Die regeltechnische Einbindung von Wärmepumpen in die Systemtechnik

Die regeltechnische Einbindung von Wärmepumpen in die Systemtechnik

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Spätestens seit 2022 ist klar, dass der europäische Weg zur klimaneutralen, energieautarken Heiztechnik vor allem über die Wärmepumpe führen soll. Dass die Wärmepumpe zugleich auch für die Kühlung bestens geeignet ist, zum Beispiel bei der Verteilung über eine Flächenheizung, ist ein weiteres Plus.

Wärmepumpen arbeiten meist mit einer integrierten Regelung, die für den sicheren und effizienten Betrieb der Wärmepumpe sorgt. Die Kernfunktion besteht in der Regelung des Kompressors und einigen Schutzfunktionen, die zum Beispiel durch eine Abtaufunktion vor Frostschäden bewahren, oder Überdrücken vorbeugen.

Hochwertigere Wärmepumpenregler gehen in ihrem Funktionsumfang noch einige Schritte weiter. Sie regeln etwa die Speicherlade- oder Systempumpe, die ebenso einer Laufzeitoptimierung unterliegen wie schon der Kompressor. Bei Erdwärmepumpen bezieht sich diese Funktion dementsprechend auf die Solepumpe.

Wärmepumpenregler können zudem eine einfache Brauchwasserfunktion enthalten, das Management eines Elektroheizstabs für Lastspitzen übernehmen, oder eine Heizkreisfunktion für einfachere Standardsysteme mitregeln. Im besten Fall ist diese witterungsgeführt.

Infobox: Witterungsgeführte Heizkreisregelung

In den Anfängen der Heizungstechnik wurde die Temperatur des Heizkreisvorlaufs von der eingestellten Solltemperatur abhängig gemacht. Dieses einfache Regelprinzip hält sich teilweise hartnäckig, ist jedoch eher ineffizient und unkomfortabel, da es stets vom Heizbedarf für den Worst Case ausgeht. Da dies zu höheren Vorlauftemperaturen führt, ist dieses Prinzip per se nicht sonderlich geeignet für den Betrieb mit Wärmepumpen, die mit niedrigen Vorlauftemperaturen ihre Effizienzvorteile ausspielen können. Durch die hohen Vorlauftemperaturen führt außerdem schon eine kurze Öffnung der Ventile zum Überschwingen der Temperatur – die Räume werden überheizt.

Nachtkorrektur - Kennlinie auf Basis der Außentemperatur

Eine witterungsgeführte Heizkreisregelung basiert auf einer Kennlinie auf Basis der Außentemperatur. Hierfür ist die Steigung der Kurve, die Parallelverschiebungen für Tag-, Nacht- und Komfortbetrieb, sowie in manchen Fällen ein Splitpunkt für eine abgeknickte Kennlinie einstellbar. Eine witterungsgeführte Regelung passt somit die Vorlauftemperatur flexibel an das Wetter an und arbeitet daher energiesparender und temperaturstabiler.

Warum ein typischer Wärmepumpenregler trotzdem keine eierlegende Wollmilchsau ist

Gemäß der großen Bandbreite an Möglichkeiten variiert auch der tatsächliche Funktionsumfang verfügbarer Produkte deutlich. Nicht zuletzt leitet sich dieser auch davon ab, auf welchen Anwendungsfall oder Systemaufbau der Hersteller seine Regelung auslegt.

Geht er beispielsweise eher von einem monovalenten System aus, wird die Einbindung weiterer Energiequellen nur rudimentär mitgeregelt sein oder komplett außen vor gelassen. Ist die Wärmepumpe in einem weiteren Beispiel Bestandteil einer Kompakteinheit mit integriertem Warmwasserspeicher, desto eher ist von einer wirklich durchdachten Brauchwasserfunktion oder der vorkonfigurierten Einbindung eines elektrischen Thermoelements auszugehen. Und so weiter.

Der Stand der verbauten Technik ist auch von Land zu Land unterschiedlich. In Deutschland sind witterungsgeführte Heizungsregler inzwischen Standard – in mediterranen Regionen ist dafür die Aktivkühlung mitsamt Umschaltung zwischen heizen und kühlen schon besser etabliert. Im Süden dominiert die Luft-Wasser-Wärmepumpe, während die Regler für nordische Ländern eher auf Solewärmepumpen ausgelegt sind. Unterm Strich gehen Wärmepumpen häufig aus Preisgründen eher mit einem einfachen Regler an den Start, der die Grundfunktionalität für Standardfälle bestens erfüllt.

Aber was, wenn es sich nicht um einen solchen Standardfall handelt? Schließlich ist die Heizungstechnik durch die Nachrüstung geprägt. Im Feld finden sich daher die unterschiedlichsten Kombinationen, Anlagenkonzepte und manchmal auch Verrücktheiten. Kein Wunder, denn die meisten Heizsysteme sind wie ein Flickenteppich über Jahrzehnte stückweise zusammengesetzt worden. Da ist Flexibilität gefragt, die sich auch über externe Zusatzmodule gut aufrüsten lässt.

 

Der Bivalenzpunkt in Systemen mit mehreren Wärmequellen

Über die Vereinigung der zuvor beschriebenen Funktionen hinaus können moderne Systemregler diverse weitere Funktionen übernehmen. Bei Hybridsystemen mit mehreren Wärmequellen, wie etwa Gas und Wärmepumpe, spielt die Bivalenztemperatur eine wichtige Rolle. Mittels einstellbarem Bivalenzpunkt wird für das optimale Timing des hinzu- oder wegschalten der Zweitquelle gesorgt. Oder falls möglich auch deren Modulation.

