PVT-Wärmepumpen-System

Ein CO2-neutrales, wirtschaftliches Heizsystem für MFH

Damit – in Verbindung mit der Mobilitätswende – der steigende Bedarf an elektrischer Energie nicht den Zuwachs an erneuerbar erzeugtem Strom übersteigt, sind Systeme nötig, die zum einen deutlich effizienter sind als heute übliche Luftwärmepumpen, zum anderen sollte sichergestellt sein, dass der Stromverbrauch des Systems zumindest bilanziell durch eine lokale regenerative Produktion gedeckt ist. Der Beitrag untersucht Möglichkeiten für ein CO2-neutrales, wirtschaftliches Heizsystem für Mehrfamilienhäuser.

PVT-Wärmepumpenkollektoren stellen neben Luft und Erdreich eine neue alleinige Wärmequelle für Wärmepumpen dar: durch die kombinierte Nutzung von Umweltwärme und solarer Abwärme von PV-Modulen wird eine Versorgung ohne Bedarf an Erdsonden oder Niedertemperaturspeichern ermöglicht, und im Gegensatz zur Luft-Wärmepumpe ohne bewegte Teile (Lüfter) und entsprechendem Zusatzenergiebedarf. Gleichzeitig produzieren die PVT-Kollektoren elektrischen Strom – durch die Kopplung mit der Wärmepumpe mit höherem Ertrag als reine PV-Module. Bei typischer Dimensionierung entspricht oder übersteigt die jährlich produzierte Strommenge den elektrischen Energiebedarf der Wärmepumpenheizung. Der Aufbau des PVT-Wärmepumpenkollektors ist durch eine weltweite PCT-Anmeldung geschützt.

Entscheidende Vorteile des „Solink“-Systems gegenüber einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe mit PV-Anlage sind die höhere Systemeffizienz und die nicht vorhandene Lärmbelastung beim „Solink“-System. Gegenüber Erdreich-Wärmepumpen entfallen Einschränkungen durch Platzbedarf bzw. geologische Voraussetzungen für Bohrungen. Insbesondere in dicht bebauten Stadtteilen scheiden Luft- und Erdsonden-Wärmepumpen oft aus und sind mit PVT-Wärmepumpenkollektoren die einzige Möglichkeit zur Realisierung einer Wärmepumpenlösung (Bild 1).

Auch die Anwendung von „Solink“-Systemen in Mehrfamilienhäusern (MFH) mit ihrem geringen Verhältnis Dachfläche zur Gebäudevolumen ist in vielen Fällen möglich: Aufgrund des sehr guten Wärmeübertragungsvermögens zur Luft werden kleinere Kollektorflächen zur vollständigen thermischen Versorgung einer Wärmepumpe gebraucht, als es mit üblichen PVT-Kollektoren der Fall wäre. Im Rahmen des von der DBU geförderten Projekts „Solink“ wurden vom IGTE der Universität Stuttgart und Consolar die im Folgenden vorgestellten Untersuchungen vorgenommen. Zunächst wird die Effizienz unterschiedlicher Systeme miteinander vergleichen. Dabei werden auch zwei verschiedene hydraulische Systemeinbindungen für die Warmwasserbereitung im MFH untersucht und abschließend ein Wirtschaftlichkeitsvergleich vorgenommen.

Systemuntersuchung

Die im Folgenden vorgestellten Simulationsstudien für ein Mehrfamilienhaus wurden am IGTE mit der Simulationssoftware „Polysun“ erstellt. Die zugrunde liegenden Modelle wurden mit „TRNSYS“-Simu­lationen im Einfamilienhaus abgeglichen und mit Messdaten einer Feldtestanlage validiert [1].

