Bewertung von Warmwasser-Erzeuger-Systemen

Bewertung von

Warmwasser-Erzeuger-Systemen

Empfehlungen zur Systemwahl

Fachhochschule Nordwestschweiz – Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik Institut Energie am Bau

St. Jakobs-Strasse 84, CH-4132 Muttenz

Andreas Genkinger

Dipl. Physiker, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut Energie am Bau – FHNW Thomas Afjei

Prof., Dr. sc. techn., Leiter Gruppe Gebäudetechnik, Institut Energie am Bau – FHNW

Fon +41 61 467 45 45 Fax +41 61 467 45 43

E-Mail andreas.genkinger@fhnw.ch Internet http://www.fhnw.ch

Im Auftrag von:

Amt für Umweltschutz und Energie des Kantons Basel-Landschaft, 4410 Liestal und

Amt für Umwelt und Energie des Kantons Basel-Stadt, 4010 Basel

Zweite, aktualisierte und ergänzte Fassung vom März 2012

Zusammenfassung

Die Kantone Basel-Landschaft und Basel-Stadt schreiben in ihrer Energieverordnung vor, dass für die Erzeugung von Trinkwarmwasser mindestens 50 % erneuerbare Energien eingesetzt werden müssen.

Der Frage, welches Wärmeerzeuger-System aus ökologischen und wirtschaftlichen Überlegungen einer Bauherrschaft empfohlen werden kann, wird in dieser Studie nachgegangen. Als Indikatoren für die ökologische Qualität wurde die Umweltbelastung in Umweltbelastungspunkten (UBP 2006) und das Treibhauspotential jeweils über den gesamten Lebenszyklus der Anlagen berechnet. Untersucht wurde die Situation bei Einfamilienhaus-Neubauten mit Fokus auf Systemkombinationen zwischen Luft/Was- ser-Wärmepumpe und Solaranlage. Unter diesen erweisen sich Kombinationen mit Photovoltaikanla- gen und solche mit thermischen Solaranlagen als weitgehend gleichwertig, sowohl aus Umwelt- als auch aus Kostensicht. Auch sind Jahreskosten und Umweltbelastung nur gering von der Ausrichtung der Solaranlage abhängig. Für die ökologische Bewertung von Photovoltaikanlagen ist es entschei- dend, dass der damit produzierte Strom auch tatsächlich für den Betrieb der Wärmepumpe genutzt wird. In der Kombination mit Solarthermie erweisen sich Low-Flow-Anlagen und Anlagen mit Frischwas- serstation als besonders geeignet, letztere insbesondere wegen der geringeren Legionellengefahr und dem diesbezüglich resultierenden Wegfall von Mindest-Temperaturanforderungen.

1 Einleitung

6

1.1 Ausgangslage und Projektziele ... 6

1.2 Vorgehen ... 6

2 Kantonale Vorschriften

8

2.1 Wärmepumpe mit Photovoltaik ... 8

2.2 Wärmepumpe mit Flachkollektoren ... 9

2.3 Wärmepumpe mit Röhrenkollektoren ... 9

3 Simulationen

11

3.1 Randbedingungen ... 11

3.1.1 Warmwasser-Zapfprofile ... 12

3.1.2 Thermische Solaranlage... 15

3.1.3 Photovoltaik-Anlage ... 15

3.1.4 Luft/Wasser Wärmepumpe ... 15

3.1.5 Erdsonden-Wärmepumpe ... 16

3.1.6 Kessel ... 16

3.1.7 Trinkwasserspeicher ... 16

4 Systemkombination Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Solaranlage

18

4.1 Einbindung der Wärmepumpe ... 18

4.2 Luft/Wasser-WP-Anlagen mit thermischer Solaranlage ... 19

4.2.1 Variante 1: High-Flow ... 19

4.2.2 Variante 2: Low-Flow ... 20

4.2.3 Variante 3: Kombispeicher Tank-in-Tank ... 22

4.2.4 Variante 4: Frischwasser-Kombispeicher ... 24

4.2.5 Variante 5: Frischwasserstation ... 25

4.3 Fazit Anlagen mit thermischer Solaranlage ... 27

4.4 Luft/Wasser-WP-Anlagen mit Photovoltaikanlage... 29

5 Ökologische Bewertung

30

5.1 Systematik ... 30

5.1.1 Treibhauspotential und Methode der ökologischen Knappheit ... 30

5.1.2 Photovoltaikanlagen und ökologischer Mehrwert ... 31

5.2 Systemvergleich ... 34

5.2.1 Reduzierter Warmwasserbedarf ... 36

5.3 Varianten Photovoltaik... 37

5.4 Varianten Solarthermie: Orientierung ... 39

6 Kostenbetrachtungen

41

6.1 Grundlagen und Systemvergleich ... 41

6.2 Varianten Orientierung Solaranlage ... 43

7 Schlussfolgerungen und Ausblick

46

7.1 Schlussfolgerungen ... 46

7.2 Verdankung ... 46

7.3 Ausblick ... 46

8 Literaturverzeichnis

47

9 Anhang

49

9.1 Richtofferten ... 49

9.2 Datenblatt Speicher für Wärmepumpen (Auszug) ... 61

9.2.1 Wärmepumpen-Speicher [15] ... 61

9.3 Datenblätter Speicher für Kombination WP/Solarthermie (Auszüge) ... 62

9.3.1 Pufferspeicher für High-Flow Solaranlagen [15] ... 62

9.3.2 Pufferspeicher für Low-Flow Solaranlagen [18] ... 63

9.3.3 Tank-in-Tank Kombispeicher [20] ... 64

9.3.4 Spiro-Kombispeicher [21] ... 66

9.3.5 Pufferspeicher für Frischwasser-Station [23] ... 68

1 Einleitung

In den Kantonen Basel-Landschaft und Basel-Stadt wird zur Erzeugung von Trinkwarmwasser der Einsatz von mindestens 50 % erneuerbarer Energien gesetzlich gefordert (Verordnung über die rationelle Energienutzung (EnGV), §15 resp. Verordnung zum Energiegesetz (Energieverordnung (EnV), §15). In einer Masterarbeit am FHNW Institut Energie am Bau [1] wurde speziell die System- kombination Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Solarenergie untersucht, unter der Voraussetzung einer ideal orientierten Solaranlage. Diese Arbeiten werden in der vorliegenden Studie vertieft und ergänzt.

Zudem werden zu Vergleichszwecken noch weitere durch die kantonalen Gesetzgebungen zugelas- sene Systeme zur Wärmeerzeugung in die Betrachtungen einbezogen.

1.1 Ausgangslage und Projektziele

Unter anderem sind gemäss gesetzlicher Vorgabe Systemkombinationen mit Luft/Wasser-Wärme- pumpe und Solarthermie oder Luft/Wasser-Wärmepumpe und Photovoltaik zulässig. Es ist jedoch nicht klar, welche Variante aus ökologischen und ökonomischen Überlegungen empfehlenswerter ist. Die vorliegende Studie geht dieser Fragestellung für Einfamilienhaus-Neubauten nach. Die Luft/Wasser- Wärmepumpensysteme werden dabei detaillierter betrachtet, insbesondere wird auch die korrekte hydraulische Einbindung thematisiert. Untersucht wird zudem der Einfluss einer nicht optimal ausge- richteten und daher grösseren Solaranlage auf Ökologie und Kosten. Zu Vergleichszwecken werden auch weitere zugelassene Lösungen betrachtet, unter diesen erfüllen Sole/Wasser Wärmepumpen sowie Pelletsfeuerungen die kantonalen Anforderungen auch ohne zusätzliche Solaranlage. Eine Übersicht der untersuchten Systeme gibt Tabelle 1.

Kombination

Wärmeerzeuger Solaranlage

Luft/Wasser Wärmepumpe Photovoltaik

Luft/Wasser Wärmepumpe Solarthermie (Flachkollektoren)

Luft/Wasser Wärmepumpe Solarthermie (Vakuum-Röhrenkollektoren)

Sole/Wasser Wärmepumpe -

Pelletskessel -

Pelletskessel Solarthermie (Flachkollektoren)

Ölkessel Solarthermie (Flachkollektoren)

Gaskessel Solarthermie (Flachkollektoren)

Tabelle 1

Untersuchte Systemkombinationen zur Erzeugung des Trinkwarmwassers. Die Wärmeerzeuger sind so dimensioniert, dass sie auch den gesamten Heizwärmebedarf der betrachteten Gebäude abdecken können.

Ziel der Studie ist es, konkrete Empfehlungen betreffend Systemwahl zu Handen einer Bauherrschaft geben zu können.

1.2 Vorgehen

Zur energetischen und ökologischen Bewertung wurden die in Kapitel 1.1 genannten Systeme mit dem Programm Polysun [2] unter verschiedenen Randbedingungen simuliert. Zur Modellierung der Systeme wurde soweit möglich auf die in der Simulationssoftware vorhandene Datenbank von Systemkompo- nenten und -lösungen diverser Hersteller zurückgegriffen, vereinzelt wurden aber auch Komponenten

Lösungen, welche am Markt tatsächlich erhältlich sind. In Einfamilienhäusern wird ein Wärmeerzeuger gewöhnlich zu Heizzwecken und zur Warmwasserproduktion genutzt, entsprechend den kantonalen Anforderungen wurde hier jedoch nur die Warmwasserproduktion untersucht, die Solaranlagen wurden entsprechend ausgelegt. Sie wurden so dimensioniert, dass die 50%-Regel der beiden Basel exakt erfüllt wird. Die Dimensionierung der Zusatzwärmeerzeuger erfolgte aber derart, dass diese auch den Heizwärmebedarf des Gebäudes vollständig und alleine abdecken können.

Als Ausgangsbasis dienten zwei typische Einfamilienhäuser mit rund 200 m² EBF resp. 300 m² Energiebezugsfläche (EBF). Der Warmwasserbedarf richtet sich nach der Norm SIA 380/1 [3]. Es wurden aber auch Varianten mit jeweils halbem Bedarf simuliert, um den Einfluss einer Nutzungs- änderung aufzeigen zu können.

