Wie hoch kann der solare Deckungsgrad einer PV-geführten Wärmeversorgung in der Praxis tatsächlich sein? Eine Untersuchung der Hochschule Konstanz zeigt es für ein Tinyhaus. Das Forschungsprojekt IR-Bau 2 – Ergänzende Untersuchungen zum Potenzial von IR-Heizsystemen der liefert belastbare Messergebnisse. Professor Thomas Stark, Jan Heider, Nicole Conrad und Niklas Bachmann haben unter anderem ein Mikrohaus in Singen über zwei Heizsaisonen messtechnisch untersucht. Das Ergebnis: Bei geeigneten Gebäuden und ausreichend dimensionierter PV-Anlage ist eine stufenlos geregelte Direktheizung kombiniert mit einem geregelten Warmwasserboiler wirtschaftlich und technisch sinnvoll umsetzbar.
Das Tinyhaus
HTWG Konstanz
Das Mikrohaus in Singen hat Kupprion – Nachhaltige Architektur 2020 geplant und auf einem Restgrundstück im Sinne der Nachverdichtung gebaut. Der eingeschossige Kubus bietet auf 50 Quadratmetern und in drei Räumen Platz für zwei Bewohner. Das Gebäude ist in Holzrahmenbauweise mit einer Holzweichfaserdämmung errichtet und verfügt über eine innen sichtbare Massivholzdecke.
Das Gebäude ist im Inneren in drei Bereiche gegliedert: den zentralen Wohnbereich und den seitlich angeordneten Privaträumen mit Schlafzimmer und Bad. Nach Süden hin ist das Gebäude großzügig verglast, während die restlichen Außenwandflächen fast vollständig geschlossen sind.
Zur Wärmeversorgung des Hauses wurde der Einsatz einer Wärmepumpe geprüft. Für das kleine Gebäude mit dem zu erwartenden geringen Wärmeumsatz war das Wärmepumpensystem jedoch vergleichsweise teuer in den Investitionskosten. Alternativ wurde ein auf Eigenverbrauch optimiertes, direktelektrisches Heizsystem eingebaut.
Das System besteht aus vier Komponenten:
- eine elektrische Fußbodenheizung (4,3 kW von Devi Danvoss) mit zwei Heizkreisen, die direkt in die 22 Zentimeter starke Betonbodenplatte des Gebäudes eingegossen wurde,
- ein elektrischer Warmwasser-Flachboiler von Austria Email mit 120 Liter,
- eine 8,6-Kilowatt-PV-Anlage (Ost-West-Ausrichtung, fünf Grad geneigt, zum Teil verschattet durch Bäume am Nachbargrundstück)
- sowie ein stufenlos geregelter Photovoltaik-Power-Manager AC•THOR 9s, um den Eigenverbrauch des PV-Stroms zu maximieren.
Die Ergebnisse
Über zwei Heizsaisonen hinweg wurde das Mikrohaus untersucht. Der spezifische jährliche Heizwärmeverbrauch lag im Untersuchungsjahr bei 37 Kilowattstunden pro Quadratmeter, was einem Jahresverbrauch von 1.834 Kilowattstunden entspricht. Das Dämmniveau des Gebäudes ist sehr hoch. Dennoch wirken sich das für kleine Gebäude ungünstige A/V-Verhältnis sowie eine Lüftungsanlage ohne Wärmerückgewinnung erkennbar auf den Energiebedarf aus.
HTWG Konstanz
Der Stromverbrauch für die Trinkwarmwassererwärmung betrug 694 Kilowattstunden pro Jahr (ca. 14 kWh/m²a). Für ein Ein-Personen-Haus fällt dieser Wert vergleichsweise hoch aus. Ursächlich dafür sind vor allem die Speicherverluste des Boilers. Sie summieren sich auf bis zu 537 Kilowattstunden pro Jahr – rund 77 Prozent des Warmwasserstrombedarfs.
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Diese Verluste sind eine direkte Folge der gewählten Regelstrategie: Bei PV-Überschuss werden Gebäude (Betonbodenplatte) und Trinkwasserspeicher gezielt übertemperiert. Dadurch wird thermische Speichermasse aufgebaut und der Stromverbrauch in Zeiten hoher solarer Erzeugung verschoben. Die Speicherverluste sind somit Teil der gewünschten Lastverschiebung.
Rund 91 Prozent des Heizwärmebedarfs entfallen auf die Heizperiode von Oktober bis April. Besonders stark wirken sich die Monate Dezember und Januar aus, die zusammen rund 41 Prozent des jährlichen Heizwärmebedarfs ausmachen. Diese beiden Monate bestimmen damit maßgeblich die Jahresbilanz – sowohl beim Verbrauch als auch bei der solaren Deckung.
Die Energieautarkie
HTWG Konstanz
Trotz teilweiser Verschattungen und einer ungewöhnlich geringen Erzeugung im Dezember – verursacht durch länger anhaltende Schneebedeckung und Nebel am Bodensee – erzielte die PV-Anlage eine Jahresertrag von 8.118 Kilowattstunden. Das entspricht einem guten spezifischen Ertrag von 990 Kilowattstunde pro Kilowatt.
HTWG Konstanz
Auf die Heizperiode entfallen rund 36 Prozent der Erzeugung, auf Dezember und Januar lediglich etwa drei Prozent. In der Jahresbilanz erzeugte die PV-Anlage damit mehr als das Dreifache der für die Wärmeversorgung benötigten Strommenge. 21 Prozent des Solarstroms konnten direkt zur Deckung des Wärmebedarfs genutzt werden. Es ergeben sich 68 Prozent solare Deckung der gesamten Wärmeerzeugung in der Jahresbilanz und 61 Prozent solare Deckung der Heizwärme.
Besonders in den Übergangszeiten konnte der Solarstrom den Wärmebedarf nahezu vollständig decken. Hier zeigt die Regelstrategie je nach PV-Ertrag ihre Wirkung. In den Monaten Dezember und Januar tritt die geringe solare Verfügbarkeit naturgemäß stärker in den Vordergrund. Diese systemische Grenze betrifft jede Form der solarbasierten Wärmeversorgung.
Die Auswertung der solaren Deckungsanteile und Netzbezüge ergibt rechnerisch eine Jahresarbeitszahl von 3,16 für Warmwasser und Heizung mit Photovoltaik. Das bedeutet: Bezogen auf den eingesetzten Netzstrom wurde mehr als die dreifache Wärmemenge bereitgestellt. Der Netzstrombezug liegt somit auf einem vergleichbaren Niveau wie bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe – allerdings mit einem niedrigeren Investitionsaufwand. Quelle: my-PV/jb
