Sind Wärmepumpen PVT-ready?

Sollen Wärmepumpen PVT-Kollektoren nutzen, müssen sie die teils stark schwankenden Temperaturen der Kollektoren effizient und ohne Störung verarbeiten können. Die Wärmeabgabe der Kollektoren variiert je nach Sonnenstrahlung. Im Sommer kann sich die Sole in den PVT-Kollektoren auf bis zu 70 °C erwärmen, in kalten Winternächten kommt sie teils mit Minusgraden vom Dach. Bislang sind Sole/Wasser-Wärmepumpen für geothermische Wärmequellen ausgelegt, deren Temperatur zwischen –5 °C und +0 °C bei Erdkörben, bei Erdsonden bis 25 °C schwankt.

Nicht alle Wärmepumpen können eine größere Schwankung verarbeiten. Das IntegraTE-XL-Konsortium untersuchte, welche auf dem deutschen Markt angebotenen Wärmepumpen bereits regelungstechnisch und/oder mit einem angepassten Kältekreisdesign auf diesen anspruchsvollen Betrieb optimiert sind. IntegraTE-XL ist ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördertes Projekt, das auf der bereits abgeschlossenen Initiative IntegraTE aufbaut und auf die Marktetablierung und Verbreitung von PVT-Kollektoren und Wärmepumpen in bestehenden großen Mehrfamilienhäusern und Gewerbeliegenschaften abzielt. Am Thema arbeiten das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg, das Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart und das Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) gemeinsam. 19 Industriepartner, darunter PVT-Hersteller, Wärmepumpensystemanbieter, Contractoren sowie Firmen die Objekte mit PVT-Kollektoren und Wärmepumpen im Projekt messtechnisch untersuchen lassen, unterstützen das Projekt.

Anpassung von Wärmepumpensystemen für PVT-Kollektoren

„PVT-Kollektoren bieten eine spannende Alternative oder Ergänzung zu konventionellen Wärmequellen für Wärmepumpen und erweitern damit das Einsatzspektrum dieser Schlüsseltechnologie. Ihre Systemintegration erfordert eine neue Denkweise hinsichtlich der Regelungstechnik und der Systemkomponenten“, betont Federico Giovannetti, Leiter der Arbeitsgruppe Kollektoren beim ISFH. „Unsere Befragung der Wärmepumpenhersteller hat ergeben, dass bereits eine ganze Reihe von Firmen hier angepasste und innovative Gerätetypen anbieten.“

Befragt wurden 18 Wärmepumpenanbieter, davon 11 deutsche und sieben aus dem Ausland; neun antworteten und meldeten Produkte für die Übersicht: ait-deutschland GmbH, enrgi GmbH, Heim AG Heizsysteme, Heliopac, M-TEC GmbH, Nibe Systemtechnik GmbH, Ratiotherm GmbH & Co KG, Triple Solar und Waterkotte GmbH. ait-deutschland und Waterkotte gehören beide zur Nibe-Gruppe; alle drei Anbieter treten aber auf dem Markt mit unterschiedlichen Gerätetypen auf.

Technische Merkmale und Marktrelevanz PVT-optimierter Wärmepumpen

Die neun Anbieter sind in Tabelle 1 mit jeweils einem oder zwei ausgewählten Wärmepumpentypen aufgeführt. Die Tabelle zeigt die allgemeinen technischen Daten der jeweiligen Geräte. Die Wärmepumpenserien decken einen Leistungsbereich von 5 bis 56 kW_th ab und sind damit für Ein- und Mehrfamilienhäuser geeignet. Mit Ausnahme von zwei Geräten werden alle Wärmepumpen inhouse gefertigt. Die Firma enrgi vertreibt die Geräte der Serie Eco Geo Pro des spanischen Herstellers Ecoforest in Deutschland exklusiv; die neue PVT-Wärmepumpe 10s von Triple Solar wird bei M-TEC produziert.

Sämtliche Anbieter bestätigten, dass die Herstellergewährleistung uneingeschränkt für die Verwendung in Kombination mit PVT-Kollektoren als Wärmequelle gilt. Alle gelisteten Modelle arbeiten in modulierender Betriebsweise. Mit Ausnahme der SWM pro 2-13 von der Heim AG Heizsysteme aus der Schweiz ermöglichen alle Geräte eine Steuerung der elektrischen Leistungsaufnahme gemäß §14a EnWG. Der Stromnetzbetreiber kann also zeitweise die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe reduzieren, um Netzengpässe zu vermeiden. Die Steuerung der Wärmepumpe auf Basis einer Wetterprognose ist bisher nur in einem Modell – bei S1156/S1256 von Nibe – realisiert. Ait-deutschland und Heim bieten die Funktion durch einen externen Solar-Manager an.