Definitionen und Randbedingungen

In diesem Abschnitt werden zunächst System-Bewertungsgrößen und grundlegende Randbedingungen für die Anlagen-Simulationen vorgestellt:

- System-Jahresarbeitszahlen: Definition ohne bzw. mit Berücksichtigung des PV-Direktver­brauchs vor Ort (SJAZ bzw. SJAZPVT)
- SJAZ = (Wärmeabgabe an HK+WW) / (Stromverbrauch System)⇥(1)
- SJAZPVT = (Wärmeabgabe an HK+WW) / (Stromverbrauch – PV-Direktverbrauch System)⇥(2)

Die Systemarbeitszahlen sind Nutzen-/Aufwandsverhältnisse, die die vom Heizsystem an Heizkreis (HK) und Warmwasser (WW) abgegebene Wärme zur elektrischen Stromaufnahme des Heizsystems (bzw. zum Netzbezug) ins Verhältnis setzen. Wärmeverluste der Wärmespeicher gehen zu Lasten der Systemarbeitszahl, da sie Heizkreis bzw. Warmwasser nicht zur Verfügung stehen. Der Stromverbrauch für die Heizungsumwälzpumpe und die Anlagenregelung werden nicht berücksichtigt. Für die Ermittlung des „PV-Direktverbrauch System“ bedient die PV vorrangig das Heiz­system (Wär­mepumpe, etc.) und erst nachgeordnet den Haushalts- bzw. Allgemeinstrom.

- Eigenverbrauchsanteil: Anteil des PV-Ertrags, der direkt vor Ort genutzt wurde
- Eigenverbrauchsanteil = PV-Eigenverbrauch / PV-Ertrag,⇥(3)
- Autarkiegrad: Anteil des Stromverbrauchs, der mit der PV-Anlage produ­ziert und direkt vor Ort genutzt wurde
- Autarkiegrad = PV-Eigenverbrauch / Stromverbrauch,⇥(4)
- CO2-Emissionen: für den Anlagenbetrieb, berechnet mit spezifischen CO2-Emissionsfaktoren der Bafa, Stand 01.01.2019 [2] (0,537 tCO2/MWh für Strom Inland, 0,202 tCO2/MWh für Erdgas). Wie bereits in Projektteil I wird der positive Effekt durch eine Netzeinspeisung von PV-Strom ins Stromnetz (ggf. Verdrängung von fossil erzeugtem Strom) in den berechneten Größen nicht berücksichtigt.
- Kollektormodell: Die Kennwerte des „Solink“-PVT-Kollektors aus der Solar-Keymark-Prüfung [2] wurden verwendet.

Hinweise zur Berücksichtigung und dem Einfluss von freier  Konvektion, Wind, Schnee, Vereisung und Kondensation auf den Wärmeübergang des PVT-Kollektors zur Umgebung:

Der dominierende Faktor für den Wärmeübergang ist Wind; sowohl in „TRNSYS“ als auch in „Polysun“ wird die Windgeschwindigkeit in Kollektorebene entsprechend der geltenden Normen [4] mit einem linearen Faktor berücksichtigt. Die Windgeschwindigkeit in Kollektorebene wird wiederum aus der stündlich gemittelten Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe berechnet, welche in den Wetterdaten hinterlegt ist. Für die Umrechnung wird entsprechend [5] pauschal ein Faktor von 0,5 angesetzt.

Der Einfluss von freier Konvektion, Vereisung und Kondensation ist beim „Solink“-PVT-Kollektor gegenüber dem Windeinfluss untergeordnet und wurde in den Simulationen nicht berücksichtigt. Länger anhaltende Schneebedeckung führt in erster Linie zu entsprechenden PV-Ertragseinbußen. Die Simulationen wurden für den Standort Würzburg durchgeführt, der Einfluss von Schnee wurde hier vernachlässigt.

Untersuchung unterschiedlicher Systemvarianten

a) „Solink“-Hydraulikvarianten und Speicherkonfigurationen

Für die Untersuchung wurde von einem Zwei-Speichersystem ausgegangen: einem Heizungs-Pufferspeicher und einem Pufferspeicher für die Warmwasserbereitung mit dezentraler Frischwasser-Erwärmung in den Wohnungen.

