Eine Heizungsanlage mit Wärmepumpe und thermosolarem Kollektor 

Vorwort

Ich hatte diesen Beitrag ursprünglich in ähnlicher Form unter der Überschrift "Erfahrungen mit Solar Compleet" veröffentlicht und bin dabei vor allem auf dieses System eingegangen. Da die Firma Sonnenkraft seit ein paar Jahren keine solchen Anlagen mehr im Programm hat, habe ich den Inhalt überarbeitet und verallgemeinert, so dass unsere Erfahrungen mit diesem Konzept vielleicht auf ein breiteres Interesse stößen.
Wärmepumpen sind derzeit sehr in Mode und für viele ist es naheliegend, die Anlage z. B. durch Photovoltaik zu unterstützen. Doch es geht auch anders, nämlich mit Wärme. Eine solche Anlage stelle ich im Folgenden vor. Das Thema ist nicht neu, aber noch nicht so bekannt. Dennoch sind schon einige ähnliche Anlagen, die auf dem Prinzip "Wärmepumpe plus Solarthermie" basieren, erfolgreich im Einsatz.

 

Der Hintergrund

Da uns unser Energieverbrauch zu hoch erschien, suchten wir den Rat eines Energieberaters. Neben verschiedenen Dämm-Maßnahmen schlug er vor, den bis dahin genutzten Elektro-Heizkessel, der von einer Solaranlage unterstützt wurde, durch ein neues, innovatives System zu ersetzen. Die alte Anlage hatte bereits 25 Jahre auf dem Buckel, so dass damit zu rechnen war, dass sie eines nicht allzu fernen Tages ausfallen würde. Der Kollektor war erst 13 Jahre alt, aber moderne Kollektoren sind noch leistungsfähiger. Die Größe wurde dabei halbiert.
Die Wahl fiel auf das System "Solar Compleet" (schreibt sich wirklich so) von der Firma Sonnenkraft (später General Solar), wird inzwischen aber nicht mehr vertrieben. Hinter der Verkleidung verbirgt sich eine Danfoss DHP-A alias Thermia Atria, die inzwischen durch verbesserte Nachfolgemodelle ersetzt wurde und seit 2018 durch Stiebel Eltron vermarktet wird. Von Sonnenkraft kamen der Solar-Kollektor, ein Pufferspeicher und eine modifizierte Regelung. Einen Bodenkollektor oder Tiefensonden zu installieren, um Erdwärme zu nutzen, wäre in unserem Fall sehr aufwändig geworden, daher gaben wir der Luft-Wärmepumpe den Vorzug. Das Besondere an diesem Konzept ist, dass die Wärmepumpe direkt durch den Solar-Kollektor unterstützt werden kann, indem er die Soletemperatur anhebt, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Bei ausreichender Sonneneinstrahlung kann der Kollektor die Versorgung auch ganz übernehmen. An den Pufferspeicher ist ein Frischwasser-Modul angeschlossen, dass die Warmwasser-Versorgung übernimmt.
Es war nicht unser Ziel, die kostengünstigste Lösung zu installieren, sondern eine möglichst umweltfreundlich Heizung zu einem vertretbaren Preis zu bekommen. Erdgas gibt es in unserer Gegend nicht, ein Flüssiggastank kam nicht infrage und eine Ölheizung wäre kaum günstiger geworden (Tanks einbauen, Keller abdichten, Schornstein umbauen plus Heizung).Eine Pellet-Heizung ist eine zwiespältige Angelegenheit. Sie ist nur dann umweltfreundlich, wenn Holzabfälle verwertet werden, nicht aber, wenn das Holz aus großer Entgernung herangeschafft werden muss. So erschien uns die Wärmepumpe mit Erweiterung als ein guter Kompromis.

