Wärmepumpen in Hybridlösungen

Meist hilft eine Kombination von Wärmepumpen mit einer weiteren Wärmequelle – eben auch mit einer Gas-Brennwerttherme, dem großen Konkurrenten, um ein effizientes Gesamtsystem zu erreichen. Planerisch ist es dabei wichtig, die Energiepreise von Strom (für Wärmepumpen derzeit bei 0,18 bis 0,20 €/kWh) und Gas (etwa 0,06 €/kWh) ins Verhältnis zur Jahresarbeitszahl der Wärmpumpe zu setzen. Bei Luftwärmepumpen wird die in der Regel etwa 3 bis 3,5 betragen, bei Erdwärme- oder Wasser-Wärmepumpen 4 und höher. Von den Herstellern werden solche abgestimmten Systeme meist schon in Kombination angeboten, von Buderus etwa mit den „Logasys“-Hybrid-Systemlösungen mit Gas-Brennwertgerät und außenaufgestellter Luft-/Wasser-Heizungswärmepumpe. Sie gibt es sowohl mit einer Split-Luft-/Wasser-Wärmepumpe und Gas-Brennwertkessel als auch in Kombination von Gas-Brennwertkessel und Kompakt-Luft-/Wasser-Wärmepumpe. Ebenso gibt es ein „Logasys“-Hybridsystem bestehend aus Gas-Brennwertgerät und Trinkwasser-Wärmepumpe. All diese Systeme sind komplex. Buderus gibt deswegen darauf auch fünf Jahre Garantie.

Auch Viessmann bietet Kombinationen an. Die Leitungen der Wärmepumpen reichen dabei von 1,7 bis zu 2.000 kW Wärmeleis-tung. Nahezu alle lassen sich mit Viessmann-Brennwertkesseln auf Gas- oder Ölbasis zu bivalenten und hybriden Heizsystemen kombinieren. Einsatzgebiete sind entsprechend der Leistungsgrößen Ein- und Mehrfamilienhäuser, Gewerbe- und Industriebetriebe sowie kommunale Nahwärmenetze.

Haupteinsatzgebiete bleiben jedoch Ein- und Zwei­fa­mi­lien­häuser, insbesondere für die Installation von Luft-/Wasser-Wärmepumpen. „Denn bei ihnen kostet die Erschließung der Außenluft als Wärmequelle praktisch nichts“, erklärt Wolfgang Rogatty von Viessmann. Für diese Leistungsgröße ist der „Vitocaldens 222-F“ vorgesehen, ein Kompaktgerät mit integrierter Luft-/Wasser-Wärmepumpe in Split-Bauweise, integriertem Gas-Brennwertkessel und Ladespeicher. Die „Vitocal 250-S“ ist ebenfalls eine Luft-/Wasser-Wärmepumpe in Split-Bauweise, die speziell für den Hybridbetrieb konzipiert ist und wahlweise mit einem Gas- oder Öl-Heizkessel bis 30 kW Wärmeleistung kombiniert werden kann.

Bei den Anwendungen in Gewerbe, Industrie und Kommunen entscheide, so Wolfgang Rogatty, üblicherweise die verfügbare Wärmequelle wie Abwärme aus Produktionsprozessen oder aus kommunalen Abwassersystemen über die Art der Wärmepumpe.

Wann ist eine Kombination sinnvoll?

„Prinzipiell ist eine solche Kombination sinnvoll, wenn ein erheblicher Anteil der Wärmeversorgung mit regenerativer Ener­gie erfolgen soll, beispielsweise, um von fossilen Brennstoffen unabhängiger zu werden und den CO₂-Ausstoß zu reduzieren“, so Wolfgang Rogatty. Hybridsysteme seien ideal für Häuser geeignet, die erst in den kommenden Jahren energetisch saniert würden und derzeit noch hohe Systemtemperaturen benötigten.

„Je nach Anwendungsfall gibt es zwei typische Hybrid-Systemlösungen von Gas-Brennwertkessel und Wärmepumpe. Zuerst wäre das ein Gas-Brennwertkessel plus eine Warmwasser-Wärmepumpe. Diese Lösung ist dann sinnvoll, wenn ein preiswertes Heizsystem mit regenerativem Anteil für die Warmwasserbereitung zum Einsatz kommen soll“, erklärt Wolfgang Diebel, Leiter des Produktmarketings bei Buderus.

