Betriebsweise Wärmepumpe: Diese Optionen haben Sie
Wärmepumpen entwickeln sich mehr und mehr zum beliebtesten Heizsystem - nicht nur im Neubau, auch in Altbauten werden Sie zunehmend nachgerüstet. Abhängig von Wärmepumpenart, den Anforderungen und natürlich auch den Gegebenheiten vor Ort unterscheidet sich die Betriebsweise der Wärmepumpe.
In diesem Beitrag werden wir erörtern, wann der monovalente, bivalente oder multivalente Betrieb zum Einsatz kommt und welcher Betriebsweise besonders relevant für die Wärmeerzeugung im Einfamilienhaus ist!
Monovalenter Wärmepumpen-Betrieb
Der monovalente Betrieb zählt zu den grundlegenden Betriebsweisen von Wärmepumpenanlagen, bei der das Gerät ausschließlich Heizwärme – bzw. auch Kühlenergie – bereitstellt. Hierbei wird als Wärmequelle ausschließlich Umweltenergie aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser genutzt. Die Anlage kommt somit gänzlich ohne fossile Brennstoffe aus, weshalb der monovalente Betrieb als besonders umweltfreundlich gilt.
Luft-Wasser-Wärmepumpen sind deutschlandweit die gefragteste Variante, insbesondere im Einfamilienhaus. Sie sind kostengünstiger als andere Wärmepumpenarten, was vor allem auf die einfachere Installation und eine etwas geringere Effizienz zurückzuführen ist. Luftwärmepumpen nutzen die Außenluft als Wärmequelle, die je nach Jahres- und Tageszeit erheblichen Temperaturschwankungen unterliegt. So können in den Wintermonaten Temperaturen im niedrigen zweistelligen Bereich erreicht werden, was die Wärmebereitstellung und Effizienz der Anlage negativ beeinflusst.
Damit eine monovalente Betriebsweise gewährleistet werden kann, muss die Wärmepumpe nachweislich in der Lage sein, sowohl die Heizlast der Immobilie als auch die Warmwasserbereitung ohne zusätzliche Unterstützung zu decken. Dies spricht nicht immer für den Einsatz einer Luft-Wasser-Wärmepumpe – moderne Varianten sind jedoch oft leistungsfähig genug. Informieren Sie sich vor der Anschaffung gründlich über die Leistung der Anlage und lassen Sie sich von einem Energieeffizienz-Experten beraten, um unnötige Investitionen zu vermeiden.
Wärmepumpen, die das Erdreich oder Grundwasser als Wärmequelle nutzen, haben hierbei einen Vorteil: Zwar sind Anschaffung und Installation kostenintensiver und aufwändiger, doch sorgt die relativ konstante Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts für eine höhere Effizienz. Diese Stabilität gewährleistet, dass die Wärmepumpe dauerhaft mit ausreichend Wärmeenergie versorgt wird, um auch bei Minusgraden den Bedarf zu decken.
Beachten Sie, dass der Einbau einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe in der Regel behördliche Genehmigungen erfordert.
Der monovalente Wärmepumpenbetrieb eignet sich insbesondere in Neubauten, die über eine höhere Energieeffizienz als Bestandsgebäude verfügen und somit einen geringeren Wärmebedarf haben. Zudem ist diese Betriebsweise optimal, wenn niedrige Vorlauftemperaturen ermöglicht werden – etwa durch den Einsatz einer Flächenheizung, beispielsweise einer Fußbodenheizung. Werden diese Voraussetzungen nicht erfüllt, kann es ratsamer sein, einen bivalenten Betrieb in Erwägung zu ziehen.
Monoenergetischer Betrieb einer Wärmepumpe
Auch der monoenergetische Betrieb stellt eine wichtige Betriebsweise im Bereich der Wärmepumpentechnik dar. Dabei wird die Wärmepumpe in Kombination mit zusätzlichen Heizwärmeerzeugern genutzt, die auf derselben Energiequelle – beispielsweise Strom – basieren. Oft kommt hierbei ein Heizstab zum Einsatz, um Effizienz und Temperaturregelung zu optimieren.