Die Technik

Wärmepumpe: Sonnenkraft Solar Compleet 8 (Danfoss DHP-A 8 / Thermia Atria) mit Luft-Wärmetauscher, Leistung 8,3kW bei A7/W35/dT 8K, Scroll-Verdichter mit 2,3kW
Kollektor: Sonnenkraft SK500N, 6 Module = 15m²
Speicher: Sonnenkraft PSSP, Volumen 940l, davon ca. 180l für Brauchwasser-Bereitung
Frischwasser-Modul: Ursprünglich Sonnenkraft FWM35, inzwischen FWM30i (= Grundfos), geregelt
Ausseneinheit: Danfoss Wärmetauscher Luft/Wasser, zweistufiger Ventilator
Zusatzheizung: Elektrisch, drei Stufen 3/6/9 kW
Hier das vereinfachte Anlagenschema:
Compleet Schema

 

Der Betrieb

Die Anlage ging Mitte Oktober 2010 vollständig in Betrieb. Nach einigen Anfangsschwierigkeiten und Optimierungen läuft sie nun recht gut. Gleichwohl gibt es noch Raum für Verbesserungen. Unsererseits mussten wir unsere Heizgewohnheiten ändern, d. h. die Temperaturprofile der Einzelraum-Regelung anpassen. Dazu später mehr.
Bei dieser Anlage handelt es sich um ein komplettes Heizungssystem einschließlich Warmwasser-Bereitung. Luft-Wasser-Wärmepumpen haben einen Nachteil gegenüber Systemen, die ihre Energie aus dem Boden oder aus dem Grundwasser holen: Mit sinkender Außentemperatur nimmt der Wirkungsgrad des Systems ab. Dieses Problem umgeht die Compleet bei geeigneter Wetterlage mit einem Trick. Sie nutzt den Solar-Kollektor, um die Soletemperatur anzuheben. Das hat zwei Vorteile: Die Nutzungsdauer des Kollektors verlängert sich und der Wirkungsgrad der Wärmepumpe wird deutlich erhöht. Je nach Sonneneinstrahlung kann er um 10% - 50% gesteigert werden. Im Mittel soll sich die Jahresarbeitszahl dadurch um ca. 25% verbessern lassen und damit auf das Niveau von Erdkollektoren kommen. Dank des leistungsfähigen Kollektors genügt schon eine diffuse Sonneneinstrahlung, um eine Wirkung zu erzielen. Die hier eingesetzten Kollektoren von Sonnenkraft sind übrigens dafür ausgelegt, eventuell auch unterhalb des Taupunkts betrieben zu werden. Sie können somit auch bei niedrigeren Temperaturen genutzt werden und erzielen dann sogar noch einen etwas höheren Wirkungsgrad.Ausseneinheit web
Je nach Bedarf wird der obere Teil des Speichers auf 55°C erwärmt (daraus wird das Brauchwasser gewonnen) oder der angeschlossene Heizkreis versorgt. Wenn der Kollektor genügend Wärme liefern kann, heizt er den Speicher auch weiter auf. Da der Gesamtwirkungsgrad umso besser ist, je niedriger die Temperatur im Heizkreis ist, ist dieses System besonders für Niedertemperatur-Heizungen wie Wandflächen- oder Fußboden-Heizungen geeignet. Im normalen Heizbetrieb geht die Energie der Pumpe direkt in den Heizkreis.
Laut Prospekt von Sonnenkraft funktioniert die Wärmepumpe bis zu Außentemperaturen von -10°C, darunter wird sie ausgeschaltet. Laut Danfoss soll die WP sogar bis -20°C funktionieren, aber das ist sehr optimistisch. Unterhalb von etwa -15°C macht der Betrieb keinen Sinn mehr. Dann, oder auch, wenn die errechnete Vorlauftemperatur nicht mehr erreicht wird, wird die elektrische Zusatzheizung aktiviert.
Prinzipbedingt ist die Heizkreispumpe auch für die Warmwasser-Bereitung zuständig. Wenn also der Vorrat für das Frischwasser-Modul nachgewärmt werden muss, steht sie nicht für den Heizkreis zur Verfügung. Das muss bei der Planung unbedingt berücksichtigt werden.
Wer eine ältere Heizungsanlage hat und es gewohnt ist, durch Nachtabsenkung der Raumtemperaturen Energie zu sparen, der muss sich etwas umstellen. Die Leistung der Wärmepumpe reicht aus, bei durchschnittlichen Wintertemperaturen um den Gefrierpunkt liefert sie noch etwa 5 kW ... 7 kW. Diese Leistung reicht aus, um ein durchschnittlich gedämmtes Haus warm zu halten, aber nicht, um abgekühlte Räume wieder auf deutlich höhere Temperaturen zu bringen. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, wird die Speichertemperatur nur wenig über der benötigten Vorlauftemperatur gehalten, so dass kaum Reserven für Spitzen zur Verfügung stehen. Es empfiehlt sich also, auf die Nachtabsenkung weitgehend zu verzichten und die Raumtemperaturen zu halten.

