Bivalenter Betrieb von Wärmepumpen

Während die Heizwärmeanforderungen vielfach den bivalenten Einsatz von Wärmepumpen nötig machen, spielen vor allem auch wirtschaftliche Gründe eine Rolle. So bietet es sich z. B. an, Erdwärmepumpen mit einer konventionellen Spitzenlastheizung zu kombinieren, da so der Ausnutzungsgrad der Erdwärmeheizung gesteigert werden kann.

Dies führt dazu, dass der Erdwärmetauscher im Gegensatz zu einer monovalenten Auslegung kleiner ausfallen kann und sich somit die Gesamtkosten der durch die Wärmepumpe produzierten Kilowattstunde Wärme reduzieren.

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Eine Sonderform des bivalenten Betriebs bildet der Heizstab der Wärmepumpe: Wird sowohl die Wärmepumpe als auch der zweite Wärmeerzeuger mit elektrischer Energie betrieben, liegt ein monoenergetischer Betrieb vor. Der bivalente Wärmeerzeuger ist in diesem Fall ein elektrisches Heizelement, das im Vorlauf der Wärmepumpe oder im Puffer- und/oder Warmwasserspeicher installiert werden kann.

Bei einem bivalent-parallelen Betrieb sind die Wärmepumpe und der zweite Wärmeerzeuger ab einer bestimmten Außentemperatur (Bivalenzpunkt) von z. B. 3 °C gemeinsam in Betrieb.

Diese Betriebsart wird gewählt, wenn zum Beispiel bei einer Gebäuderenovierung eine Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einem bestehenden Heizungskesselanlage kombiniert wird. Je nach dem gewählten Bivalenzpunkt ergeben sich häufig Jahresdeckungsanteile der Wärmepumpe von rund 70%.

Die bivalent-alternative Betriebsweise wird gewählt, wenn hohe Vor- und Rücklauftemperaturen notwendig sind oder der Wärmestrom aus der Wärmequelle nur bis zu einem bestimmten Grad ausreicht.

Bei einem bivalent-alternativen Betrieb heizt entweder die Wärmepumpe oder der zweite Wärmeerzeuger. Da der Jahresdeckungsanteil gegenüber anderen Betriebsweisen mit häufig etwa 60 % relativ gering ist, wird diese Betriebsweise selten gewählt.

Ein in bivalent-teilparalleler Betrieb bedeutet, dass ab einer bestimmten Außentemperatur lastabhängig Wärmepumpe und zweiter Wärmeerzeuger gemeinsam in Betrieb sind.

Im Extremfall ist nur noch der zusätzliche Wärmeerzeuger in Betrieb. Diese Betriebsweise wird meistens in Verbindung mit der Wärmequelle Luft oder bei Heizungssystemen mit hoher Rücklauftemperatur gewählt.

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Bei der Kombination einer Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einem Spitzenlastkessel wie z.B. einem Gas-Brennwertgerät kann der Erdwärmetauscher (Erdsonden oder Flächenkollektor) kleiner dimensioniert werden. Dies spart Investitionskosten und dient insbesondere in Altbauten mit hohen Vorlauftemperaturen wie z. B. mit Heizkörpern auch der Versorgungssicherheit.

Die bivalente Kombination einer Spitzenlastheizung und einer Luftwärmepumpe hat den Vorteil, dass gerade im Sommer und in den Übergangsmonaten die Luftwärmepumpe sehr effizient die Luftwärme in Heizwärme umwandeln kann. Eine bivalente Luftwärmepumpe weist daher deutlich höhere Jahresarbeitszahlen als monovalente Luftwärmepumpen auf.

Gas- und Ölheizungen sind relativ günstig in der Anschaffung, weisen jedoch hohe und weiter steigende Heizkosten auf. Daher lohnt es sich, gerade in Altbauten Gas- und Ölheizungen nur noch im Winter unter Vollast laufen zu lassen und die Heizwärmebereitstellung den Rest des Jahres über eine bivalente Wärmepumpe abzudecken. Dies spart Heizkosten und verlängert die Nutzungsdauer der Öl- und Gasheizung.

