Schon viele Berichte haben die korrekte Dimensionierung von Wärmepumpen zum Thema gehabt. Ein besonderer Aspekt zu diesem Themenfeld wird von Martin Bauer der als Produktmanager Wärmepumpen für die Wolf GmbH arbeitet in diesem Bericht für Sie herausgestellt.
Was bedeutet der Begriff modulierende Wärmepumpe?
Martin Bauer:
Die modulierende Wärmepumpe deckt stufenlos einen definierten Leistungsbereich ab. Bei moderaten Außentemperaturen in der Übergangszeit arbeitet sie bedarfsgerecht bei geringerer Modulation (mit niedriger Drehzahl) und steigert ihre Leistung bei sinkenden Außentemperaturen oder kurzfristigen Bedarfsschwankungen dynamisch. Damit unterscheiden sich modulierende Wärmepumpen von Ihren Vorgängern mit konstanter Drehzahl, die nur zwischen den Betriebszuständen „an“ und „aus“ wechseln konnten.
Stellt man sich für beide Typen eine Leistungskurve vor, erinnert die von den älteren Modellen (durch den Wechsel von An- und Ausschaltphasen) deutlich an ein Sägeblatt. Die Arbeitskurve einer modulierenden Wärmepumpe ist dagegen eine Linie, weil sie kontinuierlich arbeitet, bzw. der Verdichter seine Drehzahl stufenlos an den jeweiligen Heiz- und Warmwasserbedarf anpasst. Dadurch können die leistungsgeregelten Wärmepumpen bei niedriger Heizlast im optimalen Leistungsbereich mit hoher Laufruhe arbeiten und ebenso bei kälteren Außentemperaturen wirtschaftlich das Warmwasser erhitzen. Unmittelbar nachvollziehbar ist dies durch eine hohe Jahresarbeitszahl (JAZ), einen niedrigen Stromverbrauch und geringe Schallwerte.
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Was passiert, wenn eine Wärmepumpe zu groß ausgelegt wird?
Martin Bauer:
Wärmepumpen arbeiten am wirtschaftlichsten, wenn sie im modulierenden Betrieb bereits warme Außentemperaturen (im Teillastbetrieb) nutzen können. Das sind Außentemperaturen ab ca. +5 °C oder auch wärmer, bei denen ein Gebäude beheizt werden muss. Eine zu große Wärmepumpe kann die vergleichbare Wärmemenge nur bereitstellen, indem sie taktet, also wie ein Auto im Stau immer wieder kurz anhält, und für ein paar Meter anfährt. Sie liefert besonders in der Übergangszeit schnell zu hohe Wärmemengen, so dass sie dann sofort wieder abschalten muss. Damit ist diese Betriebsweise mit der einer „alten“ Wärmepumpe mit konstanter Drehzahl vergleichbar.
Eine hohe Taktfrequenz belastet unnötig die einzelnen Bauteile des Kältekreislaufs und erzeugt abwechselnde Phasen von Unterkühlung und Überhitzung. Damit erreicht sie im Gebäude eine reduzierte thermische Behaglichkeit. Zudem ist ein Takt-Betrieb durch das häufige Anfahren nicht energieeffizient.
Wenn der Ertrag einer Photovoltaikanlage genutzt werden soll, um die Wärmepumpe mit Eigenstrom zu versorgen, kann sie eine taktende Wärmepumpe nur intervallweise versorgen. Damit wird das große Autarkie-Potenzial der Übergangszeit geradezu „verschenkt“.
Eine zu große Wärmepumpe arbeitet bei gegebener Heizlast im Vergleich zu kleineren Geräten effizienter bei tiefen Temperaturen. Diese treten im Jahresverlauf jedoch seltener auf.
Welche Rolle spielen die Temperaturen vor der eigenen Haustür bei der Auslegung?
Martin Bauer:
Die Frage nach den Außentemperaturen muss man aus zwei Blickwinkeln betrachten. Zum einen gibt es regionale Unterschiede, die prinzipiell jedem bekannt sind: Zum Beispiel die eher sehr milden Winter im Rheingraben oder „richtige“ Winter im Erzgebirge. Zum anderen muss man sich fragen, wie oft im Jahr die besonders tiefen Temperaturen lokal tatsächlich erreicht werden.
