Im Projekt SOL-HEAP wurden von 2010 bis 2014 Solarthermie-Wärmepumpen-Kombisysteme für die Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser in Einfamilienhäusern untersucht. Die Aufgaben beinhalteten: Eine systematische Klassifizierung und Kennzahlen für die Effizienz der verschiedenen Systemkonzepte zu erarbeiten; Den Nutzen der Verwendung von Solarwärme für den Verdampfer der Wärmepumpe (serielle Wärmenutzung) zu untersuchen; Komponenten im Labor zu testen und Simulationsmodelle weiter zu entwickeln; Und die energetische Effizienz verschiedener Solar- Wärmepupen-Systeme mittels Jahressimulationen zu vergleichen. Ein wesentlicher Bestandteil war zudem die Entwicklung und Anwendung von Systemtest-Verfahren mit dem Hardware-in-the-Loop Konzept (Concise Cycle Test Methode). Die Arbeiten des SOL-HEAP Projektes waren zudem Bestandteil des Solar Heating and Cooling Task 44 / Heat Pump Programme Annex 38 (Task 44 / Annex 38) "Solar and Heat Pump Systems" der Internationalen Energieagentur (IEA).

Die systematische Klassifizierung und die Definition von Effizienz-Kennzahlen für Solar-Wärmepumpen- Systeme wurden in enger Zusammenarbeit mit anderen europäischen Forschungsinstitutionen ausgearbeitet. Diese Arbeiten sind in den Task 44 / Annex 38 eingeflossen, und haben inzwischen international breite Anwendung gefunden.

Mit der thermodynamische Analyse der seriellen Kollektorwärmenutzung konnte auf mathematischem Weg gezeigt werden, dass die serielle Kollektorwärmenutzung nicht generell vorteilhaft ist für die Effizienz von Solar-Wärmepumpen Systemen mit zwei Quellen Wärmepumpen.

Messungen an unabgedeckten Absorbern haben gezeigt, dass der Einfluss der Neigung auf die Wärmegewinne bei Betrieb unterhalb der Umgebungstemperatur bei Nacht signifikant sein kann. Der Einfluss war jedoch nicht auf eine Erhöhung der konvektiven Wärmegewinne bei stärkerer Neigung zurückzuführen, sondern auf eine Erhöhung der langwelligen Gegenstrahlung der Umgebung. Modelle für die Simulation von Solarkollektoren wurden erweitert, um Kondensationswärmegewinne zu berücksichtigen, wenn die Absorbertemperatur unterhalb des Taupunkts der Luft ist. Für die Simulation von Wärmepumpen wurden sowohl ein semi-physikalisches Modell als auch ein Parameter-Fit Modell weiter entwickelt und angewendet.

Systemsimulationen zeigten die sehr grosse Abhängigkeit der Systemeffizienz von vielen beeinflussenden Faktoren. Wie zu erwarten war sind unter diesen Einflussfaktoren das Klima, insbesondere die im Winter verfügbare Solarstrahlung, sowie das Temperaturprofil des Wärmebedarfs. Weitere, weniger offensichtliche, Einflussfaktoren sind die hydraulische Integration und Regelung der Wärmepumpe, insbesondere in Kombination mit Kombispeicher, Zeitfenster für die Warmwasser-Nachheizung durch die Wärmepumpe, Thermostatventile in der Raumheizungsverteilung, Legionellenschaltungen, und andere. Die Simulationen zeigen, dass die System-Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpen- Heizung massiv erhöht werden kann durch die Kombination mit einer Solaranlage mit Kombispeicher, wenn die Hydraulik und Regelung richtig ausgeführt wird. Luft-Wasser Wärmepumpen erreichten in Kombination mit Solarwärme Jahresarbeitszahlen welche in der Grössenordnung von Erdsonden- Wärmepumpen ohne Solaranlagen liegen. Erdsonden-Wärmepumpen mit Solaranlagen wiesen die höchste Effizienz auf. Ein System mit nur Solarkollektoren in Kombination mit einem grossen Eisspeicher als Wärmequelle für die Wärmepumpe erreichte Jahresarbeitszahlen in der Grössenordnung von Erdsonden-Wärmepumpen mit paralleler Solarwärmenutzung. Für dieses serielle Konzept konnte gezeigt werden, dass die Effizienz durch die Berücksichtigung von Wettervorhersagen für die Regelung der Speicherbe- und entladung signifikant erhöht werden kann.