Nehmen wir an, Sie besitzen eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, die das ganze Jahr über für die Wärmebereitstellung sorgt. Bei sogenannten Kältespitzen, also bei besonders niedrigen Außentemperaturen, kann durch Aktivierung des Heizstabs die gewünschte Temperatur aufrechterhalten werden.
Der monoenergetische Wärmepumpenbetrieb findet sich häufig in Einfamilienhäusern, in denen kleine Luft-Wärmepumpen mit einem Elektroheizstab ausgestattet sind, um auch im Winter eine konstante Wärmeversorgung zu gewährleisten. Sobald die Temperatur so weit absinkt, dass die Wärmepumpe allein nicht mehr ausreichend Wärme liefert, wird der Heizstab ergänzend aktiviert – was jedoch selten vorkommt, etwa an rund 5 % der Heiztage. Über die Wärmepumpenregelung können Sie selbst bestimmen, ob und wann der Heizstab aktiv sein soll.
Betriebsweisen Wärmepumpe: Der Bivalente Betrieb
Wie der Name schon andeutet, arbeitet die Wärmepumpe im bivalenten Betrieb nicht allein. Ergänzend wird ein zweiter Wärmeerzeuger eingesetzt, der dann zum Einsatz kommt, wenn die Außentemperaturen besonders niedrig sind und die Wärmeproduktion der Wärmepumpe alleine kaum oder gar nicht ausreicht. Solange das zusätzliche Heizsystem nicht mit Strom betrieben wird, gilt diese Betriebsweise als bivalent – andernfalls wäre sie monoenergetisch.
Prinzipiell können Sie die Wärmepumpe mit jedem beliebigen Wärmeerzeuger kombinieren – egal ob Gas-, Öl- oder Holzkessel. Möchten Sie auf eine Wärmepumpe umrüsten, könnten Sie daher erwägen, diese zusammen mit dem bestehenden Heizsystem, etwa einer Ölheizung, zu betreiben.
Der bivalente Betrieb findet sich vermehrt in Bestandsgebäuden, was maßgeblich auf eine schlechtere Wärmedämmung und höhere Vorlauftemperaturen zurückzuführen ist. Aber auch bei größeren Anlagen kann sich der ausschließliche Betrieb mit Wärmepumpe als nicht besonders wirtschaftlich erweisen.
Im bivalenten Betrieb übernimmt die Wärmepumpe den Großteil der Wärmebereitstellung, was wichtig ist, um einen effizienten Betrieb mit geringen Betriebskosten zu gewährleisten. Das zusätzliche System schaltet sich ein, sobald ein bestimmter Punkt – der sogenannte Bivalenzpunkt – erreicht ist. Dieser Punkt sollte so festgelegt werden, dass die Zusatzheizung nur einen geringen Prozentsatz der gesamten Wärmebereitstellung übernimmt. Oft liegt der Bivalenzpunkt bei rund -5 °C – eine Temperatur, die hierzulande selten erreicht wird.
Exkurs Bivalenzpunkt:
Der Bivalenzpunkt bezeichnet die Temperatur, bei der eine Wärmepumpe und eine alternative Heizquelle exakt dieselbe Leistung erbringen. Dieser kritische Dimensionierungspunkt ist bei der Planung einer Luft-Wärmepumpe von großer Bedeutung, weil die Effizienz der Wärmepumpe sinkt, sobald die Außentemperaturen abnehmen – während gleichzeitig der Heizbedarf des Gebäudes steigt. Der exakte Wert dieses Punktes variiert je nach individueller Heizlast des Gebäudes und liegt üblicherweise im Bereich von etwa -4 °C bis -8 °C. Fällt die Temperatur unter diesen Bereich, arbeitet die Wärmepumpe nicht mehr optimal, sodass sie häufig in Kombination mit anderen Heizsystemen wie Gas, Holz, Solarthermie oder Geothermie eingesetzt wird.
