Auf dem Stalldach befinden sich PVT-Module, die Strom produzieren und Dachwärme abführen. Im Gegensatz zu reinen PV-Modulen nehmen diese Module Umgebungswärme und — bei schönem Wetter — Strahlungswärme der Sonne auf, die mit einem Glykol in einen 1000 l Salzwasser-Kaltspeicher (-2 - 22 °C) im Keller transportiert wird. Diese Energie wird von einer Wärmepumpe genutzt um Heizwasser (30 - 45 °C) und Warmwasser (50 - 60 °C) bereitzustellen.
Im Sommer liefern die PVT-Module Wasser zwischen 30 und 60 °C. Dies wird direkt oder mittels Wärmepumpe als Warmwasser genutzt.
Im Frühjahr und Herbst liefern die PVT-Module je nach Wetter tagsüber zwischen 5 und 30 °C. Diese Energie wird mittels Dachzirkulation und Wärmepumpe in die Speicher geführt, und steht so in der Nacht zur Verfügung.
An den kältesten Wintertagen sinkt die Tageshöchsttemperatur unter -2 °C. Im Speicher bildet sich Eis, und die Wärmepumpe wird mit der damit frei werdenden Energie betrieben.
Aufbau
Der Aufbau besteht aus zwei Kreisen:
Ein Glykol-Kreis mit folgenden Anschlüssen
Wärmepumpe (Kalt-Anschluss)
Wärmetauscher
Dach
Kaltspeicher (optional)
Ein Wasser-Kreis mit folgenden Anschlüssen
Wärmepumpe (Warm-Anschluss)
Wärmetauscher
Hygienepuffer für Warmwasser
Puffer
Wärmetauscher für Bodenheizung
Ein Kreis besteht aus 6 Anschluss-Ports, einer regulierbaren Zirkulationspumpe, einem Durchflusssensor, einem Drucksensor, und 6 Temperatursensoren:
Alle Anschlüsse können individuell zuschaltet werden, und ein Kreis kann durch Ausschalten der Zirkulationspumpe komplett ausgeschaltet werden. Der Kreis wird über einen der Anschlüsse befüllt oder entleert. Nicht genutzte Anschlüsse werden über ein kurzes Schlauchstück kurzgeschaltet. Ein Anschluss kann zu Arbeitszwecken geschlossen werden ohne den gesamten Kreis zu entleeren.
Ein Steuerungscomputer schaltet automatisch zwischen folgenden Betriebsarten um:
Alles ausgeschaltet
Dach, Kaltspeicher: zum Einlagern von Energie im Kaltspeicher
Dach und/oder Kaltspeicher, Wärmepumpe, Puffer: zum Auffüllen des Puffers
Dach und/oder Kaltspeicher, Wärmepumpe, Hygienepuffers: zum Auffüllen des Hygienepuffers
Dach, Wärmetauscher, Hygienepuffer: zum Auffüllen des Hygienepuffers in heissen Sommertagen
Dach, Wärmetauscher, Puffer: zum Enteisen des Dachs nach einem Schneefall
Puffer oder Hygienepuffer, Bodenheizung: zum Heizen der Wohnung
Der Kaltspeicher wird auf etwa 22 °C begrenzt, da die Wärmepumpe nicht für höhere Temperaturen ausgelegt ist.
Direktwärme
Bei Aussentemperaturen über 15 °C kann an sonnigen Tagen die Strahlungswärme über den Wärmetauscher ins System gebracht werden. Beim Einschalten dieser Betriebsart wird das Glykol zirkuliert bis es die Temperatur des Wasserkreises erreicht. Dann wird der der Wasserkreis aktiviert um die Wärme in den Puffer oder Hygienepuffer einzulagern. Der Kaltspeicher wird dabei nicht benutzt.
Nacht-Autarkie
Die Puffer sind so ausgelegt dass die Wohnung damit nachts warm gehalten werden kann. Die Wärmepumpe wird zwischen 10:00 und 16:00 mit Solarstrom und Dachwärme betrieben um die beiden Puffer zu füllen.
