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Hybrid-Heizsysteme für den Altbau

Text: Peter Kuhl, Buderus und Bosch Fotos: Buderus
Während im Neubau in der Regel monoenergetische Anlagen zum Einsatz kommen, haben sich insbesondere im Bestand bivalente Systeme mit Luft/Wasser-Wärmepumpen als sinnvolle Alternative erwiesen. Der ökonomische und ökologische Erfolg dieser Systeme hängt wesentlich von der Funktionalität und „Intelligenz“ der Regelung ab.

In Bestandsgebäuden steckt ein hohes Potenzial zum Nachrüsten von regenerativen Wärmeerzeugern. Mit Wärmepumpen-Hybridsystemen, die sich hydraulisch und kostenoptimiert nachrüsten lassen, werden mit einer intelligenten bidirektionalen Regelung sowohl die Energiekosten als auch der CO 2-Ausstoß gesenkt. Hybridsysteme nutzen die Stärken beider Wärmeerzeuger und Energieträger und kombinieren den Einsatz von fossilem Brennstoff und kostenfreier Umweltwärme bestmöglich. Sie stellen durch ihre intelligente Regelung eine hohe Systemeffizienz her. Deshalb sind die neuen Hybridsysteme eine fortschrittliche Energiesparlösung, denn sie verbinden die modernsten Technologien in einem System.

Monoenergetische versus bivalente Bauweise

Bei der monoenergetischen Betriebsweise deckt die Wärmepumpe den Großteil der benötigten Heizleistung ab. Sind die Außentemperaturen sehr niedrig oder bei hohen Vorlauftemperaturen, ergänzt ein elektrischer Heizstab die Wärmepumpe - insbesondere bei Luft/Wasser-Wärmepumpen.

Bei der bivalenten Betriebsweise sind zwei Wärmeerzeuger eingebaut: Die Wärmepumpe deckt die Heizleistung bis zu einer ermittelten Grenztemperatur (Bivalenzpunkt) und wird dann durch einen zweiten Wärmeerzeuger unterstützt. In der Einstellung der Regelung kann festgelegt werden, ob nach Erreichen der Grenztemperatur der konventionelle Wärmeerzeuger und die Wärmepumpe parallel arbeiten oder ob die Wärmepumpe gesperrt wird. Der Bivalenzpunkt definiert die Außentemperatur, bis zu der die Wärmepumpe den berechneten Heizwärmebedarf ohne den zweiten Wärmeerzeuger deckt. Deshalb ist für die Auslegung einer Wärmepumpe die Bestimmung des Bivalenzpunktes entscheidend.

Zur Auswahl einer geeigneten Wärmepumpe wird in den Heizleistungskurven die Gebäudekennlinie „a“ eingetragen (siehe Grafik Heizleistungskurven auf Seite 220). Sie kann vereinfacht als Gerade zwischen der ermittelten erforderlichen Leistung am Normauslegungspunkt und einer Heizleistung von 0kW bei - 20°C gezeichnet werden. Am Abstand zwischen der Heizleistungskurve und der Gebäudekennlinie am Normauslegungspunkt lässt sich der zusätzliche Leistungsbedarf ablesen, der durch einen elektrischen Heizstab oder den konventionellen Wärmeerzeuger abgedeckt wird. Bei der Ermittlung des Bivalenzpunktes wird eine Vorlauftemperatur festgelegt - im Beispiel 35°C -, woraus die entsprechende Kennlinie der Wärmepumpe resultiert.

Bei den bisherigen bivalenten Systemen zum Nachrüsten wird in Abhängigkeit des festzulegenden Bivalenzpunktes der zweite, konventionelle Wärmeerzeuger in der Regel über einen potenzialfreien Kontakt der Wärmepumpe gesperrt oder freigegeben. Insbesondere beim Nachrüsten bestehender Heizsysteme ist mit einem flexiblen selbstadaptierenden Bivalenzpunkt eine deutliche ökologische und ökonomische Effizienzsteigerung zu erzielen. Diesen Anforderungen wird Buderus durch die Entwicklung eines Wärmepumpen-Hybridsystems für Einfamilienhäuser gerecht. Eine entscheidende Rolle spielt die gemeinsame Regelung, die bidirektional mit der Wärmepumpe und dem zweiten Wärmeerzeuger kommuniziert.