In einer optimierten Hydraulik (Variante A1, ) sind die beiden Pufferspeicher so miteinander verschaltet, dass das in der Frischwasserstation (FriWa) abgekühlte Speicherwasser in den unteren Bereich des Heizungspuffers geleitet wird und Wasser vom oberen Bereich dieses Speichers in den unteren Warmwasser-Puffer nachströmen kann. Dadurch wird zum einen die Temperatur­schichtung weiter verbessert, v.a. aber wird eine deutlich verbesserte Lastverschiebung im Sommer ermöglicht: Der Pufferspeicher wird zur PV-Überschussnutzung auch außerhalb der Heizperiode als zusätzlicher Wärmespeicher für die Warmwasserbereitung mitgenutzt. Es resultieren höhere Systemarbeitszahlen SJAZPVT im Vergleich zur Standardhydraulik (Variante C).

b) Warmwasserbereitung im MFH

Aufgrund der Hygienebestimmungen bietet sich in Mehrfamilienhäusern mit Wärmepumpen-Heizsystemen die dezentrale Trink-Warmwasserbereitung mit Wohnungsverteil-/Frischwasser­stationen an. In der Simulation wurden zwei Möglichkeiten der hydraulischen Anbindung der Wohnungsverteilstationen untersucht: einerseits die 4-Leiter-Anbindung mit getrenntem Leitungsnetz für Heizung und Warmwasser (Variante A1), und andererseits die hydraulisch weniger aufwendige, kombinierte Versorgung in 2-Leiter-Anbindung (Variante A2)(Bilder 3 und 4).

Das 2-Leiter-Netz muss ganzjährig oberhalb einer Temperatur von 50 °C gehalten werden, um die Temperierung der Frischwasserstationen zu gewährleisten; der Heizkreis-Vorlauf wird hier erst im Heizkreismischer der Wohnungsverteilstationen auf die jeweils benötigte Heizkreis-Solltemperatur abgesenkt. Der Heizungs-Pufferspeicher verliert durch die 2-Leiter-Anbindung seine ursprüngliche Funktion und die Wärmepumpe läuft ausnahmslos für den Warmwasser-Nachheiz­betrieb, d.h. auf hohem Nutztemperaturniveau und somit mit niedriger Arbeitszahl (z.B. JAZWP=3,4 statt bisher 4,4). Die Effizienzunterschiede zum 4-Leiter-Netz sind erheblich, wie in den Bildern 3 und 4 zu sehen (Variante A2 vs. A1: SJAZ -29 %, SJAZPVT -37 %, elektrische Zusatzheizung Faktor 6, Netz­bezug +45 %). Bei den Simulationen mit 2-Leiter-Anbindung sind die Absolut­ergebnisse nur noch geringfügig vom Temperaturniveau des Heizkreises abhängig, der Effizienzunterschied zwischen 4-Leiter- und 2-Leiter-Netz fällt beim Mitteltemperatur-Verteilsystem (60/50 °C Radiatoren-Heizsystem) deshalb moderater aus (SJAZ u. SJAZPVT etwa ‑20 %, elektrische Zusatz­heizung Faktor 3, Netzbezug +20 %) als beim Niedertemperatur-Heizsystem.

Systemvergleich

Die Bilder 5 und 6 zeigen die Ergebnisse des Vergleichs unterschiedlicher Heizsysteme und Systemvarianten:

- A: „Solink“-Sole-Wärmepumpe 95 m² PVT-Kollektoren, Standardhydraulik (4-Leiter-Netz),
- A1: Wie A, aber optimierte Verschaltung der beiden Speicher,
- A2: Wie A1, aber 2-Leiter-Netz,
- B: „Solink“-Sole-Wärmepumpe 56 m² PVT-Kollektoren kombiniert mit Spitzenlast-Gaskessel, 4-Leiter-Netz,
- C: Erdsonden-/Sole-Wärmepumpe + 95 m² PV-Anlage, 4-Leiter-Netz,
- D: Luft-/Wasser-Wärmepumpe + 95 m² PV-Anlage, 4-Leiter-Netz.

