nD-Hybridsystem

Das nD-System wurde zu einem gebäudeintegrierten solaren Hybridsystem weiterentwickelt, mit dem Sie Ihr Gebäude gleichzeitig mit Strom und Wärme versorgen können. Hierzu werden die üblichen Photovoltaikmodule mit rückseitigen Absorbern gekoppelt, die zusätzliche thermische Solarenergie erzeugen. Der photovoltaisch-thermische (PVT) Kollektor für die Dachintegration „nD-Hybrid“ wurde in einem FuE-Projekt in Zusammenarbeit mit dem Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) und dem Architektur- und TGA-Planungsbüro Carsten Grobe Passivhaus entwickelt. Dabei konnte u. a. der thermische Spitzenwirkungsgrad im OC-Betrieb um 60 % verbessert werden.

Das nD-Hybridsystem ist die neue Dimension der Energieversorgung:

  • Strom und Wärme aus einem Kollektor
  • Energieautonomie möglich
  • Reduktion des CO2-Ausstoßes
  • hohe Systemeffizienz bei professioneller Planung
  • Funktion als Dachhaut mit schöner Ästhetik
  • Nachhaltigkeit mit hoher Lebensdauer
  • Multifunktional und modular, servicefreundlich
  • nachhaltig und recyclebar, unverklebte, einfach trennbare Bauteile
  • ressourcenschonend

Testanlage des ISFH

Grundprinzip des PVT-Kollektors

Die Kollektorkonstruktion verzichtet bewusst auf eine Glasabdeckung und eine kostenaufwändige thermische Isolierung. Es handelt sich um einen Solarkollektor, der die Energie der Solarstrahlung und der Umgebungsluft auf niedrigem Temperaturniveau nutzen kann. Dies hat verschiedene Vorteile, z.B. im Vergleich mit üblichen Solarthermiekollektoren (Flachkollektoren, Röhrenkollektoren).

  • Der Kollektor sowie die PV-Zellen überhitzen im Sommer nicht (keine „Stagnation“)
  • Wärmeertrag aus der Luft möglich, bei „Unterkühlung“ des Kollektors unter die Außentemperatur
  • Nutzung als „Kältekollektor“ möglich (passive Kühlung oder Abwärmesenke bei aktiver Kühlung). Der Kollektor gibt Wärme ab, wenn er wärmer ist als die Umgebung und geringe Einstrahlung vorliegt.

Allerdings sind die gelieferten Kollektortemperaturen häufig nicht direkt (wie bei einem – teureren – Solarthermiekollektor) nutzbar, da Niedertemperaturwärme bereitgestellt wird. Daher wird der PVT-Kollektor an eine Wärmepumpe sowie an übliche Wärme- oder Kältespeicher angeschlossen und liefert dadurch die Energie auf dem für das Gebäude nutzbaren Temperaturniveau. Es entsteht ein „PVT-System“.

Im PVT-System leistet der PVT-Kollektor einen Vierfachnutzen: Erzeugung von Strom, Wärme und Kälte, sowie Stellung der Regendichtheit, und zwar bei maximaler Verfügbarkeit für Wärme und Kälte.

Aufbau den nD-Hybridsystems

  1. PV-Modul
  2. Wärmetauscher
  3. Wärmetauscher mit Ausschnitt
  4. Tragschiene mit Höhenjustierung
  5. Modulwinkel
  6. Rohrsammler
  7. Klemmleiste

Das Wärmeübertragerprofil aus Aluminium-Strangguss bildet das selbsttragende Montagesystem für PV-Module und gleichzeitig die regendichte Dachebene. Die Fluidkanäle sind direkt in das Profil integriert, sodass der Aufbau vereinfacht und die Anzahl an Bauteilen verringert wird. Die PV-Module werden ohne Klebstoffe auf die Wärmeübertragerprofile geklemmt. Dies vereinfacht die Montage und senkt die Energiegestehungskosten. Die klebefreie Verbindung ermöglicht eine sehr gute thermische Kontaktierung mit einem geringen thermischen Kontaktwiderstand, welcher einer äquivalenten Luftschicht mit einer Dicke von <0,1mm entspricht.

Wärmetauscher mit Sammlerbalken und Dünnschicht PV-Modul

Die Wärmeübertragerprofile verlaufen parallel unter den PV-Modulen und bilden damit eine große Harfe. Eine Reihe von Wärmeübertragerprofilen bildet ein Register, welches an zwei Sammelrohre angeschlossen ist. Der Strombedarf für die Umwälzpumpe ist sehr gering, weil durch die harfenförmige Durchströmung mit 10mm großen Rohrdurchmessern eine laminare Strömung mit geringen Druckverlusten von nur 30 bis 60 mbar gegeben ist. Zusätzlich führt im PVT-Dach die Wärmeabfuhr von den PV-Modulen durch die flüssigkeitsdurchströmten Wärmeübertragerprofile zu einem Strommehrertrag. Bei der Verwendung von Dünnschicht PV-Modulen ergibt sich eine elektrische Ertragssteigerung von ca. 2 % bei Aufdachmontage und ca. 4 % bei Indachmontage, bei kristallinen PV-Modulen ergeben sich ca. 4 % elektrische Ertragssteigerung bei Aufdachmontage und ca. 8 % bei Indachmontage.

