Hybridsystem: Wärmepumpe plus alter Brenner

Eine Heizungssanierung ist zur Zeit eine gute Idee: Geld bringt auf der Bank kaum Rendite - also warum nicht in eine Wärmepumpe als neue Heizung investieren? Viele wollen aber den alte Brenner „zur Sicherheit“ oder als Unterstützung doch noch behalten. Was müssen Hausbesitzer und Fachhandwerker beachten, wenn eine Heizungsanlage im Ein-oder Zweifamilienhaus auf diese Art saniert werden soll? Das erfahren Sie in unserem Artikel.

Monovalent oder bivalent?

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 dieser in der Folge ausfällt, muss – falls bei der Sanierung eine Wärmepumpe gewählt wurde, die nur ergänzend zum Heizkessel zum Einsatz kommen soll – 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

Wenn bivalent, dann On-Off-Wärmepumpe

Unabhängig von der letztendlichen Wahl der Leistungsgröße der Wärmepumpe ist, wenn der bivalente (neuerdings „hybride“) Betrieb gewünscht wird, auf jeden Fall ein On-Off-Gerät – etwa aus der „WPL E“-Baureihe von Stiebel Eltron – der leistungsgeregelten Wärmepumpe (Inverter) vorzuziehen. 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 etwa 2 °C, das heißt, bei Temperaturen von 2 °C 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 6 °C Außentemperatur ausgelegt – und dementsprechend klein 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, dann

a) lärmt der Verdichter mit 120 Hz (7.200 U/min); b) sinken die Verdampfungstemperatur und die Leistungszahl der Wärmepumpe drastisch, da der Verdampfer für diese vergleichsweise häufige hohe Leistungsabfrage unterdimensioniert ist; c) taut die Wärmepumpe laufend ab – 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 2 °C Außentemperatur mit 30 bis 40 Prozent Teillast laufen und wäre damit effizient. Sie ist aber vergleichsweise teuer, zudem ist natürlich 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 Stiebel Eltron-„WPL 25“ meist problemlos möglich.

Im Neubau ist ein Hybridsystem keine Alternative

Übrigens: Grundsätzlich gilt diese Argumentation natürlich auch für den Neubau. Hybridsysteme oder bivalente Systeme sind im Ein- und Zweifamilienhaus im Neubau allerdings weder wirtschaftlich noch energetisch sinnvoll. Angesichts des niedrigen Energiebedarfs eines 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 Stiebel Eltron-„WPL 15“.

Bivalent vs. monovalent

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.

Einbindung der Wärmepumpe in ein bereits bestehendes System

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.

In Abbildung 4 ist eine bivalente Systemlösung mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe und einem zweiten, externen Wärmeerzeuger dargestellt.

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 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 folgende Bedingungen erfüllt sind: die Außentemperatur ist niedriger als die eingestellte Bivalenztemperatur oder niedriger als die untere Einsatzgrenze der Wärmepumpe; die Ist-Temperatur des Gasbrenners (3) ist kleiner als die Solltemperatur im Speicher. Als Führungsgröße für den Gas-Gebläsebrenner dient der Fühler „2. Wärmeerzeuger“, 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 „Wärmepumpenmanager“ den Wärmeerzeuger aus. Die Abschalttemperatur (Grenze Heizung und 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 Hausherrn entschieden, dass die bivalente Lösung mit bestehendem fossilen Heizungskessel und Wärmepumpe realisiert wird, dann sollte immer eine On-Off-Maschine zum Einsatz kommen. Ob diese 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.