Für beide Fragestellungen liegen deutschlandweit sehr gute statistische Daten vor: Beispielsweise gibt es online vom Bundesverband Wärmepumpe bwp (https://www.waermepumpe.de/normentechnik/klimakarte) eine Postleitzahlen-genaue Deutschlandkarte, welche auf der Basis der Daten des Deutschen Wetterdienstes die Normaußentemperaturen abbildet. Das sind die tiefsten gemessenen Temperaturen, die jeweils an drei aufeinanderfolgenden Tagen erreicht wurden. Anhand dieser Temperaturen wird üblicherweise eine Heizung ausgelegt. Die Heizung soll schließlich in der Lage sein, auch an diesen besonders kalten Temperaturen das Haus zu beheizen.
Und jetzt kommt mit Blick auf die Jahrestemperaturen der zweite Aspekt ins Spiel: Diese besonders niedrigen Temperaturen werden pro Jahr innerhalb weniger Stunden erreicht. Dies zeigen standortgenaue Temperaturverteilungskurven – die ebenfalls auf der Website des bwp zu finden sind. In Mainburg werden z. B. minus 10 °C (oder kälter) nur an 71,1 Stunden und +2 °C (oder kälter) werden an 2.023,4 Stunden erreicht. Und nur an den wenigen besonders kalten Stunden ergänzt ein Heizstab einer korrekt geplanten Wärmepumpe ihre Heizleistung.
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Was genau macht der Heizstab?
Martin Bauer:
Der Modulationsbereich, also der Leistungsbereich einer Wärmepumpe hat baugrößenbedingt technische Grenzen. Sinkt also die Temperatur unter den Bivalenzpunkt (Leistungsmaximum der Wärmepumpe bei der Bivalenztemperatur der Außenluft), nimmt ihre maximale Leistung mit fallenden Temperaturen etwas ab. Bedingt durch den Wärmebedarf eines Hauses ergibt sich dann eine „Versorgungslücke“ zwischen der Wärmepumpenleistung und der gesamten Heizlast des Hauses. Diese wird mit Hilfe eines elektrischen Heizelements, dem sogenannten Heizstab ergänzt. Wie bereits gesagt, finden wir diese tiefen Temperaturen nur an sehr wenigen Stunden im Jahr vor.
Man muss also abwägen, dass es zwar im Winter Stunden mit Heizstab-Unterstützung geben kann, aber im Gegenzug die Wärmepumpe in der Übergangszeit bereits ab der Heizgrenztemperatur im effizienten Teillastbetrieb arbeiten kann. Eine zu große Wärmepumpe einzusetzen, mit dem Ziel, auf jeden Fall den Betrieb des Heizstabs zu vermeiden wird nämlich damit „erkauft“, dass die Wärmepumpe in der Übergangszeit bei einer sehr hohen Betriebsstundenzahl im ineffizienten und verschleißfördernden Taktbetrieb arbeiten muss.
Wie wirken sich eine optimale Auslegung und Betriebsweise aus?
Martin Bauer:
Grundsätzlich muss das Ziel einer bedarfsgerechten Auslegung für eine modulierende Wärmepumpe sein, dass etwa 97 % der ganzjährigen Heizarbeit durch die Wärmepumpe gedeckt werden. Damit erreicht man ein Maximum an modulierenden (drehzahlgeregelten) Betriebsstunden des Kompressors und eine sehr gleichmäßige und bedarfsgerechte Beheizung eines Gebäudes. Diese Betriebsweise mit langen Laufzeiten im Teillastbetrieb ist höchst effizient, weil die Vorlauftemperaturen jeweils auf ein Minimum gesenkt werden können. Gleichzeitig werden die Komponenten des Kältekreislaufs geschont.
Darüber hinaus ist eine kleinere Baugröße in der Investition günstiger als eine große. Auch kann eine modulierende Wärmepumpe durch ihren kontinuierlichen, aber niedrigen Leistungsbedarf selbst erzeugten PV-Strom sehr effizient verbrauchen. In der Übergangszeit ist es damit tatsächlich möglich, energieautark zu heizen.
Bild: IBH
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Bild: Wolf GmbH
