Letzte Aktualisierung: 11.07.2020

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Berechnung des Bivalenzpunktes von Wärmepumpen

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Wie ermittelt man den Bivalenzpunkt von Wärmepumpen?

Der Bivalenzpunkt beschreibt die Außentemperatur, bei der die Heizleistung der Wärmepumpe gerade noch den Wärmebedarf des Gebäudes decken kann. Sinkt die Außentemperatur weiter ab, so muss ein zweiter Wärmeerzeuger hinzu geschaltet werden. Der Bivalenzpunkt dient daher der monoenergetischen und bivalenten Betriebsplanung einer Wärmepumpe und wird daher auch als Dimensionierungspunkt bezeichnet.

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Bedeutung des Bivalenzpunktes für verschiedene Wärmepumpenarten

Die Ermittlung des Bivalenzpunktes und der nötigen Zusatzheizleistung ist insbesondere bei der Planung von Luftwärmepumpen von Bedeutung, da in Deutschland die Außentemperaturen in den Übergangszeiten und im Winter auf einem relativ niedrigem Niveau stark schwanken kann und damit im Gegensatz zu Wärmepumpen, die die Wärmequellen Grundwasser oder Erdwärme nutzen, die Gefahr besteht, dass die Quellentemperatur der Außenluft bei unzureichender Auslegung entsprechend der Jahresdauerlinie nicht mehr zur Herstellung der vollen Heizleistung der Wärmepumpe ausreicht. Aber auch bei größeren bivalent ausgelegten Erdwärmepumpen muss der Bivalenzpunkt bestimmt werden.

Ermittlung des Bivalenzpunktes unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten

Das Einstellen des Bivalenzpunktes hat auch einen entscheidenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpenanlage. Denn der Bivalenzpunkt entscheidet, ab wann eine zweite Wärmequelle - in der Regel sind dies ein E-Heizstab oder eine Öl-, Gas- oder Holzheizung - hinzu geschaltet werden muss, um die Heizlast des Gebäudes bei den entsprechenden Außentemperaturen zu gewährleisten und die Anlage mit einer guten Jahresarbeitszahl zu betreiben. Je höher der Anteil der Zusatzheizung ist, desto mehr zusätzliche Heizenergie muss aufgewendet werden und desto teurer wird in aller Regel der Heizbetrieb. Auf der anderen Seite sinkt mit abnehmender Außentemperatur auch die Effizienz der Luftwärmepumpe, sodass die damit steigenden Stromkosten die der Brennstoffkosten für eine bivalente Zusatzheizung ab einer bestimmten Außentemperatur übersteigen können.

Bivalenzpunkt bei monoenergetischer und bivalenter Auslegung

Während sich bei einem monovalenten Wärmepumpenbetrieb der ermittelte Heizleistungs- und Gesamtleistungsbedarf auf den Normauslegungspunkt bezieht, ist dies bei bivalentem oder monoenergetischem Betrieb jedoch nicht der Auslegungspunkt der Wärmepumpe. Typische Bivalenzpunkte für Luft/Wasser-Wärmepumpen in Abhängigkeit von der Normaußentemperatur sind daher:

  • - 16 °C => - 4 °C bis - 8 °C
  • - 12 °C => - 3 °C bis - 6 °C
  • - 10 °C => - 2 °C bis - 5 °C

Bei einer monoenergetischen Auslegung wird der Bivalenzpunkt in aller Regel niedriger gewählt als der Bivalenzpunkt bei einer bivalenten Auslegung, da die zusätzliche Heizleistung eines Heizstabes geringer ausfällt als die einer Zusatzheizung durch Öl, Gas, Holz oder Solarthermie. Der Bivalenzpunkt einer monoenergetischen Auslegung einer Luftwärmepumpe liegt daher meistens zwischen - 5 °C und - 8 °C, während der Bivalenzpunkt einer bivalent ausgelegten Luftwärmepumpe eher zwischen - 2 °C bis - 4 °C liegt.

Dabei müssen jedoch noch spezielle Einflussfaktoren berücksichtigt werden: Während der Bivalenzpunkt bei höheren Systemtemperaturen noch höher angesetzt werden kann, kann im Gegenzug der Bivalenzpunkt bei monoenergetischer Auslegung niedriger ausfallen, wenn z. B. die Räume nicht immer voll beheizt werden müssen.

Auswahl einer Wärmepumpe nach dem Bivalenzpunkt

Zur Auswahl einer geeigneten Wärmepumpe kann in die grafische Darstellung der Heizleistungskurven der jeweiligen Wärmepumpen die außentemperaturabhängige Gebäudekennlinie eingetragen werden. Diese kann vereinfacht als Gerade zwischen der ermittelten erforderlichen Leistung am Normauslegungspunkt und der Außentemperatur eingezeichnet werden, bei der keine Heizleistung mehr nötig ist. Liegt der Schnittpunkt der Gebäudekennlinie mit einer Heizleistungskurve in der Nähe der vorgesehenen Bivalenztemperatur, kann die dazugehörige Wärmepumpe eingesetzt werden.