Die ökologische Bewertung erfolgt anhand der Methode der ökologischen Knappheit in Umweltbelas- tungspunkten (UBP 2006 [4]) und mittels Bestimmung der Treibhausgasemissionen, ausgedrückt als Treibhauspotential in Kilogramm CO2-Äquivalenten pro Jahr (IPCC GWP 100a [5]), jeweils unter Be- rücksichtigung der benötigten Infrastruktur sowie der Betriebsemissionen über den ganzen Lebens- zyklus. Die benötigten Grundlagendaten stammen aus dem ecoinvent-Datenbestand Version 2.01 resp.

2.2 [6] und wurden durch die Firma ESU-services GmbH, Uster zusammengestellt, die Berechnungen zu den Unsicherheiten in der ökologischen Bewertung wurden durch die Firma Carbotech AG, Basel vorgenommen. Die Berechnung der Umweltbelastung erfolgt unter Berücksichtigung aller jeweils be- nötigten Systemkomponenten sowie den Simulationsresultaten (Energieverbrauch, bei Solaranlagen die benötigte Kollektorfeldfläche).

Bewertet wurde auch die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Wärmeerzeugersysteme, die berech- neten Investitions- und Jahreskosten basieren auf Richtofferten und aktuellen Energiepreisen. Die Richtofferten wurden durch die Firma Solvatec AG, Basel erstellt und teilweise mit Katalogpreisen ergänzt respektive angepasst.

2 Kantonale Vorschriften

Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung muss in den beiden Basel zwingend mit einer Solaranlage kombiniert werden. In Frage kommen photovoltaische oder thermische Solaranlagen.

Die minimal jeweils geforderte Kollektorfeldgrösse (Aperturfläche) in Abhängigkeit von der Gebäude- grösse (Energiebezugsfläche; EBF), Anlagentyp und Orientierung lässt sich mit dem Nachweisformular EN-3 ermitteln [7]. Der Warmwasserbedarf wird dabei gemäss SIA 380/1 Standardnutzung

Einfamilienhaus mit 50 MJ/m² angenommen.

2.1 Wärmepumpe mit Photovoltaik

Wird die Variante Photovoltaik gewählt, so muss 50 % des Betriebsstromes für die Wärmepumpe mit der Photovoltaikanlage erzeugt werden. Bei der Berechnung gemäss EN-3 wird davon ausgegangen, dass die Jahresarbeitszahl (JAZ) des Gesamtsystems im Warmwasserbetrieb 2.3 beträgt. Die System- grenzen umfassen dabei nebst der Wärmeerzeugung auch die Speicherung und Verteilung bis zur Zapfstelle (Wärmeübergabe) gemäss Abbildung 1.

Deckung eines Warmwasserbedarfs von 13.9 kWh/m² (50 MJ/m²) muss die Wärmepumpe in einem Gebäude mit 200 m² Energiebezugsfläche 2'778 kWh Wärme bereitstellen, wozu sie mit der an- genommenen Jahresarbeitszahl rund 1'208 kWh elektrischen Strom bezieht. Die Hälfte davon muss durch die Photovoltaikanlage produziert werden, was gemäss dem Nachweisformular EN-3 Anlagen- grössen zwischen 4.9 m² und 8.9 m² Modulfläche erfordert. Bei typischen monokristallinen Modulen entspricht dies einer Gleichstrom-Leistung der Anlagen von rund 750 WPeak bis 1'350 WPeak. Die dazu benötigte Anzahl Module ist aus Tabelle 2 ersichtlich. Für ein Gebäude mit 300 m² EBF würden jeweils etwa 3 Module mehr benötigt. Obwohl in der Tabelle –in Ergänzung zum Nachweisformular– auch eine Variante mit 0° Kollektorneigung angegeben wird, ist eine exakt horizontale Ausrichtung wegen der Modulverschmutzung nicht empfehlenswert.

Abbildung 1

Die Systemgrenzen zur Definition der Jahresarbeitszahl JAZ für den Warmwasserbetrieb gemäss EN-3 umfassen nebst der eigentlichen Wärmepumpe auch den Speicher und die Verteilung bis zur Zapfstelle.

Orientierung Ost Süd-Ost Süd Süd-West West

0° 5 5 5 5 5

15° 5 5 4 5 5

30° 5 4 4 5 5

45° 5 5 4 5 5

60° 6 5 5 5 6

75° 6 5 5 5 7

90° 7 6 6 6 7

Tabelle 2

Typischerweise benötigte Anzahl Photovoltaikmodule je nach Orientierung. Berechnungsgrundlagen: Nachweisformular EN-3, EFH mit 200 m² EBF, Modultyp Talesun TP572M (190 W), 1.28 m² Bruttofläche je Modul [8]. Die Nennleistung der Anlage liegt zwischen 0.75 kWPeak und 1.35 kWPeak.

2.2 Wärmepumpe mit Flachkollektoren

Alternativ zur Photovoltaikanlage ist auch eine Kombination mit thermischen Kollektoren möglich. Diese müssen mindestens 50 % des Wärmebedarfs für Trinkwarmwasser abdecken können. Mit dem Nach- weisformular EN-3 ergeben sich für Flachkollektoren minimal benötigte Aperturflächen zwischen 2.8 m² und 8.3 m² (Bruttofläche etwa 3.1 m² bis 9.2 m²). In Tabelle 3 sind wiederum daraus resultierende typische Modulzahlen für unterschiedliche Anlagenorientierungen bei einem Einfamilienhaus mit 200 m² EBF angegeben. Für das grössere Haus mit 300 m² EBF wird jeweils etwa ein Kollektor mehr benötigt. Wiederum sind Modulzahlen für eine horizontale Ausrichtung (Anstellwinkel 0°) angegeben.

Es ist aber zu beachten, dass je nach Kollektortyp eine Mindestneigung zwingend einzuhalten ist.

Orientierung Ost Süd-Ost Süd Süd-West West

0° 2 2 2 2 2

15° 2 2 2 2 2

30° 2 2 2 2 2

45° 3 2 2 2 2

60° 3 2 2 2 3

75° 3 2 2 2 3

90° 4 3 3 3 4

Tabelle 3

Typischerweise benötigte Anzahl Flachkollektormodule je nach Orientierung. Berechnungsgrundlagen: Nachweisformular EN-3, EFH mit 200m² EBF, Modultyp Conergy Aldo 240, 2.2 m² Aperturfläche je Modul [9]

2.3 Wärmepumpe mit Röhrenkollektoren

Vakuum-Röhrenkollektoren sind etwas effizienter und beanspruchen von allen betrachteten Systemen am wenigsten Dachfläche. Wie Tabelle 4 zeigt sind zwischen 2 bis 3 Kollektoren (200m² EBF Ein- familienhaus) notwendig um die kantonalen Vorgaben zu erfüllen (2.4 m² bis 5.1 m² gemäss EN-3 Nachweisformular). Mit den in diesem Bericht beispielhaft angenommenen Kollektoren (AMK-Solac OPC 15 [10]) entspricht dies einem Brutto-Flächenbedarf von 4.3 m² resp. 6.4 m².

Orientierung Ost Süd-Ost Süd Süd-West West

0° 2 2 2 2 2

15° 2 2 2 2 2

30° 2 2 2 2 2

45° 2 2 2 2 2

60° 3 2 2 2 3

75° 3 2 2 2 3

90° 3 3 3 3 3

Tabelle 4

Typischerweise benötigte Anzahl Vakuum-Röhrenkollektormodule je nach Orientierung. Berechnungsgrundlagen: Nachweisformular EN-3, EFH mit 200m² EBF, Modultyp AMK Solac OPC 15, 1.72 m² Aperturfläche je Modul (Brutto 2.13 m²) [10]

3 Simulationen

Die betrachteten Systeme wurden mit der Simulationssoftware Polysun (Designer-Version 5.4) mo- delliert und simuliert. In Polysun ist eine umfangreiche Datenbank von Systemkomponenten (Kol- lektoren, Wärmepumpen, Kessel,...) diverser Hersteller integriert. Soweit möglich wurde auf diese zurückgegriffen, fallweise mussten spezielle Komponenten aber auch in Polysun nach Datenblatt- angaben neu modelliert oder angepasst werden. Die Kollektorfläche bei Systemen mit Solarunter- stützung wurde jeweils so gewählt, dass die kantonale Vorgabe an den Einsatz erneuerbarer Energien mit der simulierten Anlage exakt erfüllt werden kann. Für Photovoltaiksysteme heisst dies, dass 50 % des jährlichen Strombedarfes der Wärmepumpe im Warmwasserbetrieb abgedeckt werden, bei solarthermischen Systemen müssen 50 % der Wärme an den Trinkwasserspeicher vom Kollektorfeld stammen (solarer Bruttoertrag).

Bei Anlagen mit Solarkollektoren wurde ebenso der Einfluss der Ausrichtung betrachtet. Es zeigte sich, dass die Erträge bei Abweichungen aus der idealen Südorientierung (45 ° Neigung) sowohl in Ost- als auch in Westrichtung in ungefähr gleich stark abnehmen (Klimastation Basel-Binningen). Bei Photo- voltaikanlagen sind die Unterschiede sehr gering, sodass in den Auswertungen exemplarisch einzig die Resultate für eine Westausrichtung angegeben sind. Solarthermische Systeme mit Westorientierung sind etwas im Vorteil gegenüber ostausgerichteten Kollektorfeldern, sie profitieren von höheren Aussenlufttemperaturen und werden nicht durch morgendliche Nebel beschattet.