Dieses System ist auch dort, wo ein Einsatz von Solarthermie nicht möglich oder sinnvoll ist, eine gute Lösung. Die zweite Lösung besteht in einer Heizungswärmepumpe plus Gas-Brennwertkessel oder vorhandenem Gaskessel. Das ist dann sinnvoll, wenn ein regeneratives Heizsystem geplant ist, bei dem die Wärmepumpe alleine für Heiz- und Warmwasserbedarf oder die Heiz- und Warmwasser-Temperatur nicht ausreichend ist, aber die wesentliche Heizbedarfsabdeckung übernehmen soll. Der Gas-Brennwertkessel dient dann nur noch der Spitzenlastabdeckung.

Alternativ kann diese Hybridsystemlösung zum Einsatz kommen, wenn eine Wärmepumpe neu installiert wird und ein bestehender, noch funktionierender Gaskessel als Spitzenlastabdeckung beibehalten werden soll. Nach weiteren Gebäudesanierungsmaßnahmen kann dann in der Regel der Gaskessel entfallen und so ein monoenergetischer Wärmepumpenbetrieb erfolgen. Sinnvoll sind diese Hybridsysteme auch in Kombination mit einem Photovoltaiksystem und einem Energiemanagement.

„Hybride Gas-Brennwertkessel und Wärmepumpensysteme bieten sich überall dort an, wo regenerative Energienutzung gewünscht oder vorgeschrieben und für die Spitzenabdeckung von höheren Vorlauftemperaturen im Heizsystem Zusatzleistung erforderlich ist“, erklärt Wolfgang Diebel mit Bezug auf die Gasheizung. Das sei beispielsweise bei einem Heizsystem mit Auslegungstemperaturen 70/50 °C in Bestandsanlagen der Fall.

Gleiches gilt auch in Verbindung mit einer Warmwasser-Wärmepumpe bei erforderlichen Warmwassertemperaturen oder maximalen Aufheizzeiten, wobei die Grundlastabdeckung mit der Wärmepumpe regenerativ erfolgt und die Leistungsspitzen bei Warmwasser durch den Gas-Brennwertkessel abgedeckt werden. Im Regelfall kann die Wärmepumpe so 75 bis 80 % des Heizwärmebedarfs decken. Der Gas-Brennwertkessel deckt die restlichen 20 bis 25 % des Heizwärmebedarfs. Weiterhin kann ein solches Hybridsystem im Rahmen des Klimaschutzprogramms 2030 eine förderfähige Systemlösung für Bestandsanlagen sein (siehe Infokasten).

In diesen Gebäuden bietet es sich also an, im Rahmen einer schrittweisen Komplettsanierung zunächst den vorhandenen Wärmeerzeuger um ein Hybridsystem zu ergänzen oder zu ersetzen. Die Wärmepumpe übernimmt einen Teil der Wärmeversorgung und reduziert so den Verbrauch fossiler Energie. Mit den zu einem späteren Zeitpunkt erfolgenden Dämmmaßnahmen, etwa im Rahmen von ohnehin erforderlichen Instandhaltungsarbeiten an der Gebäudehülle, nimmt dann der Anteil der Hybrid-Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit mehr und mehr zu. So ist ein gleiten­der Übergang von fossilen zu erneuerbaren Energien möglich.

„Hybride Wärmepumpenlösungen sollten jedoch nicht mehr zum Einsatz kommen, wenn aufgrund der vorhandenen oder möglichen niedri­gen Systemtemperaturen mono­energetische Wärmepumpen ausreichen und eine hohe Ener­gie­effizienz bei optimierten Investitionskosten erzielt wird“, erklärt Wolfgang Diebel.

