Hybrid heizen: Wärmepumpen sinnvoll kombinieren
Die Kombination eines Heizkessels mit einer Wärmepumpe weist zwei große Vorteile auf: Zum einen gelingt so auch in Mehrfamilienhäusern eine individuelle Trinkwassererwärmung, zum anderen kann selbst bei höherem Wärmebedarf und damit verbundenen höheren Vorlauftemperaturen effizient geheizt werden. Die Flexibilität in der individuellen Zusammenstellung der Geräte bietet dabei einen weiteren Pluspunkt. Auch die Auswahl des Energieträgers ist frei.
Die am häufigsten eingesetzte Kombination ist die einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einem Öl-Brennwertkessel, wobei ab einem COP (Coefficient of Performance) von etwa 2,5 die Nutzung des zweiten Wärmeerzeugers wirtschaftlich sinnvoll ist. Die Wirtschaftlichkeit wird auch dadurch gesteigert, dass die Wärmepumpe überwiegend dann eingesetzt wird, wenn die Systemtemperatur niedriger ist und damit die Jahresheizarbeitszahl steigt. Die Kaskaden-Strategie kann dabei je nach Anforderungen des Objekts allerdings unterschiedlich sein.
Darüber hinaus stehen verschiedene Lösungsmöglichkeiten zur Verfügung, die den Einsatz der Wärmepumpe in dem entsprechenden System beschreiben. Die bivalente Betriebsweise ist zu unterscheiden in alternativ, parallel und teilparallel. Je nach Anforderung und Rahmenbedingungen ist eine der drei Varianten sinnvoll.
Bivalent-alternative Betriebsweise
Bei der bivalent-alternativen Betriebsweise übernimmt die Wärmepumpe nur bis zu einer definierten Außenlufttemperatur die gesamte Heizlast. Dieser sogenannte Bivalenzpunkt sollte zwischen 2 °C und -6 °C liegen. Wird er unterschritten, übernimmt der zweite Wärmeerzeuger. Die Wärmepumpe und der Heizkessel arbeiten dabei nie gleichzeitig, die ausschließliche Wärme- und Warmwasserversorgung über die Wärmepumpe wird bereits bei der Planung und Auslegung ausgeschlossen. Als ein Vorteil dieser Betriebsweise ist die simple Regelung zu nennen. Außerdem kann der zweite Wärmeerzeuger mit höheren Vorlauftemperaturen arbeiten. Dies ist besonders dann wichtig, wenn das Hybridsystem in bereits bestehende Systeme integriert werden soll, zum Beispiel in Verbindung mit vorhandenen Radiatoren.
Bivalent-parallele Betriebsweise
Beim bivalent-parallelen Betrieb übernimmt die Wärmepumpe die Versorgung bis zum voreingestellten Bivalenzpunkt allein. Erst nach Unterschreiten schaltet der zusätzliche Wärmeerzeuger hinzu – die Komponenten arbeiten gleichzeitig. Die Wärmepumpe wird dabei so dimensioniert, dass sie die erforderliche Heizleistung im Bivalenzpunkt erreicht. Der Gas- oder Öl-Kessel wird so ausgelegt, dass er die Differenz zwischen Gebäudeheizlast und Wärmepumpen-Leistung ausgleichen kann. Auf diese Weise übernimmt die Wärmepumpe einen wesentlich höheren Anteil an der Wärme- und Warmwasserversorgung und trägt mit einem höheren Anteil zur Deckung der Heizlast als bei der bivalent-alternativen Betriebsweise bei. Zusätzlich kann der Heizkessel kleiner dimensioniert werden, unter Umständen ist sogar ein elektrischer Zusatzheizstab ausreichend. Wichtig dabei ist, dass die Komponenten aufgrund der Systemtemperaturen exakt aufeinander abgestimmt sind.