3.1 Randbedingungen

Die Randbedingungen wurden bei allen Simulationen, soweit sinnvoll, identisch angenommen. Allen Systemen gemeinsam sind:

- Klimastation: Basel-Binningen, Auslegungstemperatur -7 °C

- Verschattung: keine

- Kaltwassertemperatur: 10 ºC

- Zapftemperatur Warmwasser: 50 ºC - Warme Speicheranschlüsse siphoniert

- Wärmedämmung Speicher 50 mm PU-Schaum für Standardspeicher

90 mm bis 130 mm PU-Schaum für Kombispeicher - Leitungslänge Speicher-Zapfstelle 10 m

Die Rohrisolationen sind bei allen Anlagen identisch gewählt und erfüllen die kantonalen Vorgaben. Die verwendeten Daten der beiden zugrundeliegenden Gebäudevarianten sind in Tabelle 5 zusammenge- stellt. Die Gebäude repräsentieren typische Bauten aus dem Kanton Basel-Landschaft. Der Heiz- wärmebedarf und die Norm-Heizlast werden zur korrekten Dimensionierung der Wärmeerzeuger benötigt, die Energiebezugsfläche zur Berechnung des Warmwasserbedarfs.

In den Sommermonaten Juli und August wird von einem um 20 % reduzierten Warmwasserbedarf aus- gegangen, die Werte in Tabelle 5 entsprechen Durchschnittswerten über ein ganzes Jahr. Warmwas- serzirkulation wurde bei keinem System berücksichtigt, bei entsprechender Anordnung der Heizzentrale mit kurzen Leitungswegen sollte bei Einfamilienhäusern darauf verzichtet werden können. Der Verzicht auf eine Warmwasserzirkulation wirkt sich energetisch günstig aus.

EFH 200 m² EFH 300 m²

Energiebezugsfläche EBF AE 196 m² 284 m²

Norm-Heizlast SIA 384/201 Φ_HL 5.1 kW 6.9 kW

Gesamtwärmebedarf Heizung + Warmwasser Qh+Qww 205 MJ/m² 186 MJ/m²

Heizwärmebedarf (SIA 380/1:2009) Qh 155 MJ/m² 136 MJ/m²

Wärmebedarf Warmwasser (SIA 380/1:2009) Qww 50 MJ/m² 50 MJ/m² Wärmebedarf Warmwasser 100 % (SIA 380/1) Q_ww,100 2’722 kWh/a 3'944 kWh/a Wärmebedarf Warmwasser 50 % (SIA 380/1) Qww,50 1’361 kWh/a 1'972 kWh/a Mittlerer täglicher Warmwasserverbrauch

(50 °C)

160 l/d 232 l/d

Tabelle 5

Daten der beiden betrachteten Gebäudevarianten. Der Wärmebedarf für Warmwasser beträgt rund ¼ des Gesamtwärmebedarfs.

3.1.1 Warmwasser-Zapfprofile

Simuliert wurden sowohl ein Warmwasserbezug der dem vollen Normwert gemäss SIA 380/1 entspricht (50 MJ/m²) als auch Varianten mit halbem Bedarf (25 MJ/m²). Die Zapfprofile wurden aus der EN 16147 [11] entnommen. Hierin sind einzelne Zapfungen wie Duschen, Baden, Geschirrspülen und dergleichen mit Angaben zu Zeitpunkt und bezogener Energiemenge definiert (Abb. 2). Gewählt wurde für jede der vier Situationen (EFH mit 200 m² resp. 300 m², jeweils mit vollem resp. halbem Warm- wasserbedarf gemäss SIA 380/1) dasjenige Zapfprofil, welches die gewünschte Jahressumme des Energiebezuges am genauesten wiedergibt. Für das kleine Einfamilienhaus sind das die Profile „M“

(„Medium“) für den vollen und „S“ („Small“) für den halben Warmwasserbedarf, für das grosse Gebäude entsprechend die Profile „L“ („Large“) und „M“. Um den gewünschten Warmwasserverbrauch exakt zu erreichen, mussten einzelne Zapfungen dieser Profile teilweise noch etwas angepasst werden. So wurde beispielsweise im Zapfprofil „M“ für das kleine EFH mit dem vollen Warmwasserbedarf nach

SIA 380/1 der Kleinbezug um 7:30 gegen einen zweiten Duschvorgang getauscht (vgl. Abbildungen 2 und 3). Für die Sommermonate Juli und August wird von einem um 20 % reduzierten Warmwasser- bedarf ausgegangen. Die benutzten Zapfprofile für die beiden Varianten EFH 200 m² und EFH 300 m² sind zusammen mit den Freigabezeiten des Wärmeerzeugers in den folgenden Abbildungen jeweils für den vollen (Abbildungen 3 und 4) und den halben (Abbildungen 5 und 6) Warmwasserbedarf dargestellt (Situation Winter). Die roten Säulen entsprechen dabei einem definierten Energiebezug zu einer be-

Abbildung 2

Auszug EN 16147:2011: Zapfprofil „M“ [11].

stimmten Zeit. Bei allen Profilen ist beispielsweise am Mittag eine Bezugsspitze von etwa 0.4 kWh (entsprechend ungefähr 7 Liter Wasser von 50 °C) für das Geschirrspülen erkennbar. Ebenfalls allen Profilen gemeinsam sind grössere Bezüge für Duschen oder Baden am Morgen und Abend. Die Frei- gabe des Zusatzwärmeerzeugers erfolgt nachts, beim System mit Pelletsfeuerung ohne Solarthermie frühmorgens. Ausser bei der Erdwärmesonden-Wärmepumpe musste bei allen Systemen für das 300 m² grosse EFH mit vollem Warmwasserbedarf (Zapfprofil „L“, Abbildung 4) zusätzlich am späteren Nachmittag nachgeheizt werden, um die abendliche Bezugsspitze decken zu können.

Abbildung 3

Zapfprofil für das 200 m² Haus (100 % Warmwasserbedarf nach SIA 380/1).

Abbildung 4

Zapfprofil für das 300 m² Haus (100 % Warmwasserbedarf nach SIA 380/1)

Abbildung 5

Zapfprofil für das 200 m² Haus (50 % Warmwasserbedarf nach SIA 380/1)

Abbildung 6

Zapfprofil für das 300 m² Haus (50 % Warmwasserbedarf nach SIA 380/1)

3.1.2 Thermische Solaranlage

Die thermischen Solaranlagen wurden wie folgt modelliert:

- Verbindung Kollektor-Speicher: gesamthaft 30 m (2x15 m), davon 10 m aussen - Flachkollektor: „Flachkollektor gut“ aus Polysun-Datenbank, - Vakuum-Röhrenkollektor: AMK-Solac OPC 15 [10]

Die Regelung erfolgt nach der Temperaturdifferenz zwischen Speicher (unten) und Kollektoraustritt, als Umwälzpumpe für den Solarkreis wurde ein Typ mit maximal 30 W Leistungsaufnahme gewählt

(generischer Polysun-Typ „Pumpe klein“).

3.1.3 Photovoltaik-Anlage

Die Photovoltaikanlage wurde mit einem generischen, polykristallinen Photovoltaik-Modul aus der Polysun-Datenbank simuliert. Es wurde jeweils ein der Generatorleistung angepasster Wechselrichter ausgewählt.

3.1.4 Luft/Wasser Wärmepumpe

Zur Simulation der Wärmepumpe wurden die bereits in [1] verwendeten Typen Geotherm VWL-71 (200 m² Gebäude) respektive Geotherm VWL-91 (300 m² Gebäude) der Fa. Vaillant gewählt [12].

Diese erreichen Maximaltemperaturen von 55 ºC (Hochdruckabschaltung bei 58 ºC), womit in der Simulation Zapftemperaturen von 50 ºC gerade noch erreicht werden konnten. Allerdings toleriert Polysun auch eine zeitlich beschränkte Unterschreitung dieser Solltemperatur (bis zu 5 K unter

Solltemperatur während maximal 10 % der Zeit) ohne Fehlerwarnung. Geregelt wird die Wärmepumpe über einen Temperaturfühler im Speicher (Wärmepumpe „ein“ falls Speichertemperatur oben unter 50 °C) und am Wärmepumpenausgang („aus“ bei 55 °C). Die Position des Temperaturfühler im

Speicher liegt dabei ungefähr auf 40 % (Wärmepumpe ohne Solarthermie) respektive 70 % der Speicherhöhe (Wärmepumpe mit Solarthermie). Die minimale Lauf- und Stillstandszeit der Wärme- pumpe wurde auf je 10 Minuten festgelegt, wodurch die vom Elektrizitätswerk verlangten max. 3 Ein- schaltungen pro Stunde eingehalten werden.

3.1.5 Erdsonden-Wärmepumpe

Die Sondenlänge für das System mit Erdsonden-Wärmepumpe wurde mit 120 m für das kleine

(200 m²) respektive 150 m für das grosse (300 m²) Haus dimensioniert. Als Wärmepumpentypen wurde eine CTA Optiheat 6e [13] (EFH 200 m²) respektive Stiebel Eltron WPF 7 [14] (EFH 300 m²) gewählt.

Beide Typen erreichen Vorlauftemperaturen von 60 ºC. Die Belastung der Sonde durch Wärmeentzug im Heizbetrieb wurde durch ein Gebäude mit den Daten entsprechend Tabelle 5 berücksichtigt. Wie bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe wurde die minimale Lauf- und Stillstandszeit auf jeweils 10 Minuten festgelegt und nach Speichertemperatur („ein“ falls tiefer als 50 °C) resp. Wärmepumpen-Austritts- temperatur („aus“ bei 55 °C) geregelt. Der angenommene Untergrund besteht aus einer einzigen Erdschicht mit den Stoffwerten Dichte ρ = 2'400 kg/m³, spezifische Wärmekapazität c_p = 1'300 J/(kg·K) und einer Wärmeleitfähigkeit von λ = 2.6 W/(m·K).