Aus rein wirtschaftlichen Gesichtspunkten macht die bivalente Kombination einer Wärmepumpe und einer Solarthermie-Anlage wenig Sinn. Der Vorteil einer solchen Kombination liegt jedoch insbesondere auf der Seite der Umweltfreundlichkeit und Autarkie. Mit einer Wärmepumpe und Solarthermie minimiert man den Stromeinsatz für den Wärmepumpenbetrieb und die CO₂-Emissionen.

Ähnlich wie bei der Solarwärme ist aufgrund der hohen Anschaffungskosten sowohl einer Wärmepumpe als auch einer Holzheizung eine Kombination wirtschaftlich wenig sinnvoll, sondern nur aus Gesichtspunkten der Umweltfreundlichkeit lohnend. Lediglich das Zuheizen durch einen wasserführenden Kaminofen im Winter kann auch wirtschaftlich interessant sein.

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 abzudecken. Dies kann insbesondere in energetisch sanierten Mehrfamilienhäusern und größeren Immobilien vorteilhaft sein.

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Wärmepumpen lassen sich grundsätzlich mit bestehenden Heizungen bivalent kombinieren oder werden als fertige Systemösung als kompakte Hybridwärmepumpen bivalent eingesetzt.

In der Praxis hat sich herausgestellt, dass eine Abdeckung von 80% über die Wärmepumpenanlage und 20% über einen Spitzenlastkessel besonders wirtschaftlich ist.

Bei einer Neuinstallation eines bivalenten Wärmepumpensystems werden hingegen häufig sogenannte Hybrid-Wärmepumpen eingesetzt. Dies sind in einem einzigen Gerät zusammengefasste z. B. Gasheizungen und Luftwärmepumpen, die mit einer speziellen auf einen bivalenten Betrieb abgestimmten Wärmepumpen-Regelung ausgestattet sind.

Grundlage für die Auslegung der Wärmeerzeuger ist die Heizlast des Gebäudes, z. B. nach DIN EN 12831 (ausführliches Verfahren oder überschlägiges Verfahren). In der Sanierung ist die Ermittlung der Hüllflächenheizlast ausreichend. Für die Auslegung der Heizfläche und den hydraulischen Abgleich ist die Raumheizlast erforderlich. Sie sollte in der Sanierung zumindest überschlägig ermittelt werden.

Die Auslegung der einzelnen Wärmeerzeuger richtet sich nach der geplanten Betriebsweise des bivalenten Systems.

• Bei bivalent alternativer Betriebsweise muss der zweite Wärmeerzeuger die komplette Heizlast des Gebäudes am Auslegungspunkt decken können.
• Bei bivalent paralleler Betriebsweise wird die Auslegungsheizlast auf beide Wärmeerzeuger aufgeteilt.

Neben der verfügbaren Leistung sind die Einsatzgrenzen der gewählten Wärmepumpe zu berücksichtigen.

Häufig wird dieses Vorgehen als erster Schritt in der Sanierungsplanung des Gesamtgebäudes gewählt. In diesem Fall wird die nachgerüstete Wärmepumpe kleiner ausgelegt, sodass nach der späteren Dämmung des Hauses die Wärmepumpe monovalent betrieben und die alte, fossile Heizung stillgelegt werden kann.

Bestehende Heizungssysteme lassen sich insbesondere dann mit einer Wärmepumpe kombinieren, wenn die bestehende Heizung erst wenige Jahre (< 10 Jahre) in Betrieb ist und trotzdem wie bei Öl- oder Gasheizungen hohe Betriebskosten aufweist. In einem solchen Fall werden vielfach Luftwärmepumpen eingesetzt, die den Heizungsbetrieb im Sommer und in den Übergangsmonaten sicherstellen.

