die Warmwasseraufbereitung?
Die Grundidee ist, dass bei Zeiten hoher Stromproduktion zusätzlich der PV Heizstab zugeschaltet wird.
Durch den Einsatz des PV Heizstabes wird die Temperatur nochmals überhöht. Bei einem gleichzeitigen Einsatz einer Wärmepumpe bringt der Einsatz eines PV Heizstabs in den meisten Fällen nichts, da durch die höhere Temperatur mehr Verluste auftreten und der Elektrostab drei Mal weniger effizient ist, als die Wärmepumpe.
Option vollständiges Thermomanagement des kompletten Gebäudes
Steuerung mit vollständigem Thermomanagement des kompletten Gebäudes
Die Nachtabsenkung der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe zur Verbrauchsreduzierung ist heute bei modernen, gut gedämmten Gebäuden nicht mehr sinnvoll. Neu kommt es zu einer Taganhebung der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe und der Speichertemperatur aus folgenden zwei Gründen. Einerseits zur Eigenverbrauchssteigerung des elektrisch produzierten Photovoltaik-Stroms und anderseits bei Luftwärmepumpen hat man am Tag eine höhere Aussentemperatur und dadurch eine Effizienzsteigerung. Diese Taganhebung kann fix programmiert werden oder intelligent variabel je nach Überschuss der Stromproduktion durch Photovoltaik.
Die Wärmepumpe kann variabel gesteuert werden und die Wärmepumpe ist drehzahlgeregelt. Es gibt einen Raumtemperatur-Regler, der mit dem Energiemanager (BUS) verbunden ist. Dadurch kann aktives Temperaturmanagement betrieben werden, d.h. der Energiemanager beeinflusst die Solltemperatur im Gebäude und überwacht den Temperaturverlauf.
Beispielsimulation in Polysun, wo mit vollständigem Thermomanagement die Photovoltaik Stromproduktion und Strombezug Wärmepumpe durch Einspeicherung von Energie im Gebäude perfekt abgestimmt wird.
Die Wärmepumpe läuft tagsüber länger und nachts kürzer. Bei höherer Produktion von Photovoltaikstrom wird die Raumtemperatur leicht erhöht um 1 Grad (türkis). Die Leistung der Wärmepumpe an Tagen ohne PV-Überschuss stark reduziert, da die im Gebäude gespeicherte Energie genutzt werden kann. Inverter-Wärmepumpen können an Schlechtwettertagen mit stark reduzierter Drehzahl betrieben werden, was den Energiebedarf zusätzlich minimiert.
Welche Wärmepumpe Steuerung überzeugt in den untersuchten Beispielen?
| Vorteil | Nachteil | |
| Keine Optimierung Wärmepumpe und PV-Anlage sind nicht verbunden. Solarstrom kann nicht gezielt genutzt werden. | Weniger Aufwand für die Optimierung der Steuerung. | Niedriger Eigenverbrauch und hohe Netzabhängigkeit. |
| Fixterminierte Überhöhung Puffer-Speicher, Warmwasserspeicher und Heizen am Tag | Kostengünstig, schnelle Amortisation (ca. 6–7 Jahre) | Erhöhter Netzbezug an Tagen mit geringer Solarproduktion |
| Intelligente SG-Ready Steuerung: Überhöhung der Pufferspeicher, Warmwasserspeicher, Heizen am Tag | Effizientere Nutzung des Solarstroms, insbesondere im Sommer | Höhere Investitionskosten im Vergleich zu einfachen Lösungen. Die Amortisationszeit beträgt 10 Jahre |
| Zusätzlicher Batteriespeicher | Hohe Investitionskosten und begrenzte Effizienz im Winter | |
| Zusätzlicher Elektroheizstab | Höhere Energieverluste, schlechte Wirtschaftlichkeit | |
| Komplettes Thermomanagement mit dynamische Anpassung der Raum- und Speichertemperaturen an Solarstromproduktion und Außentemperaturen | Höchste Effizienz, Eigenverbrauch und Wirtschaftlichkeit. Lange Laufzeiten der Wärmepumpe tagsüber reduzieren Nachtverbrauch und damit Netzbezug | Hohe Anforderungen an Steuerung und Invertertechnik |
Fazit hinsichtlich der verschiedenen Wärmepumpen Steuerungen
Die optimale Steuerung der Wärmepumpe in Kombination mit einer Photovoltaikanlage ist ein entscheidender Faktor für die Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit von Gebäuden. Durch gezielte Einstellungen und den Einsatz intelligenter Regelungstechnik kann der Strombezug aus dem Netz reduziert und die Wirtschaftlichkeit erhöht werden. Dabei ist es wichtig, die Steuerung der Wärmepumpe, die Energiebedarfsdeckung des Gebäudes und die Stromerzeugung durch Photovoltaik optimal zu kombinieren und den Einsatz der richtigen Zusatzkomponenten wie Pufferspeicher und Mischventile in der Planung zu berücksichtigen..
