Verschiedene regenerative Energien lassen sich bestmöglich nutzen, wenn die einzelnen Systemkomponenten optimal aufeinander abgestimmt sind. Von besonderer Bedeutung ist deshalb bei der bivalent-regenerativen Betriebsweise die Systemregelung. Diese bindet weitere regenerative Wärmeerzeuger wie Holz oder thermische Solaranlagen ein. Immer wenn Energie aus erneuerbaren Quellen zur Verfügung steht, wird die aktuelle Heizungs-, Warmwasser- oder Schwimmbadanforderung komplett aus dem Speicher bedient – die Wärmepumpe bleibt ausgeschaltet.
Erdwärme plus Sonne
Den Einstieg in multivalente Wärmepumpensysteme bilden Kombinationen von Luft/Wasser- oder Sole/Wasser-Wärmepumpen mit einem bivalenten Solarspeicher und Solarkollektoren (Bild 1). Dieses System ist ideal geeignet für Neubau und Modernisierung in Ein- und Zweifamilienhäusern. Die beiden Wärmeerzeuger ergänzen sich und das Ergebnis ist ein optimaler und wirtschaftlicher Betrieb der Wärmepumpe bei gleichzeitiger hoher Deckung des Warmwasserbedarfs durch Sonnenenergie – insbesondere im Sommer und während der Übergangszeit.
Bivalenter Speicher
In einem bivalenten Speicher wird das Trinkwasser wahlweise über die Sonnenenergie und – bei Bedarf – über die Wärmepumpe erwärmt. Reicht der solare Ertrag über den Glattrohrwärmetauscher im unteren Speicherbereich nicht aus, wird der obere Teil des Speichers (Bereitschaftsteil) über die Wärmepumpe nachgeheizt.
Bei der Auswahl des bivalenten Speichers haben sich in der Praxis Speicher mit Doppelwendel-Wärmetauschern und entsprechend großer Oberfläche bewährt. In der Planungsphase ist besonders darauf zu achten, dass die Wärmetauscheroberfläche sowie der hydraulische Widerstand des Trinkwasserspeichers mit der jeweiligen Wärmepumpe abgestimmt sind. So ist beispielsweise der bivalente Trinkwasserspeicher Logalux SMH 400 mit einer Wärmetauscherfläche von 3,3 m² für eine Sole/Wasser-Wärmepumpe Logatherm WPS bis 11 kW geeignet (Bild 2). Bei leistungsstärkeren Wärmepumpen empfiehlt sich der Einsatz eines bivalenten Trinkwasser-Speichers mit einer größeren Wärmetauscherfläche im oberen Bereich.
Effiziente Regelstrategie
Ein weiterer Baustein des Systems ist die Regelung der solaren Trinkwassererwärmung. In der Praxis hat sich dafür die Temperaturdifferenzregelung durchgesetzt. Sie vergleicht die Temperaturen des Sonnenkollektors und des Trinkwasser-Speichers im unteren Bereich. Überschreitet die Kollektortemperatur die Temperatur im unteren Speicherbereich um mehr als 10 K, geht die Solarkreispumpe in Betrieb. Im Idealfall führt dies zu einer permanenten Nutzung der Solarenergie bis die Solltemperatur von maximal 95 Grad C erreicht ist. Bei einem bestehenden Gebäude mit 150 m² Wohnfläche und einem konventionellen Heizkessel mit der Auslegung für Wärmepumpen von Vorlauf 55 °C/Rücklauf 45 °C aus dem Jahr 1980 lassen sich so bis zu 64 % Energiekosten und 56 % CO2 einsparen. Der Deckungsbeitrag der Solaranlage zur Trinkwassererwärmung liegt bei bis zu 70 %.
Umweltwärme plus Sonne plus Festbrennstoff
Wärmepumpen, ergänzt um eine Solaranlage und einen Festbrennstoffkessel oder einen Kaminofen mit Wärmetauscher – dieses Heizkonzept hat schon viele überzeugt (Bild 3). Bei diesem regenerativen multivalenten Wärmepumpensystem übernimmt eine Wärmepumpe (Sole/Wasser, Wasser/Wasser oder Luft/Wasser) die Grundlast für die Beheizung des Gebäudes. Die Grundlastabdeckung des Warmwasserbedarfs erfolgt im Sommer durch die Solaranlage. In der Übergangszeit unterstützt die Solaranlage zusätzlich noch die Heizung. Durch einen zweiten Wärmeerzeuger werden Heizung und Trinkwassererwärmung insbesondere in der Übergangszeit und im Winter ergänzt. Dies können ein Öl- oder Gaskessel, ein Pellets- oder Stückholzkessel sowie ein Holz- bzw. Pellet-Kaminofen sein, der über den integrierten Wasser-Wärmetauscher die Heizung und die Trinkwassererwärmung unterstützt, indem er ca. 70 % seiner erzeugten Wärme in den Pufferspeicher abgibt. Anhand einer Luft/Wasser-Wärmepumpe wird im Folgenden beschrieben, wie man die optimale Wärmepumpenleistung ermittelt.