Bivalent-teilparallele Betriebsweise
Auch bei der bivalent-teilparallelen Betriebsweise übernimmt die Wärmepumpe bis zum Bivalenzpunkt die Heizlast allein, erst nach Unterschreiten arbeitet sie gemeinsam mit dem zweiten Wärmeerzeuger. Wird schließlich der sogenannte Abschaltpunkt erreicht, schaltet sich die Wärmepumpe aus und der Heizkessel arbeitet allein. Auch hier wird die Wärmepumpe für die erforderliche Heizleistung im Bivalenzpunkt dimensioniert. Arbeiten beide Wärmeerzeuger zusammen, muss die Systemtemperatur in den Einsatzgrenzen der Wärmepumpe liegen. Diese Kombination kommt vor allem dort zum Einsatz, wo sehr niedrige Außentemperaturen erreicht werden und dennoch angestrebt wird, dass die Wärmepumpe eine hohe Heizarbeit leistet.
Konkrete Kombinationsmöglichkeiten
Am besten lassen sich mögliche Hybridsysteme anhand konkreter Beispiele darstellen. So bietet sich bei Brötje die Kombination der Luft/Wasser-Wärmepumpe BLW Split mit dem Gas-Brennwertgerät WGB EVO oder dem Öl-Brennwertkessel BOB an. Die Zusammenarbeit wird dabei durch den ISR-Systemregler sichergestellt.
Es kann sinnvoll sein, die Wärmepumpe mit einem Gas-Brennwertgerät zur Trinkwassererwärmung zu koppeln. Der bestehende Trinkwassererwärmer kann erhalten bleiben, was Installationsaufwand und Kosten reduziert. Die Wärmepumpe arbeitet dabei nur auf einen Heizungspuffer, der gleitend über die Außentemperatur geregelt wird. Sollte die Leistung der Wärmepumpe nicht ausreichen, wird das Gasbrennwertgerät zugeschaltet, sodass die beiden Wärmeerzeuger parallel fahren. Erreicht der Sollwert eine Temperatur, die größer ist als die maximale Vorlauftemperatur der Wärmepumpe, so schaltet diese ab und das Gas-Brennwertgerät übernimmt die weitere Heizarbeit.
Hoher Warmwasserkomfort
Dieses Hybridsystem bietet sich an, wenn ein hoher Warmwasserbedarf besteht, zum Beispiel in Mehrfamilienhäusern. In der Regel ist der reine Heizwärmebedarf problemlos über die Wärmepumpe abzudecken, der Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung ist aber deutlich höher, ebenso das benötigte Temperaturniveau. Die Wärmepumpe müsste hier also eine hohe Leistung vorhalten, die für den Heizbetrieb nicht notwendig wäre. In diesen Fällen sollte die Trinkwassererwärmung über das Gasbrennwertgerät gewährleistet werden.
Überdimensionierung vorbeugen
Muss aus behördlichen Gründen eine Luft/Wasser-Wärmepumpe eingesetzt werden, die aber nicht monovalent betrieben werden soll, macht die Kombination mit dem Gas-Brennwertkessel WGB bzw. dem Öl-Brennwertkessel BOB Sinn. So kann die Überdimensionierung der Anlage, die durch den monovalenten Betrieb entstehen würde, in den Übergangszeiten und im Sommer vermieden werden. Die Folge einer Überdimensionierung wäre das Takten der Wärmepumpe, wodurch sie nur für einen sehr kurzen Zeitraum laufen und dann wieder abschalten würde. Nur in dem Betriebspunkt bei der Normauslegungstemperatur läuft die Wärmepumpe optimal. Da lange Laufzeiten bei Luft/-Wasser-Wärmepumpen unproblematisch sind, wird der sogenannte Bivalenzpunkt so gewählt, dass sie zusammen mit dem Gas- oder Ölbrennwertgerät in Betrieb ist. So kann eine hohe Effizienz gewährleistet werden.