Gerade in bivalenten Wärmepumpen-Anlagen muss die Warmwasserbereitung mit der Wärmepumpe sorgfältig geplant werden. Hier können nur einige allgemeine Hinweise gegeben werden, die der Planer in seinen konzeptionellen Überlegungen zu berücksichtigen hat:

• Zur thermischen Desinfektion sollte der fossile Wärmeerzeuger eingesetzt werden
• Während der Betriebszeit des fossilen Wärmeerzeugers für die Heizung ist auch eine fossile Warmwasserbereitung sinnvoll
• Außerhalb der Heizperiode bietet sich meist die Warmwasserbereitung mit der Wärmepumpe an, um Bereitschaftsverluste des fossilen Wärmeerzeugers zu vermeiden. Dies gilt insbesondere für Luft-/Wasser-Wärmepumpen mit höheren Leistungszahlen bei steigender Außentemperatur.

Der Anteil der Warmwasserbereitung ist anlagenspezifisch zu ermitteln und der Berechnung zugrunde zu legen. Sinnvoll ist eine überschlägige Aufteilung der Anforderung für Warmwasser über den Tagesbedarf unter Berücksichtigung der thermischen Desinfektion.

Auf diese Weise können die Wärmebereitstellungen durch die bivalente Wärmepumpe (Q_WP;W) und durch den fossilen Wärmeerzeuger (Q_K,W) bestimmt werden. Die Ermittlung der Arbeitszahl für die Warmwasserbereitung (SCOP_W) mit der Wärmepumpe erfolgt nach VDI 4650 Blatt 1.

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Für die bivalente Einbindung eines zweiten Wärmeerzeugers in eine Wärmepumpe ist die Abstimmung der beiden Steuerungen erforderlich. Die Freigabe des zweiten Wärmeerzeugers erfolgt dabei über die Regelung der Wärmepumpe.

Bei einem gleitend geregelten Heizkessel wird das Kesselwasser gleitend entsprechend einer geeigneten Führungsgröße erwärmt (z. B. Außentemperatur, Raumtemperatur). Ein Umschaltventil hat dabei die Aufgabe, den Heizwasserstrom, je nach Betriebsmodus, am Kesselkreis vorbei oder durch den Kessel zu führen. Es übernimmt keine weitere Regelfunktion. Im reinen Wärmepumpenbetrieb wird der Kessel nicht durchströmt, um Verluste durch Wärmeabstrahlung des Kessels zu vermeiden.

Bei einem konstant geregelten Heizkessel wird das Kesselwasser nach Freigabe durch die Wärmepumpenregelung immer auf eine fest eingestellte Temperatur aufgeheizt. Diese Temperatur muss so hoch eingestellt werden, dass auch die Warmwasserbereitung bei Bedarf über den Kessel erfolgen kann (z. B. 70 °C). Der nötige Mischer wird vom Regler der Wärmepumpe angesteuert.

Einerseits kann die Regelung über die Einstellung fester Bivalenz- und/oder Abschaltpunkten erfolgen. Die Festlegung richtet sich z. B. nach der Wärmequellentemperatur, Wärmesenkentemperatur, Sperrzeiten oder Außentemperatur.

Andererseits kann die Regelung den Bivalenz- und/oder Abschaltpunkt auch variabel ermitteln z.B. in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Wärmepumpe - je nach z. B. dem Erreichen der Sollwerte (Vorlauftemperatur, Rücklauftemperatur, Aufheizzeit …), bestimmter Energietarife (z.B. lastvariable Stromtarife), der gewünschten Eigenstromnutzung von PV-Strom oder CO₂-Emissionen.

Die Planung bivalenter Wärmepumpen erfordert zwingend die Auswahl einer geeigneten Anlagenhydraulik. Dabei ist die Wärmepumpe häufig von der Wärmeverteilung über einen Pufferspeicher hydraulisch getrennt.

Feuerstätten werden i.d.R. als Spitzenlasterzeuger in den Vorlauf des Heizverteilsystems eingebunden. Über eine Beimischschaltung kann dann das Temperaturniveau je nach Anforderung durch die Feuerstätte erhöht werden.