3.1.6 Kessel

Für alle Kessel (Öl/Gas/Pellets) wurden jeweils modulierende Typen gewählt, diese können ihre Leis- tungsabgabe im Bereich 5 – 15 kW dem aktuellen Bedarf anpassen. Die Öl- und Gaskessel sind zudem mit Brennwerttechnik ausgerüstet, so wie dies von den kantonalen Energievorschriften verlangt wird.

Geregelt werden die Brenner jeweils über einen einzigen Temperaturfühler im Speicher. Die Prinzip- schemen der Anlagen mit Kessel sind in Abbildung 7 dargestellt, die Variante mit Pelletskessel ist auch ohne Solarunterstützung zulässig.

Öl-/Gas-/Pelletskessel mit Solarthermie Pelletskessel

Abbildung 7

Prinzipschemen der Anlagen mit Kessel: Öl-/Gas-/Pelletskessel in Verbindung mit thermischer Solaranlage (links) und Pelletskessel ohne Solaranlage (rechts). In der Ausführung mit 500 l Inhalt (Vaillant VH-500 DSF/E [15]) für die Kombination Öl-/Gas-/Pelletskessel mit Solarthermie betragen die Wärmeübertragerflächen im Speicher 2.6 m²/1.5 m² (unten/oben), der Wärmeübertrager im 300 l Speicher (Vaillant VH-300 SF/E [15]) für den Pelletskessel ohne Solarunterstützung ist 1.9 m² gross. Beide Speicher sind mit 50 mm PU-Schaum wärmegedämmt. Alle Zahlenangaben für die Variante EFH 200 m².

3.1.7 Trinkwasserspeicher

Die Grösse der gewählten Trinkwasserspeicher kann Tabelle 6 entnommen werden. Bei den Betrachtungen zu den Hydraulikschaltungen (Kapitel 4.2) wurde teilweise mit grösseren Speicher gerechnet, weil Kombispeicher in kleinerer Ausführung nicht erhältlich sind. Die Wärmeübertragung erfolgt jeweils über einen oder zwei (bei Einbindung solarer Wärme) innenliegende Wärmeübertrager.

Als Material wurde normaler Stahl angenommen. Die Warmwassertemperaturen im Speicher werden durch den Zusatzwärmeerzeuger (Wärmepumpe resp. Öl-/Gas-/Pelletsfeuerung; alle Anlagen ohne Elektro-Einsatz) auf 55 ºC geregelt (Ausschaltpunkt). Sowohl Dämmstärken als auch

Wärmeübertragerflächen wurden gemäss Herstellerangaben der gewählten Speicher modelliert (vgl.

Datenblätter im Anhang).

EFH 200 m² EFH 300 m²

Ohne Solarthermie 300 Liter 400 Liter

Mit Solarthermie 500 Liter 600 Liter

Tabelle 6

Verwendete Speichergrössen für die Trinkwasserspeicherung.

4 Systemkombination Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Solaranlage

4.1 Einbindung der Wärmepumpe

Bei Verwendung einer Wärmepumpe als (Zusatz-)Wärmeerzeuger ist speziell auf eine ausreichend dimensionierte Wärmeübertragungsfläche zur Einbindung in den Trinkwasserspeicher zu achten: Die Wärmepumpe muss bei Auslegungstemperatur (Aussentemperatur -7 ºC) die gesamte Heizleistung für die Gebäudebeheizung erbringen können. Die Heizleistung von Wärmepumpen ist aber stark von der Quellentemperatur abhängig, bei Luft/Wasser-Wärmepumpen also von der Aussenlufttemperatur welche im Jahresverlauf stark schwankt. Wegen der Auslegung auf den winterlichen Heizfall erreichen Luft/Wasser-Wärmepumpen bei der sommerlichen Warmwasserproduktion sehr hohe Heizleistungen welche an den Trinkwasserspeicher abgegeben werden müssen. Als Beispiel weist die in den Simu- lationen verwendete Wärmepumpe VWL-71 für das 200 m² grosse EFH im winterlichen Heizfall bei tiefen Aussentemperaturen (A-7/W35) eine Leistung von 5.7 kW auf. Bei der Warmwasserproduktion im Winter bewegt sich die Heizleistung mit 5.2 kW (A-7/W55) in ähnlichem Rahmen, während im Sommer aufgrund der höheren Aussentemperaturen eine etwa doppelt so hohe Leistung von 11.3 kW erreicht (A20/W55) wird [16]. Um diese hohe Leistung an den Speicher übertragen zu können sind ungewohnt grosse Wärmeübertrager-Oberflächen im Bereich von 3 m² bis 5 m² erforderlich. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Wärmepumpe ihre Leistung nicht abgeben kann und eine Hochdruckstörung auslöst. Für den störungsfreien Betrieb werden daher spezielle Wärmepumpenboiler benötigt (Abb. 8), diese sind mit einem Register ab 300 Liter oder mit zwei Registern zur zusätzlichen Solareinbindung unten im Speicher ab 500 Liter erhältlich.

Wärmepumpenboiler Typ VH-300 WP/E für die Varianten mit Wärmepumpe ohne Solarthermie: 300 Liter Inhalt,

Wärmeübertragerfläche 3,5 m²

Wärmepumpen-Solar-Boiler Typ VH-500 WPS/E für die Varianten Wärmepumpe mit Solarthermie: 500 Liter Inhalt,

Wärmeübertragerflächen: unten 1,9 m², oben 4.2 m²

Abbildung 8

Beispiel Wärmepumpenboiler mit einem (links) resp. zwei Heizregistern (rechts) für zusätzliche Einspeisung von Solarenergie im unteren Speicherbereich. Zur Vergrösserung der Oberfläche bestehen die Wärmeübertrager aus zwei parallelen Wendeln. Die Dämmstärke beträgt jeweils 50 mm (Bildquelle: Vaillant Schweiz GmbH).

4.2 Luft/Wasser-WP-Anlagen mit thermischer Solaranlage

Zur Einbindung thermischer Solaranlage in die Wärmeerzeugung bestehen diverse Lösungen auf dem Markt. Anhand von Simulationen für das kleine Einfamilienhaus mit 200 m² EBF wurden die energeti- schen Auswirkungen verschiedener hydraulischer Schaltungsvarianten untersucht. Die Solaranlage bestehend aus Flachkollektoren wurde für diese Untersuchung stets optimal ausgerichtet (Südorien- tierung, 45 ° Neigung).

Der Zusatzwärmeerzeuger soll nebst dem Trinkwarmwasser auch die Gebäudeheizung mit Wärme ver- sorgen können. Da die Effizienz und damit der Stromverbrauch von Wärmepumpen wesentlich von der Vorlauftemperatur im Heizkreis abhängig ist, kommen im Neubau nur Niedertemperatur-Fussboden- heizungen als Wärmeabgabesystem in Frage. Dank der grossen Wärmeübertragungsfläche des gesamten Fussbodens können diese Systeme mit tiefen Temperaturen (Vorlauf kleiner 30 °C) betrie- ben werden. Der Fussboden bietet dabei meist genügend thermische Speichermasse um die Wärme der Wärmepumpe zu puffern, sodass die Heizung bei entsprechender Auslegung nicht über einen separaten Speicher angebunden werden muss. Gemäss [17] ist dies immer dann möglich, wenn der Thermostatventilanteil an der Heizfläche weniger als 40 % beträgt. Es wird daher davon ausgegangen, dass lediglich zur Speicherung des Trinkwarmwassers ein Puffer benötigt wird.

Bei allen Hydraulikvarianten wurde nebst den in Kapitel 3.1 genannten Randbedingungen von einer für alle Anlagen festen Kollektorfeldgrösse ausgegangen (vgl. Abbildung 9):

Brutto-/Aperturfläche: 3.2 / 2.9 m²

Diese Fläche erfüllt in den Simulationen der Variante 1 mit dem verwendeten Flachkollektor die kantonalen Anforderungen exakt, d.h. die Hälfte der an den Speicher gelieferten Wärme stammt vom Kollektorfeld.

Abbildung 9

Bezeichnungen der massgebenden Flächen an einem Solarkollektor: Die Bruttofläche wird mit Aussenmassen bestimmt, unter Apertur- fläche wird diejenige Fläche verstanden, durch welche Sonnenstrahlung in den Kollektor dringen kann. Auf der Absorberfläche wird die einfallende Strahlung in Wärme umgesetzt.

Die negativen energetischen Auswirkungen einer direktelektrischen Nachheizung mittels Heizstab wurden bereits in [1] aufgezeigt, bei den hier simulierten Anlagen kommt daher keine solche Zusatz- heizung zum Einsatz.

In den folgenden Abschnitten 4.2.1 bis 4.2.5 werden die untersuchten Anlagetypen kurz beschrieben, in Kapitel 4.3 schliesslich sind die Simulationsergebnisse auf welchen die Bewertung basiert zusammen- gestellt.

4.2.1 Variante 1: High-Flow

In einer sogenannte High-Flow Solaranlage (Abbildung 10) beträgt der Durchfluss des Wärmeträger- mediums im Kollektorkreis etwa 30 l/h/m² (bezogen auf die Kollektorfläche). Bei jedem Durchlauf durch den Kollektor erwärmt sich das Medium im Solarkreis und übergibt diese Wärme über einen Wärme- übertrager im untersten Speicherbereich an das Trinkwarmwasser. Das Trinkwarmwasser im Speicher wird dadurch langsam aufgewärmt. Die Anlage besteht aus wenigen Komponenten und ist so vielfach

bewährt im Einsatz. Ihre Eigenschaften sind hinreichend bekannt, Komponenten und komplette Sys- teme sind gut verfügbar. Es ist wohl die am häufigsten angebotene thermische Solaranlage am Markt, ihre Effizienz erweist sich auch in den Simulationen als gut.