Die für die Nacht notwendige Energie wird vom Steuerungscomputer geschätzt. Bei kalten Aussentemperaturen wird der Puffer auf bis zu 45 °C erwärmt. Bei Aussentemperaturen in der Übergangszeit reichen etwa 32 °C. Als zusätzlicher Speicher kann der Hygienepuffer zwischen 50 und 65 °C genutzt werden.
Steht tagsüber kein Solarstrom zur Verfügung besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Wärmepumpe nachts zu betreiben. In sehr kalten Perioden ist es notwendig die Wärmepumpe nachts einzuschalten um weitere Heizwärme bereitzustellen.
Notbetrieb
Ist die Dachtemperatur knapp unter -2 °C kann der Rücklauf der Wärmepumpe (etwa -5 °C) über das Dach geleitet werden, und so etwas Energie abholen. Bei tieferen Temperaturen ist es nicht mehr möglich Energie vom Dach zu holen.
Der Kaltspeicher ist ausgelegt für etwa 200 l Eis (19 kWh). Ist der Eisspeicher erschöpft wird die Wärmepumpe ausgeschaltet, und der Hygienepuffer über einen Elektro-Heizstab geheizt. Dies ist teuer, aber nur sehr selten notwendig.
Der Kaltwasserspeicher ist minimal isoliert. Liegt die Wassertemperatur bei 0 °C nimmt der Speicher etwa 200 W Kellerwärme auf. Bei über 8 °C gibt der Speicher etwas Wärme an den Keller ab.
Schnee und Eis auf dem Dach
Ist das Dach mit Schnee bedeckt kann keine Energie vom Dach abgeführt werden. Der Schnee isoliert gut gegen Umgebungswärme und Sonnenstrahlung und verhindert so das eigene abschmelzen. Nach einem Schneefall wird das Dach zur Zirkulation von Warmwasser enteist. Dies ist teuer, aber nur selten notwendig.
Kondensationswasser, Tau und Reif
Bei der Zirkulation von kaltem Wasser kann auf dem Dach Kondensationswasser (Tau) entstehen. Dieses Wasser fliesst über das Dach ab und stellt kein Problem dar.
Bei Temperaturen zwischen -2 °C und 0 °C und hoher Luftfeuchtigkeit kann bei der Zirkulation auch Reif entstehen. Dies wird selten auftreten und rasch abklingen.
Bodenheizung
Die Bodenheizung bildet einen eigenen Kreis mit Wasser bei etwa 25 - 30 °C. Dieser Kreis wird mittels Wärmetauscher über den Warmwasserkreis mit Energie versorgt. Der Warmwasserkreis wird dabei langsam zirkuliert, damit die Temperatur im Heizkreis die 30 °C nicht übersteigt.
Simulation
Die Heizung wurde mit den Wetterdaten der letzten 10 Jahre simuliert. In den meisten Jahren konnte sie das ganze Jahr über genügend Wärme bereitstellen. Im Januar 2017 und im Januar 2021 gab es längere Kälteperioden in denen das Einschalten der Elektro-Heizstäbe notwendig gewesen wäre (siehe Eismenge).
Bei der Simulation ist folgendes zu beachten:
Als Grundlage dienen die Temperaturen und Strahlungsintensitäten in Basel, korrigiert für Naters (1.5 °C kälter, um den Jahreswechsel herum 4.5 °C kälter).
Die Strahlungsintensität ist für flach auf der Erde liegende Panele berechnet. Die effektiven Panele sind 6° nach süd-westen geneigt, und produzieren daher etwas mehr Strom und Wärme.
Die Simulation setzt 50 % der eintreffenden Strahlung in Wärme um. Der konvektive Wärmetransfer wird mit 50 W/m²K simuliert.
Die benötigte Heizwärme basiert auf Berechnungen auf Basis der Isolation (siehe Wärmemanagement). Weitere Wärmequellen (Mensch, Sonne durch Fenster, Kochherd) oder Wärmeverluste (offene Türen, offene Fenster) wurden dabei ignoriert.
Das Warmwasser wird nicht simuliert.
Die Wärmepumpe läuft konstant bei der jeweils benötigten Leistung.
Die COP-Werte basieren auf dem Datenblatt der Wärmepumpe, unter der Annahme dass das Wasser auf 45 °C erwärmt wird.
Der Verbrauch der Zirkulationspumpen und der Steuerung ist nicht eingerechnet.