Die Kombination von Wärmepumpen und Solarthermie-Anlagen erfreut sich wachsender Beliebtheit. Sowohl Wärmepumpenhersteller als auch die Anbieter von Solarthermiesystemen bieten entsprechende Kombilösungen an. Zuletzt kamen Anfang des Jahres ein Komplettsystem von Rotex und im Juni 2009 das System Therma von Westfa sowie die Lösung Solaera von Consolar hinzu. Alle drei kombinieren Solarthermie mit Luft-Wasser-Wärmepumpen.
Aus Sicht von Experten macht diese Verbindung durchaus Sinn. Denn die Wärmepumpe erlaubt es, Sonnenenergie auch dann zu nutzen, wenn die Solarstrahlung für die direkte Heizungsunterstützung oder Brauchwassererwärmung nicht reicht. "Allerdings stellt sich die Frage, ob sich durch die Kombination von Gas- oder Ölheizungen mit Solarthermie nicht mehr Primärenergie einsparen lässt", merkt Harald Drück vom Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme ISE an.
Hans-Martin Henning, ebenfalls Forscher am Faunhofer ISE, hat untersucht, wie effizient verschiedene Kombinationen von Wärmepumpen und Solarthermie arbeiten. Das Ergebnis: Am effizientesten arbeitet eine entsprechende Kombination, wenn sie mit einem Latentwärmespeicher als Niedertemperatur-Pufferspeicher kombiniert wird. Denn dann erreicht das Gesamtsystem eine Arbeitszahl vom 4,2, während die Wärmepumpe allein nur auf 3,0 kommt.
Latentwärmespeicher nutzen den Phasenübergang ihres Speichermediums, um möglichst viel Wärmeenergie in möglichst wenig Masse zu speichern. Beim Aufladen von Latentwärmespeichern wird das Speichermedium geschmolzen und nimmt dabei Energie in Form der Schmelzwärme auf. Beim Erstarren gibt es diese Wärmemenge wieder ab. Die Nutzung eines Phasenübergangs ist effektiver als das bloße Erwärmen des Mediums: So wird beispielsweise beim Erstarren von Wasser, dem Phasenübergang vom flüssigen Wasser zum festen Eis bei 0 Grad, ungefähr soviel Wärme frei, wie zum Erwärmen der selben Menge Wasser von 0 auf 80 Grad benötigt wird.
In Hennings Untersuchung stellt die Arbeitszahl des Systems das Verhältnis aus Wärmebedarf für Brauchwasser und Heizung und bezogener elektrischer Energie dar. Der Wissenschaftler ging bei seiner Simulation von einem Latentwärmespeicher aus, dessen Schmelzbereich zwischen 15 und 20 Grad liegt.
Das System Therma von Westfa dagegen arbeitet mit einem Eis-Speicher. Und auch Consolar‘s Solaera besteht aus Kollektoren, Wärmepumpe, einem Latentwärmespeicher auf Wasser-Eis-Basis und einem Kombispeicher. Besonderheit des Consolar-Systems: Die Luft kommt ebenfalls vom Dach. Das System arbeitet mit Hybridkollektoren, die neben den Sonnenstrahlen auch die Wärme aus der Umgebungsluft einfangen. Ob dies tatsächlich Effizienzvorteile gegenüber der Außeneinheit einer Luft-Wärmepumpe im Garten hat, ist umstritten. Eindeutig vorteilhaft dürfte jedoch die geringere Geräuschbelästigung sein, auch wenn alle Wärmepumpenhersteller unisono beteuern, die Außeneinheit sei kaum zu hören.
Der hohen Effizienz der Kombilösungen mit Latentwärmespeicher stehen die vergleichsweise hohe Komplexität und ein höherer Preis als bei einfachen Kombinationen gegenüber. Einfacher ist es, Luft-Wasser-Wärmepumpe und Solaranlage unabhängig nebeneinander zu betreiben. Allein dadurch erhöht sich die Arbeitszahl von 3,0 (nur Wärmepumpe) auf 3,59.
Dabei arbeitet die Solaranlage ausschließlich direkt für die Brauchwassererwärmung, so dass der Strombedarf der Wärmepumpe sinkt. In Verbindung mit Solarthermie kann eine Luft-Wasser-Wärmepumpe also durchaus mit manchen Sole-Wasser-Wärmepumpen mithalten. Da im Wohnungsbestand oft keine Möglichkeit besteht, Erdwärme zu nutzen, bietet sich die Kombination vor allem dort als Alternative an. Dies natürlich nur, wenn die Gebäude ausreichend gedämmt und damit für den Einsatz von Wärmepumpen geeignet sind.
Zwischen diesen beiden Varianten – der Kombination ohne Integration und der Kombination mit einem Latentwärmespeicher – finden sich inzwischen zahlreiche weitere, die eine Interaktion der Solaranlage mit der Wärmepumpe ermöglichen. Dabei nutzt die Wärmepumpe direkt oder indirekt über einen Puffer-Speicher die Solarenergie als Wärmequelle. Hier ist das System von Rotex einzuordnen.
Henning hat in seiner Untersuchung für eine solche Kombination, bei der die solarthermische Anlage Wärme für Brauchwassererwärmung und Heizung liefert und als Wärmequelle für die Wärmepumpe durch die Wärmeabgabe an einen Niedertemperatur-Pufferspeicher dient, eine Systemarbeitszahl von 3,65 ermittelt.
Der Anbieter Sonnenkraft dagegen, der ebenfalls im Juni eine Kombilösung präsentiert hat, arbeitet mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe: Dazu wird Energie aus der Umgebungsluft per Wärmetauscher auf eine Sole übertragen. Dadurch kann die Wärmepumpe zwischen Solaranlage und Gebläseeinheit geschaltet werden.
"Wärmepumpen arbeiten nur dann effizient, wenn sie nur eine kleine Temperaturdifferenz überbrücken müssen. Wenn es draußen richtig kalt ist, ist die Differenz zur nötigen Vorlauftemperatur für die Heizung jedoch groß, und gerade dann hilft die Solarthermie auch nicht viel weiter", sieht Solarthermie-Experte Drück vom Fraunhofer ISE all diese Ansätze kritisch. Allerdings, räumt er ein, könne die Solarthermie die Wärmepumpe bei der Trinkwassererwärmung deutlich entlasten. Daher sei die Kombination sinnvoll.
Drück bezweifelt jedoch, dass die Lösungen primärenergetisch besser abschneiden als eine Kombination aus Gas-/Öl-Heizungen und Solarthermie. Dennoch sind Situationen denkbar, in denen ihr Einsatz Sinn macht. Überall dort nämlich, wo der Einsatz von Einzelfeuerungsanlagen nicht erwünscht beziehungsweise nicht möglich ist. Denkbar ist dies in Trinkwasserschutzgebieten, in denen kein Öltank aufgestellt werden kann und auch keine Gasleitungen liegen. sth