Prof. Dr. David Zogg zieht aus den untersuchten Praxisbeispielen die folgenden Schlussfolgerungen:
- Die im Webinar und zusammenfassend in diesem Blog vorgestellten Regelstrategien haben sich in der Praxis bewährt
- Simulation und Realität stimmen gut überein
- Dank Simulation können die optimalen Einstellungen vorgängig gefunden werden
- Ein Thermomanagement bringt zusätzliche Energieeffizienz
- Der Einsatz von Elektroheizstäben ist möglichst vermeiden
- Themische Speicher sind günstiger als Batterie
- Die Einbindung des Thermomanagements wird in Zukunft noch einfacher durch standardisierte Schnittstellen
Wärmepumpe einstellen mit Photovoltaik Anlage: Worauf sollten Sie achten?
Die optimale Einstellung der Wärmepumpe auf die Stromproduktion aus Photovoltaik ist entscheidend für die Energieeffizienz. Die folgenden Punkte sind zu beachten:
- Temperaturmanagement: Die Steuerung sollte so eingestellt werden, dass die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe tagsüber angehoben wird, um den Eigenverbrauch zu maximieren. Dies kann durch eine gezielte Anhebung der Temperatur der technischen Speicher und Raumtemperatur während der Photovoltaik Produktion erreicht werden.
- Nachtabsenkung vermeiden: In modernen gut isolierten Gebäuden ist es oft sinnvoll, die Nachtabsenkung zu minimieren oder ganz zu vermeiden. Dies sorgt dafür, dass die Raumtemperatur konstant bleibt und die Wärmepumpe effizienter arbeiten kann.
- Einsatz von Speichermöglichkeiten: Die Nutzung von thermischen Speichern im Gebäude kann die Effizienz weiter steigern. Die Speicherung von überschüssiger Energie aus Photovoltaik kann durch die Wärmepumpe gezielt gesteuert werden, um den Eigenverbrauch zu maximieren.
- Regelungstechnik: Der Einsatz von intelligenter Regelungstechnik, die auf die spezifischen Bedürfnisse des Gebäudes abgestimmt ist, kann die Effizienz erheblich steigern. Hierbei sollten die Sensoren und Steuerungen optimal eingestellt werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
Aufgrund der Komplexität der Wärmepumpen Steuerung und den verschiedenen zusätzlichen Optimierungsmöglichkeiten der Systeme zum Beispiel mittels Zusatzkomponenten empfiehlt es sich für den Planer, Energieberater oder Projektleiter die Steuerung der Wärmepumpe mittels verschiedenen Varianten über den Jahresverlauf in einer Planungssoftware zu simulieren und durch die Steuerungslogik das optimale Energiesystem zu evaluieren. Die Einstellungen der Regler (Schwellwerte, Freigabezeiten etc.) müssen für jedes Projekt individuell optimiert werden. Die im Webinar und in diesem Blog gezeigten Varianten sind in Polysun als Vorlage hinterlegt und können bei der Dimensionierung einer Wärmepumpe entsprechend verwendet werden.
Nehmen Sie mit uns Kontakt auf und fordern Sie ein Beratungsgespräch an. Wir beraten Sie gerne zu den Möglichkeiten, unsere Simulationssoftware Polysun erfolgreich für Ihre Projekte einzusetzen.
Referierende:
Prof. Dr. David Zogg, Smart Energy Engineering GmbH
Hanna Gäbelein, Vela Solaris AG
