Monoenergetischer Betrieb von Wärmepumpen

Die monoenergetische Betriebsweise folgt dem gleichen Prinzip wie die bivalente Betriebsweise. Der zusätzliche Wärmeerzeuger ist jedoch kein Öl- oder Gasheizkessel, sondern eine elektrische Zusatzheizung meistens als ein einfacher, kostengünstiger Elektroheizstab im Pufferspeicher oder in der Wärmepumpe selbst. Der Betrieb wird daher als monoenergetisch bezeichnet, da nur Strom eingesetzt wird.

In der Praxis versteht man unter einem monoenergetischen Betrieb einer Wärmepumpe den Einsatz eines zusätzlichen elektrischen Heizstabes. Zum einen wird dieser automatisch eingesetzt, wenn die Wärmepumpe nicht mehr die volle Heizlast decken kann. Der Heizstab dient dann als "Notreserve".

Zum anderen wird der Heizstab zur thermischen Desinfektion des Brauchwassers eingesetzt, um eine Legionellenbildung zu vermeiden. Dabei heizt der Zusatzheizstab das Brauchwasser z. B. einmal wöchentlich für eine halbe Stunde auf eine Temperatur von über 60 °C auf, bei der möglicherweise im Brauchwasser befindliche Legionellen absterben.

Grundsätzlich sollte die Leistung des Heizstabes jedoch nicht als dauerhafte Leistungsreserve betrachtet werden, obwohl dies in der Praxis bei speziellen Wärmepumpenanwendungen durchaus üblich ist.

Beim monoenergetischen Betrieb springt entsprechend der Jahresdauerlinie bzw. der Benutzereinstellungen der Heizstab nur dann an, wenn die Wärmequellentemperaturunter einen vorgegebenen Wert absinkt. Dann wird der Wärmepumpenkreislauf durch die elektrische Direkterwärmung unterstützt. Sinkt die Temperatur der Wärmequelle weiter ab, so kann der Heizstab den Heizbetrieb sogar nahezu komplett übernehmen. Steigt die Temperatur der Wärmequelle wieder an, so deaktiviert die Wärmepumpen-Regelung die Zusatzheizung.

Obwohl die reine Stromumwandlung in Heizwärme sehr ineeffizient ist, sinkt die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe im monoenergetischen Betrieb in nur geringem Maße, da der elektrische Heizstab nur an sehr wenigen Tagen im Jahr zum Einsatz kommt. In der Regel liegt der Anteil der Jahresheizarbeit, die vom Heizstab übernommen wird, bei weniger als 5%.

Dieses Verhältnis spiegelt sich auch im Stromverbrauch der Wärmepumpe wieder. Geht man davon aus, dass sich die Jahresarbeitszahl durch einen monoenergetischen Betrieb einer Wärmepumpe von 3,5 auf 3,3 verschlechtert, so würde der Stromverbrauch einer Wärmepumpe mit 10 kW Heizleistung und 2000 Heizstunden pro Jahr von rund 5700 kWh um 360 kWh auf etwa 6060 kWh ansteigen. Bei einem Strompreis von 20 Cents pro kWh verursacht ein monoenergetischer Wärmepumpenbetrieb Mehrkosten von etwa 70 Euro pro Jahr.

• Luftwärmepumpe: Der monoenergetische Betrieb findet häufig bei Luft/Wasser-Wärmepumpen Anwendung. Dabei wird die Wärmepumpenleistung für einen Bivalenzpunktzwischen - 2 °C und - 10 °C in Abhängigkeit von der Normaußentemperatur ausgewählt. Dies ist insbesondere notwendig, da bei sehr niedrigen Außentemperaturen die Luftwärmepumpe nicht mehr die vollständige Heizleistung erbringen kann bzw. sehr groß ausgelegt werden müsste, um bei Bedarfsspitzen im Winter monovalent betrieben zu werden.
• Erdwärmepumpe: Werden Sole/Wasser-Wärmepumpen monoenergetisch betrieben, muss die benötigte Fläche des Erdwärmekollektors bzw. die Tiefe der Erdwärmesonden gesondert berechnet werden. Ein monoenergetischer Betrieb kann dann teilweise dazu genutzt werden, dass die nötigen Bohrmeter oder die benötigte Fläche zur Einbringung eines Erdwärmekollektors kleiner ausfallen kann. Dies ist insbesondere bei hohen Bohr- und Verlegekosten oder eingeschränkten Platzverhältnissen von Vorteil. Trotzdem sollte der Einsatz des Heizstabes so gering wie möglich gehalten werden.
• Wasserwärmepumpe: In Ausnahmefällen können auch Wasser/Wasser-Wärmepumpen monoenergetisch ausgelegt bzw. betrieben werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Schüttleistung der Brunnenanlage sich für einen monovalenten Betrieb als zu gering erweist oder die Schüttung des Saugbrunnes während des Betriebs der Wärmepumpe abnimmt. Fällt die Schüttung des Brunnens dauerhaft und umfänglich zu niedrig aus, so sollte jedoch geprüft werden, ob ein monoenergetischer Betrieb noch wirtschaftlich ist oder die Brunnenanlage aufgebürstet oder neu gebohrt werden muss.

Werden die Wärmequellenanlagen, wie Erdsonden und Flächenkollektor leistungsseitig deutlich zu klein ausgelegt, so steigen die Betriebskosten merklich an und auch die Wärmequelle kann schneller erschöpfen oder sogar vereisen. Trotzdem eine monoenergetische Auslegung zu niedrigeren Investitionskosten führt, können diese Vorteile bei falscher Planung aufgrund der höheren Betriebskosten innerhalb weniger Jahre wieder aufgebraucht sein. Daher sollte insbesondere bei der Planung von Erdwärmepumpen eine gleichzeitige Verkleinerung der Wärmequelle auf die Kälteleistung vermieden oder ein bivalenter Wärmepumpenbetrieb in Betracht gezogen werden.

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