Komponenten

1. Wärmepumpe

Die Wärmepumpe transferiert mit Strom thermische Energie von einem Medium zum anderen. Ein Kühlschrank oder eine Klimaanlage(Split-Gerät) sind andere Beispiele solcher Maschinen. Somit kann eine Klimaanlage per Design heizen und kühlen.
Die Effizienz wird als COP (Coefficient of Performance) angegeben. Also die Menge der verwendeten elektrischen Energie welche eine Menge thermischer Energie produziert. Beispiel (1 kW elektrische Energie + 4kW thermische Energie(Quelle) = 5kW thermische Energie(Ziel) == COP 5)

Der COP wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, der wichtigste dabei ist die "Spreizung der Eingangs- und Ausgangstemperatur".
Beispiel: Die Wassertemperatur eines Schwimmbades wird von 24°C auf 27°C erwärmt, als Quelle dient die Aussenluft von 18°C, der COP wird sehr hoch ausfallen. Müsste jedoch bei 0°C Aussentemperatur(Quelle) ein Speicher für Brauchwasser auf 60°C gebracht werden, so wird der COP sehr tief (<3) ausfallen.

Ein tiefer COP(Effizienz) hat nicht nur auf die Stromrechnung Einfluss, sondern auch auf die Langlebigkeit der Wärmepumpe. Sie muss mehr Leisten, verschleisst schneller.

Somit hat eine Wärmepumpe welche ein ~10°C warmes Quellmedium zur Verfügung hat immer einen Vorteil gegenüber einer WP welche 0°C oder kälter zur Verfügung hat.

Datenblatt CTC EcoPart 612M

2. Erdsonde

Die Erdsonde wird in diesem System nicht nur als Wärmequelle der Wärmepumpe genutzt, sondern auch als Kühlquelle im Sommer, nämlich zur Kühlung der Wohnung und der PVT-Zellen.
Dadurch soll die Erdsonde als Quelle langfristig gleichbleibend (stabil) erhalten bleiben und nicht wie andere Jahr für Jahr stagnieren.
Bei unserem Objekt würde das Äquivalent von 2 Tonnen Heizöl dem Boden jährlich entzogen. Üblicherweise ist diese Quelle bei korrekter zeitgemässer Dimensionierung nach 50 Jahren erschöpft. Es kämen auch im Sommer nur noch ~3°C aus dem Boden. Eine übermässig genutzte oder erschöpfte Erdsonde lässt die Wärmepumpe weniger effizient(geringerer COP) arbeiten. Es muss ausserdem darauf geachtet werden, die Erdsonde nicht zu lang mit Sondeneingangstemperaturen <0°C zu belasten. Die Sonde könnte zu einem "Eiszapfen" werden, also die Erde um die Sonde könnte gefrieren und somit durch Ausdehnung die Sonde zerdrücken und somit zerstören. Es könnten auch Risse im Hinterfüllmaterial oder gar im Erdreich entstehen (geringere Wärmeübertragung, Wasser dringt ein - was bei Frost weitere Zerstörung anrichtet)

Auch zu beachten ist, dass zukünftige Wärmepumpen einen besseren COP haben werden, also mehr Erdwärme entziehen im Verhältnis zur eingesetzten elektrischen Energie. Somit einfach noch mehr Energie pro Jahr aus dem Boden holen.

Bei verschiedenen Offerten wurden in diesem Projekt bis zu 300m tiefe Erdsonden geplant. Durch die geplante Regeneration konnte auf 240m reduziert werden, der Laufmeter Bohrung schlug mit CHF ~50.- zu Buche, somit trägt die geplante Regeneration auch zur Senkung der Initialkosten bei.

Zur Vorstellung: die 240m Sonde bewirtschaftet einen Erd-Durchmesser von rund 5m. Dies ergibt eine Säule, etwa 4x der Turm der St. Ursen-Kathedrale in Solothurn. Also rund 3'800 Kubikmeter Erde. Diese Säule wird von Innen heraus ausgekühlt. Das umliegende Erdreich gibt seine Temperatur nach und nach an die kühle Mitte wieder ab und kühlt somit nach und nach selbst aus. Aus dem inneren heissen Erdkern fliesst jedoch auch wieder etwas zurück, im oberen Teil der Erde wird auch die Erde durch die Sonne aufgeheizt.
Dennoch, wer die Sonde parasitär nutzt muss sie früher oder später regenerieren oder ein neues Loch bohren.