Regelstrategien für Hybridsysteme

Beim Hybridsystem Logatherm WPLSH von Buderus erfolgt die Zuschaltung des konventionellen Wärmeerzeugers über einen flexiblen Bivalenzpunkt, der in Abhängigkeit der benötigten Heizlast, der Quellentemperatur (Außentemperatur bei Luft/Wasser-Wärmepumpen), des Wirkungsgrades von konventionellem Wärmeerzeuger und Wärmepumpe sowie der geforderten Vorlauftemperatur den Zuschaltpunkt des zweiten Wärmeerzeugers festlegt. Hier kann zwischen mehreren Regelstrategien gewählt werden:

Kostenoptimierte Betriebsweise: In Abhängigkeit der notwendigen errechneten Vorlauftemperatur und der Leistungszahl COP (Coefficient of Performance) des Wärmepumpenanteils wird auf Basis des Gas- beziehungsweise Öl- oder Strompreises ermittelt, ob der reine Wärmepumpenbetrieb, der Parallelbetrieb oder der alternative Betrieb des konventionellen Wärmeerzeugers für eine kostenoptimierte Betriebsweise am besten geeignet ist. CO2-optimierte Betriebsweise: In Abhängigkeit der notwendigen errechneten Vorlauftemperatur und des COPs des Wärmepumpenanteils wird auf Basis des Primärenergiefaktors ermittelt, ob für die maximale CO2-Einsparung der reine Wärmepumpenbetrieb, der Parallelbetrieb oder der alternative Betrieb des konventionellen Wärmeerzeugers am besten geeignet ist. Einstellung eines festen Bivalenzpunktes: In Abhängigkeit der Außentemperatur (Bivalenzpunkt) wird die Freigabe des konventionellen Wärmeerzeugers festgelegt. Je nach Einstellungen kann dann zwischen dem bivalent-parallelen oder dem bivalent-alternativen Betrieb gewählt werden.

Das Hybridsystem von Buderus ist eine Kombination aus einem EMS-Wärmeerzeuger (Energie-Management-System) mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einer Nennleistung von 4,7kW bei A7/W35 auf Basis der Inverter-Technologie. Bei der Inverter- oder Split-Technologie befindet sich der Kältekreislauf nicht wie bei konventionellen Wärmepumpen in einem Gehäuse innerhalb der Wärmepumpe, sondern die Wärmepumpe besteht aus Außen- und Innenmodul.

Außenmodul und Inneneinheit

Das Wärmepumpen-Außenmodul entzieht der Luft die Umweltenergie, die im Kältekreislauf auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird. Über den Verflüssiger gelangt die Energie im Innenmodul an das Heizsystem. Im Außenteil befindet sich der Verdampfer, die Verbindung zum Verflüssiger/Kondensator im Innenteil erfolgt über eine Kältemittelleitung. Ein weiterer Unterschied der Inverter-Technologie zu konventionellen Luft/Wasser-Wärmepumpen ist, dass sich die Verdichterdrehzahl und die Ventilatorstufen dem jeweils benötigten Wärmebedarf anpassen.

Die hydraulische Einbindung der Inneneinheit erfolgt über den Rücklauf des Systems. Zur Effizienzsteigerung sollte ein 120-Liter-Pufferspeicher je nach Hydraulik des Heizsystems als Reihen- oder Parallelpuffer installiert werden. Die Abtauung des Wärmepumpenkreises erfolgt über Kreislaufumkehr, das Heizsystem liefert die dafür notwendige Energie. Bei Hydrauliken mit Reihenpuffer ist ein Überströmventil erforderlich. Reicht die vorhandene Energie im Heizsystem zur Abtauung nicht aus, unterstützt der EMS-Wärmeerzeuger den Prozess.

Energiekosten und CO 2-Emissionen einsparen

Betrachtet man ein bestehendes Heizsystem mit einem vorhandenen Heizkessel, bei dem ein solches Hybridsystem mit bidirektionaler Kommunikation über eine übergeordnete Regelung eingesetzt wird, so sind deutliche Einsparungen möglich.

Bei einem Gebäude (Baujahr 1980) mit einer Wohnfläche von 150 Quadratmetern, welches bisher durch einen konventionellen Gas-Heizkessel beheizt wurde, können beispielsweise durch den Einsatz einer Logatherm WPLSH bis zu 35 Prozent Energiekosten eingespart werden. Die CO 2-Reduzierung liegt bei etwa 40 Prozent.

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