Abbildung 10

Hydraulikschema High-Flow Anlage. Die Wärmeübertragerflächen betragen 1.9 m² (unten) resp. 4.2 m² (oben). Speichervolumen:

500 Liter. Speicherdämmung 50 mm (VH-500 WPS/E Speicher [15]).

4.2.2 Variante 2: Low-Flow

Energetisch gleichwertige Resultate wie mit einer High-Flow Anlage (Variante 1) werden unter den gegebenen Randbedingungen auch mit einer Low-Flow Anlage erreicht (Abbildung 11).

Abbildung 11

Hydraulikschema Low-Flow Anlage. Die Solar-Wärmeübertragerflächen betragen 1.7 m² (unten) resp. 1.0 m² (oben). Die Wärmepumpe ist über einen 3.6 m² grossen Wärmeübertrager eingebunden, das Speichervolumen beträgt 500 Liter. Speicherdämmung: 90 mm (Soltop Quicksol 500 Speicher mit Zusatzwärmeübertrager für Wärmepumpen-Einbindung [18]).

Der Durchfluss des Wärmeträgermediums im Kollektorkreis ist bei solchen Anlagen etwa halb so hoch wie bei der High-Flow Variante (also ca. 15 l/m²/h, bezogen auf die Aperturfläche), um am Kollektor- austritt möglichst schnell ein nutzbar hohes Temperaturniveau zu erhalten: Durch den langsameren

Durchfluss verweilt die Wärmeträgerflüssigkeit länger im Kollektor und kann sich dadurch stärker aufheizen (Abb. 12).

High-Flow Solaranlage Low-Flow Solaranlage

Abbildung 12

Temperaturverhältnisse an einem Kollektorfeld (2 Kollektoren) einer High-Flow (links) und Low-Flow Anlage an einem sonnigen Märztag (Simulationsergebnisse). Die Austrittstemperatur bei der Low-Flow Anlage erreicht mit 60 °C bereits Nutzniveau.

Ist die Temperatur am Kollektoraustritt höher als im oberen Bereich des Speichers (Bereitschaftsbe- reich), so wird diese Wärme über einen zusätzlichen Wärmeübertrager zuerst dort hin übertragen (siehe Abbildung 11). Dadurch wird dort rasch Nutztemperaturniveau erreicht. Zwar sinkt durch die höhere Kollektorfeldtemperatur auch dessen Effizienz aufgrund höherer Wärmeverluste an die Um- gebung, im Idealfall muss aber der zusätzliche Wärmeerzeuger nicht nachheizen. Insbesondere in den Übergangszeiten Frühling und Herbst kann dadurch Betriebsenergie des Zusatzwärmeerzeugers eingespart werden kann. In den Sommermonaten ist das Strahlungsangebot ohnehin hoch genug um bei beiden Varianten eine vollständig solare Wärmeversorgung zu erreichen.

In Paketlösungen mit aufeinander abgestimmten Komponenten sind Low-Flow-Anlagen energetisch etwas besser als die High-Flow Variante (Variante 1), dies zeigen auch die Simulationen. Bei den relativ kleinen Kollektorflächen wie sie die EN-3 minimal fordert schwindet der Vorteil von Low-Flow Anlagen aber. Das System ist unter diesen Randbedingungen einer High-Flow Anlage energetisch ungefähr ebenbürtig. Um dies zu illustrieren wurde das Verhalten beider Systeme näher untersucht.

Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse dieses Vergleiches. Beide Anlagentypen wurden mit den unter Kapitel 13.1 genannten Randbedingungen simuliert. Bei Anlagen mit einem einzigen Kollektor (2 m² Brutto- fläche) benötigt die High-Flow Variante mit 832 kWh Stromverbrauch für die Wärmepumpe und die Umwälzpumpe im Solarkreis geringfügig weniger Zusatzenergie als die Low-Flow Variante mit

834 kWh. Die Situation ändert sich bei grösserem Kollektorfeld aus mehreren Kollektoren, dann werden die Low-Flow Systeme spürbar besser. Bei drei Kollektoren mit gesamthaft 6 m² Bruttofläche benötigt die Low-Flow Anlage rund 8 % weniger an Zusatzenergie. Zwar liegt der Kollektorfeldertrag bei der Low-Flow Variante aufgrund der höheren mittleren Kollektortemperatur etwas tiefer als beim Low-Flow System, allerdings verzeichnet die Wärmepumpe auch weniger Einschaltungen, da die Solaranlage erwartungsgemäss auch ohne Zusatzheizung oft Nutztemperaturniveau erreicht.

Anlagenvariante Brutto-/

Aperturfläche

Ertrag Kollektorfeld

Einschaltungen Wärmepumpen

Stromverbrauch total*

High-Flow 2.0 / 1.8 m² 1212 kWh 496 832 kWh

Low-Flow 1195 kWh 369 834 kWh

High-Flow 3.2 / 2.9 m² 1820 kWh 457 684 kWh

Low-Flow 1798 kWh 329 683 kWh

High-Flow 4.0 / 3.6 m² 2119 kWh 401 615 kWh

Low-Flow 2150 kWh 292 603 kWh

High-Flow 6.0 / 5.4 m² 2804 kWh 365 498 kWh

Low-Flow 2786 kWh 203 460 kWh

*Wärmepumpe & Umwälzpumpe Solaranlage Tabelle 7

Resultate der Vergleichs-Simulation zwischen High-Flow und Low-Flow-System mit unterschiedlicher Aperturfläche. Warmwasser- bedarf EFH 200 m² EBF. Kollektororientierung Süd, 45° Neigung. Die Anlage mit 2.9 m² Aperturfläche würde genau 50 % der gesamten an den Speicher gelieferten Wärme bereitstellen.

Diese Resultate zeigen, dass es nicht empfehlenswert ist, Komplettsysteme welche auf dem Markt angeboten werden künstlich zu beschneiden, einzig weil von gesetzlicher Seite her weniger Kollektor- fläche vorgeschrieben wird. Der Ertragsvorteile einer Low-Flow Solaranlage würde dadurch hinfällig.

Eine Low-Flow Solaranlage kann also einen Mehrertrag erbringen. Nachteilig bei dieser Hydraulik sind jedoch die zusätzlich benötigten Komponenten und die damit verbundenen leicht höheren Kosten (nach Angaben eines Systemanbieters circa 5 % gegenüber High-Flow) und die Komplexität (alle drei

Wärmeübertrager, bei Wärmepumpensystemen allenfalls inklusive viertem Zusatzwärmeübertrager zur Vergrösserung der Übertragungsoberfläche müssen korrekt verschaltet werden) gegenüber einem

„konventionellen“ High-Flow System. Passende Speicher, welche (mit zusätzlichem Wärmeübertrager) auch für Wärmepumpeneinbindung geeignet sind, werden beispielsweise von der Fa. Soltop aus der Quicksol-Produktelinie angeboten [18] (Abb. 13).

Abbildung 13

Speicher mit drei fest eingebauten Wärmeübertragern für eine Low-Flow Solaranlage (links). Mit einem Zusatzregister im Flansch zur Vergrösserung der Wärmeübertragungs-Oberfläche für die Zusatzheizung (rechts) ist auch eine Kombination mit Wärmepumpen möglich. Das Zusatzregister muss in Serie zum eingebauten Wärmeübertrager für die Nachheizung verschaltet werden (Bildquellen:

Soltop Schuppisser AG [18] / Elcotherm AG [19]).

4.2.3 Variante 3: Kombispeicher Tank-in-Tank

Kombispeicher, zu denen das hier betrachtete Tank-in-Tank System aus Abbildung 14 gehört, werden üblicherweise dann eingesetzt, wenn die Solaranlage nebst der Warmwasserbereitstellung auch zur

reinen Trinkwasserspeichern Warmwasser auf hoher Temperatur vorrätig gehalten, während im kühleren unteren Bereich die solare Wärme eingebunden wird. Zusätzlich besitzt ein Kombispeicher eine mittlere Zone zur Bevorratung von Heizwasser auf niedrigem Temperaturniveau. Entsprechend weisen solche Speichertypen ein hohes Volumen ab ungefähr 750 Liter auf.

Abbildung 14

Solar-Kombispeicher mit Top-Sol-Integralboiler: Schematischer Darstellung der drei Speicherbereiche eines Kombispeichers. Das zufliessende Kaltwasser wird über einen Wärmeübertrager im unteren Speicherbereich vorgewärmt (Bildquelle: Feuron AG [20]).

Grundsätzlich lässt sich dieses System aber auch zur reinen Warmwasserbereitstellung in der Kom- bination Wärmepumpe mit Solarthermie einsetzen, als Vorteil steht der Wärmepumpe eine relativ grosse Warmwassermenge zur Wärmeabgabe zur Verfügung. Simuliert wurde ein System mit ins- gesamt 750 Liter Speichervolumen (Abbildung 15).

Abbildung 15

Anlage mit Kombispeicher. Die Oberfläche des inneren Tanks beträgt 2 m², der Tankinhalt 220 Liter. Gesamtvolumen: 750 Liter.

Speicherdämmung 130 mm (Feuron Top-Sol Kombispeicher 750/220/1,2).

Der Innentank ist über einen Wärmeübertrager im unteren Teil des Speichers mit dem Kaltwasseran- schluss verbunden. Über diesen Wärmeübertrager wird das zufliessende Kaltwasser vorgewärmt,

wodurch das untere Speichervolumen, in welchem die Solarwärme eingekoppelt wird, abkühlt. Dadurch können die Kollektoren stets auf niedrigem Temperaturniveau mit hoher Effizienz betrieben werden. Die Simulations-Ergebnisse zeigen, dass die Gesamteffizienz mit 20 % Mehraufwand für den Zusatz- wärmeerzeuger dennoch um einiges schlechter ausfällt als in „konventionellen“ High-Flow Solar- anlagen zur Trinkwassererwärmung (Variante 1). Dies insbesondere wegen der, trotz Vorwärmung im unteren Speicherbereich, trägen Wärmeübertragung auf den Innentank mit 220 Liter Inhalt und relativ kleiner Oberfläche für die Wärmeübertragung. Um die gewünschte Zapftemperatur von 50 ºC zu erreichen, muss der Speicherinhalt auf über 60 ºC aufgewärmt werden. Dazu wird eine passende Hochtemperatur-Wärmepumpe benötigt. Dies ist aus energetischer Sicht ungünstig, das System wird zur reinen Warmwassererwärmung so auch nicht von Herstellerseite empfohlen.

