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Fachbeitrag: In Hybridsystemen sind nur On-Off-Wärmepumpen sinnvoll

(4.5.2015) Öl- oder Gaskessel mit einem Alter von 15, 20 oder noch mehr Jahren sind in Deutschlands Heizungskellern keine Seltenheit. Die Voraussetzungen, jetzt eine Sa­nierung in Angriff zu nehmen, sind derzeit ideal: Geld ist günstig wie nie bzw. bringt auf der Bank kaum Rendite. Da liegt es nahe, sinnvoll in die eigenen vier Wände zu in­vestieren - und eine Wärmepumpe als Heizung zu installieren. Oft soll der alte Brenner „zur Sicherheit“ oder als Unterstützung erhalten bleiben. Dabei gilt es für den Hausbe­sitzer und gerade auch für den Fachhandwerker, einige Dinge zu beachten, wenn die Heizungsanlage im Ein-oder Zweifamilienhaus saniert werden soll.


Technikraum einer bivalenten Heizungsanlage mit innen aufgestellter On-Off-Wärmepumpe WPL 23 E von Stiebel Eltron und altem Ölkessel. (Bild vergrößern)

Hybrid auf ewig? Oder später auch als Stand-alone-Wärmepumpe?

Zu Beginn der Planungen muss feststehen, ob die Wärmepumpe zu einem späteren Zeitpunkt auch alleine in der Lage sein soll, das Gebäude zu beheizen bzw. die Warm­wasserbereitung zu leisten. Berücksichtigen sollte man dabei unbedingt das Alter und den allgemeinen Zustand des Bestandskessels, denn wenn der in der Folge ausfällt, muss - falls bei der Sanierung eine Wärmepumpe gewählt wurde, die nur ergänzend zum Heizkessel zum Einsatz kommen kann - dann zwangsläufig erneut in die Heizungs­anlage investiert werden. Daher ist immer zu prüfen, ob nicht sofort eine Wärmepum­pe genutzt wird, die (notfalls) auch alleine in der Lage ist, den kompletten Heizbedarf inkl. Warmwasserbereitung zu decken.

Allerdings: Ist der bivalente Betrieb über die gesamte Lebensdauer der Heizungsan­lage ausdrücklich geplant, sollte die Wärmepumpe im Ein- und Zweifamilienhausbereich aus wirtschaftlichen Gründen so gewählt werden, dass sie etwa 50 Prozent der Heiz­last des Gebäudes und damit rund 80 Prozent der Jahresheizarbeit abdeckt:


Anteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit als Funktion des Verhältnisses der Heizleistung der Wärmepumpe zu Gebäudeheizlast (Raumheizung, Modalsplit, Vorlauftemperatur < max.)
JQ = Heizarbeit, QN = Auslegungsleistung

Wenn dauerhaft bivalent, dann On-Off-Wärmepumpe

Unabhängig von der letztendlichen Wahl der Leistungsgröße der Wärmepumpe gilt: Wenn der bivalente (neuerdings „hybride“) Betrieb gewünscht wird, sollte auf jeden Fall ein On-Off-Gerät - etwa aus der WPL E-Baureihe von Stiebel Eltron - der leis­tungsgeregelten Wärmepumpe (Inverter) vorgezogen werden.

Der Verdampfer, also der Wärmeübertrager in der Wärmepumpe, über den der erneu­erbare Energieanteil gewonnen wird, ist bei On-Off-Wärmepumpen auf einen Betrieb bei A10/W35 dimensioniert. In bivalenten Anlagen mit der oben angesprochenen Di­mensionierung auf 80 Prozent der Jahresheizarbeit liegt der Bivalenzpunkt in der Re­gel bei ca. zwei Grad - das heißt: Bei Temperaturen von zwei Grad wird die gesamte Heizleistung der Wärmepumpe dauerhaft benötigt. Dies stellt für eine On-Off-Wärme­pumpe kein Problem dar, da alle Komponenten für diesen Betriebspunkt ausgewählt sind.