Der Betrieb der Wärmepumpe erfolgt auf einen Trennspeicher und wird dabei über einen Außentemperaturfühler geregelt, der zweite Wärmeerzeuger wird bei Bedarf hinzugeschaltet. Er wird über den Wärmepumpenregler angesteuert. Ab einer bestimmten Außentemperatur übernimmt der Heizkessel schließlich die gesamte Wärmeversorgung.
Auch mit Fremdkessel
Ist ein Wärmeerzeuger bereits vorhanden, der im Idealfall sogar ein Brennwertgerät ist, so kann die BLW-Split-Wärmepumpe auch mit ihm kombiniert werden. Auch in diesem Fall übernimmt die Wärmepumpe einen Großteil der Heizarbeit. Der Unterschied zum vorherigen Hybridsystem ist jedoch, dass die erzeugte Wärme dem Heizsystem bzw. dem Heizkreislauf direkt zur Verfügung gestellt wird. Ein Pufferspeicher im Rücklauf dient hier der Unterstützung der Wärmepumpe. Die Ein- und Ausschaltung der Wärmepumpe erfolgt über die Rücklauftemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Im Falle einer Abtauung wird dem Speicher Energie entzogen, sodass der Vorgang schnell und effizient durchgeführt wird.
Sind die Hydrauliken im Gebäude nicht bekannt, sollte immer ein Pufferspeicher als Trennspeicher eingebaut werden. Der Trennspeicher wird dabei gleitend anhand der Außentemperatur betrieben. Die Heizkreise bedienen sich aus dem Trennspeicher, der wiederum von der Wärmepumpe bedient wird.
ErP-Label verdeutlicht Effizienz
Wie lohnenswert der Einsatz von Hybridsystemen ist, wird anhand der Effizienzlabel deutlich, die die ErP-Richtlinie (Energy related Products) vorschreibt. So soll der Einbau ressourcenschonender und umweltfreundlicher Heizungstechnik gefördert werden. Dies gelingt dadurch, dass der Verbraucher auf den ersten Blick am Energielabel erkennt, welche Heizung besonders energieeffizient arbeitet, und er so verschiedene Arten der Wärmeerzeugung miteinander vergleichen kann.
Wärmepumpen erhalten mindestens die Energieeffizienzklasse A+. In Kombination mit Solarthermie kann das System zusätzlich aufgewertet werden. Auch weitere Geräteeigenschaften wie die Nennwärmeleistung und die Schallemission werden auf dem Energieeffizienz-Label angegeben. Allerdings ist das effizienteste Heizungssystem nicht automatisch auch das wirtschaftlich am besten geeignete, da nicht jedes Heizungssystem für jeden Gebäudetyp geeignet ist. Gerade wenn es um konkrete Bauvorhaben geht, muss der Fachhandwerker als kompetenter Ansprechpartner zur Stelle sein. Auch die schwankenden Energiekosten können sich unterschiedlich auf die Wirtschaftlichkeit auswirken.
Hybridsysteme müssen seit dem 26. September 2015 mit einem sogenannten Systemlabel gekennzeichnet werden. Die Berechnung, in welche Effizienzklasse dieses System einzustufen ist, obliegt dabei dem Fachhandwerker – sofern er nicht Produkte ausschließlich eines Systemanbieters auswählt. Werden zum Beispiel alle Komponenten von Brötje bezogen, ist die Berechnung des Systemlabels mithilfe der ErP-Software des Herstellers möglich. Darüber hinaus bietet das Unternehmen einen interaktiven Systemkonfigurator an. Mit dieser App lassen sich Systempakete individuell zusammenstellen, vom Wärmeerzeuger bis hin zum Abgassystem. Weitere Informationen zur ErP-Ökodesign-Richtlinie stehen im Fachpartner-Bereich aufwww.broetje.de als Infofilm sowie in Form von zwei Broschüren zur Verfügung.
Dieser Beitrag von Dipl.-Ing. Burkhard Maier ist zuerst erschienen in SBZ 22/2016. Burkhard Maier ist Bereichsleiter Marketing bei Brötje. www.broetje.de
