Dank moderner Regelungstechnik sind Hybridkombinationen zur Wärmeversorgung eines Gebäudes in jeder erdenklichen Form möglich. Sinnstiftend sind sie dann, wenn sie sich tatsächlich ergänzen. Die Kombination von Wärmepumpen, die die Grundlast abdecken, mit Brennwert in der Spitzenlast gehört definitiv dazu.
Aktuell ist noch ungewiss, welche Bestimmungen zum Einbau von neuen Heizungen im novellierten Gebäudeenergiegesetz (GEG) stehen bzw. welche Technologien im Detail dann noch realistisch möglich sein werden. Der Bundesrat hat in seiner Sitzung zum GEG-Entwurf das grundlegende Änderungspotenzial schon einmal angedeutet. So fordert er beispielsweise, den Stichtag, ab dem neue Heizungen mindestens zu 65 % Erneuerbare Energien nutzen müssen, um drei Jahre von 2024 auf 2027 zu verschieben. Das alles schafft Unsicherheiten bei den Herstellern, den Fachhandwerkern und auch beim Endkunden. Der BDH registriert seit Anfang des Jahres außerdem einen starken Nachfragezuwachs bei Gas- und Ölheizungen, was so von der Ampelkoalition sicher nicht beabsichtigt war.
Alternative zu monoenergetischen Systemen
Eine Alternative zu monoenergetischen Systemen und ein Ausweg aus der damit verbundenen Frage, welche davon noch Zukunft haben, bieten Hybridsysteme, bei denen eine Wärmepumpe als Grundlasterzeuger mit einem Gas- oder Ölbrennwert als Spitzenlastkessel kombiniert wird. Auf der diesjährigen ISH in Frankfurt hat BRÖTJE das Thema „Hybrid“ deutlich gezeigt und erklärt. Seither verzeichnen wir eine deutlich höhere Nachfrage. Mit Hybrid-Technik bietet BRÖTJE Systeme an, die nicht nur flexibel sind, sondern die auch die kommende 65-Prozent-Vorgabe erfüllen. Zugleich ist die Kombination aus „kleiner“ Wärmepumpe plus Gas- oder Ölkessel oft günstiger als die „große“ Wärmepumpenlösung, denn bei einer solchen Anlage werden häufig auch erhebliche Kosten für Anpassungen bei der Wärmeverteilung notwendig. Anders ausgedrückt: Bei Grundlast-Wärmepumpen sind die vorhandenen Heizkörper schon groß genug. Wenn hohe Leistungen benötigt werden, sind die Heizkörper ebenfalls groß genug, da dann das Brennwertgerät hohe Temperaturen liefern kann. Eine Erweiterung des Wärmeverteilungssystems ist gegebenenfalls nicht nötig, und die eingesparten Investitionskosten können in die energetische Ertüchtigung des Gebäudes gesteckt werden.
Fachleute wissen außerdem, dass nicht jedes Bestandsgebäude ideal für die Wärmepumpe geeignet ist. Viele Gebäude haben nahe der Auslegungstemperatur eine Vorlauftemperatur, die so hoch ist, dass eine Wärmepumpe unter Umständen diese nicht oder nur sehr ineffizient bereitstellen kann. Der Brennwertkessel übernimmt die Spitzenlast, bevor die Effizienz der Wärmepumpe schlechter wird. In Mehrfamilienhäusern, bei denen das Thema Trinkwasserhygiene besonders wichtig ist, übernimmt der Kessel Sommer wie Winter die Trinkwassererwärmung. Hier ist der Brennwertkessel bei den hohen Vorlauftemperaturen in der Regel im Vorteil.
Konzeption der Heizlast
In einer Hybridanlage sollte das Brennwertgerät immer 100 % der Heizlast decken. Für die Wärmepumpe macht dann ein zusätzlicher Leistungsanteil von ca. 30 bis 50 % Sinn. Der Vorteil an einer solchen Konstellation ist, dass die Wärmepumpe die Grundlast trägt und das Brennwertgerät die Spitzenlast. Wenn die Wärmepumpe nicht mehr effizient arbeiten kann, deckt der Kessel 100 % des Bedarfs. Wird zu einem späteren Zeitpunkt das Gebäude saniert beziehungsweise reduziert sich der Wärmebedarf, sinkt die Heizlast und die Wärmepumpe kann einen größeren Teil der Heizarbeit leisten. Der Wärmepumpen-Anteil vergrößert sich also mit jeder Sanierungsmaßnahme und möglicherweise wird irgendwann der Spitzenlastkessel überflüssig.
Aufbau der Regelung
Wie sieht bei einer solchen Kombination von Wärmeerzeugern das Regelungskonzept aus? Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, die Anlage zu betreiben. Bis zum gewählten Bivalenzpunkt arbeitet die Wärmepumpe alleine. Die Wahl des Bivalenzpunktes erfolgt anhand der Kriterien „CO2-optimiert“ und „energiekostenoptimiert“. Beim Erreichen des Bivalenzpunktes wird die Wärmepumpe ab- und das Brennwertgerät zugeschaltet.
BRÖTJE Wärmepumpen und die meisten Brennwertgeräte verfügen über eine einheitliche Architektur des Regelungssystems. Alle Wärmeerzeuger werden mit IWR-Reglern über einen gemeinsamen BUS verbunden und können so ideal gesteuert werden. So ist sichergestellt, dass sich auch das Brennwertgerät im optimalen Betriebspunkt zuschaltet (Temperatur und Leistung abgestimmt). Ein „Klick-Klack-Betrieb“ (Ein-/Ausschaltsignal) ist hier nicht in der Lage, eine Leistungs- oder Temperaturvorgabe zu erfüllen und damit eventuell die Effizienz der Anlage zu reduzieren.