Optimale Wärmepumpenleistung
Luft/Wasser-Wärmepumpen werden überwiegend als monoenergetische Anlagen betrieben. Die Wärmepumpe sollte dabei den Wärmebedarf bis etwa –5 °C Außentemperatur (Bivalenzpunkt) vollständig decken. Bei tieferen Temperaturen und hohem Wärmebedarf wird bedarfsabhängig ein zweiter Wärmeerzeuger zugeschaltet. Die Dimensionierung der Wärmepumpenleistung beeinflusst insbesondere bei monoenergetischen Anlagen die Investitionssumme und die Höhe der jährlichen Energiekosten: Je größer die Leistung, desto höher sind die Investitionen für die Anlage und entsprechend niedriger die Aufwendungen für Energie.
Erfahrungsgemäß ist eine Wärmepumpenleistung anzustreben, die bei einer Grenztemperatur (bzw. Bivalenzpunkt) von etwa –5 °C die Heizkennlinie schneidet. Bei dieser Auslegung ergibt sich gemäß DIN 4701 T10 bei einer bivalent-parallel betriebenen Anlage ein Anteil des zweiten Wärmeerzeugers (z.B. Elektro-Heizstab) von 2 %. Die aufgeführte Jahresdauerkennlinie (Bild 4) zeigt die Außentemperatur in Essen. Danach sinkt an weniger als zehn Tagen im Jahr die Außentemperatur unter –5 °C.
Beispiel zur Veranschaulichung
Das Beispiel mit einem Gesamt-Wärmebedarf des Gebäudes von 11 kW bei einer Normaußentemperatur von –16 °C und einer gewählten Raumtemperatur von 20°C veranschaulicht die Vorgehensweise (Bild 5).
Das Diagramm zeigt die Heizleistungskurven von zwei Wärmepumpen für eine Heizwasser-Vorlauftemperatur von 35 °C. Die Schnittpunkte (Grenztemperatur beziehungsweise Bivalenzpunkte) aus der Geraden des außentemperaturabhängigen Gebäudewärmebedarfs und den Heizleistungskurven der Wärmepumpen liegen bei rund –5 °C für die Wärmepumpe 1 und ca. –9 °C für die Wärmepumpe 2. Für das gewählte Beispiel ist die Wärmepumpe 1 einzusetzen. Damit eine ganzjährige Beheizung erfolgen kann, muss die Differenz zwischen außentemperaturabhängigem Gebäudewärmebedarf und der Heizleistung der Wärmepumpe bei der entsprechenden Lufteintrittstemperatur durch einen zweiten Wärmeerzeuger ausgeglichen werden.
Einbindung eines Pufferspeichers
Im Gegensatz zur reinen solaren Trinkwassererwärmung mit Wärmepumpe erfordern multivalente Wärmepumpensysteme mit Solaranlagen und zusätzlichem (regenerativem) Wärmeerzeuger zur Heizungsunterstützung etwas mehr Zeit für Planung und Auslegung. Erfolgt die Einbindung eines zweiten regenerativen Wärmeerzeugers in das Heizsystem über einen Pufferspeicher, muss bei der Auswahl pro kW Heizleistung ein Puffervolumen von circa 50 l/kW vorgesehen werden. Ähnliches gilt für die Dimensionierung des Pufferspeichers bei solarer Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung. Hier gilt die Faustformel 50 l/m² Kollektorfläche. Der höhere der beiden Werte bestimmt letztlich das Puffervolumen. Für den Wärmepumpenbetrieb ist ein Puffervolumen von etwa 10 l/kW oder 30 % des Volumenstroms der Heizung erforderlich (die exakten Daten stehen in den technischen Angaben zur jeweiligen Wärmepumpe).
Systemregelung ist das Herzstück
Herzstück des Systems ist, außer dem Pufferspeicher, die Regelung des gesamten Systems. Bei der Hydraulik in Bild 3 wird der Pufferspeicher bei solarem Ertrag mittels einer Temperaturdifferenzregelung über den unteren Pufferbereich beladen. Der zweite, regenerative Wärmeerzeuger (in diesem Fall der Pellet-Kaminofen mit Wassertasche) speist ebenfalls in den Pufferspeicher ein. Über den Pufferspeicher kann sowohl die Versorgung des Heizsystems als auch die Trinkwassererwärmung erfolgen. Bei der Trinkwassererwärmung ist darauf zu achten, dass die Wärmetauscherfläche des Trinkwasserspeichers aufgrund des Betriebes mit einer Wärmepumpe die entsprechend große Wärmeübertragerfläche besitzt. Erst wenn dieser Energieinhalt nicht ausreicht, erfolgt die Ansteuerung der Wärmepumpe.