4.2.4 Variante 4: Frischwasser-Kombispeicher

Auch die Speicher dieser Variante werden als Energiespeicher für kombinierte Systeme mit Trink- wassererwärmung und solarer Heizungsunterstützung angeboten. Erhältlich sind daher ebenfalls meist grossvolumige Speicher ab etwa 600 Liter Inhalt, beispielsweise TTE 600 FA 1 der Fa. Schüco [21].

Der grösste Teil des Speichervolumens dient als reiner Energiespeicher, das Trinkwasser wird im Durchflussprinzip über einen grossflächigen Wärmeübertrager der über die ganze Speicherhöhe reicht erwärmt. Dadurch wird nur relativ wenig Trinkwarmwasser vorrätig gehalten (rund 30 Liter), was die Legionellengefahr im Speicher reduziert. Zwar ist auch hier die Wärmeübertragung von der Wärme- pumpe an den Speicher ohne zusätzlichen Wärmeübertrager vorteilhaft, um aber das Trinkwasser im Durchflussprinzip zu erhitzen werden sehr hohe Übertragungsleistungen im Bereich von 30 kW am Trinkwasser-Wärmeübertrager benötigt. Dies erfordert im Speicher eine Vorrathaltung von einer grösseren Menge an Warmwasser auf hoher Temperatur. Die Simulationen zeigen, dass sich dies energetisch ungünstig auswirkt. Der elektrische Mehraufwand gegenüber einer High-Flow-Solaranlage beträgt rund 10 %.

Abbildung 16

Anlage mit Kombi-Frischwasserspeicher. Die Wärmeübertragerflächen betragen 2.0 m² resp. 6 m² (Durchlaufwärmeübertrager). Das Gesamtvolumen beträgt 572 Liter. Speicherdämmung 120 mm (Schüco TTE 600 FA 1 Speicher).

4.2.5 Variante 5: Frischwasserstation

Bezüglich Energieeffizienz am Besten schneidet das System mit Frischwasserstation ab (Abbildungen 17 und 18). Bei dieser Hydraulik-Variante wird im Speicher warmes Wasser bereitgehalten, welches seine Wärme im Moment der Zapfung über einen externen Plattenwärmeübertrager (sog. Frischwas- serstation) im Gegenstrom an das zufliessende Kaltwasser überträgt.

Abbildung 17

Links: Schematische Darstellung einer Frischwasserstation inkl. Pumpe und Plattenwärmeübertrager (Bildquelle: PAW GmbH & Co.

KG, Deutschland [22]). Rechts: Schema Pufferspeicher PSR500 zum Anschluss an eine Frischwasserstation (Bildquelle: Sonnekraft, Deutschland [23]).

Vorteil: Es wird kein warmes Trinkwasser vorrätig gehalten, was die Legionellenproblematik entschärft.

Gemäss Norm SIA 385/1 [24] sind für Durchflusserwärmer keine Mindesttemperaturen bei der Warm- wassererzeugung einzuhalten. Dadurch werden auch tiefere Warmwasser-Zapftemperaturen möglich, was der Systemeffizienz zu Gute kommt. Wie in [1] gezeigt wurde, steigt der Stromverbrauch und damit die Umweltbelastung der Warmwassererzeugung erheblich, wenn zur Legionellenbekämpfung hohe Temperaturen im Speicher mit direktelektrischem Heizstab erzeugt werden müssen. Ineffizient hohe Wärmepumpen-Temperaturen oder gar ein zusätzlich direktelektrischer Heizstab zur Erreichung hoher Temperaturen (60 ºC) sind bei Frischwasserstationen aber gar nicht notwendig. Die kritische Übergabe der Wärme von der Wärmepumpe an den Speicher wird durch den hier entfallenden Wärmeübertrager ebenfalls verbessert.

Entsprechende Systeme werden unter anderem von den Firmen Sonnenkraft und Viessmann ange- boten, sind in der Schweiz jedoch eher unüblich. Die Mehrkosten für die Frischwasserstation betragen etwa CHF 3000.- (Katalogpreis), dafür kann ein günstigerer Speichertyp ohne zweiten innenliegenden Wärmeübertrager gewählt werden.

Abbildung 18

Anlage mit Frischwasserstation. Die Wärmeübertragerfläche im Speicher beträgt 1.7 m², das Speichervolumen beträgt 500 Liter. Die Komponenten in der grauen Fläche sind im Frischwassermodul integriert. Speicherdämmung 90 mm (Sonnenkraft PSR 500 Speicher).

4.3 Fazit Anlagen mit thermischer Solaranlage

Die beschriebenen hydraulischen Schaltungen wurden in diversen Variationen simuliert. Zusammen- fassend kann gesagt werden, dass erst die richtige Abstimmung der Komponenten und eine effiziente Regelstrategie zu einer energetisch guten Lösung führen (vgl. auch [25]). Einflussfaktoren sind u.a.

Kollektorgrösse, Speichermaterial, Dämmstärke des Speichers, Wirkungsgrad der Umwälzpumpen und Verschaltung der Komponenten. Alle Simulationsresultate der schlussendlich modellierten Systeme mit den oben beschriebenen Hydraulikschaltungen sind in Tabelle 8 zusammengefasst. Ausser Variante 3 (Tank-in-Tank Kombispeicher) weisen alle Anlagen einen vergleichbaren Energiebezug für den Betrieb der Solaranlage sowie des Zusatzwärmeerzeugers (Wärmepumpe) auf. Für das System mit Frisch- wasserstation wurde vergleichsweise eine Variante mit abgesenkter Speichertemperatur simuliert (Variante 5**). Dies führt zu einer energetischen Verbesserung gegenüber allen anderen Systemen, gegenüber einer üblichen High-Flow-Anlage betragen die Energieeinsparungen rund 25 %.

Variante Brutto-/

Aperturfläche

Stromverbrauch relativ*

Stromverbrauch absolut*

1 High-Flow 3.2 / 2.9 m² 100 % 684 kWh

2 Low-Flow 3.2 / 2.9 m² 100 % 683 kWh

3 Tank-in-Tank 3.2 / 2.9 m² 123 % 841 kWh

4 Frischwasser-Kombisp. 3.2 / 2.9 m² 107 % 731 kWh

5 Frischwasser-Station 3.2 / 2.9 m² 91 % 624 kWh

5** Frischwasser-Station 3.2 / 2.9 m² 75 % 511 kWh

*Wärmepumpe & Umwälzpumpen Solaranlage/Frischwasserstation

**wie 5, aber 45 °C Zapftemperatur statt 50 °C Tabelle 8

Resultate der Polysun-Simulation unterschiedlicher Hydraulikvarianten der Systemkombination Luft/Wasser Wärmepumpe mit Solarthermie. Die Solaranlage ist bei allen Systeme identisch.

Aus den Betrachtungen zu den Hydraulikschaltungen kann folgendes empfohlen werden:

- Aus energetischen und hygienischen Gründen kann zu einer Frischwasserstation (Variante 5) geraten werden. Insbesondere die Absenkung der Warmwassertemperaturen auf das minimal nötige Mass verringert den Energiebedarf. Dies macht dann Sinn, wenn die Bauherrschaft tiefere Warmwassertemperaturen toleriert.

- Solaranlagen in Low-Flow Technik (Variante 2) sind bei üblichen Kollektorfeldgrössen den High- Flow Anlagen (Variante 1) energetisch überlegen. Sie sind aber etwas teurer als High-Flow Anlagen. Der finanzielle Mehraufwand gegenüber einer Low-Flow Anlage wirkt sich erst dann in besseren energetischen Erträgen aus, wenn die Anlagen nicht mit minimalen Kollektorflächen betrieben werden. Für eine Empfehlung sollte die Bauherrschaft an höheren als den minimal geforderten Solarerträgen interessiert sein und die Mehrinvestitionen in Kauf nehmen können.

- Die High-Flow Variante (Variante 1) ist wenig komplex, kostengünstig und gut erhältlich. Sie ist aus energetischer Sicht nicht viel schlechter als die Low-Flow Variante oder eine Anlage mit Frischwasser-Station. Diese Variante kann dann empfohlen werden, wenn minimale Kosten gewünscht werden.

- Systeme mit Kombispeichern (Varianten 3 und 4) sind zur alleinigen Warmwasseraufbereitung aus energetischer Sicht ungünstig und für diesen Zweck nicht empfehlenswert.

- Im Handel werden diverse Komplettsysteme mit aufeinander abgestimmten Komponenten ange- boten, welche auf etwa 60 -70 % Deckungsgrad ausgelegt sind. Es ist aus energetischer Sicht

nicht empfehlenswert, diese zu „beschneiden“ weil die kantonalen Vorgaben weniger Kollektor- fläche verlangen.

In jedem Fall prüfenswert ist der Einsatz von

- Waschmaschinen und Geschirrspülern mit Warmwasseranschluss [26]

da sich dadurch bei den beschriebenen Systemen Strombezug zur Aufheizung des Kaltwassers im Gerät einsparen lässt. Grundsätzlich empfiehlt sich bei Neubauten unabhängig vom gewählten System auch eine

- Drain-Back Solaranlage

welche mit Wasser anstatt Sole als Wärmeträger im Kollektorkreis auskommt. Dies reduziert bei thermischen Solaranlagen die durch Herstellung und Entsorgung der Sole verursachte Umwelt- belastung. Voraussetzung ist eine fachgerechte Planung und Installation. Dazu gehören ein durch- gehendes Gefälle in den Anschlussrohren und die Verwendung geeigneter Kollektoren, sodass sich das Kollektorfeld selbständig entleeren kann.