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Um die Effizienz einer bivalenten Wärmepumpe zu beurteilen, kann die Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 Blatt 1 berechnet werden. Das Verfahren entspricht grundsätzlich der Vorgehensweise für monoenergetische Wärmepumpen. Allerdings müssen die Wärmepumpe und der fossile Wärmeerzeuger separat betrachtet werden.

Zunächst muss der Deckungsanteil (α) der Wärmepumpe mit Hilfe des Leistungsanteils (ξ) festgelegt werden. Dieser ist das Verhältnis von Heizleistung der Wärmepumpe bei Norm-Außentemperatur zur Heizlast der Anlage. Vereinfachend wird empfohlen, den teilparallelen Betrieb wie den alternativen Wärmepumpen-Betrieb zu behandeln.

Die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe im Heizbetrieb wird für den parallelen und den alternativen/teilparallelen Betrieb auf unterschiedlichen Wegen berechnet:

• Bivalent-paralleler Betrieb: Die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe (SCOP_H) wird, wie auch in monovalenten Anlagen, mit der Auslegungstemperatur des Heiznetzes (T_vorl,max und T_rückl,max) bei Norm-Außentemperatur (T_N) ermittelt.
• Bivalenter-alternativer oder -teilparalleler Betrieb: Für den bivalent-alternativen bzw. teilparallelen Heizbetrieb wird die Jahresarbeitszahl nicht mit der Auslegungstemperatur des Heizsystems berechnet, sondern mit der Betriebstemperatur am Abschaltpunkt. Die Außentemperatur am Abschaltpunkt (T_A) wird planerisch festgesetzt (z. B. maximale Leistung, maximale Vorlauftemperatur, minimale Quellentemperatur etc.).

Die zugehörige Vorlauftemperatur (T_vorl) kann einerseits mit Hilfe von Diagrammen zur Vorlauftemperaturen/ Teillast bei Norm-Außentemperatur bestimmt werden.

Alternativ kann die zugehörige Vorlauftemperatur (T_vorl) mathematisch ermittelt werden. Dazu wird mit

• der Außentemperatur am Abschaltpunkt (T_A),
• der Heizgrenztemperatur (T_HG) und
• der Norm-Außentemperatur (T_N)

das Teillastverhältnis (PLR) der bivalenten Wärmepumpe berechnet:

\(PLR = {T_{HG} - T_A \over T_{HG} - T_N}\)

Aus den Auslegungstemperaturen des Heiznetzes T_vorl,max und T_rückl,max resultiert damit die Spreizung des Heizsystems Δϑ_B am Abschaltpunkt:

\(Δϑ_{B} = {PLR \cdot (T_{vorl,max} - T_{rückl, max})}\)

Mit der Raumtemperatur (T_Raum), der mittleren Heizflächen-Übertemperatur (T_HK,N) und dem Heizflächenexponenten (n) kann dann anhand der Heizkurve die relevante Vorlauftemperatur (T_vorl) für die Berechnung der bivalenten Jahresarbeitszahl ermittelt werden.

\(T_{HK,N} = {T_{vorl,max} - T_{rückl,max} \over 2} - T_{Raum}\)

\(T_{vorl} = T_{Raum} +PLR^{1 \over n} \cdot T_{HK,N} + 0,5 \cdot Δϑ_{B}\)

Die Gesamtjahresarbeitszahl der Wärmepumpe beinhaltet neben der Wärmebereitstellung für die Heizung auch einen Anteil für die Warmwasserbereitung.

Der Anteil der Heizenergie (x) an der gesamten, von der Wärmepumpe bereitgestellten Wärme wird berechnet mit der Heizarbeit der gesamten Anlage (Q_H), dem Deckungsanteil der Wärmepumpe (α) und dem durch die Wärmepumpe bereitgestellten Warmwasser (Q_WP,W).

\(x = {α \cdot Q_{H} \over α \cdot Q_{H} + Q_{WP,W}}\)

Daraus resultiert der Warmwasseranteil an der Wärmebereitstellung der Wärmepumpe (y):

\(y = {1 - x}\)

Die Ermittlung der Jahresarbeitszahl im Heizbetrieb (SCOP_H) und im Warmwasserbetrieb (SCOP_W) erfolgt nach VDI 4650 mit den berechneten Betriebstemperaturen.

