nD-Hybridsystem

Das nD-System wurde zu einem 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 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.

Grundprinzip des Kollektors

Die Kollektorkonstruktion verzichtet bewusst auf eine Glasabdeckung und eine kostenaufwändige thermische Isolierung. Im Resultat hat der Kollektor die thermischen Eigenschaften, die in etwa einem Schwimmbad-Kollektor entsprechen. Dies hat verschiedene Vorteile, z.B. im Vergleich mit üblichen Solarthermiekollektoren (Flachkollektoren, Röhrenkollektoren).

  • Der Kollektor überhitzt 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. Daher wird der Kollektor an eine Wärmepumpe sowie ein bis zwei Systemspeicher angeschlossen. Die Wärmepumpe nutzt den Kollektor als Wärme- (oder Kälte-) quelle, bringt seine Energieertrag auf ein für das Gebäude nutzbares Temperaturniveau und speist sie in einen Wärme-(oder Kälte-) Speicher ein. 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. Er kann als einzige Wärmequelle für eine Wärmepumpe betrieben werden, d.h. es kann auf Erdreichwärmequellen (Erdwärmesonden, Erdwärmekollektoren, Eisspeicher) verzichtet werden. Die möglichen (geringen) Zeitabschnitte im Jahr, wo der Kollektor aufgrund der niedrigen Temperaturen die Wärmepumpe nicht versorgen kann, können optional durch einen elektrischen Heizstab gedeckt werden. Bei Bedarf kann der Kollektor 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.

Aufbau des 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. Durch die Harfenausführung ist in den Kanälen der Wärmeübertrager immer eine laminare Strömung mit geringen Druckverlusten von im Mittel 30 bis 60 mbar gegeben.

Die Wärmeabfuhr von den PV-Modulen durch die flüssigkeitsdurchströmten Wärmeübertragerprofile im PVT-Dach führt 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.

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