Von den elf aufgeführten Geräten nutzen fünf das natürliche Kältemittel Propan (R290) und sind größtenteils erst in diesem Jahr auf den Markt gekommen. Einige Hersteller, wie M-TEC und Nibe, hatten jedoch bereits für PVT-optimierte Vorgängermodelle.

Bild: HUSS MEDIEN GmbH

Zur Beurteilung der Marktbedeutung der gelisteten Geräte wurden bei der Befragung die Anzahl der bisher verkauften Geräte mit PVT-Kollektoren als alleinige oder als zweite Wärmequelle abgefragt. Dabei steht in der letzten Spalte von Tabelle 1 die Anzahl für das spezielle Gerät, das in der Tabelle gelistet ist. Die Fußnoten erläutern, wie viele Geräte insgesamt – einschließlich der Geräteserie und der Vorgängermodelle – bereits mit PVT-Kollektoren im Betrieb sind. Die führenden Anbieter in diesem Bereich sind Triple Solar mit 880 Geräten, die überwiegend in den Niederlanden installiert wurden, gefolgt von M-TEC mit 400 Geräten, 64 davon in Deutschland betrieben. Weitere nennenswerte Anbieter sind Nibe mit 200 Geräten, enrgi mit 150 und Waterkotte mit 100.

Die Marktübersicht umfasst rund 500 in Deutschland installierte PVT-Wärmepumpen-Systeme. Bei einer durchschnittlichen PVT-Kollektorfeldgröße von 50 m² entspricht dies 25.000 m². Ende 2024 waren allerdings bereits rund 170,000 m² unabgedeckte PVT-Kollektoren in Deutschland installiert, ein Großteil also mit Geräten anderer Hersteller oder mit Vorläufermodellen.

PVT Readiness: Umgang mit Eintrittstemperaturen der Wärmequelle mit und ohne Mischer

„Bei der Beurteilung von PVT-ready Wärmepumpen müssen wir grundsätzlich zwei Systemvarianten unterscheiden. Dienen die PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle oder werden sie in Kombination mit einer Geothermiewärmequelle betrieben“, erklärt Korbinian Kramer vom Fraunhofer ISE und IntegraTE-XL Projektleiter. „Wir verstehen den Betrieb als alleinige Wärmequelle so, dass der Heizstab nur im Notbetrieb genutzt wird.“ Beide Systemvarianten stellen unterschiedliche Anforderungen an die Wärmepumpe, die in Tabelle 2 getrennt dargestellt sind.

Bild: HUSS MEDIEN GmbH

Grundsätzlich stimmen die befragten Wärmepumpenhersteller der Aussage zu, dass PVT Kollektoren als alleinige Wärmequelle betrieben werden können (siehe Bild 1). Für diesen Betriebsmodus wurden vier Kriterien abgefragt. Hier geht es vor allem darum, die am Anfang des Artikels beschriebenen Besonderheiten von PVT-Kollektoren als Wärmequelle zu berücksichtigen: Temperaturschwankungen durch sich ändernde Sonneneinstrahlung, höhere Temperaturen im Sommer bis 70 °C sowie tiefe Temperaturen im Winter bis weit unter dem Gefrierpunkt.

Das wichtigste Kriterium für die PVT-Readiness – der breite Eintrittstemperaturbereich – wird von den Anbietern unterschiedlich erfüllt. Die Öffnung hin zu tiefen Temperaturen erfüllen fast alle Firmen (–12 bis –20 °C). Die Ausnahme ist hier der Typ Solerpac von Heliopac aus Frankreich. Das Gerät ist nur bis zu einer Eingangstemperatur von –5 °C freigegeben. Der Hersteller betont aber auch, dass seine Wärmepumpen immer nur mit einer zusätzlichen Wärmequelle neben PVT-Kollektoren betrieben werden können. Eine weitere Besonderheit ist Nibe: „Bei uns gibt es in der Software der Geräte keine Minimaltemperatur für den Fühler am Eintritt der Wärmepumpe“, sagt Oliver Rodehorst vom Produktmanagement. Die minimale Austrittstemperatur auf der Wärmequellenseite liegt bei –12 °C; die Eintrittstemperatur liegt für dieses Szenario bei ca. –9 °C.

Die freigegebenen Temperaturen für die Wärmequelle nach oben unterscheiden sich dagegen deutlich zwischen den Geräten und liegen zwischen 20 und 55 °C. Bei einigen Anbietern – Heliopac, Ratiotherm und Triple Solar – darf die Sole vom Dach am Eingang zur Wärmepumpe sogar kurzzeitig 70 °C erreichen.

