PVT-Kollektoren stellen als Wärmequelle besondere Anforderungen an Wärmepumpen. Die Heizgeräte müssen in der Lage sein, die teils stark schwankenden Temperaturen der Kollektoren effizient und ohne Störung zu verarbeiten, da die Wärmeabgabe der Kollektoren je nach Sonnenstrahlung stark variiert. So kann die Soletemperatur aus PVT-Kollektoren in den Sommermonaten auf bis zu 70 Grad Celsius steigen, während sie in kalten Winternächten unter die Außentemperatur sinken und mit Minusgraden vom Dach kommen kann.
Bislang sind Sole/Wasser-Wärmepumpen auf geothermische Quellen ausgerichtet, deren Temperatur über das Jahr bei Erdkörben lediglich zwischen minus fünf bis 25 Grad Celsius und bei Erdsonden zwischen null bis 25 Grad Celsius schwankt. Ein weit gefasster Bereich der Eintrittstemperatur der Wärmequelle ist daher das entscheidende Kriterium, damit eine Wärmepumpe als PVT-ready gelten kann. Nicht alle Wärmepumpen erfüllen diese Anforderung. Aus diesem Grund hat das Forschungskonsortium IntegraTE-XL untersucht, welche auf dem deutschen Markt angebotenen Wärmepumpen bereits regelungstechnisch und/oder mit einem angepassten Kältekreisdesign auf diesen anspruchsvollen Betrieb optimiert sind.
Bei IntegraTE-XL handelt es sich um ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördertes Projekt, das auf der bereits abgeschlossenen Initiative IntegraTE aufbaut und auf die Marktetablierung und Verbreitung von PVT-Kollektoren und Wärmepumpen in bestehenden großen Mehrfamilienhäusern und Gewerbeliegenschaften abzielt. An dem Thema arbeiten gleich drei Forschungsinstitute gemeinsam: das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg, das Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart und das Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH).
Außerdem unterstützen 19 Industriepartner das Vorhaben, darunter PVT-Hersteller, Wärmepumpensystemanbieter, Contractoren sowie Firmen, die im Projekt mit PVT-Kollektoren und Wärmepumpen versorgte Objekte messtechnisch untersuchen lassen. Das Konsortium ist damit bestens aufgestellt, um unter anderem präzise Kriterien für die PVT-Eignung von Sole/Wasser-Wärmepumpen zu definieren (siehe Kasten).
Wärmepumpensysteme für PVT-Kollektoren
„PVT-Kollektoren bieten eine spannende Alternative oder Ergänzung zu konventionellen Wärmequellen für Wärmepumpen und erweitern damit das Einsatzspektrum dieser Schlüsseltechnologie. Ihre Systemintegration erfordert eine neue Denkweise hinsichtlich der Regelungstechnik und der Systemkomponenten“, erklärt Federico Giovannetti, Leiter der Arbeitsgruppe Kollektoren beim ISFH, warum IntegraTE-XL eine Marktbefragung der Wärmepumpenhersteller durchgeführt hat. Sie hat ergeben, dass bereits eine ganze Reihe von Firmen angepasste Gerätetypen anbieten.
18 Wärmepumpenanbieter, davon elf aus Deutschland und sieben aus dem Ausland, erhielten einen mehrseitigen Fragebogen. Neun Firmen haben sich an der Befragung beteiligt und Produkte für die Übersicht gemeldet: AIT-Deutschland, Enrgi, Heim Heizsysteme, Heliopac, M-TEC, Nibe Systemtechnik, Ratiotherm, Triple Solar und Waterkotte. AIT-Deutschland und Waterkotte gehören zwar zur Nibe-Gruppe, die drei Anbieter treten auf dem Markt aber mit unterschiedlichen Gerätetypen auf.
Die neun Anbieter sind in Abb. 1 mit jeweils einem oder zwei ausgewählten Wärmepumpentypen aufgeführt. Die Tabelle zeigt die allgemeinen technischen Daten der jeweiligen Geräte. Die Wärmepumpenserien decken einen Leistungsbereich von fünf bis 56 Kilowatt thermisch ab, sodass sie sich sowohl für Einfamilienhäuser als auch für Mehrfamilienhäuser oder größere Gebäude eignen.