Die gesamte Jahresarbeitszahl (SCOP_WP) wird dann aus dem Anteil der Heizenergie (x), dem Warmwasseranteil an der Wärmebereitstellung der Wärmepumpe (y), der Jahresarbeitszahl im Heizbetrieb (SCOP_H) und der JAZ für Warmwasser (SCOP_W) berechnet:

\(SCOP_{WP} = {1 \over {x \over SCOP_{H}} + {y \over SCOP_{W}}}\)

Bei einer Norm-Heizlast von 20 kW und einer Wärmeleistung Q_{(–12 °C)} der Wärmepumpe bei T_N von 10 kW beträgt der Leistungsanteil (ξ) der Wärmepumpe ξ = 0,5.

Laut Tabelle entspricht der Deckungsanteil (α) der Wärmepumpe dann α = 0,86. Das Teillastverhältnis (PLR) berechnet sich aus der Heizgrenztemperatur (z.B. 15 °C), der Außentemperatur am Abschaltpunkt (z.B. –2 °C) und Normaußentemperatur (z.B. –12 °C) wie folgt:

\(PLR = {(15 - (-2)) \over (15 - (-12))} = 0,63\)

Die Spreizung am Abschaltpunkt Δϑ_B ergibt sich aus dem Teillastverhältnis PLR multipliziert mit der Differenz aus den Auslegungstemperaturen (z.B. 70/55 °C):

\(Δϑ_B = {0,63 \cdot (70°C - 55°C)} = 9,44 K\)

Aus der Vor- und Rücklauftemperatur kann dann die Norm-Übertemperatur der Heizkurve T_HK,N bei z. B. einer Raumtemperatur von 20 °C wie folgt errechnet werden:

\(T_{HK,N} = {70°C + 55°C \over 2} - 20°C = 42,5K\)

Die max. Vorlauftemperatur der Wärmepumpe T_vorl,max bei 63 % Teillast und einem Radiatoren/- Heizflächenexponenten von z.B. n = 1,2 für Flachheizkörper ist damit:

\(T_{vorl,max} = {20°C + 0,63^{1 \over 1,2} \cdot 42,5K}\)

\({+ 0,5 \cdot 9,44K} = 53,6°C\)

Legt man beispielhaft einen Wärmebedarf der Heizung von 36.000 kWh und eine Warmwasser-Bedarf der Wärmepumpe von 2.500 kWh zugrunde, so beträgt der Anteil der Heizarbeit (x) für die Wärmepumpe:

\(x = {0,86 \cdot 36.000 kWh \over 0,86 \cdot 36.000 kWh + 2,500 kWh} = 0,925\)

92,5 % der von der Wärmepumpe bereitgestellten Wärme werden dann für die Raumheizung verwendet, die verbleibende Wärmemenge von y = 7,5 % wird für die Warmwasserbereitung genutzt.

Berechnet man nun die Jahresarbeitszahlen im Heizbetrieb (SCOP_H) z. B. 3,52 und im Warmwasserbetrieb (SCOP_W) z. B. 3,01 ergibt sich die die Gesamtjahresarbeitszahl der Wärmpumpe SCOP_WP wie folgt:

\(SCOP_{WP} = {1 \over {0,925 \over 3,52} + {0,075 \over 3,01}} = 3,48\)

Das IWU hat in einem 2025 abgeschlossenen Feldtest mit überwiegend unsanierten oder nur teilsanierten Wohngebäuden in Hessen, Baujahr vor 1995, mit Fokus auf Luft-Wasser-Wärmepumpen und Heizkörpersystemen auch die Effizienz von bivalenten Wärmepumpen erfasst: Mit einer durchschnittlichen Jahresarbeitszahl von 3,29 sind sie nicht nennenswert effizienter als monoenergetische bzw. monovalente Anlagen.

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