Eine für alleNeues Hybrid-System mit nur einem Regelsystem kombiniert Wärmeerzeuger und Luft-/Wasser-Wärmepumpe auf Basis der Split-Technologie

Die Kombination von konventionellen Wärmeerzeugern und Wärmepumpen als bivalentes Heizsystem setzt eine optimale Abstimmung der einzelnen Komponenten aufeinander voraus. Deshalb hängt der ökonomische und ökologische Erfolg wesentlich von der Funktionalität und „Intelligenz“ der Regelegung ab.

Funktionsweise einer Wärmepumpe
Wärmepumpen – wie beispielhaft in Bild 1 dargestellt – funktionieren im Prinzip wie ein Kühlschrank – nur umgekehrt (Bild 2): Der Verdampfer (1) enthält ein flüssiges Arbeitsmittel, das sogenannte Kältemittel, mit sehr niedrigem Siedepunkt. Es hat eine niedrigere Temperatur als die Wärmequelle (zum Beispiel Erde, Luft, Wasser) und einen niedrigen Druck. Die Wärme strömt deshalb von der Wärmequelle an das Kältemittel. Dieses erwärmt sich dadurch bis über seinen Siedepunkt, verdampft und wird vom Kompressor (2) angesaugt. Der Kompressor verdichtet das verdampfte (gasförmige) Kältemittel auf hohen Druck, dadurch wird das gasförmige Kältemittel noch wärmer. Zusätzlich wird auch die Antriebsenergie in Wärme umgewandelt, die auf das Kältemittel übergeht. So erhöht sich die Temperatur des Kältemittels immer weiter, bis sie höher ist als von der Heizungsanlage benötigt.

Bild 2: Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Wärmepumpe mit Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil.

Bild 3: Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe mit Split-Technologie.

Sobald ein bestimmter Druck und die erforderliche Temperatur erreicht sind, strömt das Kältemittel weiter zum Kondensator (3). Dort gibt das heiße, gasförmige Kältemittel die Wärme, die es aus der Umgebung (Wärmequelle) und aus der Antriebsenergie des Kompressors aufgenommen hat, an die kältere Heizungsanlage (Wärmesenke) ab. Dabei sinkt die Temperatur des Kältemittels unter den Kondensationspunkt – es verflüssigt sich wieder, fließt zum Expansionsventil (4) und wird auf seinen Ausgangsdruck entspannt, bevor es wieder in den Verdampfer gelangt und erneut Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Der Kreislauf beginnt von vorne.

Split-Technologie auf dem Vormarsch
Bei konventionellen Wärmepumpen befindet sich der Kältekreislauf in einem Gehäuse innerhalb der Wärmepumpe. Neben dieser Bauform gewinnt im Bereich Luft-/Wasser-Wärmepumpen zur Außenaufstellung zunehmend die Inverter- bzw. Split-Technologie an Bedeutung mit einem Außen- und einem Innenmodul (Bild 3).
Das 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.

Bild 4: Bivalenzpunkte und Heizleistungskurven von Luft-/Wasser-Wärmepumpen mit 35 °C Vorlauftemperatur (schematische Darstellung).

Bild 5: Kennliniendiagramm einer Sole-/Wasser-Wärme­pumpe in Abhängigkeit der Sole- (JS) und
Vorlauftemperatur.