Kombination Solar-Hybridanlage mit Wärmepumpe und Geothermie

Bei den meisten Anwendungen wird die Solar-Hybridanlage in Kombination mit einer Sole/Wasser Wärmepumpe eingesetzt. So wird aus der Niedertemperatur der Solar-Hybridkollektoren Wärme auf hoher, nutzbarer Temperatur erzeugt. Damit kann ein südlich ausgerichtetes PVT-Kollektor-Dach als einzige Wärmequelle dienen. Das bedeutet es kann teilweise oder vollständig auf Erdreichwärmequellen (Erdwärmesonden, Erdwärmekollektoren, Eisspeicher) verzichtet werden. Die wenigen Tage im Jahr, an denen der Kollektor aufgrund der niedrigen Temperaturen und wenig Sonnenlicht die Wärmepumpe nicht versorgen kann, lassen sich optional durch einen elektrischen Heizstab decken. Besonders interessant ist diese Technik für Gebäude mit einem über das gesamte Jahr hohen Warmwasser- und Heizwärmebedarf wie z.B. Schwimmbäder und Gebäude mit hohem Kühlbedarf wie Server- oder Kühlräume.

Bei Bedarf kann der PVT-Kollektor aber auch parallel zu einer Erdreichwärmequelle betrieben werden. Durch die „doppelten Wärmequellen“ und die zusätzliche Regeneration der Erdreichwärmequelle durch den Kollektor kann diese wesentlich kleiner (bis zu 50%) ausgeführt werden als bei konventioneller Auslegung. In Kombination sind weiter gesteigerte Jahreseffizienz und völliger Verzicht auf den Heizstab zu erwarten.

Der durch die PV-Anlage erzeugte Strom wird von der Wärmepumpe selbst genutzt, so dass für deren Betrieb nicht der teure Strom aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen werden muss. Der Betrieb der Wärmepumpe lässt sich somit sehr günstig gestalten. Durch die direkte Nutzung des solar erzeugten Stroms lässt sich darüber hinaus der CO2-Ausstoß des Gebäudes deutlich reduzieren.

PVT-Energiekonzept mit Erdwärme

*z.B. Schwimmbaderwärmung
**z.B. zur Serverkühlung / Rechenzentrum

Dieses PVT-Konzept erfüllt folgende Funktionen:

  • aktives Heizen
  • passives Heizen
  • aktives Kühlen
  • passives Kühlen
  • regenerieren
  • Strom erzeugen für Wärmepumpe, Elektromobilität und andere Verbraucher

Vorteile und Synergieeffekte des nD-Hybridsystems

  • Gleichzeitige Erzeugung von Strom durch Photovoltaik und Wärme/Kälte durch Solarthermie auf einer Fläche mit nur einer Unterkonstruktion, welche regendicht ist und wie beim nD-Indachsystem die übliche Dacheindeckung vollständig ersetzt
  • Dadurch Einsparpotenzial bei Montage und effiziente Nutzung der Dachfläche
  • Einzeln abnehmbare PV-Module ohne Rohre auftrennen zu müssen
  • Der tagsüber erzeugte Strom kann zur Wärmespeicherung genutzt werden
  • Kälteerzeugung durch die Möglichkeit der Wärmeabgabe über die Kollektoren, insbesondere nachts
  • Keine großen Saisonalspeicher erforderlich
  • Bis zu 8 % höherer Stromertrag durch Wärmeabfuhr und weitere Ertragssteigerung aufgrund der konstruktionsbedingten guten Hinterlüftung sowie dem ausschließlichen Einsatz von PID resistenten, rahmenlosen und schmutzkantenfreien PV-Modulen
  • Beheizung der PV-Module im Winter. Durch eine kurzfristige Umkehr des Wärmestroms ist eine Abtauung von Schneebedeckung möglich. Dadurch lässt sich im Winter ein höherer Strom- und auch Wärmeertrag erzielen
  • Höherer zu erwartender PV-Stromertrag durch die Wärmeabfuhr von den PV-Modulen (die Effizienz der PV-Module ist temperaturabhängig)
  • Höhere PV-Direktverbrauchsquote möglich, da der PV-Ertrag in Wärme transformiert und thermisch gespeichert werden kann
  • Bei Wärmepumpenbetrieb ist eine Unterkühlung des Kollektors möglich. Hier entsteht zeitweise zusätzlicher Wärmeertrag durch kondensierende Luftfeuchtigkeit und ggf. Vereisung.
  • Nutzungsvielfalt der Wärmeübertragerprofile: als Wärmequelle zur Gebäude- oder Schwimmbadwasserbeheizung mittels Wärmepumpe, zur Regeneration von Erdwärmesonden und -kollektoren, als Abwärmesenke zur Gebäudekühlung mittels reversibler Wärmepumpe

Weitere Infos zu dem PVT-System und zu den ersten geplanten Referenzprojekten finden Sie unter www.passivhaus.de/photovoltaik