2 - PVT-Kollektorfeld auf einem Mehrfamilienhaus-Neubau in Hameln Bild: ISFH

Ein Teil der Geräte benötigt also einen Mischer, um die Temperaturbegrenzung für die Wärmequelle aus dem PVT-Solekreis einzuhalten. Der Mischer ist in keinem der Geräte standardmäßig integriert, muss also bauseits vorgesehen werden. Entscheidend für die PVT-Readiness ist, ob über die Steuerung der Wärmepumpe ein Mischventil angesteuert werden kann. Geräte, die das standardmäßig können (von Heim, M-TEC, Nibe und die PVT-Wärmepumpe 10s von Triple Solar) sind laut der Definition PVT-ready.

Lösungen der Unternehmen, die in der Tabelle angeben, dass ein Mischer ‚nicht erforderlich‘ ist, erfüllen jedoch die PVT-Readiness Kriterien ebenfalls, etwa die patentierte Hydraulik von Ratiotherm. „Wir setzen einen internen Zwischenkreis direkt vor dem Verdampfer ein, der die Funktion eines Mischventils übernimmt“, erläutert Michael Westermaier, Leiter Vertrieb & Marketing bei Ratiotherm.

PVT-ready ist auch die im Februar 2025 eingeführte PVT-Wärmepumpe 5.0 von Triple Solar. Sie besitzt ein elektronisch geregeltes Expansionsventil und einen dynamischen Superheat-Controller, der den Kältekreis mit geringer Kompressordrehzahl bei Temperaturen über 50 °C anlaufen lassen kann. Der Kältekreis zirkuliert dann bei minimaler Drehzahl des Kompressors so lange, bis das Kältemittel auf 50 °C abgekühlt ist. Produktmanager Jannik Fleiter bei Triple Solar betont allerdings, dass dieses Verfahren nur mit den eigenen Triple Solar Modulen erprobt sei: „Unsere Module kühlen aufgrund der stark vergrößerten Absorberfläche durch die Wärmeabnahme schnell unter 50 °C ab und pendeln sich im deutschen Sommer auf 35 bis 40 °C maximal ein.“

3 - Eine 12-kW Wärmepumpe, die von einem 43 m² PVT-Kollektorfeld Wärme bezieht Bild: PA-ID Process GmbH

Mehrere Wärmequellen in einem System: Anforderungen für PVT-Readiness

Im unsanierten Altbau oder in großen Gebäuden mit ungunstigem Verhältnis zwischen Dachfläche und beheizter Wohnfläche können PVT-Kollektoren in Kombination mit Geothermie als Wärmequelle sinnvoll sein: Hier kann die Solarwärme vom Dach im Sommer zur Regeneration des Erdreichquelle genutzt werden, so dass diese kleiner ausfallen kann.

In Systemen mit PVT-Kollektoren und Erdreichquelle ist ein intelligentes Quellenmanagement wichtig. Das IntegraTE-XL-Konsortium identifizierte für die PVT-Readiness in diesem Betriebsfall folgende Kriterien: Die Wärmepumpe muss den Anschluss mehrerer Wärmepumpen zulassen. Der Regler der Wärmepumpe muss ein Quellenmanagement integriert haben, das die jeweils zur Einsatzgrenze der Wärmepumpe passende Wärmequelle auswählt. Die Regeneration des Erdreiches über die Ansteuerung der Pumpe im PVT-Kollektorkreis ist zudem wünschenswert, aber nicht Voraussetzung für PVT-Readiness.

Tabelle 2 zeigt, dass nur wenige Geräte der Übersicht diese Kriterien erfüllen. Der Anschluss und die Ansteuerung von zwei Wärmequellen ist bei drei Geräten serienmäßig integriert: der BHPA412 von M-TEC sowie Eco Geo Pro 2-10 von enrgi und der PVT-Wärmepumpe 10s von Triple Solar. Nur über die M-TEC-Gerät kann das Erdreich regeneriert werden. Bei den Seriengeräten von Ratiotherm können zwar keine zwei Wärmequellen angeschlossen werden. Dafür kann aber eine optionale Steuereinheit in die Wärmepumpe eingebaut werden, die die Pumpe im PVT-Kollektorkreis ansteuert und die Regeneration ermöglicht. Heim, Heliopac und Waterkotte geben an, dass sie das Quellenmanagement durch einen externen so genannten PVT-Regler realisieren.

Definition von PVT-ready Wärmepumpen

Bei der Beurteilung von PVT-ready Wärmepumpen müssen grundsätzlichzwei Systemvarianten unterschieden werden. Dienen die PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle oder arbeiten sie in Kombination mit einer Geothermiewärmequelle. Das Konsortium von IntegraTE-XL hat sich auf folgende Definitionen geeinigt.