Richtig dimensionieren

„Bei der Dimensionierung der Wärmepumpe ist zu berücksichtigen, dass in bestehenden Heizungsanlagen der vorhandene Heizkessel üblicherweise für die gesamte erforderliche Heizlast ausgelegt ist“, so Rogatty weiter. Damit könne der Heizkessel als Spitzenlastkessel verwendet und die Leistung der Wärmepumpe geringer gewählt werden, was die Investitionskosten senke. Bei der bivalent-alternativen Betriebsweise übernimmt die Wärmepumpe bis zu einer bestimmten Außentemperatur, dem Bivalenzpunkt, allein die Beheizung. Dieser Punkt entspricht, in Abhängigkeit mit der Heizkennlinie des Heizkessels, einer bestimmten Vorlauftemperatur. Erst wenn aufgrund weitersinkender Außentemperaturen eine höhere Vorlauftemperatur gefordert ist, übernimmt der Heizkessel die Wärmeversorgung. Die Festlegung der im konkreten Einzelfall sinnvollen Wärmepumpenleistung erfolgt anhand der Leistungsdiagramme des Herstellers, wobei der Bivalenzpunkt häufig zwischen 0 und etwa –10 °C gewählt wird.

Wird die bivalent-parallele Betriebsweise gewählt, so wird die Heizleistung der Wärmepumpe üblicherweise auf etwa 50 bis 70 % der maximal erforderlichen Heizlast des Gebäudes ausgelegt. Der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit beträgt dann je nach Leistungscharakteristik des Geräts 75 bis über 90 %.

Splitgeräte bevorzugt

Für solche Kombinationen in Ein- und Zweifamilienhäusern kommen fast immer Splitgeräte zum Einsatz. „Split-Luft-/Wasser-Wärmepumpen kommen vorrangig zum Einsatz, da diese geringere Investitionskosten haben, und aufgrund der Kälteleitung eine einfachere Verlegung der Verbindungsleitung von Außeneinheit zu Inneneinheit im Modernisierungsfall möglich ist“, erklärt Wolfgang Diebel. Bezogen auf die Effizienz und CO₂-Reduzierung sind jedoch Kompakt-Luft-/Wasser-Wärmepumpen in dem Hybridsystem zu bevorzugen.

Bei Splitgeräten wird vor dem Gebäude ein Ventilator aufgestellt, in dem auch Verdampfer, Verdichter und Expansionsventil integriert sind. Im Gebäude dagegen befinden sich Verflüssiger, Regelung, Umwälzpumpe und Sicherheitstechnik. Der Grund liegt im Preis. Solche Geräte sind günstig im Vergleich zu anderen Technologien und durchaus mit den Kosten eines Gas-Brennwertkessels vergleichbar. Zudem bieten die Außen- und Inneneinheiten eine hohe Flexibilität bei der Aufstellung, denn die nicht sehr platzintensive Inneneinheit kann auch in Wohnräumen installiert werden.

Wann reicht allein die Wärmepumpe?

„Auf eine bivalente oder hybride Heizungsanlage kann verzichtet werden, wenn die Randbedingungen für die alleinige Beheizung des Gebäudes mit einer Wärmepumpe passen. Dazu zählen die maximale Heizlast des Gebäudes, die Systemtemperaturen des Heizsystems und gegebenenfalls die Art der Wärmeübertragung wie Fußbodenheizung und Heizkörper“, so Wolfgang Rogatty.

Wärmepumpe
für Warmwasser

Die Wärmepumpe kann grundsätzlich auch die Warmwasserbereitung übernehmen – ohne Spitzenlastkessel oder Frischwasserstationen. „Das gilt besonders dann, wenn der Strom für den Antrieb der Wärmepumpe von der eigenen Photovoltaikanlage stammt. So lassen sich der Eigenverbrauch des selbst erzeugten Stroms maximieren und die Kosten für hinzugekauften Strom reduzieren“, erläutert Wolfgang Rogatty. Im Hybridgerät „Vitocaldens 222-F“ etwa sind beide Wärmeerzeuger, also Wärmepumpe und Gas-Brennwertkessel, an der Trinkwassererwärmung beteiligt. Die Inneneinheit beinhaltet zwei Hocheffizienz-Umwälzpumpen, die Sekundärpumpe fördert das erwärmte Heizwasser in den Sekundärkreis. Die Speicherladepumpe fördert das Trinkwasser in den Speicher-Wassererwärmer. Mit dem eingebauten 3-Wege-Umschaltventil „Heizen/Trinkwassererwärmung“ wird zwischen Raumbeheizung und Trinkwassererwärmung umgeschaltet. Mit den beiden 3-Wege-Umschaltventilen „Brennwertmodul“ und „Bivalenzbetrieb“ wird in reinen Wärmepumpenbetrieb, reinen Brennwertbetrieb oder Bivalenzbetrieb geschaltet.