Die Steuerung ist bestrebt, möglichst wenig Energie zu verbrauchen und die Temperaturen im System niedrig zu halten. Das erhöht die Effizienz der Anlage und gibt dem Kollektor mehr Gelegenheit, einen Beitrag zu leisten. Dieses an sich lobenswerte Prinzip ist gleichzeitig eine Schwachstelle: Wenn die Wärmepumpe nicht mehr genügend Heizleistung erzeugen kann, dann wird die Zusatzheizung erst eingeschaltet, wenn die Vorlauftemperatur für eine gewisse Zeit und einen bestimmten Wert unter der Solltemperatur lag. Bis dahin ist die Heizleistung nicht mehr ausreichend. Hier gibt es noch Verbesserungspotenzial. Nachdem aber jeglicher Support eingestellt wurde, bleibt hier nur Eigeninitiative.
 
Compleet web

Compleet 2 web

Zur Geräuschentwicklung: Die Wärmepumpe ist etwas lauter als eine normale Gefriertruhe, dafür leistet sie auch wesentlich mehr. Die dicke Dämmung schluckt viel Lärm und wenn die Anlage in einem eigenen Raum untergebracht ist, ist sie im Haus nicht mehr zu hören.
Der Lüfter der Außeneinheit ist hörbar, aber erträglich. Subjektiv ist er nicht lauter als die immer häufiger installierten "Raketenbrenner" konventioneller Heizungen. Bei Außentemperaturen ab 12°C (einstellbar) läuft er nur mit halber Leistung, was den Geräuschpegel noch einmal deutlich reduziert. Bei normalen Umweltgeräuschen ist er dann schon in wenigen Schritten Entfernung kaum noch wahrnehmbar.
Die Geräuschentwicklung hängt auch mit vom Aufstellort ab. In einem engen, geschlossenen Hof wird sie stärker sein als in freier Umgebung.
 
Das Frischwassermodul ist eine gute Sache. Es gibt immer frisches Wasser und keine Probleme mit Legionellen und ähnlichem. Das urprüngliche Modul war etwas überdimensioniert und störte schnell die Schichtung im Speicher, so dass die WP häufig nachheizen musste. Es wurde durch eine "intelligente" Frischwasserstation ersetzt, bei der der Durchfluss nach Bedarf geregelt wird.  Die Temperatur wird auf maximal 55°C begrenzt. Die Abgabetemperatur wird auf Werte zwischen 40°C und 50°C eingestellt. Zum Duschen und Baden reicht es locker. Wenn manche Hausfrauen bemängeln, dass das Wasser zum Abspülen etwas heißer sein könnte, sollte die Einstellung des Thermostaten überprüft werden. Aber: Je niedriger die Temperatur am Wasserhan ist, desto länger hält der Vorrat.

Einige Installateure mögen Bedenken haben, eine so komplexe Anlage zu montieren. Doch das sieht nur auf den ersten Blick kompliziert aus. Die Zentraleinheit wird als vormontiertes Modul geliefert. Wärmepumpe mit Anbauteilen, Mischer und Pumpen sind schon fertig montiert. Der Installationsbetrieb muss nur die Verbindungen zum Speicher, dem Heizkreis, Außeneinheit und Kollektor herstellen. Für einen Heizungsbauer, der schon einmal eine WP installiert hat, sollte das kein Problem sein. Auch die Elektrik ist schon zum großen Teil fertig verdrahtet.