Gerade im urbanen und dicht bebautem Umfeld ist heute schon eine Regeneration vorgeschrieben.

Ich habe bei Projektstart einen jährlichen thermischen Heizenergiebedarf von ~19'600 kWh(~4'900 kWh davon für Brauchwasser(Duschen)) geschätzt.
Bei einem tief geschätzten COP von 3.5 ergibt das einen Primärenergiebedarf ~3'980kWh elektrisch + ~15'620 kWh thermisch. Durch Direktverbrauch der Solarthermie und Regeneration(Solarthermie & FreeCooling) ergibt sich dennoch eine jährliche thermische Blianz von minus ~3'000 kWh pro Jahr. Das könnte durch die natürliche Regeneration gedeckt werden.

Die Erdsonde dient somit auch zur Speicherung/Übertragung der Sommer-Energie in den Winter. Das ist bis anhin die einzige direkte Möglichkeit für Hausbesitzer.

Was bei der Bohrung zu Tage gefördert wird, ist vorher unklar. Es gibt jedoch andere Bohrungen, im Kanton Solothurn sind diese im "GIS" einzusehen. Es kann nicht überall gebohrt werden.

GIS Erdsonden Kt. SO

3. Grosser thermischer Speicher

Energie zu Speichern wird mit der immer asynchroner werdenden Erzeugung wichtiger. Die Solarthermie vom Dach benötigt ohnehin einen thermischen Speicher. Eine Wärmepumpe benötigt auch einen Pufferspeicher. Auch für das Brauchwasser müsste ein Boiler her.

Warum nicht alles kombinieren? -> Hygienespeicher

Wasser als thermisches Speichermedium hat eine sehr hohe Speicherkapazität zum Speicherplatzverbrauch, hohe Leitfähigkeit, ist problemlos verfügbar, günstig, umweltschutztechnisch unbedenklich und hat unendlich viele lade- und entladezyklen. Der Speicher selbst ist am Ende seines Lebens einfach Altmetall (Eisen, Alu). Ein Schutz vor Kalk sei nicht nötig, da viel Durchfluss und keine 1200°C heisse Energiequelle.

Das ganze System und auch die Steuerung muss den Speicher berücksichtigen. Eine falsche Bewirtschaftung kann die Wärmepumpe in ineffizienten Temperaturen laufen lassen. Der Speicher wird im Sommer rein durch die Solarthermie geheizt. In der Übergangszeit und Winter wird er auf einem Minimalniveau gehalten, ausser es scheint die Sonne (PV) -> Dann soll er mittels Wärmepumpe befüllt werden.

Der Speicher besteht aus drei Zonen:
1. Oben, etwa 1/4 bis 1/3 des Speichervolumens. Heiss. 45-55°C. Dient als "finish" zum Duschen/Baden. Es soll eine maximale Nutztemperatur von 42°C an der Duschbrause garantiert werden.
2. Mitte, etwa ~60% des Speichervolumens. Ersetzt den klassischen Pufferspeicher der Wärmepumpe. Das Brauchwasser wird jedoch schon vorerwärmt.
3. Unten, etwa 1/4 des Speichervolumens. Dient als kalte Zone. Die Solarthermie gibt hier ihre Wärme ab. Das Frischwasser (5-15°C) wird auch schon vorerwärmt.

Der Speicher hat drei verschiedene Wasserkreisläufe.
1. Heizwasserkreislauf (~2000l Speicherinhalt + ~700l Heizkreisläufe(Bodenheizungen, Radiatoren, Leitungen) - das mit einem "Anti-Verschlammungs-Mittel" versetzte Heizwasser bleibt im Normalfall für Jahrzehnte immer das gleiche. Es belegt den Löwenanteil des Speichers. Es umgibt die zwei anderen Speicher-Kreisläufe.
2. Solarthermie-Kreislauf. Durch Glattrohr-Wärmetauscher (4.2m2) wird im unteren Teil des Speichers das Glykol-Wasser-Gemisch der PVT-Zellen geleitet um so als zweit-Energielieferant vor allem im Sommer den Speicher zu heizen.
3. Frischwasser-/Brauchwasserkreislauf. Durch zwei parallel geführte je 11m2 grosse, in einander verdrehte Edelstahlwellrohrwärmetauscher wird das Trinkwasser geleitet. Speziell: von ganz unten nach ganz Oben. Somit trägt auch die untere Speicherzone ihren Teil dazu bei. Die 2x11m2 Wärmetauscher müssen zur Fliess-Wiederstands-Senkung parallel geführt werden. Durch diese riesige Tauscherfläche liefert der Speicher auch bei 45°C(Oben) genügend warmes Duschwasser(Zapfleistung).
Da nicht die ganzen 2000l Trinkwasser sind, sondern nur der Inhalt der zwei 11m2 Wärmetauscher - ca. 40l + Leitungsinhalt bis zur Brause, kann auf eine Legionellen-Schutzschaltung (1-2 wöchentlich auf 60°C) verzichtet werden.
Durch die grosse Speichergrösse und die grosse Frischwassertauscherfläche sind tiefere Speichertemperaturen möglich(Brauchwasser). Die Wärmepumpe wird weniger stark belastet und der COP für die Brauchwasserproduktion ist besser.