Ebenfalls unabhängig von der verwendeten Anlage sollten folgende Grundregeln eingehalten werden:

- Kurze Leitungsführung - Gute Wärmedämmung

- Siphonierung warmer Anschlüssen am Speicher - Einsatz effizienter Umwälzpumpen

Für die ökologische und wirtschaftliche Bewertung (Kapitel 5 und Kapitel 6) wird von einer High-Flow Anlage (Variante 1) ausgegangen. Diese besteht aus wenigen Komponenten, ist daher wenig komplex und gut erhältlich. Sie dürfte dem am meisten realisierten Anlagentyp entsprechen.

4.4 Luft/Wasser-WP-Anlagen mit Photovoltaikanlage

Die Systemkombination mit einer Photovoltaikanlage wurde gemäss Prinzipschema in Abbildung 19 modelliert. Einzig die Wärmepumpe erzeugt das Trinkwarmwasser, es kommt kein direktelektrischer Heizstab zum Einsatz. Die Photovoltaikanlage muss über ein Jahr betrachtet die Hälfte des Betriebs- stromes der Wärmepumpe produzieren. Je nach Wärmepumpentyp, Hydraulik, Reglereinstellung und Wirkungsgrad der verwendeten Photovoltaikanlage ergeben sich so leicht unterschiedlich Anforder- ungen an die notwendige Solarfläche welche die Hälfte des Betriebsstromes erzeugen soll, wobei stets von mono- oder polykristallinen Modulen ausgegangen wird. Mit den Simulationen resultiert eine höchstens 12 % kleinere Solaranlage als dies in den kantonalen Regulierungen gefordert würde. Um dennoch volle Übereinstimmung mit den Vorgaben gemäss EN-3 zu erreichen, wird für die Bewertung dieses System bei 100 % Warmwasserbezug ausnahmsweise auf die Standardannahmen der EN-3 zurückgegriffen. Bei einer dort zugrunde gelegten Jahresarbeitszahl (Definition gemäss Abbildung 1) der Wärmeerzeugung von 2,3 bezieht die Wärmepumpe im Fall des 200 m² grossen Einfamilenhauses zur Deckung des vollen Wärmebedarfs für Warmwasser (50 MJ/m²) rund 1180 kWh elektrischen Strom pro Jahr, für die Photovoltaikanlage wird demnach gemäss gesetzlicher Vorgabe eine Produktion von rund 590 kWh/a gefordert. Bei optimal ausgerichtetem Modulfeld sind dazu nach EN-3 4.9 m² Fläche nötig um diese Strommenge zu erzeugen, bei ungünstigster Orientierung (Ostorientierung, senkrechte Montage) 8.2 m². Für Photovoltaik-Anlagen dieser Grössenordnung ist mit Investitionskosten von rund CHF 8’000 bis CHF 12’000 zu rechnen (vgl. Anhang). Die ökologische und wirtschaftliche Bewertung der folgenden Kapitel basiert auf diesen Annahmen.

Abbildung 19

Prinzipschema Systemkombination Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Photovoltaikanlage. Der Speicherinhalt beträgt 300 l resp. 400 l für das EFH mit 200 m² resp. 300 m² EBF, die Wärmeübertragerflächen sind 3.5 m² resp. 4.6 m² gross (Vaillant VH-300 WP/E resp. VH- 400 WP/E Speicher). Dämmung: 50 mm PU-Schaum.

5 Ökologische Bewertung

5.1 Systematik

Sämtliche Daten zur ökologischen Bewertung wurden von den Fa. ESU-services GmbH in Uster und Carbotech AG in Basel zusammengestellt. Die Grundlagendaten stammen aus der ecoinvent-Daten- bank, die getroffenen Annahmen zur Bewertung der verschiedenen Heizsysteme finden sich in [27] bis [33]. Es wird davon ausgegangen, dass die Wärmepumpe über ihre Lebensdauer kein Kältemittel ver- liert und dass zur Deckung des Betriebsstromes bei allen Systemen Schweizer Verbraucher-Strommix bezogen wird (ausser Variante mit Photovoltaikanlage).

Grundsätzlich wurde die Umweltbelastung jeweils in die Anteile „Infrastruktur“ und „Betrieb“ aufge- schlüsselt. Unter Infrastruktur fallen alle Anlagenbestandteile auf dem Grundstück, die für die Warm- wasserbereitstellung benötigt werden. Dazu gehören unter anderem die thermische Solaranlage, die Wärmepumpe resp. der Kessel mit Kamin, der Wärmespeicher sowie Sanitärinstallationen mit Wärme- dämmung. Die Bewertung der Umweltbelastung durch die Photovoltaikanlage wird in Kapitel 5.1.2 separat erörtert. Sie ist massgeblich davon abhängig, von wem der produzierte Solarstrom genutzt wird.

Unter Betrieb sind die Bereitstellung der bezogenen Endenergie (Brennstoffe, Elektrizität, Transport zum Kunden), die Betriebsemissionen selbst sowie der Anlagenunterhalt (beispielsweise die Ascheent- sorgung bei der Pelletsfeuerung) zusammengefasst. Berücksichtig wird jeweils nur die Energie, die zur Trinkwassererwärmung benötigt wird. In der Kategorie Betrieb mit berücksichtigt sind auch Infra- strukturbestandteile ausserhalb des Grundstücks, welche zur Bereitstellung der gelieferten Endenergie benötigt werden. In der Bewertung vom Strombezug für den Betrieb der Wärmepumpe ist beispiels- weise auch die Umweltbelastung, welche durch die Erstellung des Kraftwerks sowie der Netzinfra- struktur für den Stromtransport zum Verbraucher entsteht.

Die Wärmeerzeugeranlagen werden jeweils so ausgelegt, dass der gesamte Wärmebedarf des Ge- bäudes gedeckt werden kann, also nebst der der Wärme zur Trinkwasserbereitstellung auch die Heiz- wärme zur Gebäudebeheizung. Bei den betrachteten Gebäuden wird aber jeweils nur rund ¼ der gesamthaft bezogenen Wärme für Warmwasser benötigt (50 MJ/m² gemäss SIA 380/1 Standard- nutzung EFH). Entsprechend wurde die Umweltbelastung der Infrastrukturbestandteile, welche sowohl für die Warmwasserbereitstellung als auch die Heizwärmeproduktion erforderlich sind (z. Bsp. Brenn- stoffspeicher), jeweils energiegewichtet zu 25 % angerechnet. Infrastruktur, die einzig zur Warm- wasserbereitstellung dient (Solaranlage sowie Trinkwasserspeicher), wurde hingegen zu 100% in die Umweltwirkung einberechnet.

5.1.1 Treibhauspotential und Methode der ökologischen Knappheit

Die ökologische Bewertung erfolgt einerseits anhand des Teilaspektes der Treibhausgas-Emissionen (ausgedrückt als Treibhauspotential in Kilogramm CO₂-Äquivalent pro Jahr) und andererseits mittels der mehrere Umwelteinwirkungen umfassenden ökologischen Bewertung nach der Methode der öko- logischen Knappheit (in Umweltbelastungspunkten UBP 2006).

Das Treibhauspotential bezifferte die Summe der jährlichen Emissionen an Treibhausgasen welche während der Erstellung und dem Betrieb der Anlagen anfallen. Die bei der Erstellung und Entsorgung der Anlage einmalig entstehenden Emissionen werden dabei gleichmässig über die gesamte Lebens- dauer verteilt. Da nebst Kohlendioxid viele weitere Substanzen zum Treibhauseffekt beitragen, werden diese ebenfalls mit berücksichtigt. Die Klimawirkung unterschiedlicher Substanzen ist im Allgemeinen aber nicht identisch mit einer gleichgrossen Menge von Kohlendioxid (sie kann je nach Stoff stärker oder schwächer ein), sie wird daher auf eine Menge CO2 umgerechnet welche eine identische Klima- wirkung aufweisen würde (CO2-Äquivalent). Anhand des Treibhauspotential können Entscheidungen

basierend auf der Klimaschädlichkeit eines Systems getroffen werden: Je höher das gesamte Treib- hauspotential ist, desto stärker wirkt sich die Anlage schädigend auf das Klima aus.

Während sich die Emission von Treibhausgasen auf eine ganz bestimmte Umweltwirkung (die Klima- veränderung) bezieht, wird mittels Umweltbelastungspunkten die Summe verschiedener Umwelt- belastungen in einer einzigen Kennzahl ausgedrückt. Bei dieser Zusammenfassung („Vollaggregation“) stellt sich die Frage nach der Bewertung unterschiedlicher Umwelteinflüsse. Wie soll beispielsweise die Umweltbelastung von einer zusätzlichen Tonne CO₂ in der Atmosphäre als Zahl berechnet werden?

Und ist die Belastung von beispielsweise 1 kg eines Schwermetalls im Boden vergleichsweise grösser, gleich oder kleiner? Eine solchermassen umfassende Beurteilung der Umweltsituation lässt sich nicht immer streng wissenschaftlich durchführen, sondern muss öfter auch auf subjektive Kriterien zurück- greifen. Die Beurteilung basiert deshalb auch auf einer individuellen Prioritätensetzung beim Betrachten verschiedener Teilaspekte.

