Grundlagenwissen über Wärmepumpen

Monovalente Betriebsweise

Bei der monovalenten Betriebsweise ist die Wärmepumpe das ganze Jahr für den kompletten Wärmebedarf eines Gebäudes vorgesehen und benötigt eine Wärmequelle, welche eine relativ konstante Temperatur liefern kann. Für einen monovalenten Betrieb kommen also bspw. Grundwasserwärmepumpen, Erdwärmepumpen mit Sonden, Wärmepumpen, welche ganzjährig konstante Abwärme aus Industrieprozessen nutzen, oder Wärmepumpen mit entsprechend großen Speichern für Solar und Eis in Frage.

Eine monovalent laufende Wärmepumpe wird nach der berechneten Gebäudeheizlast ausgelegt. Bei Erreichen der Normaußentemperatur, welche in der DIN EN 12831 (Berechnung der Normheizlast) einsehbar ist, muss die Wärmepumpe in der Lage sein, die berechnete maximale Wärmeleistung für das Gebäude zur Verfügung zu stellen. Der Verlauf der Jahresdauerlinie für den monovalenten Betrieb zeigt, dass die maximale Heizleistung (Volllast) während der Normaußentemperatur nur an sehr wenigen Heiztagen im Jahr bereitgestellt werden muss. Eine monovalent betriebene Wärmepumpe fährt daher überwiegend im Teillastbereich und somit nicht in ihrem optimalen Betriebspunkt. Das hat häufige Taktzeiten und einen höheren Verschleiß der Anlagenteile zur Folge. Mit Hilfe von großen Pufferspeichern und der Unterstützung von regenerativen Energien kann diesem Problem entgegengewirkt werden.

Bivalente Betriebsweisen

Bei der bivalenten Betriebsweise wird die Wärmepumpe bei Erreichen einer bestimmten Außentemperatur von einem weiteren Wärmeerzeuger (meist ein Heizkessel) unterstützt. Der Punkt bei Erreichen der festgelegten Außentemperatur wird Bivalenzpunkt genannt. Der Wärmebedarf wird somit bis zum Erreichen des Bivalenzpunktes von der Wärmepumpe allein gedeckt und anschließend von einem zweiten Wärmeerzeuger abgelöst (bivalent-alternativ) oder unterstützt (bivalent-parallel bzw. bivalent-teilparallel). Der Einsatz einer bivalenten Betriebsweise empfiehlt sich beispielsweise bei Wärmepumpen mit schlechtem Wirkungsgrad bei niedrigen Außentemperaturen (Außenluft-Wärmepumpe oder Erdwärmepumpe mit Kollektoren). Die verschiedenen Möglichkeiten der bivalenten Betriebsweise werden im Folgenden erläutert.

bivalent-alternative Betriebsweise

Bei der bivalent-alternativen Betriebsweise wird der Wärmebedarf bis zum Erreichen des Bivalenzpunktes allein von der Wärmepumpe getragen. Der zweite Wärmeerzeuger springt bei der Unterschreitung des Bivalenzpunktes von ca. + 3 °C ein und übernimmt den alleinigen Heizbetrieb. Die Wärmepumpe schaltet sich ab und der zweite Wärmeerzeuger muss den gesamten Wärmebedarf für das Gebäude decken. Wer sich für eine bivalent-alternative Betriebsweise entscheidet, sollte dies bei der Auslegung des zweiten Wärmeerzeugers unbedingt beachten.

Bivalent-parallele Betriebsweise

Bei der bivalent-parallelen Betriebsweise wird der Wärmebedarf bis zum Erreichen des Bivalenzpunktes allein von der Wärmepumpe getragen. Bei der Unterschreitung des Bivalenzpunktes unterstützt der zweite Wärmeerzeuger den Heizbetrieb der Wärmepumpe.

Es wird deutlich, dass der zweite Wärmeerzeuger bei niedrigen Temperaturen einen höheren Heizanteil hat als die Wärmepumpe. Dennoch wird der Wärmebedarf bei Erreichen der Normaußentemperatur von beiden Wärmeerzeugern gedeckt. Wie groß der Heizanteil der Wärmepumpe und des zweiten Wärmeerzeugers für den Auslegungsfall sein soll, ist bei der Planung zu beachten.

Bivalent-teilparallele Betriebsweise

Der bivalent-teilparallele Betrieb ist eine Mischung aus bivalent-paralleler- und bivalent-alternativer Betriebsweise. Die Wärmepumpe arbeitet bis zum Bivalenzpunkt alleine und wird anschließend vom zweiten Wärmeerzeuger unterstützt. Bei Erreichen einer weiteren festgelegten Temperatur (z. B. -2 °C) schaltet sich die Wärmepumpe ab. Der gesamte Wärmebedarf wird folgend alleinig vom zweiten Wärmeerzeuger gedeckt. Dies ist in der Planung zu beachten.