Im Vergleich zu einem Gebäude mit 150 m² Wohnfläche aus dem Jahr 1980 können bis zu 53 % Energiekosten eingespart werden. Die CO2-Reduzierung beträgt bis zu 60 % (siehe Bild 6).
Wärmepumpensystem mit konventionellem Wärmeerzeuger
Bei einer seriellen Verschaltung von Heizkessel, regenerativem Wärmeerzeuger und Pufferspeicher werden der vom regenerativen Wärmeerzeuger beladene Pufferspeicher und der Heizkessel hydraulisch in Reihe geschaltet (Bild 7). Beide Wärmeerzeuger decken den Wärmebedarf des Gebäudes. Der Vorteil dieser Lösung: Die Temperatur im Pufferspeicher kann bis auf das Niveau des Anlagenrücklaufs sinken, der regenerative Wärmeerzeuger bzw. der Pufferspeicher kann ständig Wärme an das Heizsystem abgeben. Eine solche Schaltung ist auch mit einem Kombispeicher realisierbar.
Zur Einbindung eines Pufferspeichers enthält das entsprechende Regelmodul die Funktion „Puffer-Bypass“. Diese gleicht die Temperatur aus dem Rücklauf der Heizungsanlage (FAR) mit der Temperatur im Pufferspeicher (FPO) ab. In Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Anlagenrücklauf und Pufferspeicher erfolgt die Umschaltung des Drei-Wege-Ventils (SWE) zwischen Puffer und Bypass. Nachfolgend wird der Heizkessel durchströmt. Mit dem Umschaltventil wird der gesamte Volumenstrom der Heizungsanlage umgeschaltet und fließt über den Pufferspeicher oder durch den Bypass. Diese Art der Einbindung empfiehlt sich für regenerative Wärmeerzeuger, die nicht die gesamte Heizlast, sondern nur eine Grundlast decken, während der Heizkessel die Spitzenlast übernimmt. Bei dieser Schaltung kann die Temperatur im Pufferspeicher bis auf das Temperaturniveau des Anlagenrücklaufs sinken und der regenerative Wärmeerzeuger (oder Pufferspeicher) kann kontinuierlich Energie in die Anlage abgeben.
Multivalent-regenerative Wärmepumpensysteme
Multivalent-regenerative Wärmepumpensysteme sind nicht nur für Ein- und Zweifamilienhäuser geeignet, sondern ebenso für Gewerbe- und Industriegebäude. Im aufgeführten Beispiel in Bild 8 produziert ein Erdgas-Blockheizkraftwerk (BHKW) den Strom, erwärmt das Trinkwasser und unterstützt die Gebäudeheizung. Deren Grundlast übernimmt eine Wärmepumpe, das BHKW liefert die erforderliche Antriebsenergie (Strom). Bei zu niedriger Außentemperatur geht die Luft/Wasser-Wärmepumpe außer Betrieb, um einen unwirtschaftlichen Betrieb zu vermeiden. In diesen Spitzenlastzeiten unterstützt ein Gas-Brennwertkessel das System. Grundvoraussetzung bei dieser Systemlösung ist ein intelligentes Energie- und Speichermanagement-System, um das Potenzial komplett auszuschöpfen.
Die optimierte Gesamtwärmeverteilung wird über das System „Hast-Akku“ erreicht. In dieser Hydraulik erfolgt die Trinkwassererwärmung über das BHKW und den Brennwertkessel. Die Luft/Wasser-Wärmepumpe versorgt über den Pufferspeicher in erster Linie das Heizsystem. Zur Spitzenlastabdeckung und ab einem Bivalenzpunkt in diesem speziellen System von 5 °C wird ein modulierender Gas-Brennwertkessel zugeschaltet. Der vom Blockheizkraftwerk erzeugte Strom dient u.a. zur Versorgung des Gas-Brennwertkessels und vor allem der Wärmepumpe. Somit erzielt dieses System eine optimale CO2- und Primärenergiebilanz.
Regenerative Wärmeerzeuger sind heute weitaus mehr als nur eine sinnvolle Ergänzung konventioneller Heiztechnik. Verschiedene Komponenten, die Energie aus der Umwelt nutzen, lassen sich mit intelligenten Regelsystemen zu einem effizienten und umweltschonenden System verbinden, das Energiekosten spart und den CO2-Ausstoß deutlich senkt. Nicht nur für Ein- und Zweifamilienhäuser, sondern ebenso für Gewerbe- und Industriegebäude lassen sich individuelle Komplettlösungen konfigurieren, die zuverlässig das Heizungs- und Trinkwasser erwärmen.
Weitere Informationen
Unser Autor Peter Kuhl ist Produktmanager Wärmepumpen bei Buderus Deutschland, Wetzlar