Die hier angewendete Bewertung mit Umweltbelastungspunkten (UBP 2006) nach der Methode der ökologischen Knappheit ist in [4] ausführlich beschrieben. Sie orientiert sich an politischen Zielvorgabe für Ressourcenverbrauch und Emissionen, beispielsweise an dem Ziel der 2000-Watt Gesellschaft (1 Tonne CO2-Emissionen pro Person und Jahr beziehungsweise 2000 W pro Person) oder der Luftreinhalteverordnung (LRV). Wird von einem Schadstoff viel emittiert und sind strenge Zielvorgaben gegeben, so wird die Umwelbelastung dieser Emission entsprechend höher gewichtet, was sich in mehr Umweltbelastungspunkten niederschlägt (Distanz zur Umweltzielsetzung ist gross). Umgekehrt gibt es aber auch Umwelteinwirkungen für die keine politischen Zielvorgaben existieren, solche werden bei dieser Methode entsprechend gar nicht berücksichtigt. Die Umweltschädlichkeit eines Stoffes oder Verbrauchs von Ressourcen wird also über den Zustand und politisch vorgegebene Ziele zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt bewertet, bei der angewendeten Methode mittels UBP 2006 liegt die Situation im Jahr 2006 zugrunde. Die Methodik impliziert, dass bei der Bewertung eine regelmässige Aktualisierung der Datengrundlage und Anpassung an die gegenwärtigen Rahmenbedingungen (aktuelle Emissionen und Zielvorgaben) nötig wird. Dass die Umweltbelastung an politischen Zielen gemessen wird bedeuted überdies, das die Bewertung mittels UBP 2006 nur für eine bestimmte Region -hier die Schweiz- gültig ist.

Neben der Methodik der ökologischen Knappheit existieren verschiedene andere Modelle um unter- schiedliche Umwelteinflüsse mit nur wenigen oder gar einer einzigen Kennzahl zu beziffern, beispiels- weise mittels ecoindicator `99. Es ist aber zu beachten, dass Ergebnisse von Umweltbewertungen unterschiedlicher Methoden nicht miteinander verglichen werden können, da verschiedene Umwelt- wirkungen je nach Bewertungsmethodik auch unterschiedlich stark gewichtet werden.

5.1.2 Photovoltaikanlagen und ökologischer Mehrwert

Die korrekte ökologische Bewertung eines Gutes sieht vor, die Umweltbelastung jeweils dessen Ver- braucher zu belasten. Tatsächlich ist dieser durch den Verbrauch auch Verursacher der entstehenden Umweltbelastung. Die blosse Erstellung einer Solaranlage generiert einem Bauherren per se also noch keinen ökologischen Mehrwert gegenüber „konventioneller“ Wärme oder Strom. Entscheidend ist, wer die erzeugte Solarenergie verbraucht und ob damit „konventionell“ erzeugte Energie ersetzt werden kann. Im betrachteten Fall „Einfamilienhaus“ wird der Ersteller einer thermischen Solaranlage die produzierte Wärme auch selbst nutzen. Er trägt zwar die Umweltbelastung der Solaranlage (Infra- struktur), durch die Substitution von „konventionell erzeugter Wärme“ sinkt aber auch die verursachte Umweltbelastung seiner Wärmeerzeugung im Betrieb. Der Bauherr erhält durch die Nutzung seiner Solaranlage also einen „ökologischen Mehrwert“.

Bei der Stromproduktion ergibt sich eine etwas andere Situation. In einem Netzverbund lässt sich der erzeugte Strom (Elektronen) grundsätzlich nicht einzelnen Verbrauchern zuweisen, er verteilt sich nach physikalischen Gesetzmässigkeiten selbständig im Netz. Um dennoch auch die ökologische Qualität von Solarstrom ausweisen zu können, wird dieser in zwei Komponenten aufgeteilt: In die physikalisch erzeugten freien Elektronen und in seinen ökologischen Mehrwert (Stromqualität). Die Einspeisung von

Elektronen in das Stromnetz wird mit etwa 16 Rp./kWh vergütet, die Verteilung erfolgt „von alleine“ je nach Lastsituation im Netz. Der ökologische Mehrwert kann parallel dazu in Form eines Herkunfts- nachweises gehandelt werden, zu Preisen von ungefähr 50 Rp. je Kilowattstunde (zum Zeitpunkt der Studienerstellung). Der ökologische Mehrwert von Strom der in einer Photovoltaikanlage produziert wird lässt sich somit explizit an einzelne Verbraucher verkaufen, beispielsweise über eine Ökostrom- börse. Tatsächlich übernimmt zum Beispiel die EBM Solarstrom auch von kleineren Photovoltaik- anlagen ab 1 kW_Peak an ihre Naturstrombörse [34]. Durch den Erwerb des Herkunftsnachweises, den Einkauf von Solarstrom also, hat der Verbraucher die Garantie, dass die gekaufte Menge irgendwo produziert und in’s Netz eingespiesen wurde. Die Umweltbelastung der Solaranlage würde in diesem Fall zwar ebenfalls dem Ökostrombezüger angelastet, dieser kann dafür aber auch auf konventionell erzeugten Strom mit höherer Umweltbelastung verzichten.

Der Betreiber einer Photovoltaikanlage könnte also den gesamten ökologischen Mehrwert des produ- zierten Solarstromes verkaufen und selbst nur Schweizer Strommix mit höherer Umweltbelastung zum Betrieb der Wärmepumpe beziehen. Er hätte dabei keinen Umweltvorteil durch die Photovoltaikanlage auf seinem Hausdach. Diese Variante begünstigt den Produzenten von Photovoltaikstrom auch wirt- schaftlich, obwohl bei den hier betrachteten kleinen Anlagen (1 bis 2 kWPeak) die Vergütung des solar produzierten Stromes und seines ökologischen Mehrwerts kaum vollständig kostendeckend sein wird.

Grundsätzlich stehen einem Produzenten von Solarstrom folgende Möglichkeit offen diesen zu nutzen:

- Rücklieferung des produzierten Stromüberschusses: Der produzierte Solarstrom wird soweit wie möglich selbst genutzt, der Rest in’s Stromnetz eingespiesen. Die Einspeisung dieses Über- schusses wird mit durchschnittlich 16 Rp./kWh vergütet. Um einen Stromüberschuss zu erzeugen sind aber grosse Photovoltaikanlagen notwendig die mehr Strom produzieren, als dass vor Ort als Eigenbedarf verbraucht wird. Der ökologische Mehrwert des Solarstromes bleibt komplett beim Produzenten. Die Überschussproduktion könnte aber an einer Solarstrombörse verkauft werden.

- Rücklieferung des gesamten produzierten Stromes: Der Produzent kann den gesamthaft produzierten Solarstrom verkaufen. Die Vergütung beträgt durchschnittlich 16 Rp./kWh. Um die insgesamt produzierte Strommenge zu erfassen, wird ein separater Einspeisezähler benötigt.

Dessen Kosten fallen in der Regel auf den Produzenten. Der ökologische Mehrwert des Stromes bleibt beim Produzenten, könnte aber an einer Ökostrombörse abgesetzt werden.

- Verkauf des ökologischen Mehrwerts mittels KEV: Der gesamthaft produzierte Strom wird zu einem kostendeckenden Einspeisetarif (KEV) vom Elektrizitätswerk abgenommen. Dadurch wird auch der ökologische Mehrwert an die Allgemeinheit abgetreten, welche die Finanzierung der Anlage über eine leichte Erhöhung des Strompreises (aktuell 0.35 Rp./kWh) übernimmt. Die Vergütung für Strom aus „angebauten“ Anlagen beträgt aktuell 44.4 Rp/kWh ([35]; Degression von 8 % pro Jahr. Vergütet wird der zur Zeit der Inbetriebnahme aktuelle Tarif über die gesamte Vergütungsdauer von 25 Jahren). Zur Erfassung der produzierten Strommenge wird ein separater Einspeisezähler benötigt. In der aktuellen Situation bestehen kaum Chancen, für Photovoltaik- strom von Neuanlagen in den Genuss der nationalen KEV zu kommen. Es besteht eine Warteliste von mehreren tausend Anlagen, die noch keinen Zuschlag erhalten haben, die aber vorrangig behandelt werden. Die weitere Entwicklung ist stark von den politischen Rahmenbedingungen abhängig. Im Kanton Basel-Stadt hingegen vergütet die IWB Solarstrom durch kantonale Förderung zu KEV-Tarifen. Alternativ können für Kleinanlagen auch einmalige Förderbeiträge in Anspruch genommen werden (Aktuell: CHF 2500 pro kWPeak [36]).

- Verkauf des produzierten Stromes an einer Ökostrombörse: Der ökologische Mehrwert von Photovoltaikstrom, der an ein Elektrizitätswerk zu 16 Rp./kWh zurückgeliefert wird, kann an einer Ökostrombörse weiterverkauft werden. Aktuelle Vergütungssätze liegen bei etwa 50 Rp./kWh welche zusätzlich zum Rücknahmetarif von 16 Rp./kWh vom Elektrizitätswerk bezahlt werden. Die tatsächliche Vergütung ist jedoch abhängig von der Nachfrageseite, d.h. welche Elektrizitäts- menge tatsächlich abgesetzt werden konnte.

Für die ökologische Bewertung der Photovoltaikanlage wird nun von folgendem Szenario ausgegan- gen: Der mittels Photovoltaikanlage produzierte Strom wird wegen zeitlicher Abweichung zwischen Produktion und Bedarf nicht selbst genutzt, sondern vollständig in’s Netz eingespiesen. Dafür bezieht der Wärmepumpenbetreiber vom Netz die gleiche Menge als Solarstrom zum Betrieb der Wärme- pumpe, das Netz wird also lediglich als Speicher betrachtet. Der ökologische Mehrwert des Solar- stromes bleibt dadurch beim Produzenten. Die andere Hälfte des Strombedarfs für den Betrieb der Wärmepumpe im Warmwasserbetrieb wird durch Schweizer Strommix abgedeckt. Die Umwelt- belastung der Solaranlage wird dadurch über den Bezug von Solarstrom bewertet (Die Bereitstellung von Solarstrom als Endenergie beinhaltet bereits die Umweltbelastung der Photovoltaik-Infrastruktur).

Durch diese Auslagerung der Photovoltaikanlage wird die Umweltwirkung unabhängig von der konkreten Installation vor Ort. Wie später in Kapitel 5.3 gezeigt wird, hat dies jedoch keinen mass- geblichen Einfluss auf die Ergebnisse der ökologischen Bewertung.