Monoenergetische Betriebsweise

Die monoenergetische Betriebsweise folgt dem gleichen Prinzip wie die bivalente Betriebsweise. Der zusätzliche Wärmeerzeuger ist jedoch kein Öl- oder Gasheizkessel, sondern eine elektrische Zusatzheizung meistens als ein einfacher, kostengünstiger Elektroheizstab im Pufferspeicher oder in der Wärmepumpe selbst. Der Betrieb wird daher als monoenergetisch bezeichnet, da nur Strom eingesetzt wird.

Beim monoenergetischen Betrieb springt entsprechend der Jahresdauerlinie bzw. der Benutzereinstellungen der Heizstab nur dann an, wenn die Wärmequellentemperatur unter einen vorgegebenen Wert absinkt. Dann wird der Wärmepumpenkreislauf durch die elektrische Direkterwärmung unterstützt. Sinkt die Temperatur der Wärmequelle weiter ab, so kann der Heizstab den Heizbetrieb sogar nahezu komplett übernehmen. Steigt die Temperatur der Wärmequelle wieder an, so deaktiviert die Wärmepumpen-Regelung die Zusatzheizung.

Schallregelungen beim Einbau von Wärmepumpen

Luft-Wärmepumpen haben ein hohes Beschwerdepotential in eng bebauten Gebieten, da sie häufig die einzige dauerhafte Schallquelle in einem ruhigen Wohnumfeld sind. Die Lärmbelästigung ergibt sich insbesondere durch den zeitlich uneingeschränkten Betrieb und aus unterschiedlichen Geräuschereignissen (z. B. Abtauvorgängen) in den frühen Morgenstunden. Bereits in der Planungsphase können durch eine überlegte Standortwahl mit schalltechnisch optimierter Aufstellung zukünftige Konflikte minimiert werden.

Den größten Anteil am Gesamtgeräusch hat in vielen Fällen der Ventilator. An den Ventilatorschaufeln entstehen Luftwirbel und Druckschwankungen, die als Geräusch an die Umgebung abgegeben werden. Neben dem Luftschall des Kompressors ist außerdem auch die Körperschallübertragung vom Kompressor und den Kompressorleitungen auf andere Gerätebauteile, auf den Boden oder die Wand und von dort auf umliegende Gebäudeteile zu nennen, die dann ihrerseits Schall abstrahlen. Relativ komplex ist die Lärmentwicklung bei Strömungen, also z. B. im Luftkanal und an den Verdampferlamellen. Einen erheblichen Einfluss hat hier die Geschwindigkeit des strömenden Mediums, die bei vorgegebener thermischer Leistung und dem hierfür erforderlichen Luftstrom, vom Querschnitt des durchströmten Bauteils abhängt. Bei größerem Querschnitt kann die Luft langsamer strömen und verursacht damit weniger Lärmemissionen.

Bei den verschiedenen, auf dem Markt erhältlichen Geräten gibt es große Unterschiede bzgl. der Schallemission. Aus der Sicht des Lärmschutzes sollten generell Geräte mit einem niedrigen Schallleistungspegel gewählt werden. Für Luft-Wärmepumpen in modernen Einfamilienhäusern mit niedrigem Wärmeenergiebedarf sollte ein Schallleistungspegel von höchstens 50 Dezibel (LWA ≤ 50 dB (A)) nicht überschritten werden. Ist dieser Wert nicht im technischen Datenblatt angegeben, können Hersteller oder Händler Auskunft geben. Dabei sollten sich SHK-Profis vergewissern, dass der angegebene Schallleistungspegel den lautesten Betriebszustand der Luft-Wärmepumpe beschreibt. Oft wird dieser auch als maximaler Schallleistungspegel aufgeführt (LWA,max).

Verschiedene Wärmequellen als Bezugspunkt – Erfolg durch Kombination 

Vor allem im Bereich der Gesamtkonzeption ist es erforderlich, verschiedene Möglichkeiten und Wärmequellen verschmelzen zu lassen. Die Firma Ratiotherm in Bayern setzt zum Beispiel dabei auf eine Schichtspeichertechnik, die vielseitige Kombinationsmöglichkeiten erlaubt. Der Schichtspeicher „Oskar“ stellt dabei die Herzkammer jedes Systems dar. Die Schichtspeichergrößen können dabei nach oben hin stark variieren und bis zu 150 m³ einnehmen. Entscheidend jedoch ist, dass bis zu 18 Wärmequellen angeschlossen werden können. Sogenannte Hybridmodelle unter Einbindung verschiedener Quellen kommen dann zum Tragen. Diese Bandbreite gibt vor allem den Kommunen hinsichtlich ihrer Wärmeplanung ein breites Entscheidungsfeld, welche Quellen für ein Gesamtkonzept nutzbar gemacht werden können.