Wird im Rahmen einer nachhaltigen Heizungsmodernisierung die monovalente Betriebsweise einer Zentralheizungswärmepumpe geplant, steht die Optimierung der Wärmeübertragung an den Raum an erster Stelle. Nachdem der Wärmeschutz optimiert wurde, müssen der Heizwärmebedarf (nach DIN 4108/6) sowie die Norm-Heizlast (nach DIN EN 12 831) berechnet werden. Ein reduzierter Heizwärmebedarf hat eine überdimensionierte Heizungsanlage zur Folge. Im Rahmen der Bestandsaufnahme sind deshalb zunächst die Leistungsbereiche der bestehenden Heizkörper zu ermitteln und zu prüfen. In manchen Fällen kann es nun sein, dass bestehende Heizkörper mit einer flacheren Heizkennlinie (niedrigere Vorlauftemperatur) den „neuen“ Wärmebedarf abdecken können. Dennoch kann ein Austausch der Heizflächen und Ventile aus optischen und technischen Gründen sinnvoll sein.
Je niedriger die Vorlauftemperatur, desto effizienter das System
Grundsätzlich gilt für die Modernisierung: Je niedriger die notwendigen Vorlauftemperaturen sind, desto effizienter lassen sich Solar- und Umweltwärme sowie die Brennwerttechnik einsetzen. Zur Nutzung von Umweltwärme mittels Zentralheizungswärmepumpen ist eine maximale Vorlauftemperatur von 55 °C Grundvoraussetzung. Denn eine Zentralheizungswärmepumpe ist in ihrer typischen Funktionsweise eine Niedrigtemperaturheizungsanlage. Dieses Charaktermerkmal liegt im Arbeitsprozess der Nutzung von Umweltwärme selbst begründet. Denn je größer die Temperaturdifferenz zwischen Umweltwärme und Nutzwärme ist, desto größer ist der Arbeitsaufwand, der benötigt wird, um Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau zu komprimieren.
Im Bild 1 wird deutlich, dass bei einer zu überwindenden Temperaturdifferenz von 55 K die Leistungszahl unter 3,0 in den roten Bereich fällt. Dies entspricht einer außenluftgeführten Zentralheizungswärmepumpe an der Einsatzgrenze von 0°C Außenlufttemperatur und von max. 55 °C Bereitstellungstemperatur. Ist die notwendige Vorlauftemperatur, die der Verflüssiger der Wärmenutzungsanlage bereitstellen muss, höher als 55 °C, dann sinkt der Anteil an Umweltwärme sehr schnell unter 60 %. Gleichzeitig wird der Anteil der elektrischen Hilfsenergie entsprechend größer, wodurch sich die Nutzung der regenerativen Umweltwärme (beim derzeitigen Strom-Mix) reduziert.
Spezielle Anforderungen bei der Trinkwassererwärmung
Dennoch lassen sich viele Anwendungen zur Nutzung von Umweltwärme mit Wärmepumpen auch in bestehenden Gebäuden sehr effizient umsetzen. Voraussetzung hierfür ist allerdings eine umfassende Bestandsaufnahme als Basis für ein nachhaltiges Modernisierungskonzept und die objektbezogene Unterscheidung in den Anforderungen an den Heizwärmebedarf und Trink-Warmwasserbedarf, sowie die Nutzerbedürfnisse.
Die Trinkwassererwärmung ist vollkommen unabhängig vom energetischen Standard der Gebäudehülle. Sie ist einzig und allein abhängig von der Anzahl der Nutzer sowie von deren Bedürfnissen und Gewohnheiten. Vor allem in Mehrfamilienhäusern sind es die Stoßzeiten und Gleichzeitigkeitsfaktoren des Warmwasserbedarfs, die die Zentralheizungswärmepumpe an die Grenzen des Wärmekomforts führen. Dieses Problem kann durch eine entsprechende Bereitstellungstechnik nicht immer kompensiert werden. Die Anforderungen an die Trinkwassererwärmung sowie die Wahl der Wärmequelle entscheiden bei Gebäuden mit mehreren Wohneinheiten – neben der Vorlauftemperatur zur Wärmeübertragung an den Raum – über die Betriebsweise der Wärmepumpe.
In Ein- und Zweifamilienhäusern kann der Warmwasserbedarf durchaus ganzjährig monovalent von einer Warmwasser- als auch von einer Zentralheizungswärmepumpe abgedeckt werden.
Überschaubarer Anteil der elektrischen Direktheizung
Bei einer außenluftgeführten Wärmepumpe ist in der Regel keine monovalente Betriebsweise möglich, da der Bivalenzpunkt bei Außentemperaturen ab 0 °C gesetzt wird und ein zweiter Wärmeerzeuger zugeschaltet werden muss. Die monoenergetische Betriebsweise ist durch die Integration einer elektrischen Direktheizung die einfachste, aber nicht immer die glücklichste Variante, weil sie sowohl die Jahresarbeitszahl als auch die Aufwandszahl der Anlage negativ beeinflusst. Zudem gilt es grundsätzlich kritisch anzumerken, dass ein Elektro-Heizstab auch nicht dafür bestimmt ist, Planungs-, Installations- oder zu große Bereitstellungsdefizite auszugleichen. Bei einer monoenergetischen Betriebsweise muss der Anteil der elektrischen Direktheizung überschaubar bleiben und darf die Energiebilanz nicht wesentlich beeinflussen. Der Deckungsanteil einer elektrischen Widerstandsheizung sollte 10% nicht überschreiten. Ein weiteres Handicap von außenluftgeführten Wärmepumpen ist die Abtaufunktion des Verdampfers. Bei hoher Luftfeuchtigkeit kann Reifbildung und Vereisung am Verdampfer auftreten.