„Bei hohem kontinuierlichen Warmwasserbedarf macht es Sinn, die Trinkwassererwärmung auch effizient und regenerativ durch die Wärmepumpe zu decken“, fügt Wolfgang Diebel hinzu. In diesem Fall bedürfe es eines Wärmepumpe-Warmwasserspeichers mit großer Wärmeübertragungsfläche. Eine Spitzenabdeckung könne dann durch den Gas-Brennwertkessel erfolgen. Für optimierte Investitionskosten können mit dem Einsatz eines Standard-Warmwasserspeichers eine Basiserwärmung durch die Wärmepumpe und die wesentliche Trinkwassererwärmung durch den Brennwertkessel sichergestellt werden.

Heißgastechnologie: neue Wärmepumpen mit höherer Effizienz

Mit der „WPE-I H Premium“ wird Stiebel Eltron in diesen Tagen eine Inverter-Wärmepumpe auf den Markt bringen, die mit Heißgastechnologie arbeitet. Entwickelt wurde diese Lösung in Zusammenarbeit mit der schwedischen Stiebel-Eltron-Tochter Thermia.

Bei dieser Technologie wird das Heißgas, also das Kältemittel, im dampfförmigen und bereits verdichteten Zustand zur Wärme­gewinnung mittels eigenem Wärmeübertrager genutzt, und zwar direkt nach dem Verdichter. Denn hier ist die Temperatur besonders hoch, so dass diese Energie direkt in den oberen Bereich des Warmwasserspeichers gespeist werden kann.

Der Vorteil: Die Wärmepumpe kann gleichzeitig das Heizwasser, etwa für Flächenheizungen mit einer Temperatur von beispielsweise 40 °C und für Warmwasser mit 60 °C oder mehr, erzeugen. Ein getrenntes Aufbereiten mit Vorrang für die Warmwasserbereitung, wie sonst bei Wärmepumpen üblich, wird also selten nötig.

„Für dieses System wurde eine eigene Regelung mit neuem Algorithmus entwickelt“, so der bei Stiebel Eltron zuständige Produktmanager Alexander Sudermann. Um es zu nutzen, bedürfe es immer einer erhöhten Temperatur des Kältekreises, weswegen sich die Technologie bei größeren Anwendungen, insbesondere bei hohen Warmwasserbedarfen, eignet. Alexander Sudermann nennt dafür Mehrfamilien-Wohnhäuser oder Gewerbebauten. Das Heißgas könne ein Temperaturniveau von 80 bis 85 °C erreichen, so dass es sich hervorragend für die Warmwasserbereitung eigne.

Die Sole-/Wasser-Wärmepumpe wird in einem Leistungsbereich von 33, 44, 59 oder 87 kW gefertigt. Die ersten Bestellungen liegen vor. Die Auslieferung soll in Kürze erfolgen. Im Gegensatz zu anderen Lösungen, die auch die Heißgastechnologie nutzen, kombiniert Stiebel Eltron diese mit einer Inverter-Wärmepumpe.

Der COP entspricht in etwa dem der Vorgängermodelle, der SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) liegt nach Unternehmensangaben über 5. Das System eignet sich auch zur passiven sowie aktiven Kühlung und dient damit gleichzeitig der Erholung der Sole. Die Wärmepumpe ist zudem deutlich leiser als Vorgängermodelle und zusätzlich besonders schallgedämmt. Bis zu 16 Geräte können kaskadiert werden – ein Vorteil insbesondere für große Wohngebäude. Die Steuerung erfolgt über einen Farb-Touchscreen oder per App.