Mit Ausnahme von zwei Modellen werden alle Wärmepumpen inhouse gefertigt. Eine Ausnahme bildet die Firma Enrgi, die exklusiv die Geräte der Serie Eco Geo Pro des spanischen Herstellers Ecoforest in Deutschland vertreibt, eine andere die Firma Triple Solar, die ihre neue PVT-Wärmepumpe 10s bei M-TEC produziert.
Technische Merkmale von PVT-optimierten Wärmepumpen
Sämtliche Anbieter bestätigten, dass die Herstellergewährleistung beziehungsweise Garantie ihrer Wärmepumpen uneingeschränkt für den Einsatz mit PVT-Kollektoren als Wärmequelle gilt. Zudem arbeiten alle gelisteten Modelle mit einer modulierenden Betriebsweise. Die Steuerung der Wärmepumpe auf Basis einer Wetterprognose ist bisher nur in einem Modell – bei der S1156/S1256 von Nibe – realisiert. AIT-Deutschland und Heim Heizsysteme bieten die Funktion durch einen externen Solarmanager an.
Mit Ausnahme der SWM pro 2-13 von Heim Heizsysteme aus der Schweiz ermöglichen alle Geräte eine Steuerung der elektrischen Leistungsaufnahme gemäß § 14a des Energiewirtschaftsgesetzes. Der Stromnetzbetreiber kann also zeitweise die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe reduzieren, um Netzengpässe zu vermeiden.
Von den elf aufgeführten Geräten nutzen fünf das natürliche Kältemittel Propan (R290) und sind größtenteils erst in diesem Jahr auf den Markt gekommen. Einige Hersteller, zum Beispiel M-TEC und Nibe, hatten jedoch bereits Vorgängermodelle auf den Markt gebracht, die ebenfalls für den PVT-Betrieb optimiert waren.
Relevanz von PV-ready
Um die Marktbedeutung der gelisteten Wärmepumpen beurteilen zu können, wurde die Verkaufsdaten abgefragt. In der letzten Spalte in Abb. 1 steht die Zahl für die bisher mit PVT-Kollektoren als alleinige oder zweite Wärmequelle verkauften Geräte. Aus den Fußnoten lässt sich zudem entnehmen, wie viele Geräte insgesamt – einschließlich der Geräteserie und der Vorgängermodelle – bereits mit PVT-Kollektoren im Betrieb sind.
Zu den führenden Anbietern gehören Triple Solar mit 880 Geräten, die überwiegend in den Niederlanden installiert wurden, gefolgt von M-TEC mit 400 Geräten, wovon 64 in Deutschland betrieben werden. Weitere nennenswerte Anbieter sind Nibe mit 200 Geräten, Enrgi mit 150 und Waterkotte mit 100 Geräten.
Die Marktübersicht umfasst rund 500 in Deutschland installierte PVT-Wärmepumpen-Systeme. Bei einer durchschnittlichen PVT-Kollektorfeldgröße von 50 Quadratmetern entspricht das 25.000 Quadratmetern. Ende 2024 waren bereits rund 170.000 Quadratmeter unabgedeckte PVT-Kollektoren in Deutschland installiert, der Großteil also mit Geräten anderer Hersteller oder mit Vorläufermodellen.
Umgang mit Eintrittstemperaturen
„Bei der Beurteilung von PVT-ready-Wärmepumpen müssen wir grundsätzlich zwei Systemvarianten unterscheiden: Dienen die PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle oder werden sie in Kombination mit einer Geothermiewärmequelle betrieben“, erklärt Korbinian Kramer vom Fraunhofer ISE und IntegraTE-XL Projektleiter. „Wir verstehen den Betrieb als alleinige Wärmequelle so, dass der Heizstab nur im Notbetrieb genutzt wird.“ Beide Systemvarianten stellen unterschiedliche Anforderungen an die Wärmepumpe, die die Tabelle in Abb. 2 getrennt darstellt.