Die Simulationen in diesem Abschnitt berücksichtigen nur den Allgemeinstromverbrauch. Ein Eigenverbrauch für die Haushalte wurde aufgrund der aktuell noch ungünstigen und abschreckenden Mieterstromregelung nicht vorgesehen.

Auffallend sind sehr hohe System-Jahresarbeitszahlen im MFH (teilweise SJAZ > 4) gegenüber EFH-Simulationen. Dies hängt u.a. mit vergleichsweise geringen Anlagen­verlusten zusammen, die aufgrund der höheren Wärmelast im MFH eine deutlich untergeordnete Rolle spielen.

Die Systemeffizienz des „Solink“-Systems (Variante A und A1) liegt zwischen Erdreich-Wärmepumpe (Variante C) und Außenluft-Wärmepumpe (Variante D), wobei die optimierte Variante A1 nur wenig unter den Werten der Erdreich-Wärmepumpe liegt. Für die hier berechneten Kombinationen mit flächengleichen PV-Anlagen gilt diese Reihenfolge auch unter Berücksichtigung des PV-Direktverbrauchs für die Systemarbeitszahl SJAZPVT bzw. SJAZPV, d.h. für das Verhältnis (kWhth / kWhel) von erzeugter Wärme zum Netzstrom­bezug für das Heizsystem (Bild 5). Die Reihenfolge ergibt sich ebenso in den Bewertungs­größen Endenergie-Bezug, Autarkie und den CO2-Emissionen für den Anlagenbetrieb, die in Bild 6 aufgetragen sind.

Neben ohnehin etwas niedrigeren Arbeitszahlen entsteht für das Luft-Wärmepumpensystem Zusatz­aufwand für die Enteisung der Außenlufteinheit. Sowohl bei Luft-Wärmepumpen als auch im „Solink“-System muss bei geringer Einstrahlung und sehr niedrigen Außentemperaturen (und damit Soletemperaturen) die Wärmepumpe ggf. durch die elektrische Zusatzheizung ergänzt bzw. ersetzt werden, insbesondere für die Warmwasser-Nachheizung bei Solltemperaturen über 50 °C. Diese Effekte zeigen sich auch im winterlichen Netzbezug. Entscheidend für die Gesamteffizienz von „Solink“-Wärmepumpen ist daher die minimal zulässige Sole-Eintrittstemperatur, die in Deutschland i.d.R. nicht über -15 °C liegen sollte. Mittlerweile gibt es mehrere Wärmepumpenfabrikate, die bis zu -20 °C ermöglichen und bei -15 °C noch die Warmwasser-Nachheizung ohne elektrischen Zusatzheizung gewährleisten – was in der Simulation noch nicht berücksichtigt ist.

In den Sommermonaten erkennt man im Netzbezug leichte Vorteile für das „Solink“-System (Variante A) durch zeitweise erhöhte Sole-Temperaturen aufgrund der solarthermischen Nutzung. Der Effekt der solarthermischen Gewinne ist nicht größer, weil die Sole-Eintritts­temperatur der handelsüblichen Wärmepumpen nach oben begrenzt ist (i.d.R. auf 20 bis 25 °C). Beim „Solink“-System sorgt deshalb ein Mischventil im Solarkreis für die notwendige Temperaturbegrenzung im Sommer. Seit kurzem bieten allerdings mehrere Wärmepumpenhersteller Wärmepumpen an, die auch Eintrittstemperaturen bis 35 °C zulassen, bei weiteren Fabrikaten wird die entsprechend Zulassung erwartet.

Bei der gewählten Auslegung der PVT-Kollektorfläche übersteigt in allen „Solink“-Systemen der selbst produzierte PV-Strom in der Jahresbilanz den Strom­verbrauch der Wärmepumpen-Heizsysteme. Eine Ausnahme bildet die Variante A2: Die 2-Leiter-Anbindung ist für die Systemeffizienz sehr ungünstig, der Stromverbrauch des Heizsystems steigt deshalb stark an und das Auslegungsverhältnis PV-Ertrag/Stromverbrauch > 100 % wird nicht mehr erreicht.