 

Kollektor web

Erfahrungen, Service, Wartung

Nach einigen Anlaufschwierigkeiten, Funktionsfehlern und Optimierungen funktioniert die Anlage schließlich. Der Kollektor bringt eine sehr gute Leistung. Das Prinzip ist genial und funktioniert auch gut, nur ist die Steuerung nicht ganz ausgereift und das vermutlich vorhandene Potenzial wird nicht voll ausgeschöpft. Die erwarteten Energieeinsparungen konnten nicht ganz erreicht werden. Der vom Sonnenkraft-Berater errechnete Stromverbrauch wird deutlich überschritten und der im Datenblatt genannte COP ist zu optimistisch angesetzt. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass unser Haus (Baujahr 1985) nicht dem Stand nach EnEV 2009 entspricht und an kalten Tagen eine höhere Vorlauftemperatur benötigt, was den Wirkungsgrad der Anlage etwas verschlechtert. Die Rechnung ist wohl eher für ein Gebäude nach aktuellem Neubaustandard ausgelegt. Die Jahresarbeitszahl liegt derzeit bei 3. Damit konnten wir den Energiebedarf gegenüber der alten Heizung um etwa 2/3 verringern.
Nachdem sich die Hersteller eine Weile einen Preiskampf geliefert haben, haben sie sich nun wieder mehr auf Verbesserungen konzentriert. So gibt es inzwischen Wärmepumpen, deren Leistung abhängig vom Bedarf geregelt werden kann (modulierende Wärmepumpem). Zusammen mit Verbesserungen im System konnten damit die Arbeitszahlen noch einmal deutlich verbessert werden, was sie bei einer Neuinstallation noch interessanter macht.
 
Welche Probleme gabe es bisher? Es gab einen falsch angebrachten Temperaturfühler, eine gebrochene Überwurfmutter im Solarkreis, einen schlecht entlüfteten Speicher, ein schlecht schließendes Vierwege-Ventil, einen defekten Mischerantrieb und einen defekten Enteisungsfühler und einen blockierenden Übertemperaturschutz im Heizkreis. Die meisten Fehler ließen sich schnell beheben. Dabei hatten wir anfangs das Glück, einen engagierten Kundendienst-Mitarbeiter in der Nähe zu haben. Inzwischen hat Sonnenkraft den Service komplett an Service-Partner abgegeben, aber leider vergessen, diese auch zu schulen. Details dazu habe ich in der Anlagen-Historie aufgelistet. Ich hoffe, dass ich damit niemanden abschrecke. Es gibt Anlagen, die jahrelang fehlerfrei laufen und auch mit einer einfachen Gastherme kann man ebenso viele Probleme haben.Ich habe den leisen Verdacht, dass unser Gerät zuvor kurz als Demo- oder Übungsgerät eingesetzt wurde und bei der Montage und Inbetriebnahme nicht mit der erforderlichen Sorgfalt vorgegangen wurde.
Leider haben sich im Laufe der Zeit ein paar deutliche Schwächen in der Regelung herauskristallisiert. Die Steuerung ist herstellerspezifisch und es gibt keine Updates mehr. Ich denke deshalb nun darüber nach, die vorhandene Regeleinheit durch eine universelle Regelung zu ersetzen. Das hätte auch den Vorteil, dass das System leicht angepasst werden könnte, wenn spezielle Komponenten einmal nicht mehr verfügbar sein sollten.
Obwohl Wärmepumpen zurzeit gefragt sind, ist es schwierig, einen kompetenten Heizungsbauer zu finden, der sich an eine solche Anlage herantraut. Die meisten "Partner" beschränken sich auf PV und Solarthermie. Bis ein Techniker Zeit findet, vorbei zu schauen, können Wochen vergehen. Und wenn der dann mit einem strahlenden Lächeln feststellt "Toll, jetzt bekomme ich so eine Anlage endlich mal in natura zu sehen", dann weicht die Freude über sein Erscheinen schnell einer berechtigten Skepsis. Glücklicherweise erwies sich die Anlage, von den genannten Problemen abgesehen, bisher als sehr wartungsarm.
 