Grundsätzlich stimmen die befragten Wärmepumpenhersteller der Aussage zu, dass PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle betrieben werden können. Für diesen Betriebsmodus wurden vier Kriterien abgefragt, darunter der freigegebene Bereich der Eintrittstemperatur der Wärmequelle und die Angabe der maximalen thermischen Leistung bei B-15W55.
Das wichtigste Kriterium für die PVT-Readiness – der breite Eintrittstemperaturbereich – erfüllen die Anbieter auf unterschiedliche Weise. Die Öffnung hin zu tiefen Temperaturen von minus zwölf bis minus 20 Grad Celsius ermöglichen bis auf eine Ausnahme alle Firmen. Die Wärmepumpe Solerpac von Heliopac aus Frankreich dagegen ist nur bis zu einer Eingangstemperatur von minus fünf Grad Celsius freigegeben. Der Hersteller betont aber, dass es für den Betrieb seiner Geräte grundsätzlich einer zusätzlichen Wärmequelle bedarf.
Eine Besonderheit der Firma Nibe erläutert Produktmanager Oliver Rodehorst: „Bei uns gibt es in der Software der Geräte keine Minimaltemperatur für den Fühler am Eintritt der Wärmepumpe.“ Stattdessen liegt die minimale Austrittstemperatur auf der Wärmequellenseite bei minus zwölf Grad Celsius, was bei diesem Szenario zu einer Eintrittstemperatur von etwa minus neun Grad Celsius führt.
Die freigegebenen Temperaturen für die Wärmequelle nach oben unterscheiden sich dagegen deutlich und liegen zwischen 20 und 55 Grad Celsius. Bei Heliopac, Ratiotherm und Triple Solar darf die Sole vom Dach am Eingang zur Wärmepumpe sogar kurzzeitig 70 Grad Celsius erreichen. Ein Teil der Geräte benötigt also einen Mischer, um die Temperaturbegrenzung für die Wärmequelle aus dem PVT-Solekreis einzuhalten. Der Mischer ist in keinem der Geräte standardmäßig integriert, muss also bauseitig vorgesehen werden.
Entscheidend für die PVT-Readiness ist die Antwort auf die Frage, ob über die Steuerung der Wärmepumpe ein Mischventil angesteuert werden kann? Anbieter, bei denen diese Funktion standardmäßig im Gerät vorhanden ist, wie bei Heim, M-TEC, Nibe und bei der PVT-Wärmepumpe 10s von Triple Solar, sind laut der Definition PVT-ready.
Doch auch Geräte ohne Mischer können die PVT-Readiness-Kriterien erfüllen. Beispielhaft dafür steht die patentierte Hydraulik von Ratiotherm, Vertriebs- und Marketingleiter Michael Westermaier erklärt: „Wir setzen einen internen Zwischenkreis direkt vor dem Verdampfer ein, der die Funktion eines Mischventils übernimmt.“
Ein anderes Beispiel ist die im Februar 2025 eingeführte PVT-Wärmepumpe 5.0 von Triple Solar. Sie besitzt ein elektronisch geregeltes Expansionsventil und einen dynamischen sogenannten Superheat-Controller, der den Kältekreis mit geringer Kompressordrehzahl anlaufen lassen kann. Der Kältekreis zirkuliert dann bei minimaler Drehzahl des Kompressors so lange, bis das Kältemittel auf 50 Grad Celsius abgekühlt ist. Produktmanager Jannik Fleiter betont, dass das Verfahren nur mit den eigenen PVT-Modulen erprobt ist: „Unsere Module kühlen aufgrund der stark vergrößerten Absorberfläche durch die Wärmeabnahme schnell unter 50 Grad Celsius ab und pendeln sich im deutschen Sommer auf 35 bis 40 Grad Celsius maximal ein.“
Anforderungen für PVT-Readiness
Im unsanierten Altbau oder in großen Gebäuden, bei denen das Verhältnis zwischen Dachgröße und beheizter Wohnfläche ungünstig ausfällt, kann PVT kombiniert mit Geothermie eine sinnvolle Lösung darstellen. In diesem Fall kann die Solarwärme vom Dach im Sommer die Erdreichquelle regenerieren, sodass sie deutlich kleiner dimensioniert werden kann.