Die sechs Ein-/Auslässe des Speichers von/zu der Wärmepumpe sind mit einer Strömungsablenkung versehen(Strahl-Blech), zwischen der obersten und mittleren Schicht ist ein Lochblech-Ring eingelassen, dies soll eine ungewollte Durchmischung der oberen heissen Schicht mit der kälteren Mittelschicht verhindern.

Speicherdaten Schüttleistung

4. PVT-Kombizellen (Strom + Warmwasser)

Die Wärmepumpe ist nicht die einzige Energiequelle in diesem System. Die Kombizellen (PVT - PhotoVoltaik+Thermie) liefern Strom & warmes "Glykol-Gemisch".

PVT != PVT -> Es werden ausschliesslich Kombizellen genutzt welche hohe thermische Temperaturen (Brauchwasser) erreichen können. Diese scheinen sehr selten, ich fand nur die Abora Panel, welche diese Charakteristika aufwiesen. Gerne lasse ich mich belehren, falls das nicht stimmen sollte.

Es gibt andere PVT-Module welche in erster Linie als Erdsonden-Ersatz oder als Lüfer-Ersatz bei Luft-Wasser-Wärmepumpen dienen. Diese können sogar mit Lamellen an der Rückseite ausgerüstet sein, damit diese die Energie der Umluft aufnehmen können. Scheint die Sonne, so kann auch die Solare Wärmeenergie genutzt werden. So gibt es auch die Möglichkeit die Panels nachts zu nutzen. Analog dem Prinzip einer lüfterlosen Passiv-Kühlung über das Gehäuse bei einem Industrie-Computer.
Diese PVT-Panel-Sorten verlieren jedoch sehr rasch thermische Leistung wenn die Temperaturdifferenz zwischen der erwünschten Ziel-Temperatur zur Aussentemperatur grösser ist.
Am besten ist das in den Solar Keymark Zertifikaten ersichtlich.
Beispielsweise am "Power output per m2..."
Das Abora Panel bietet bei 30°K Differenz noch 521 Watt. Ein vergleichbares PVT-Panel liefert nur 86 Watt pro m2. Ein vergleichbares rein thermisches Panel liefert 589 Watt.
Ich denke diese so genannt "nicht isolierten" Panel können durchaus auch zweckmässig sein. Der Verwendungszweck ist jedoch begrenzt. Jene sind eher günstiger als die Abora Panels. Zum Zweck der Regeneration könnten sie dennoch zweckmässig sein. Bei der direkten Heizungsunterstützung oder gar Brauchwassergeneration sind sie wenig geeignet.

Im Optimalfall kann bis zu ~80% der eintretenden Sonnenenergie genutzt werden.
(20% elektrische Energie, 60% thermische Energie)
Im Sommer kann der thermische Bedarf komplett gedeckt werden. Eine "Überdimensionierung", resp. eine simplere Planung ist durch die Verbindung mit der Erdsonde möglich. Die überflüssige oder nicht genügend warme Energie wird in den Boden geleitet. Die Panel müssen gekühlt werden, ansonsten können sie Schaden nehmen. Der Hersteller gibt eine zwingende Maximaltemperatur von 80°C an. Ohne Erdsonde wird das Abora-System normalerweise mit einem Kühl-Lüfter ausgestattet, welcher die überflüssige Energie vernichten kann.

Auch im Winter liefern die PVT-Module "lauwarmes Wasser" - die Erdsonde wird dadurch weniger stark belastet.

Die Dachfläche von Schrägdächern ist begrenzt, so auch in unserem Fall. Ich wollte so viel Energie wie möglich vom Dach holen.