Berechnungsbeispiel der erforderlichen Zusatzheizleistung

Am Abstand zwischen der Heizleistungskurve und der Gebäudekennlinie am Normauslegungspunkt lässt sich der zusätzliche Leistungsbedarf ablesen, der durch einen elektrischen Heizstab oder einen zusätzlichen Heizkessel abgedeckt werden muss. Weist eine Wärmepumpe am Normauslegungspunkt eine Heizleistung von z. B. 6 kW, so bestimmt sich die zusätzlich aufzubringende Heizleistung durch Substraktion dieser Leistung von dem Gesamtleistungsbedarf (z. B. 12 kW) am Normauslegungspunkt. In diesem Beispiel ergibt die Berechnung eine zusätzlich abzudeckende Heizlast von ebenfalls 6 kW.

Deckungsanteil der zusätzlichen Heizleistung

In der Regel beläuft sich die zusätzliche Heizlast auf rund 50 - 60 % der notwendigen Heizleistung. Obwohl der Leistungsanteil der Zusatzheizung damit relativ hoch ist, beträgt der letztlich resultierende Arbeitsanteil am Stromverbrauch der Wärmepumpe nur etwa 2 - 5 % der Jahresheizarbeit, da in der Regel die Anzahl der Tage mit Außentemperaturen unter -5 °C übers Jahr gesehen nur sehr selten vorkommen. Bei -10 °C Außentemperatur kann der Anteil der Zusatzheizung sogar nur rund 1 % betragen. Diese geringe Häufigkeit der Inanspruchnahme der nahezu vollen monoenergetischen oder bivalenten Heizleistung der Wärmepumpe kann auch an der Jahresdauerlinie am jeweiligen Standort abgelesen werden.

1. und 2. Bivalenzpunkt bei Hybridheizungen

Kombiniert man eine Wärmepumpe mit z. B. einer Gasheizung zu einer Hybridheizung, so unterscheidet man mehrere Bivalenzpunkte:

  • Der 1. Bivalenzpunkt ist dann erreicht, wenn bei sinkenden Außentemperaturen der thermodynamische Prozess aus Kostensicht ineffizient wird. Ab einem gewissen Punkt liegen dann die Kosten für den benötigten Wärmepumpenstrom höher als die Kosten für Erdgas in der Brennwertheizung bei gleicher Wärmeleistung.
  • Der 2. Bivalenzpunkt ist hingegen dann erreicht, wenn die CO2-Emissionen der für den Wärmepumpenbetrieb nötigen Strommenge die des für den Betrieb der Gasheizung einzusetzenden Erdgases übersteigen. Spätestens ab diesem Temperaturpunkt übernimmt dann Gasheizung die Wärmeversorgung.

Im Rahmen des Projektes LowEx Bestand haben das Fraunhofer ISE, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH) den optimalen Bivalenzpunkt bei Kombinationen aus Luft-Wärmepumpen mit Brennwertthermen in Mehrfamilienhäusern im Bestand bestimmt.

Im modellierten, unsanierten Mehrfamilienhaus lag der 2. Bivalenzpunkt aus CO2-Gründen bei -8 °C und aus Kostengründen (1. Bivalenzpunkt) bei 3 °C. Das bedeutet, die CO2-Emissionen sind am niedrigsten, wenn die Wärmepumpe in Zeiten über -8 °C die Wärmeversorgung übernimmt und die Gasbrennwertheizung entsprechend bei Temperaturen unter -8 °C. Hierbei würde dann die Wärmepumpe insgesamt 96 % des Wärmebedarfs beisteuern und der Brennwertkessel die verbleibenden 4 %.

Sollen dagegen die Kosten der Gasheizung mit Wärmepumpe so gering wie möglich gehalten werden, geht die Wärmepumpe nur bis zu einer Temperatur von 3 °C in Betrieb und alle darunter liegenden Temperaturen werden von der Brennwertheizung abgedeckt. Auf diese Weise würde die Wärmepumpe 42 % der benötigten Wärmemengen bereitstellen und der Brennwertkessel 58 %.

In der ebenfalls modellierten Variante mit einem sanierten Mehrfamilienhaus lag der 1. Bivalenzpunkt unter Kostengründen bei -2 °C (61 % Wärmeabdeckung durch die Wärmepumpe). Würde die Wärmepumpe unter CO2-Gesichtspunkten betrieben, so würde diese 100 % abdecken und keine zusätzliche Gasheizung mehr benötigt werden.

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