Heizen mit Wärmepumpen: Betriebsweisen & Betriebsarten im Vergleich

Was versteht man unter einem monovalenten und bivalenten Betrieb? Was ist eine Kaskade? Welche Besonderheiten gibt es bei Hybrid-Wärmepumpen? Wie kann man die Wärmepumpe zum Kühlen nutzen?

Voraussetzung für die Bestimmung der Betriebsart ist immer die Wärmeberechnung für das zu beheizende Gebäude und die zur Verfügung stehende Wärmequelle Luftwärme, Wasserwärme oder Erdwärme. Je nach Ausgestaltung dieser Planungsparameter stehen sowohl 3 grundsätzliche Arten des Wärmepumpenbetriebs als auch eine Vielzahl an speziellen Betriebsarten von Wärmepumpen zur Verfügung. Die richtige Wahl der Betriebsart ist dabei entscheidend für einen technisch und betriebswirtschaftlich optimalen Wärmepumpenbetrieb.

Kleinere Luftwärmepumpen für Einfamilienhäuser werden hingegen häufig von einem Heizstab unterstützt und werden dann monoenergetisch betrieben. Bei der monoenergetischen Betriebsweise kommen dementsprechend zwei oder mehrere Heizwärmeerzeuger zum Einsatz, die jedoch alle die gleiche Betriebsenergie nutzen. In der Praxis wird der elektrische Heizstab immer dann in Betrieb gesetzt, wenn die Außenluft im Winter so stark abkühlt, dass die Wärmepumpe diesen niedrigen Energiegehalt der Luft nicht mehr in die benötigte Heizwärmemenge umwandeln kann. Da der Heizstab nur selten zum Einsatz kommt, wird die Jahresarbeitszahlnicht wesentlich negativ beeinflusst.

Ähnlich dem monoenergetischen Betrieb wird beim bivalenten Betrieb neben der Wärmepumpe ein zweiter Wärmeerzeuger betrieben, der bei tiefen Außentemperaturen zusätzlich zur Wärmepumpe den Wärmebedarf deckt. Wird der zusätzliche Wärmeerzeuger nicht mit Strom, sondern z. B. mit Gas, Holz oder Heizöl betrieben, so spricht man hier von einem bivalenten Wärmepumpenbetrieb. Dieser kommt in der Praxis vielfach in Altbauten zum Einsatz, in denen sehr hohe Vorlauftemperaturen notwendig werden oder in Großanlagen, in denen eine monovalente oder monoenergetische Betriebsweise nicht wirtschaftlich wäre.

Eine Sonderform des bivalenten Betriebs von Wärmepumpen ist die sogenannte Kaskadenschaltung. Dabei werden Luft- und Erdwärmepumpen unter- und miteinander so zusammengeschaltet, um unterschiedliche Leistungsbedarfe effizient und wirtschaftlich abzudecken. Wärmepumpenkaskaden werden häufig in größeren Immobilien betrieben, in denen eine reine Leistungsmodulation über den Verdichter nicht ausreichend wäre und in denen die Wärmepumpen dann wirtschaftlicher als hybride Wärmepumpensysteme betrieben werden können. Daneben erhöht sich durch einen Kaskadenbetrieb auch die Versorgungssicherheit.

Modulierende Wärmepumpen sind hingegen als alleiniges Gerät in der Lage, ihre Heizleistung nur über den Verdichter anzupassen. Durch die Modulation der Heizleistung und die stufenlose Anpassung an kurzfristige Temperatur- und Bedarfsschwankungen erhöht sich die Jahresarbeitszahl und dadurch, dass der An-Aus-Betrieb des Kompressors der Wärmepumpe vermieden wird, verringert sich die Belastung der Bauteile der Wärmepumpe.

Um die Leistung modulieren zu können, verfügen diese Wärmepumpen über spezielle Verdichter (sogenannte Inverter), die elektronisch leistungsgeregelt werden. Die Leistungsmodulation wird dabei über die Drehzahl durch Veränderung der normalen Wechselstromfrequenz von 50 Hz gesteuert. Dazu wird zunächst der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt, um dann mit Hilfe eines Umformers eine neue Wechselstromfrequenz zu erzeugen, die je nach Leistungsbedarf stufenlos zwischen 30 Hz und 90 Hz verändert werden kann.

Hybride Wärmepumpen bestehen ähnlich wie Wärmepumpenkaskaden aus mehreren Wärmeerzeugern. Sie setzen sich jedoch nicht aus 2 oder mehreren einzelnen Wärmepumpen, sondern aus unterschiedlichen Heizungsarten zusammen.

Die gebräuchlichsten Kombinationen sind dabei Gasheizungen und Luft-Wärmepumpen. Diese können sowohl als separate Geräte kombiniert werden als auch innerhalb eines Gerätes. Diese Hybrid-Wärmepumpen verfügen dann über eine spezielle Wärmepumpenregelung, die zB nach dem zu erzielenden COP oder der CO₂-Emission regelt, wann die Wärmepumpe und wann die Gasheizung zum Einsatz kommt.

Hybrid-Wärmepumpen werden hauptsächlich in Altbauten eingesetzt, die aufgrund der hohen Vorlauftemperaturen im Winter keinen wirtschaftlichen Betrieb der Wärmepumpe möglich machen. Im Sommer und den Übergangsmonaten hingegen, können dann die Vorteile der Wärmepumpe voll ausgenutzt werden.

Alle diese Betriebsweisen von Wärmepumpen werden über die Wärmepumpenregelung gesteuert. Diese erfolgt über ein bedienerfreundliches Display, welches die grundlegendsten Einstellungsmöglichkeiten für den Betreiber der Wärmepumpe vorsieht. Oder über ein Interface, mit dem der Wärmepumpeninstallateur die Programmierung der Wärmepumpe vornehmen kann. In der Wärmepumpenregelung werden letztlich alle zum Betrieb notwendigen Parameter wie die Temperaturverhältnisse und deren Zusammenwirken anhand der Heizkurve der Wärmepumpe eingestellt. Über die Wärmepumpenregelung wird auch jegliche Form des bivalenten Wärmepumpenbetriebs eingestellt und gesteuert.