Die Weiterentwicklung der Concise Cycle Test Methode für die Anwendung auf Wärmepumpen- Systeme ermöglichte das Testen von insgesamt elf Solar-Wärmepumpen-Systemen im Labor. Diese beinhalteten sowohl parallele Konzepte mit Erdsonden oder mit Luft als Wärmequelle der Wärmepumpe, als auch parallel/serielle Konzepte welche Solarwärme zusätzlich oder als einzige Quelle verwendeten. Die Resultate dieser Tests ermöglichten eine energetisch end exergetische Analyse der Effizienz dieser Systeme, welche den Herstellern kommuniziert wurde und zu Verbesserungen und Weiterentwicklung von Speichern, Hydraulik, und Regelkonzepten führten.

Abstract

Within the SOL-HEAP project solar thermal and heat pump combinations for space heating and domestic hot water supply of single family homes were investigated from 2010 to 2014. The tasks that were performed included systematic analysis and classification of system concepts, the definition of performance indicators, analysis of solar heat as a source for heat pump evaporators (series heat use), analysis of components for solar and heat pump systems by laboratory measurements, further development of component models for annual performance simulations, solar and heat pump system simulations, and further development and application of whole system test methods based on a hardware- in-the-loop concept (Concise Cycle Test method). Results of the SOL-HEAP project contributed to a large extent to the success of the International Energy Agency's Solar Heating and Cooling Programme's Task 44 / Heat Pump Programme Annex 38 (Task 44 / Annex 38).

The systematic classification and the definition of performance figures for solar and heat pump systems has been elaborated in close collaboration with other European research institutes, and has also been adopted by Task 44 / Annex 38 and has thus become a state of the art for the analysis of solar and heat pump systems.

The thermodynamic analysis of series collector heat use provided for the first time a mathematically sound explanation for the fact that series heat use is not always advantageous for the overall performance of systems with dual source heat pumps.

Measurements that were performed on uncovered solar absorbers showed that the influence of absorber inclination on heat gains at night may be significant, but must be attributed to differences in long wave irradiance rather than to the natural convection on the absorber surface. Collector models were adapted in order to include heat gains from water vapour condensation when the absorber surface is below the dew point of the air, and both grey-box semi-physical heat pump models as well as parameter-fit heat pump models were further developed in order to include additional physical phenomena and possibilities for annual simulations.

System simulations showed above all the high dependency of the energetic performance of solar and heat pump systems on many boundary conditions. Among the more obvious influencing boundary conditions are the climate, in particular solar irradiation in winter months, the temperature level of the heat demand, and the share of domestic hot water in the total heat demand. Other boundary conditions that may be of equal importance (but less obvious) are the hydraulic integration and control of the heat pump, in particular in combination with solar combistorage tanks, time-windows for charging of domestic hot water by the heat pump, the control of the space heat distribution, legionella safety heater settings, and others. For well-designed systems with combistorage, it is shown that the seasonal performance factor increases substantially when solar collectors are added to a heat pump system. Air source and solar heat pump combinations reach seasonal performance factors in the same range as ground source heat pumps without solar, while the ground source heat pump and solar combinations are the most efficient solution that was found. An exclusively solar source system with large collector areas and large ice storage may reach seasonal performance factors in the same range as ground source and solar systems. For these series systems with large ice storage it was shown that the system performance may be improved significantly using weather forecast for the control of storage charging and discharging.

The further development of the Concise Cycle Test method was the base for testing a total of eleven solar and heat pump systems in the laboratory, including parallel system concepts for ground source and air source systems, as well as parallel/series system concepts that used solar as the only source, and a combination of parallel/series solar thermal heat use with an additional air source heat exchanger. The test results provided valuable insights into the energetic and exergetic performance of the system concepts that were communicated to the manufacturers of the systems and lead to improvements and further developments of storage tanks, hydraulic solutions, and control of the systems.