PVT-ready sind Sole/Wasser-Wärmepumpen für PVT-Kollektorn

• als alleinige Wärmequelle, wenn der freigegebene Quelltemperaturbereich der Wärmepumpe für die unter typischen lokalen Betriebsbedingungen von den PVT-Kollektoren gelieferten Temperaturen ausgelegt ist. Die maximale thermische Leistung der Wärmepumpe für die niedrigste zulässige Temperatur der Wärmequelle und eine typische Betriebstemperatur (z. B. 55 °C für die Trinkwassererwärmung) muss zusätzlich zu den Standardbetriebspunkten nach DIN EN 14511 angegeben sein. In Deutschland liegt der Quelltemperaturbereich zwischen –15 und 70 °C. Die maximale Quellentemperatur kann z. B. durch ein spezielles Design des Kältekreises oder durch ein Mischventil eingehalten werden, das durch die in die Wärmepumpe integrierte Regelung angesteuert wird.
• als additive Wärmequelle, wenn die Wärmepumpe den Anschluss von mehreren Wärmequellen ermöglicht. Die Regelung der Wärmepumpe muss die Wärmequelle mit der höheren Temperatur ansteuern können und dabei den freigegebenen Quelltemperaturbereich der Wärmepumpe einhalten.

„Die Ergebnisse unserer Befragung zeigen eindeutig, dass bereits einige Hersteller wichtige Schritte bei der Anpassung ihrer Wärmepumpen an die Anforderungen der PVT-Kollektoren unternommen haben. Dennoch besteht in Bezug auf die PVT-Readiness noch deutlicher Optimierungsbedarf, besonders bei der Integration mehrerer Wärmequellen,“ schlussfolgert Kramer. „Eine engere Zusammenarbeit zwischen Herstellern von PVT Kollektoren und Wärmepumpen ist notwendig, um die Entwicklung dieser Systeme voranzutreiben und die PVT-Readiness auf ein höheres Niveau zu heben. Wir initiieren hierzu weiterhin gerne Projekte.“

Warum einige Firmen der Befragung fernblieben: Gründe und Perspektiven

Einige namhafte Wärmepumpenhersteller beteiligten sich bewusst nicht an der Marktstudie. Um ein vollständiges Bild zu erhalten, müssen die Gründe betrachtet und verstanden werden. So erklärt etwa Andreas Schütt von Viessmann: „Wir beobachten den PVT-Markt mit Interesse. Eine finale Entscheidung, ob und wann wir in diesen Markt eintreten, ist jedoch noch nicht getroffen.“

Bosch Thermotechnik verzichtete auf eine offizielle Stellungnahme. Dies könnte daran liegen, dass die neue Generation von Sole/Wasser-Wärmepumpen derzeit in Entwicklung ist und voraussichtlich im Laufe des Jahres 2026 auf den Markt kommt.

Vaillant verfolgt hingegen eine langfristige Strategie. Produktmanager Jan Christopher Müller erklärt, man habe sich entschieden, die flexoTHERM Erdwärmepumpe erstmal nicht mit aufzunehmen, würde sie jedoch künftig eintragen.

Stiebel Eltron Produktmanager Fabian Ripke schätzt ein, dass die Wärmepumpen von Stiebel Eltron für den Betrieb mit PVT-Kollektoren grundsätzlich geeignet seien, bei den meisten Gebäuden die Dachfläche allerdings zu klein sei, um PVT-Kollektoren als monovalente, also alleinige Quelle zu nutzen. „Daher sind PVT-Kollektoren in nur sehr wenigen Fällen wirtschaftlich attraktiv für unsere Kunden“, so Ripke. Man behalte das Thema aber im Blick und beobachte die Entwicklung weiterer Generationen von PVT-Kollektoren.

Die oft nicht ausreichende Dachfläche zum Betrieb von PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle wird auch innerhalb der Unternehmen, die an der Befragung teilnahmen, als Problem angesehen (siehe Bild 1). So stimmten über 60 % dem Statement zu, dass die verfügbare Dachfläche oft ein Ausschlusskriterium für den Einsatz von PVT-Kollektoren als alleinige Wärmequelle ist.

Viele Wärmepumpenhersteller haben die speziellen Anforderungen, die PVT-Kollektoren an ihre Systeme stellen, erkannt und ihre Geräte entsprechend angepasst. Um die PVT-Readiness weiter voranzutreiben, sind jedoch zusätzliche Innovationen und Entwicklungsanstrengungen erforderlich. Ein wachsender Markt für PVT-Systeme kann diesen Entwicklungsprozess erheblich beschleunigen.