In Systemen mit PVT-Kollektoren und Erdreichquelle ist ein intelligentes Quellenmanagement besonders wichtig. Das IntegraTE-XL-Konsortium hat für die PVT-Readiness in diesem Betriebsfall drei entscheidende Kriterien definiert. Hierbei ist der Anschluss mehrerer Wärmequellen an die Wärmepumpe von Bedeutung. Zusätzlich muss der Regler der Wärmepumpe ein Quellenmanagement integriert haben, das die jeweils zur Einsatzgrenze des Geräts passende Wärmequelle auswählt. Die Regeneration des Erdreichs über die Ansteuerung der Pumpe im PVT-Kollektorkreis ist wünschenswert, aber nicht Vorgabe für PVT-Readiness.
Die Tabelle in Abb. 2 zeigt, dass nur wenige Geräte der Übersicht diese Kriterien erfüllen. Der Anschluss und die Ansteuerung von zwei Wärmequellen ist bei drei Geräten serienmäßig integriert: BHPA412 von M-TEC, Eco Geo Pro 2-10 von Enrgi und 10s von Triple Solar, wobei nur über das M-TEC-Gerät das Erdreich regeneriert werden kann.
Die Seriengeräte von Ratiotherm lassen sich zwar nicht mit zwei Wärmequellen verbinden, dafür ermöglicht eine optionale Steuereinheit, die in die Wärmepumpe eingebaut werden und die Pumpe im PVT-Kollektorkreis ansteuern kann, die Regeneration. Heim, Heliopac und Waterkotte geben an, dass sie das Quellenmanagement durch einen externen sogenannten PVT-Regler realisieren.
„Die Ergebnisse unserer Befragung zeigen eindeutig, dass bereits einige Hersteller wichtige Schritte bei der Anpassung ihrer Wärmepumpen an die Anforderungen der PVT-Kollektoren unternommen haben. Dennoch lässt sich festhalten, dass in Bezug auf die PVT-Readiness noch deutlicher Optimierungsbedarf besteht, besonders bei der Integration mehrerer Wärmequellen,“ schlussfolgert Fraunhofer ISE-Wissenschaftler Kramer. Und weiter: „Es ist klar, dass eine engere Zusammenarbeit zwischen Herstellern von PVT Kollektoren und Wärmepumpen notwendig ist, um die Entwicklung dieser Systeme voranzutreiben und die PVT-Readiness auf ein höheres Niveau zu heben. Wir initiieren hierzu weiterhin gerne Projekte.“
Hintergründe zur Nichtteilnahme mancher Firmen
Einige namhafte Wärmepumpenhersteller haben sich nicht an der Marktstudie beteiligt. Um ein vollständiges Bild der Marktlandschaft zu erhalten, ist es wichtig, ihre Gründe zu betrachten und zu verstehen, warum sie auf eine Teilnahme verzichtet haben. Warum Sich Viessmann nicht beteiligt hat, erklärt Produktmanager Andreas Schütt: „Wir beobachten den PVT-Markt mit Interesse. Eine finale Entscheidung, ob und wann wir in diesen Markt eintreten, ist jedoch noch nicht getroffen.“
Ähnlich verhält es sich bei Bosch Thermotechnik, die auf eine offizielle Stellungnahme verzichteten. Das könnte daran liegen, dass die neue Generation von Sole/Wasser-Wärmepumpen derzeit in Entwicklung ist und voraussichtlich im Laufe des Jahres 2026 auf den Markt kommen wird.