Wird zusätzlich der Allgemein­strom (MFH) berücksichtigt, liegt das Verhältnis von selbst produziertem Strom zu Gesamt-Stromverbrauch für die Systeme bei 60 bis 80 % – nur das bivalente „Solink“-System mit Gas-Kessel wurde etwas kleiner ausgelegt. In der Praxis kann der selbst produzierte PV-Strom trotz Energiemanagement und thermischer Lastverschiebung nur zum Teil direkt vor Ort genutzt werden – für den Stromverbrauch der Wärmepumpe i.d.R. zu einem Drittel bis zu einem Viertel. Der hier berechnete Eigenverbrauchsanteil beinhaltet zusätzlich die Nutzung des PV-Stroms für den Allgemeinstrom des MFH und liegt deshalb etwas höher. Mit einer Fläche von 95 m² wird ein Eigenverbrauchsanteil von etwa 30 % erreicht. Nur das bivalente „Solink“-System erreicht im MFH mit gut 40 % einen etwas höheren Wert, bedingt durch einen geringeren PV-Jahresertrag der kleineren Kollektorfläche (56 m²).

In den Simulationen resultiert daraus ein Autarkiegrad von 15 bis 27 % bzw. mit Mitteltemperatur-Verteilsystem von 13 bis 22 %. Das Luft-Wärme­pumpen­system (Variante D) und das kleiner ausgelegte, bivalente „Solink“-System (Variante C) erreichen jeweils die niedrigsten Autarkie-Werte.

Die Endenergie-Einsparung gegenüber einem Gas-Brennwert-Heizsystem ohne Solarenergienutzung liegt bei allen berechneten Wärmepumpen-Heizsystemen in der Größenordnung 70 bis 80 %; dies entspricht einer Einsparung von CO2-Emissionen im Anlagenbetrieb von etwa 35 bis 50 % (Fußbodenheizung, Bild 6) bzw. 30 bis 45 % (Radiatorheizkörper 60/50 °C, nicht dargestellt). Hierbei sind die durch PV-Strom-Einspeisung vermiedenen Emissionen bei der Stromerzeugung nicht berücksichtigt.

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Für die beschriebenen Wärmepumpensysteme wurde auf Basis der Simulationen ein Wirtschaftlichkeitsvergleich erstellt. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse für das Niedertemperatur(NT)-Verteilsystem mit den zu Projektende (Mitte 2020) vorliegenden Daten und Informationen bzgl. Leistung, Kosten und Förderung aufgeführt.

Zum Vergleich wurden die Kosten für ein Gas-Brennwertsystem ermittelt, auch wenn es in der Anwendung keine Relevanz mehr haben sollte.

Die Variante B wurde ausschließlich für den Sanierungsfall eines Mehrfamilienhauses mit Radiatoren-Heizkreis berechnet und ist deshalb in Tabelle 2 nicht aufgeführt.

Generelle Annahmen:

- Erdsonden- und Luftwärmepumpe jeweils mit der gleichen PV-Fläche betrieben wie „Solink“,
- Förderung mit 45 % (Ölkessel-Austausch) für alle Systeme und mit 30 % für Hybrid-System (Wärmepumpe und Gaskessel),
- Energiepreis Wärmeerzeuger (Gas): 6 Cent/kWh,
- Energiepreis Wärmeerzeuger (Strom): 22 Cent/kWh,
- Energiepreis Hilfsenergie (Strom): 29,2 Cent/kWh,
- Einspeisevergütung: 9,03 Cent/kWh,
- Kosten inklusive 16 % Mehrwertsteuer,
- keine Zinsen oder Preissteigerung,
- Lebensdauer: 20 Jahre.

PVT-Wärmepumpenkollektoren erhalten in Deutschland keine Solarthermie-Förderung, werden aber als Wärmequelle gefördert: Die Förderung bezieht sich nur auf den thermischen Bestandteil, nicht die Mehrkosten durch Photovoltaik.