Monoenergetische und bivalente Betriebsweise
Bei der monoenergetischen Betriebsweise deckt die Wärmepumpe den Großteil der benötigten Heizleistung ab. An wenigen Tagen im Jahr mit sehr niedrigen Außentemperaturen ergänzt – insbesondere bei Luft-/Wasser-Wärmepumpen – ein elektrischer Heizstab die Wärmepumpe.
Bei der bivalenten Betriebsweise sind zwei Wärmeerzeuger eingebaut: Die Wärmepumpe deckt die Heizleistung bis zu einer ermittelten Grenztemperatur (Bivalenzpunkt, Bild 4) und wird dann durch einen zweiten Energieträger unterstützt. In der Einstellung der Regelung kann man festlegen, ob nach Erreichen der Grenztemperatur der konventionelle Wärmeerzeuger und die Wärmepumpe parallel arbeiten oder 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.
Im Temperaturbereich rechts des Bivalenzpunktes (Bild 4) kann der Wärmebedarf alleine von der Wärmepumpe gedeckt werden. Im Temperaturbereich links des Bivalenzpunktes wird zur Erreichung der benötigten Heizleistung ein zweiter Wärmeerzeuger freigegeben, der die Wärmepumpe unterstützt.
Zur Auswahl einer geeigneten Wärmepumpe wird in den Heizleistungskurven die Gebäudekennlinie „a“ eingetragen. Sie kann vereinfacht als Gerade zwischen der ermittelten erforderlichen Leistung am Normauslegungspunkt (in Bild 4 bei 12 kW/-16 °C) und einer Heizleistung von 0 kW 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 Wärmepumpen ist die Leistungszahl (COP – coefficient of performance) stark abhängig von der geforderten Vorlauftemperatur. In dem dargestellten Kennliniendiagramm (Bild 5) ist eine Sole-/Wasser-Wärmepumpe dargestellt. Bei Luft-/Wasser-Wärmepumpen ist die Steigerung noch deutlicher.

Bild 6: Funktionsschema eines Heizsystems mit einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe.

Diese beschriebenen Zusammenhänge lassen den Schluss zu, dass zu einer ökologisch und ökonomisch optimierten Systemauslegung und Regelungsstrategie ein flexibler, selbstadaptierender Bivalenzpunkt  in der Regelung notwendig ist, der in Abhängigkeit der benötigten Heizlast, der Quellentemperatur (Außentemperatur bei Luft-/Wasser-Wärmepumpen) und der geforderten Vorlauftemperatur den Zuschaltpunkt des zweiten Wärmeerzeugers festlegt. Bei den bisherigen bivalenten Systemen für die Nachrüstung ist dies noch nicht der Fall. Hier wird in Abhängigkeit des Bivalenzpunktes der zweite, konventionelle Wärmeerzeuger in der Regel über einen potenzialfreien Kontakt der Wärmepumpe gesperrt oder freigegeben.

Bild 7: Die Komponenten des Hybrid-Systems „Logatherm WPLSH 7“ (von links): „Logamax plus GB162“, „Logamatic RC35“, „Logatherm WHM“ (Inneneinheit) und „Logatherm WPLSH“-Außeneinheit.

Insbesondere im Bereich der Nachrüs­tung bestehender Heizsysteme ist mit einem flexiblen Bivalenzpunkt eine deutliche ökologische und ökonomische Effizienzsteigerung unter Berücksichtigung der erläuterten Faktoren Leistungszahl COP, Außentemperatur, Vorlauftemperatur und Anpassung der erzeugten Wärmeleistung an den Gebäudebedarf zu erzielen.
Bei der Planung und Kostenberechnung in bestehenden Gebäuden müssen zum Beispiel ein zweiter Stromzähler oder ein Pufferspeicher für die Abtauung von Luft-/Wasser-Wärmepumpen durch Kreislaufumkehr berücksichtigt werden. Nicht immer sind die erforderlichen Flächen vorhanden. Diesen Anforderungen zur ökologisch und ökonomisch optimierten Implementierung von Luft-/Wasser-Wärmepumpen in Heizsystemen begegnet Buderus mit der Entwicklung eines Wärmepumpen-Hybrid-Systems für den Ein- und Zweifamilienhausbereich. Eine entscheidende Rolle spielt die gemeinsame Regelung, die bidirektional mit der Wärmepumpe und dem zweiten Wärmeerzeuger kommuniziert.

Hybrid-System
Das Hybrid-System „Logatherm WPLSH 7“ ist eine Kombination eines EMS-Wärmeerzeugers (Energie Management System) mit einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe (7 kW Nennleistung) auf Basis der Inverter-Technologie. Dieses Hybrid-System kann in der Kombination einen Leistungsbereich bis 25 kW abdecken. Der entscheidende Unterschied zu den bisher bekannten bivalenten Systemen: Das Hybrid-System wird lediglich von einem Regelsystem, dem „EMS“-Regelsystem mit Bedieneinheit „Logamatic RC35“, gesteuert (Bild 7).