Vaillant verfolgt hingegen eine langfristige Strategie für den PVT-Markt. Produktmanager Jan Christopher Müller erläutert: „Wir haben uns entschieden, die Flexotherm-Wärmepumpe erstmal nicht aufzunehmen. Wenn Sie eine solche Übersicht nächstes Jahr nochmal erstellen, würden wir gerne unsere neue Erdwärmepumpe Geotherm aufführen.“
Stiebel-Eltron-Produktmanager Fabian Ripke begründet die Nichtteilnahme mit der Einschätzung, dass sich die Wärmepumpen des Unternehmens für den PVT-Betrieb grundsätzlich eignen, bei den meisten Gebäuden die Dachfläche allerdings zu klein ist, um die Kollektoren als monovalente, also alleinige Quelle zu nutzen. Daher seien PVT-Kollektoren in nur sehr wenigen Fällen wirtschaftlich attraktiv. Er betont allerdings, dass Stiebel Eltron das Thema im Blick behalte und die Entwicklung weiterer Generationen von PVT-Kollektoren mit Spannung beobachten werde.
Ripke steht mit seiner Einschätzung nicht alleine da. Selbst viele der Unternehmen, die sich an der Befragung beteiligt haben, sehen die oft nicht ausreichende Dachfläche zum Betrieb von PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle als Problem. So stimmten über 60 Prozent dem Statement zu, dass die verfügbare Dachfläche oft ein Ausschlusskriterium für den Einsatz von PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle ist.
Fazit: Viele Wärmepumpenhersteller haben die speziellen Anforderungen, die PVT-Kollektoren an ihre Systeme stellen, zwar erkannt und ihre Geräte entsprechend angepasst. Um die PVT-Readiness weiter voranzutreiben, sind jedoch zusätzliche Innovationen und Entwicklungsanstrengungen seitens der Unternehmen erforderlich. Ein wachsender Markt für PVT-Systeme kann diesen Entwicklungsprozess beschleunigen.
Weitere Informationen zum Projekt IntegraTE-XL finden Sie unter https://t1p.de/GEB250863
Quelle: Herstellerangaben
Quelle: Herstellerangaben
Kurz und knackig
Photovoltaik-Thermie-Kollektoren liefern als Wärmequelle für Wärmepumpen stark schwankende Temperaturen. Herkömmliche Sole/Wasser-Wärmepumpen sind für solch extreme Schwankungen nicht ausgelegt.
Einige Hersteller haben Wärmepumpen entwickelt, die mit einem breiten Temperaturfenster und intelligenter Regelung die Energiequelle effizient nutzen. Einige Modelle arbeiten dazu mit einem externen Mischventil.
Nur wenige der untersuchten Wärmepumpen bieten jedoch serienmäßig ein intelligentes Quellenmanagement. Besonders bei der Integration mehrerer Wärmequellen besteht weiterhin Optimierungsbedarf.
Was bedeutet PVT-ready bei Wärmepumpen?
Wer beurteilen will, ob sich eine Wärmepumpe für den PVT-Anschluss eignet, muss grundsätzlich zwei Systemvarianten unterscheiden: Dienen die PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle oder arbeiten sie in Kombination mit einer Geothermiewärmequelle. Das Konsortium des Forschungsprojekts IntegraTE-XL hat sich auf folgende Definitionen geeinigt.
Als PVT-ready gelten Sole/Wasser-Wärmepumpen …
… für PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle, wenn der freigegebene Quelltemperaturbereich der Wärmepumpe für die unter typischen lokalen Betriebsbedingungen von den PVT-Kollektoren gelieferten Temperaturen ausgelegt ist. Zusätzlich zu den Standardbetriebspunkten nach DIN EN 14511 müssen die maximale thermische Leistung der Wärmepumpe für die niedrigste zulässige Temperatur der Wärmequelle und eine typische Betriebstemperatur, zum Beispiel 55 Grad Celsius für die Trinkwassererwärmung, angegeben sein. In Deutschland liegt der Quelltemperaturbereich zwischen -15 und 70 Grad Celsius.
… für PVT-Kollektoren als additive Wärmequelle, wenn die Wärmepumpe den Anschluss von mehreren Wärmequellen ermöglicht. Zusätzlich muss die Regelung der Wärmepumpe die Wärmequelle mit der höheren Temperatur ansteuern können und dabei den freigegebenen Quelltemperaturbereich der Wärmepumpe einhalten.
Bild: Solrico