Die Materialkosten wurden für Waterkotte-Wärmepumpen ermittelt, die Montagekosten gemäß Erfassung an realisierten Anlagen.

Das Erdsondensystem ist etwas wirtschaftlicher gegenüber „Solink“. Das kommt daher, dass eine kleinere Wärmepumpe eingesetzt werden kann (Heizleistung 34,1 kW bei B0/W35). Bei „Solink“ geht die Auslegung von dem tiefsten Punkt bei B-15 aus, was eine etwas leistungsstärkere Wärmepumpe mit entsprechend höheren Kosten erfordert.Dagegen ist das „Solink“-System gegenüber einer Luftwärmepumpe trotz höherer Investitionskosten wirtschaftlicher. Die Gas-Brennwertheizung ohne PV-Anlage ist aufgrund der hohen verbrauchsgebundenen Kosten auf lange Sicht die unwirtschaftlichste Lösung.

Fazit

„Solink“-PVT-Wärmepumpensysteme stellen eine dritte, mittlerweile in über 300 Anlagen erprobte Klasse von Wärmepumpensystemen neben Erdreich-/Grundwasser-gekoppelten Wärmepumpen und Luftwärmepumpen dar. Entscheidende Vorteile des Systems gegenüber einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe mit PV-Anlage sind die höhere Systemeffizienz und die nicht vorhandene Lärmbelastung. Gegenüber Erdreich-Wärmepumpen entfallen Einschränkungen durch Platzbedarf bzw. geologische Voraussetzungen für Bohrungen. „Solink“-Systeme sorgen dafür, dass bei der Dekarbonisierung der Heiztechnik gleichzeitig der dafür notwendige Zubau an regenerativer Stromproduktion sichergestellt ist. Auch für Mehrfamilienhäuser sind sie eine sehr effiziente und wirtschaftliche Lösung einer in der Jahresbilanz CO2-neutralen Wärmeversorgung. In vielen Fällen sind in der Praxis alle anderen nicht-fossilen Heizsysteme im innerstädtischen Bereich nur begrenzt oder nicht anwendbar.

Die Wirtschaftlichkeit kann bei Nutzung des Eigenstroms auch für Haushalte noch weiter verbessert werden. Voraussetzung für eine breite und unkomplizierte Nutzung dieser Option ist, dass die Bundesregierung ihrer Pflicht nachkommt, bis Ende Juni 2021 das EEG diesbezüglich konform zum Europarecht anzupassen.

Literatur

[1] Leibfried, U., Fischer, S., Asenbeck S.: PVT-Wärmepumpensystem Solink – Systemvalidierung und zwei Jahre Praxiserfahrung, Symposium Thermische Solarenergie 2019, Bad Staffelstein, 21. – 23.06.2019 [2] Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle: Merkblatt zu den CO2-Faktoren,  eew_merkblatt_co2.pdf (abgerufen im Juli 2019 auf www.bafa.de), Stand 01.01.2019 [3] Prüfbericht Wärmeleistung eines Sonnenkollektors, Prüfberichtsnummer 19COL1436 vom 20.03.2019 zur Solar-Keymark-Prüfung (SOLINK-PVT-Kollektor der Fa. Consolar) am IGTE, Universität Stuttgart, 2019 [4] ISO 9806:2017 “Solar energy – Solar thermal collectors – Test methods” [5] S. Helbig, M. Kirchner, F. Giovanneti, C. Lampe, M. Littwin, O. Kastner: PVT-Kollektoren als bisolare Wärmepumpenquelle – Ein Simulationsvergleich zwischen Polysun und TRN­SYS, Symposium Thermische Solarenergie 2018, Bad Staffelstein, 13. – 15. Juni 2018
Info

Danksagung

Der Deutschen Bundestiftung Umwelt sei herzlich gedankt für die finanzielle Unterstützung des Projekts und die inhaltlich kompetente und kritische Begleitung.

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