Bei Hybridanlagen übernimmt im Normalfall die Wärmepumpen-Regelung die Funktion des Führungswärmeerzeugers. Die Bedienung der Anlage erfolgt dann über das Bedienteil der Wärmepumpe. In der zweiten Jahreshälfte wird BRÖTJE allerdings die neue „Inneneinheit“ Kit 65 einführen. Damit lässt sich das Bedienteil des Kessels zur Bedienung der Anlage nutzen. Kit 65 und Brennwertgerät sind so aufeinander abgestimmt, dass alle Regelungskomponenten über den gemeinsamen BUS kommunizieren und so kein weiteres Bedienteil in der Anlage notwendig ist.
Monitoring am Set
Sowohl die Regelung der Wärmepumpe als auch die des Brennwertgerätes können über Berechnungen ermitteln, wie viel Primärenergie verwendet und in Wärme gewandelt wurde. Die Ergebnisse lassen sich auf dem jeweiligen Bedienteil des Wärmeerzeugers ablesen. Noch übersichtlicher ist die Wärmebereitstellung in der BRÖTJE Home Komfort App dargestellt, die hierfür eine spezielle Ansicht bietet.
Natürlich kann auch die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe im bivalenten Betrieb ermittelt werden. Jedoch fehlt es hier noch am normierten Verfahren. Die bislang geltenden Normen VDI 4650 betrachten den Bivalenzpunkt lediglich bis zu einer Temperatur von +2 °C. Dies ist jedoch nicht für jedes Gebäude beziehungsweise jede Hybridanlage der ideale Bivalenzpunkt. Wenn sich die JAZ ausschließlich auf den Wärmepumpen-Anteil im Hybridsystem bezieht, kann diese sehr hoch sein. Der Wert bildet jedoch nicht zwingend den optimierten Betrieb des Hybridsystems ab.
Grundsätzlich ist es deshalb sehr empfehlenswert, während der Planung eine Simulation des Anlagenbetriebs durchzuführen. BRÖTJE bietet hierfür ein Berechnungstool für Fachhandwerker an, das die Abstimmung der Komponenten und die Planung der Anlage erlaubt und so eine sichere und fachgerechte Ausführung ermöglicht. Dies verschafft dem Fachhandwerker Planungssicherheit und dem Anlagenbetreiber eine Prognose des Energieverbrauchs.
Planung und Einbau in der Praxis
Wie sieht der Einbau konkret in der Praxis aus? Bei der hydraulischen Verschaltung der Anlage ist unbedingt darauf zu achten, dass Wärmepumpe und Brennwertgerät nicht ungeregelt mit einem gemeinsamen Puffer oder Speicherwasser-Erwärmer arbeiten. Außerdem sind Temperaturzonen, Mindesttemperaturen (TWE) und Schalthysteresen zu beachten. Anschlussleitungen der Wärmepumpe müssen ausreichend groß dimensioniert sein und auch in Hybridanlagen muss Energie zum Abtauen der Außeneinheit bereitgestellt werden können.
Die geeignete Hydraulik ist entscheidend für die optimale Verteilung der Anteile der jeweiligen Wärmeerzeuger am Heiz- und Warmwasserbedarf. Hier gibt es je nach Gebäudesituation unterschiedliche Konstellationen, die immer auf den Einzelfall gemünzt sind. BRÖTJE bietet hier dem Fachhandwerker entsprechende Planungstools sowie fachliches Know-how an. Bei nicht passender hydraulischer Verschaltung und mangelhaft eingestellter Regelung sind Fehler jedenfalls vorprogrammiert. Dazu zählen, dass gegebenenfalls die Wärmepumpe nicht effizient arbeitet, die Aufgabenverteilung/Anteile der jeweiligen Wärmeerzeuger ungünstig ist (z. B. arbeitet die Wärmepumpe oder der Kessel zu viel) oder viel getaktet wird, was u. a. zu einem schlechten Teillastbetrieb führt.
Beispielhafte Ergebnisse sind überzeugend
Die optimale Auslegung der Anlage und ihre Verschaltung nehmen damit zentralen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des ganzen Systems. Wirtschaftlichkeitsberechnungen stellen heute allerdings eine Herausforderung dar, da sowohl die Energiepreise als auch die Investitionskosten für Wärmepumpen und Hybridanlagen sehr volatil sind. Außerdem muss der Gebäudezustand berücksichtigt werden. Faktoren, die auf die Berechnung Einfluss nehmen, sind Energiepreise, Installationskosten, Materialkosten, die Gebäudeheizlast, der Gebäudezustand, Sanierungsplanungen (z. B. Dämmung) und natürlich das Nutzerverhalten.
Beispielhafte Berechnungsergebnisse per Simulation zeigen aber: Über die Kombination aus Wärmepumpe und Brennwertkessel zum Hybrid können für die Wärmepumpe Deckungsanteile von deutlich über 80 % erzielt werden. Das liegt weit über den gesetzgeberisch vorgesehenen 65 % Erneuerbare-Energien-Anteil im neuen GEG. Gas- und Öl-Brennwertkessel gehören also noch lange nicht zum „alten Eisen“. Sie stellen vielmehr eine sinnvolle Synergie-Option für Hybrid-Kombinationen mit Wärmepumpe dar, in der sich die Komponenten technisch tatsächlich hervorragend ergänzen. Dabei sind sie nicht auf den Bestandsbau beschränkt: Flexible Lösungen gibt es auch für den Neubau.
