In diesem Beitrag stelle ich euch die verschiedenen Betriebsweisen von Wärmepumpen vor. Dazu gehören die monovalente, die bivalente und die multivalente Betriebsweise. Welche Betriebsweise in welchem Fall angewendet wird, hängt zum großen Teil von der Wärmequelle, der Wärmepumpenart und den finanziellen Mitteln ab.

Monovalente Betriebsweise

Bei der monovalenten Betriebsweise (griechischen monos für „allein“ oder „einzig“) ist die Wärmepumpe das ganze Jahr für den gesamten Wärmebedarf eines Gebäudes zuständig. Das bedeutet, dass die Wärmepumpe ganzjährig eine Wärmequelle benötigt, welche eine relativ konstante Temperatur liefern kann. Für einen monovalenten Betrieb kommen also beispielsweise Grundwasserwärmepumpen, Erdwärmepumpen mit Sonden, Wärmepumpen, welche ganzjährig konstante Abwärme aus Industrieprozessen nutzen, oder Wärmepumpen mit entsprechend großen Speichern für Solar und Eis in Frage.

Abbildung 1: Monovalente Betriebsweise

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 (Abbildung 1) 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. Dazu jedoch mehr in der multivalenten Betriebsweise.

Bivalente Betriebsweise

Bei der bivalenten Betriebsweise (lat. Vorsilbe bi– für „zwei“) 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 stelle ich euch nun vor:

Bivalent-alternative Betriebsweise:

Abbildung 2: Bivalent-alternative Betriebsweise

Bei der bivalent-alternativen Betriebsweise (Abbildung 2) 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:

Abbildung 3: 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. In Abbildung 3 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

Abbildung 4: Bivalent-teilparallele Betriebsweise

Der bivalent-teilparallele Betrieb ist eine Mischung aus bivalent-paralleler- und bivalent-alternativer Betriebsweise (siehe Abbildung 4). 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.

Multivalente Betriebsweise

Bei der multivalenten Betriebsweise (lat. Vorsilbe multi für „viele“) sind mehrere technische Anlagen in Kombination mit einer Wärmepumpe für die Wärmeversorgung eines Gebäudes zuständig. Diese können aus konventionellen Wärmeerzeugern oder rein regenerativen Energiesystemen bestehen.

Hat man beispielsweise rein regenerative Komponenten installiert, könnte die multivalente Betriebsweise aus einer Wärmepumpe, einer Photovoltaikanlage, Solarkollektoren und einem Eisspeicher bestehen. Die Funktionsweise wäre folgende: Der Antrieb der Wärmepumpe kann mit photovoltaisch erzeugtem Strom gedeckt werden, wenn der PV-Ertrag zeitgleich mit dem Wärmepumpenbetrieb ist (ansonsten wird Strom aus dem Netz bezogen). Die Solarkollektoren versorgen einen Warmwasserspeicher sowie einen Eisspeicher mit Wärme und die Wärmepumpe würde ihre Wärme aus dem Eisspeicher beziehen.

Die multivalente Gebäudeenergieversorgung mit rein regenerativen Energien ist noch ein sehr junges Feld. Ziel dabei ist es, durch die Kombination von mehreren regenerativen Energiesystemen eine autarke Energieversorgung von Gebäuden zu erlangen.

Da es derzeit noch sehr schwierig ist, die Leistung solcher Systeme objektiv zu beurteilen, wurden vom Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart mehrere Feldtests zur Kombination von Wärmepumpen und Solaranlagen durchgeführt.Dazu findet ihr sehr interessante Ergebnisse und Informationen unter dem folgenden Link: Erfahrungen aus Feldtests WPSol. Die multivalente Energieversorgung mit rein regenerativen Energien wird in den nächsten Jahren noch interessante Ergebnisse liefern und möglicherweise einen enormen Beitrag zur Energiewende haben. Wir können gespannt bleiben.

Fazit

Nun habt ihr eine kleine Übersicht zu den möglichen Betriebsweisen von Wärmepumpen erhalten. Falls ihr noch Erweiterungsvorschläge, Fragen oder Kritik habt, könnt ihr gerne die Kommentarfunktion nutzen. Falls ihr noch nicht wisst, wie eine Wärmepumpe funktioniert und welche Einsatzmöglichkeiten Wärmepumpen haben, empfehle ich euch meine Beiträge zur Funktion einer Wärmepumpe und Wärmequellen für Wärmepumpen.

Liebe Grüße! Euer Martin

Weiterführende Links und Quellen:
Wikipedia – Wärmepumpen
Wikipedia – Wärmepumpenheizung
Solarbayer – Planungshilfe für Luft/ Wasser Wärmepumpen
IB Oertel – Außentemperatur/ Normaußentemperatur
ITW – Universität Stuttgart – WPSol
Handbuch der Gebäudetechnik – Planungsgrundlagen und Beispiele Band 2 Heizung/ Lüftung/ Energiesparen, Prof. Dipl.-Ing. Wolfram Pistohl, Architekt 7. Auflage, Werner Verlag, Köln 2009*