Bivalenzarten im Überblick
Beim bivalenten Wärmepumpen-Betrieb wird zwischen verschiedenen Betriebsarten unterschieden, je nachdem, wie und wann das zusätzliche Heizsystem zum Einsatz kommt:
1. Paralleler Betrieb
Beim bivalent-parallelen Betrieb übernimmt die Wärmepumpe den Wärmebedarf zunächst bis zum festgelegten Bivalenzpunkt. Sinkt die Temperatur unter diesen Punkt, greift das zusätzliche Heizsystem ein und unterstützt die Wärmepumpe bei der Wärmebereitstellung. Bei sehr niedrigen Außentemperaturen liefert das Zweitsystem den überwiegenden Anteil der Wärme, während die Wärmepumpe ergänzend arbeitet. Sobald die Temperatur wieder über den Bivalenzpunkt steigt, übernimmt die Wärmepumpe erneut die komplette Wärmeversorgung. In diesem Modus arbeiten beide Wärmeerzeuger teils simultan, was besonders vorteilhaft ist, wenn die alternative Heizquelle auch bei niedrigen Vorlauftemperaturen effizient arbeitet.
2. Alternativer Betrieb
Im bivalent-alternativen Betrieb deckt die Wärmepumpe die Heizleistung allein bis zum Bivalenzpunkt. Sinkt die Temperatur unter diesen Schwellenwert, schaltet sich das zusätzliche Heizsystem vollständig ein und übernimmt die gesamte Wärmebereitstellung, während die Wärmepumpe inaktiv bleibt. Dadurch ist immer nur ein Heizsystem zur gleichen Zeit aktiv.
3. Teilparalleler Betrieb
Der bivalent-teilparallele Betrieb kombiniert Elemente aus dem parallelen und alternativen Betrieb. Zunächst arbeitet die Wärmepumpe allein, um den Wärmebedarf bis zum Bivalenzpunkt zu decken. Danach schaltet sich ein zusätzlicher Wärmeerzeuger parallel zu, um die Leistung zu unterstützen. Erreicht die Temperatur einen weiteren, im Vorfeld festgelegten Wert, wird die Wärmepumpe abgeschaltet, sodass der gesamte Wärmebedarf ausschließlich durch das Zweitsystem gedeckt wird. Bei dieser Betriebsweise ist eine präzise Abstimmung der Übergangsparameter erforderlich, um einen optimalen und wirtschaftlichen Betrieb zu gewährleisten.
Wärmepumpen-Betrieb in Kaskaden
Der monovalente, bivalente und monoenergetische Wärmepumpen-Betrieb sind die grundlegenden und häufigsten Betriebsweisen. Darüber hinaus finden sich jedoch weitere Technologien die eine effiziente Nutzung der Wärmepumpe ermöglichen.
Beim Kaskaden-Betrieb, werden mehrere Wärmepumpen in Serie geschalten, um die gesamte Effizienz zu verbessern. Jede Einheit soll die Temperatur des Kältemittels weiter steigern, bevor es zur nächsten weitergegeben wird. Im Einfamilienhaus wird sich dieser Ansatz eher selten finden, in größeren Gebäuden mit unterschiedlichen Anforderungen an Heiz- und Kühlleistung hat er sich allerdings bewährt.
Der Betrieb in Kaskaden hat sich als ausgesprochen versorgungssicher erwiesen, da auch bei Ausfall einer Pumpe weitere effizienz die Arbeit verrichten können.
Modulierender Betrieb mittels Invertern
Wärmepumpen mit Invertersteuerung passen ihre Leistung kontinuierlich an den momentanen Bedarf an. Dadurch wird der Energieverbrauch reduziert und die Effizienz der Anlage im Jahresvergleich gesteigert. Im Zentrum dieser Technologie steht der Inverter, der durch Anpassung der Kompressordrehzahl die Leistung reguliert. So werden unnötige Schaltvorgänge vermieden und die mechanische Beanspruchung der Komponenten gesenkt.