Hydraulische Einbindung über den Rücklauf
Die hydraulische Einbindung der Inneneinheit erfolgt über den Rücklauf des Systems. Im Regelfall wird kein Pufferspeicher zur Abtauung benötigt, dies ist ein weiterer Unterschied zu bekannten bivalenten Systemen (Bild 8). Die Abtauung des Wärmepumpenkreises erfolgt über Kreislaufumkehr, das Heizsystem liefert die dafür notwendige Energie. Deshalb ist auch der Einbau eines Überströmventils erforderlich. Reicht die vorhandene Energie im Heizsystem zur Abtauung nicht aus, unterstützt der „EMS“-Wärmeerzeuger den Prozess. Unabhängig davon kann auch ein Parallelpuffer installiert werden, der die notwendige Energie für die Abtauung bereitstellt. In diesem Fall wird der zweite Wärmeerzeuger von der übergeordneten Regelung nicht angefordert.

Bisher bekannte bivalente Systeme regeln die Freigabe des konventionellen Wärmeerzeugers über einen festzulegenden Bivalenzpunkt. Beim Hybrid-System „Logatherm WPLSH 7“ erfolgt die Zuschaltung des konventionellen Wärmeerzeugers über einen flexiblen Bivalenzpunkt. Hier kann zwischen mehreren Regelstrategien entschieden werden:
• 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.
• Kostenoptimierte Betriebsweise: In Abhängigkeit der notwendigen errechneten Vorlauftemperatur und des COPs des Wärmepumpenanteils wird auf Basis des Gas- bzw. 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.
• 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.

Bild 8: Darstellung der hydraulischen Einbindung der einzelnen Komponenten des neuen Buderus Hybrid-Systems.

Das Buderus-Hybrid-System besteht aus drei Hauptkomponenten:
• dem konventionellen „EMS“-Wärmeerzeuger,
• der im Gebäude montierten Inneneinheit und
• der im Freien aufgestellten Außeneinheit.
Betrachtet man ein bestehendes Heizsys­tem mit einem Gas-Heizkessel, bei dem ein Hybrid-System mit bidirektionaler Kommunikation über eine übergeordnete Regelung eingesetzt wird, so sind deutliche Einsparungen möglich. Bei einer angenommenen Auslegungstemperatur des Heizsystems von 55/45 °C und bei -12 °C Außentemperatur kann über dieses intelligente Regelsystem die Wärmepumpe eine Primärenergiebedarfs-Einsparung für das Heizsystem von bis zu 26 % erreichen. Somit reduzieren sich die Energiekosten um 16 % im Jahr. Die CO2-Einsparung gegenüber dem ursprünglichen Heizsystem liegt bei 22 %.

Fazit
In Bestandsgebäuden steckt ein sehr hohes Potenzial für die Nachrüstung von regenerativen Wärmeerzeugern. Durch die einfache hydraulische und kostenoptimierte Nachrüstung von Wärmepumpen-Hybridsystemen werden mit einer intelligenten bidirektionalen Regelung sowohl die Energiekosten als auch der CO2-Ausstoß deutlich gesenkt. Hybrid-Systeme nutzen die Stärken beider Wärmeerzeuger und Ener­gieträger optimal und kombinieren den Einsatz von fossilem Brennstoff und kos­tenfreier Umweltwärme bestmöglich. Sie stellen durch ihre intelligente Regelung eine höchstmögliche Systemeffizienz her. Deshalb sind die neuen Hybridsysteme die fortschrittlichste Energiesparlösung, weil sie die modernsten Technologien optimal in einem System verbinden.
Erstmalig wird dem SHK-Fachpublikum dieses Hybrid-System auf der ISH 2011 in Frankfurt vorgestellt. Der Buderusstand A 30 befindet sich in Halle 8.0.

Autor: Peter Kuhl, Produktmanager Wärmepumpen und Lüftung bei Bosch Thermotechnik GmbH (Buderus Deutschland, Wetzlar

Bilder: Buderus

www.buderus.de