Bei Mehrfamilienhäusern und Wohnblöcken ist die Abdeckung des Warmwasserbedarfs auch innerhalb von Nutzungs-Stoßzeiten notwendig. Wärmekomfort und Gleichzeitigkeitsfaktoren verlangen schnelle Nachheizlasten bei der Bereitstellung von Trinkwarmwasser. In diesem Fall ist der Bivalenzpunkt vorlaufgesteuert und in Abhängigkeit der Speicherladezeit zu setzen, um den Wärmekomfort bei der Warmwasserbereitung sicher zu stellen. Diese Spitzenanforderung kann der klassische Elektroheizstab rein technisch keinesfalls leisten. Vielmehr bietet sich hierfür die Integration eines Verbrennungskessels (Brennwert, Stückholz- oder Pelletkessel) an.
Eine erdgekoppelte Anlage lässt sich grundsätzlich monovalent betreiben, wobei die Begrenzung der maximalen Vorlauftemperatur auf 55 °C sehr wichtig ist. Je nach Einsatzfall kann jedoch auch eine bivalente Betriebsweise erforderlich werden.
Systemlösungen mit bivalenten Betriebsweisen
Das Potenzial einer bivalenten Betriebsweise ist sehr groß, da es sich lediglich um die Abdeckung von Spitzenlasten handelt. Die Spitzenlast markiert den Moment der Auslegungstemperaturen für den Maximalfall der Bereitstellung und ist somit überschaubar. Erfahrungsgemäß sind Deckungsraten einer Zentralheizungswärmepumpe von 90 % in optimaler Betriebsweise möglich.
In der Modernisierungspraxis kann es im Einzelfall durchaus sinnvoll sein, den bestehenden Heizkessel – soweit möglich – als zweiten Wärmeerzeuger zur Abdeckung der Spitzenlasten (z. B. Warmwasserbereitung bei größeren Wohngebäuden) oder zur Unterstützung bei geringen Außenlufttemperaturen zu integrieren.
Die Kombination von unterschiedlichen Wärmeerzeugern bietet die Möglichkeit, die einzelnen Geräte entsprechend ihrer jeweils energetisch günstigsten Betriebsbereiche auszulegen (Jahres-Nutzungsgrad) und ins System einzubinden. Entsprechend der Festlegung des Bivalenzpunktes, der Einsatzgrenzen und der Anforderungen an die Heizungsanlage lassen sich drei bivalente Betriebsweisen unterscheiden: bivalent alternativ, bivalent parallel und bivalent teilparallel.
Durch den optimierten Einsatz bivalenter Betriebsweisen bei Wärmepumpen wird der Jahres-Nutzungsgrad einer Heizungsanlage wesentlich verbessert. Denn aufgrund der klimatischen Bedingungen in Deutschland laufen die meisten konventionellen Wärmeerzeuger nur an wenigen Tagen des Jahres auf ihrem optimalen Betriebspunkt. Die jeweils geeignete Betriebsweise muss immer entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Gebäudes sowie mit Blick auf die genutzte Wärmequelle und die Wärmenutzungsanlage gewählt werden.
Grundsätzlich gilt es zu berücksichtigen, dass der Bivalenzpunkt nicht immer außenluftgeführt sein muss, sondern auch Vorlauftemperatur geführt werden kann – und wenn es nur zur Erhaltung des Wärmekomforts bei der Bereitstellung von Trinkwarmwasser dient.
Der folgende Fahrplan kann dem Heizungsfachhandwerker dabei helfen, die Nutzung von Umweltwärme im Gebäudebestand erfolgreich zu realisieren:
- Detaillierte Bestandsaufnahme der vollständigen Heizungsanlage vor Ort
- Bewertung des Gebäudebestands bezüglich der vorhandenen Anlagentechnik
- Bewertung der Wärmeübertragung an den Raum (Optimierungspotenziale)
- Konzeption einer Optimierung bzw. Erneuerung; Investitions- und Betriebskostenvorschauen
- Planung und Dimensionierung der Wärmepumpenanlage (Simulationsverfahren)
- Qualitätssicherung durch Leistungsverzeichnisse; Prüfung, Dokumentation und Abnahme
- Definition der Gewährleistungsschnittstelle (Garantie- und Rechtssicherheit herstellen).
Weitere Informationen
Unser Autor Frank Hartmann ist Gas-Wasser-Installateur, Heizungs- und Lüftungsbauer, Elektroinstallateur und Energietechniker. Nach mehrjähriger Tätigkeit im Handwerk mit Schwerpunkt Erneuerbare Energien gründete er das „Forum Wohnenergie“ als Dienstleistungszentrum für energieeffizientes Bauen und Modernisieren; 97509 Zeilitzheim, Telefon (09381) 716831, Telefax (09381) 716330, http://www.forum-wohnenergie.de