Wärmepumpe und Solarthermie - doch, das passt zusammen und funktioniert. Feldstudien bestätigen, dass je nach Anlage und Umgebung Verbesserungen des Wirkungsgrades und damit Einsparungen von 10% bis 25% möglich sind. Als Bonus kommt hinzu, dass die WP in den Sommermonaten praktisch nicht benötigt wird.Wie groß die Effizienssteigerung in unserem Fall ist, lässt sich leider nicht genau sagen, da der Wärmemengenzähler den Beitrag des Kollektors nicht erfasst. Das soll sich mit einer neuen Steuerung verbessern. Auf jeden Fall ist deutlich zu sehen, wie sich die momentane Leistung der WP verändert, wenn der Solarkreis aktiviert wird. Das Wirkprinzip lässt sich auch für Anlagen mit Erdkollektor verwenden, um hier noch etwas mehr heraus zu holen. Zudem kann dort im Sommer überschüssige Wärme in den Boden geleitet werden, um im Winter für einen längeren Zeitraum eine etwas höhere Quellentemperatur zu bekommen.
Interessenten ist eine gründliche Beratung durch einen kompetenten Fachmann angeraten.Wichtig sind außerdem eine Niedertemperatur-Heizung und eine gute Wärmedämmung. Bei einem Neubau dürfte es kaum Probleme geben, bei einer Altbau-Sanierung ist zu prüfen, ob zunächst durch entsprechende Dämm-Maßnahmen der Energiebedarf soweit reduziert werden kann, dass die Wärmepumpe ihn auch decken kann. Vor allem die Warmwasser-Bereitung darf nicht unterschätzt werden. In vielen konventionellen Heizungsanlagen läuft sie unabhängig von der Raumheizung, hier aber nicht. Bei älteren Gebäuden mit der damals üblichen mittelmäßigen Dämmung kann die WP leicht zu knapp bemessen werden.
 
Positiv:
Kompaktes, platzsparendes Komplettsystem
Sehr guter Kollektor
Sehr guter Speicher mit guter Dämmung und Schichtung
Effiziente Pumpen
Im Normalfall keine Betreuung notwendig
Besonders geeignet, um Elektro-Speicherheizungen (Zentralheizung) zu ersetzen
 
Negativ:
Prognostizierte Leistungszahl wird nicht erreicht, als Ersatz für Altanlagen nur bedingt geeignet
Proprietäre Steuerung nicht ganz ausgereift
Durch den kompakten Aufbau sind einige Komponenten schwer zugänglich
Kompetenter Kundendienst ist schwer zu finden
Rückmeldungen von anderen Anwendern sind stets willkommen!
 

Die Kosten

Wann wird sich diese Heizung amortisieren? Das lässt sich nicht so einfach sagen. Zunächst einmal kommen zu den Anschaffungskosten noch weitere Kosten für Montage, Material und ggf. Ausbau der Altanlage hinzu. Davon abzuziehen ist die Investition, die für eine sonst notwendige konventionelle Heizungsanlage fällig wäre. Die große Unbekannte in der Gesamtbetrachtung ist die Entwicklung der Energiekosten in den nächsten Jahren. Bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung darf man nicht davon ausgehen, dass die Energiepreise von heute auch in 20 Jahren noch gelten. Ein anderer wichtiger Faktor ist der Energiebedarf. Je höher dieser ist, desto größer ist natürlich auch das Sparpotenzial und umso schneller amortisiert sich die Anlage.
Aufgrund der derzeit (noch) relativ niedrigen Preise für Öl und Gas dauert die Amortisation hier wahrscheinlich relativ lange. Wer eine Zentralheizung mit Elektroheizkessel oder Nachtspeicheröfen betreibt, für den lohnt es sich auf jeden Fall. Wann und wie sehr, das sollte ein guter Berater abschätzen können. Bei unserer Anlage gehe ich davon aus, dass sich die Mehrkosten, Fördergelder mitgerechnet, in rund 10 Jahren bezahlt gemacht haben werden. Dazu kommt das gute Gefühl, dass wir einen wichtigen beitrag leisten, den CO2-Ausstoß und die Abhängigkeit von konventionellen Energieträgern zu verringern. Der Energieversorger verspricht uns 100% Wasserkraft.