Der Verdampfer einer Inverter-Wärmepumpe ist dagegen in der Regel für einen Betrieb mit etwa 30 bis 40 Prozent der Wärmepumpen-Heizleistung bei sechs Grad Außentem­peratur ausgelegt - und dementsprechend kleiner dimensioniert. Um eine wirtschaft­liche bivalente Anlage zu realisieren, wird die leistungsgeregelte Wärmepumpe so ge­wählt, dass sie bereits bei moderaten Temperaturen um den Bivalenzpunkt sehr hohe Leistungen zur Verfügung stellen muss. Das bedeutet, dass ...

  • der Verdichter mit 120 Hz (7.200 U/min) lärmt,
  • die Verdampfungstemperatur und die Leistungszahl der Wärmepumpe drastisch sinken, da der Verdampfer für diese vergleichsweise häufige hohe Leistungsab­frage unterdimensioniert ist, und dass ...
  • die Wärmepumpe laufend abtaut - mit entsprechend negativer Auswirkung auf Heizleistung, Leistungszahl, Schallemission und Verdichterlebensdauer.

Lösen ließe sich das Problem, indem man eine für die Anforderungen innerhalb dieses Systems deutlich überdimensionierte Inverter-Wärmepumpe verwendet. Die würde dann bei zwei Grad Außentemperatur mit 30 bis 40 Prozent Teillast laufen und wäre damit effizient. Sie ist aber vergleichsweise teuer; außerdem ist der Platzbedarf einer solchen Lösung erheblich größer als bei der optimal passenden On-Off-Maschine. Und schließlich könnte eine solch großzügig dimensionierte Wärmepumpe auch gleich die alleinige Versorgung des Gebäudes aller Wahrscheinlichkeit nach im monovalenten, mindestens aber im monoenergetischen Betrieb sicherstellen. Das ist zum Beispiel mit der WPL 25 von Stiebel Eltron meist problemlos möglich - siehe Baulinks-Beitrag „Luft-Wasser-Wärmepumpe von Stiebel Eltron ausgelegt, um Öl- oder Gaskessel zu erset­zen“ vom 2.7.2013.

Im Neubau ist Hybrid ohnehin keine Alternative

Übrigens: Grundsätzlich gilt diese Argumentation natürlich auch für den Neubau. Hy­bridanlagen oder bivalente Systeme sind im Ein-und Zweifamilienhaus im Neubau al­lerdings weder wirtschaftlich noch energetisch sinnvoll. Angesichts des niedrigen Energiebedarfs eines zietgemäßen Neubaus sind die Grundgebühren, War­tungs- und Betriebskosten für den zusätzlichen fossilen Brenner bzw. den Brennstoff nicht argumentierbar. Hier sollte immer eine alleinige Wärmepumpen­lösung realisiert werden, beispielsweise mit der WPL 15 von Stiebel Eltron.

Vollbenutzungsstunden zu Lebensdauer

Generell weisen bivalente Wärmepumpenheizanlagen gegenüber monovalenten Syste­men eine höhere Anzahl von Vollbenutzungsstunden auf, die auch einen Einfluss auf die Lebensdauer der Wärmepumpe hat. Pauschal kann man davon ausgehen, dass sich bei einer Verdoppelung der Vollbenutzungsstunden die Lebensdauer der Wärmepumpe um ein Drittel verringert.


Vollbenutzungsstunden bivalenter Wärmepumpen als Funktion ihres Anteils an der Heizleistung

Praktische Umsetzung: Wärmepumpe und bestehenden Kessel gemeinsam nutzen

Neben der Auslegung ist auch die praktische Einbindung der Wärmepumpe in ein be­stehendes System sorgfältig zu planen und zu realisieren. Grundsätzlich ist eine hy­draulische Entkopplung zwischen Wärmeverteilung und Wärmepumpe vorzusehen, um den geforderten Mindestheizwasserdurchsatz in allen Betriebssituationen sicherzustel­len. Die Wärmepumpe wird als Grundlastwärmeerzeuger betrieben, ihre Effizienz ist maßgeblich von der Vorlauftemperatur abhängig. Daher ist es sinnvoll, den Spitzen­lastwärmeerzeuger in den Vorlauf des Heizverteilsystems einzubinden.