Hybride Betriebsweise der Wärmepumpe
Hybridsysteme kombinieren Wärmepumpen mit anderen Heiztechnologien wie Solarthermie oder Gasbrennwertkesseln, um die Gesamteffizienz zu maximieren. Diese Systeme setzen sich aus verschiedenen Heizungsarten zusammen, wobei die gängigste Kombination aus Gasheizungen und Luft-Wärmepumpen besteht. Je nach gewählter Betriebsweise regelt die Steuerung, wann die Wärmepumpe und wann die Gasheizung eingeschaltet wird. Das kann beispielsweise nach definierten Zielen wie dem Erreichen einer bestimmten Leistungszahl (COP) oder der Reduzierung von CO2-Emissionen sein. Hybride Wärmepumpen sind besonders nützlich in älteren Gebäuden, in denen hohe Vorlauftemperaturen im Winter den alleinigen Einsatz der Wärmepumpe unwirtschaftlich machen, während sie in wärmeren Monaten die Vorteile der Wärmepumpe voll ausschöpfen können.
Monovalenter, monoenergetischer oder bivalenter Betrieb: Wofür sollte ich mich entscheiden?
Welche Betriebsweise gewählt werden sollte hängt von verschiedenen Faktoren, wie individuellen Gegebenheiten vor Ort sowie der Wahl der Wärmepumpe ab.
Wichtige Kriterien für die Wahl der Betriebsweise:
Klimatische Bedingungen: In Regionen mit sehr kalten Wintern kann ein bivalentes System von Vorteil sein, da der zusätzliche Heizkessel bei niedrigen Außentemperaturen einspringt.
- Gebäudeeffizienz: Der energetische Zustand des Gebäudes, insbesondere hinsichtlich Dämmung und Heizverteilung (wie Flächenheizung oder Fußbodenheizung), beeinflusst maßgeblich die Leistung der Wärmepumpe.
- Wirtschaftlichkeit: Investitions- und Betriebskosten variieren je nach System. Eine umfassende Kosten-Nutzen-Analyse, die sowohl die Anschaffungskosten als auch die langfristigen Betriebskosten berücksichtigt, ist daher essenziell.
- Technische Voraussetzungen: Die Integration mit bestehenden Heizsystemen sowie die Kompatibilität mit Zusatzkomponenten sollten ebenfalls in die Entscheidungsfindung einfließen.
Ein fachkundiger Energieeffizienz-Experte kann durch eine detaillierte Analyse der baulichen Gegebenheiten, des individuellen Wärmebedarfs und der spezifischen Wärmepumpentechnologie die wirtschaftlich und technisch optimale Betriebsweise ermitteln. Dabei werden nicht nur die aktuellen Bedingungen, sondern auch zukünftige Entwicklungen, wie beispielsweise mögliche Sanierungsmaßnahmen, berücksichtigt.Zusätzlich zur Auswahl der Betriebsweise sollten Sie auch den Zustand Ihres Gebäudes in den Blick nehmen. Maßnahmen wie die Verbesserung der Gebäudedämmung oder die Nachrüstung einer effizienten Flächenheizung können die Effizienz der Wärmepumpe erheblich steigern. Ein ganzheitliches Energiekonzept, das sowohl die Wahl der Betriebsweise als auch ergänzende Sanierungsmaßnahmen integriert, sichert langfristig eine nachhaltige und wirtschaftliche Wärmeversorgung.
Die endgültige Entscheidung sollte immer im Rahmen einer individuellen Beratung erfolgen, um alle relevanten Faktoren und Gegebenheiten optimal zu berücksichtigen.
Fazit
Wärmepumpen können auf verschiedene Weise betrieben werden, was es ermöglicht, das System individuell an die baulichen Gegebenheiten, den Wärmebedarf und die klimatischen Bedingungen anzupassen. So bietet der monovalente Betrieb den Vorteil einer komplett fossilen Brennstoff-freien Energieversorgung, während der bivalente Ansatz durch die Ergänzung eines zweiten Heizsystems bei sehr kalten Temperaturen für zusätzliche Sicherheit sorgt. Ergänzt werden können diese Konzepte durch hybride und inverterbasierte Systeme, die eine flexible und bedarfsgerechte Regelung ermöglichen. Letztlich sollte die Wahl der Betriebsweise stets auf einer umfassenden, fachkundigen Beratung basieren, um eine wirtschaftliche und nachhaltige Wärmeversorgung zu gewährleisten.
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