Die PVT-Panel verursachen aber eben als thermische Panel auch erhöhten Installationsaufwand. Die Installation ist aufwändiger und schwieriger. Sie benötigen neben einer Glykol-Wasser-Leitung und deren Verteilung auch die elektrische Anbindung und einen Wechselrichter.
Ebenfalls ist ein genügend grosser Pufferspeicher nötig, auch die Wärmetauscher und vor allem der erhöhte Steuerungsbedarf schlägt zu Buche(Regeneration oder Speicherbewirtschaftung).

Im Kanton Solothurn werden diese Panels sehr stark gefördert. Die Förderung ist hier abhängig von der mittleren thermischen Leistung. Da die Abora-Panels in den thermischen Charakteristika eher denen reiner thermischen Panels ähneln, sind hier die Förderkriterien schnell erfüllt. Die Abora-PVT-Panels sind der Teil des Systems welcher sich am schnellsten amortisieren wird.

Fun-Fact: Wird der Wechselrichter ausgeschaltet, so hat das Panel eine höhere thermische Leistung (+ ~20%). Die elektrische Leistung ist somit der thermischen abzuziehen.

Datenblatt Abora aH72SK Solar Keymark Certificate Kantonale Förderung "Kollektorliste"

5. Optimale Steuerung / effiziente Kombination der Teile

Die Steuerung ist die Inkarnation des Gesamtkonzeptes. Sie ist die im Hintergrund arbeitende Herrscherin des Systems.
Normalerweise ist die Steuerung (in Privathaushalten) den Wärmeerzeuger-Systemen überlassen. Das ist auch grundsätzlich richtig so. Dies ist insbesondere für die Gewährleistung der Wärmepumpen-Hardware wichtig, es gibt viele defekte Systeme wegen unsachgemässer Nutzung. Ausserdem lassen sich schlechte Betriebszustände schnell erreichen. Aber die Steuerung ist für den Wärmeerzeuger-Hersteller eher Mittel zum Zweck als Passion. Um das Optimum herausholen zu können ging ich den "externe Steuerung"-Weg. Als Telematiker/Informatiker/Techniker stimmt das auch für mich aber wer in diesem Bereich keine Eigenleistung erbringen möchte, die Fähigkeiten und die nötige Zeit nicht aufbringen kann, der sei gewarnt, das braucht Zeit, viel Zeit.
Zumindest das erste mal ;-)
Die CTC hätte auch FreeCooling-, Speicherbewirtschaftungs-, Regenerations- und Solarthermie-Einbindungs-Konzepte mit ihrer grösseren und etwas teureren Steuerung der Wärmepumpe. Eine Berücksichtigung der Photovoltaik-Produktion jedoch nicht.
Ich habe die grösseren Brüder der EcoLogic S (also die M/L-Varianten) mit dem Hersteller diskutiert und sie danach verworfen. Rückwirkend und als Empfehlung für Bauherren mit weniger technischem Hintergrund als ich, würde ich dieser Steuerung des Herstellers eine Chance geben. Aus meiner Projekterfahrung und in den Diskussionen mit anderen Herstellern und Lieferanten scheint die CTC-Steuerung im Grunde alle Funktionen meines Systems abzudecken. Im Jahr 2024/2025 konnte das fast keine Wärmepumpen-Steuerung.
Eine Unabhängige Steuerung hat allerdings auch Vorteile, als diese wären:
- Absolut Individuelle Konfiguration & Steuerung möglich
- Keine Abhängigkeit zum Wärmepumpen-Lieferant. Falls die Wärmepumpe und evtl. auch der Hersteller gewechselt wird, muss die neue WP einfach "nur" eingebunden werden.
- Erweiterbarkeit für andere haustechnischen Funktionen
- Individuelles grafisches User Interface
- Auslesen Langzeit-Daten via API/Push InfluxDB/Grafana

In diesem Projekt wurde eine Hausautomationssteuerung von Loxone eingesetzt. Folgende Schnittstellen und Protokolle kamen dabei zum Einsatz:
1-Wire (Sensoren), M-Bus (Wärmemengen-Zähler), PWM (Umwälzpumpen variable Geschwindigkeit), Modbus TCP (Wärmepumpe, Wechselrichter PVT), Relais-Ausgänge (Umwälzpumpen fix & variabel, Ventil-Ansteuerung), Relais-Eingänge, proprietärer Loxone tree Bus (Sensoren in Gebäude, Komponenten)

Loxone LiveView Zugangsdaten