Der gemeinsame Rücklauf des Heizverteilsystems wird zunächst der Wärmepumpe zu­geführt. Über eine Beimischschaltung im Vorlauf des Heizverteilsystems kann das Tem­peraturniveau je nach Anforderung durch den Spitzenlastwärmeerzeuger erhöht wer­den. Abhängig vom Typ der Feuerstätte ist eine weitere hydraulische Entkopplung, z.B. in Form einer hydraulischen Weiche, vorzusehen.

Hydraulikschema einer bivalenten Anlage mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe und einem externen Wärmeerzeuger
Hydraulikschema einer bivalenten Anlage mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe und einem externen Wärmeerzeuger (Grafik vergrößern)

Funktionsbeschreibung: Als Regelgröße für das angeschlossene Verteilsystem dient ein Rücklauftemperaturfühler (6), der speziell in einer dafür am Speicher angebrachten Tauchhülse platziert ist. In Abhängigkeit von der Außentemperatur und optional von der Temperatur im Führungsraum wird anhand der eingestellten Heizkurve am Wärme­pumpenmanager der Sollwert generiert. Unterschreitet die Rücklauftemperatur diesen Sollwert um die Hysterese, startet zuerst immer die Pufferladeumwälzpumpe und an­schließend die Wärmepumpe. Je nach Regeldifferenz und eingestellter Regeldynamik wird der Gasbrenner aktiviert. Dieser Fall tritt ein, wenn ...

  • die Außentemperatur niedriger ist als die eingestellte Bivalenztemperatur - oder niedriger als die untere Einsatzgrenze der Wärmepumpe,
  • die Ist-Temperatur des Gasbrenners (3) kleiner ist als die Solltemperatur im Speicher.

Als Führungsgröße für den Gas-Gebläsebrenner dient der Fühler des zweiten Wärmeer­zeugers, der in einer Tauchhülse in der hydraulischen Weiche (8) platziert ist. Dieser wird lastabhängig als letzte Stufe in der Kaskade aktiviert und regelt auf die errech­nete Rücklauftemperatur plus den Heizkurvenabstand. Übersteigen die für den Betrieb des Verteilsystems notwendigen Temperaturen die Einsatzgrenze der installierten Wärmepumpenanlage, wird diese abgeschaltet und der zweite Wärmeerzeuger allein weiter betrieben (bivalent-alternativ). Erst wenn die errechnete Temperatur erreicht ist, schaltet der Wärmpumpenmanager den Wärmeerzeuger aus. Die Abschalttempera­tur (Grenze Heizung & Außentemperatur) für einen bivalent-alternativen Betrieb lässt sich separat parametrieren.

Fazit

Im Ein- und Zweifamilienhausbereich ist im Neubau eine alleinige Wärmepumpenlösung zu realisieren. Das ist auch der wirtschaftlichste und sinnvollste Weg, die Vorgaben der EnEV ab Januar 2016 zu erfüllen, daher wird sich diese Lösung spätestens dann automatisch ohnehin als neue Standardtechnik durchsetzen.

Im Bestand ist ebenfalls immer zu klären, ob eine Wärmepumpe allein nicht die bes­sere Lösung ist - im monovalenten oder monoenergetischen Betrieb. Wird gemeinsam mit dem Hausherren entschieden, dass die bivalente Lösung mit bestehendem fossilen Heizungskessel und Wärmepumpe realisiert wird, dann sollte immer eine On-Off-Ma­schine zum Einsatz kommen. Ob die so groß dimensioniert wird, dass sie notfalls spä­ter alleine in der Lage ist, den Energiehunger des Hauses zu decken, muss unbedingt mit dem Auftraggeber besprochen und abschließend geklärt werden.

Übrigens: Stiebel Eltron bietet hilfreiche Programme zur schnellen Einschätzung, wie und mit welchen Komponenten eine bivalente Anlage sinnvoll ist. Fachpartner können im „Wärmepumpen-Navigator“ bivalente Anlagen berücksichtigen oder das Programm „Bivalente Wärmepumpenanlagen“ in der Tool-Übersicht im Servicebereich unter stie­bel-eltron.de nutzen.

Weitere Informationen zu Wärmepumpen für den mono- sowie bivalenten Betrieb können per E-Mail an Stiebel Eltron angefordert werden.

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