Zunächst kann für die Wärmepumpe eine minimale Außentemperatur festgelegt werden, unter der sie deaktiviert werden soll. Die Beheizung obliegt dann ausschließlich der Zweitquelle. Dies ist sinnvoll, weil bei kalter Witterung der Wirkungsgrad der Wärmepumpe sinkt.

Die Bivalenztemperatur definiert den Punkt, ab dem eine Zweitquelle zur Wärmepumpe hinzugeschaltet werden soll. Im Bereich zwischen minimaler Außentemperatur und Bivalenztemperatur arbeiten somit beide Wärmeerzeuger parallel. Oberhalb der Bivalenztemperatur schaltet die Zweitquelle ab.

Wenn jedoch über einen längeren Zeitraum die nötige Heizleistung allein durch die Wärmepumpe nicht erreicht wird, könnte ebenfalls die Zweitquelle zugeschaltet werden. Die Wärmepumpe läuft dann zunächst alleine, bevor die Zweitquelle nach einer Zeitverzögerung hinzukommt. Durch dieses Prinzip wird eine höhere Betriebssicherheit gewährleistet, wenn beispielsweise hohe Solltemperaturen gefordert sind oder eine hohe Wärmeabnahme auftritt. Nachteilig könnte hingegen sein, dass sich Kunden aus fehlendem Systemverständnis über den gleichzeitigen Betrieb von Wärmepumpe und Zweitquelle wie Gasbrenner oder Elektro-Heizstab beschweren.

In der Kombination der Wärmepumpe mit Solarthermie ist zudem ein Sparbetrieb sinnvoll. Wenn die solarthermische Anlage aktiv ist, kann die Wärmepumpe wahlweise abgeschaltet oder abgesenkt werden, damit die Solarthermie umso effizienter arbeiten kann.

Wärmepumpen und das Brauchwasser

Die Trinkwassererwärmung ist traditionell eher ein Schwachpunkt von Wärmepumpensystemen, da die höheren Temperaturen die Effizienz der Wärmepumpe mindern. Die Brauchwasserfunktionen in Wärmepumpenreglern sind daher oft recht einfach gehalten und könnten ebenfalls um nützliche Funktionen erweitert werden. Hierzu gehört das Lademanagement des Warmwasserspeichers, bei dem unterschiedliche Sollwerte in unterschiedlichen Zeitbereichen regelbar sein sollten. Auch die Unterstützung von Mehrspeichersystemen durch das Mitregeln der Speicherumladung schafft zusätzliche Flexibilität.

Ein weiteres Beispiel ist eine Legionellenschaltung zugunsten der Trinkwasserhygiene. Wenn die Systemtechnik aus einer Hand geregelt wird, kann diese hierfür die Wärmepumpe oder auch weitere Energiequellen einschalten, um eine thermische Desinfektion vorzunehmen. Durch integrierte Loggingfunktionen oder die Anbindung an Cloudserver können diese für kommerzielle Anlagen auch aufgezeichnet und somit nachgewiesen werden.

 

Wie steuert der Heizungsregler die Wärmepumpe an?

Wo ein externer Systemregler zum Einsatz kommt, ist die Schnittstelle zur Ansteuerung der Wärmepumpe zu klären. Im einfachsten Fall besteht diese aus einem potenzialfreien Relaiskontakt, über den eine Energieanforderung an die Wärmepumpe geschaltet wird. Die Modulation verbleibt hierbei im Aufgabenbereich der Wärmepumpe. Hierdurch wird die Effizienz erhöht und Komponenten wie der Kompressor geschont.

Eine zweite Möglichkeit ist ein 0-10V Signal, womit auch die Temperaturanforderung durch den externen Heizkreisregler erfolgen kann. Dieser errechnet die benötigte Solltemperatur von Heizkreisvorlauf oder Brauchwasser und übermittelt das entsprechende Signal an die Wärmepumpe. 5V könnten hierbei herstellerabhängig einer Solltemperatur von 50°C entsprechen, 6V für 60°C usw. Diese Modulation von außen verfolgt ebenfalls das Ziel der Laufzeitoptimierung, so dass zu häufigem Starten der Wärmepumpe vorgebeugt wird.

Der dritte Weg geht über eine digitale Schnittstelle wie den Modbus. Diese ist zwar die aufwändigste Option, bietet aber nicht zuletzt durch die bidirektionale Kommunikation viele Vorteile. Hierzu gehört sicherlich die Möglichkeit zum Anlagenmonitoring bis hin zur Fernkonfiguration wesentlicher Parameter der Wärmepumpe wie etwa den Soll-Temperaturen und der Leistung. Welche weiteren Vorteile die Konnektivität bietet, erforscht der Artikel ‘Wie die Konnektivität die Heizungsindustrie von morgen prägt’. Welche Besonderheiten sich hierbei für die Produktentwicklung ergeben, erläutert der Artikel ‘8 Herausforderungen an die Produktentwicklung vernetzter Heiztechnik‘.

 

Die Verbindung mit Photovoltaik und Stromnetz

Neben der Wärmepumpe spielt auch die Photovoltaik eine zentrale Rolle für den Energiemix von morgen. Da sich beide Technologien ideal ergänzen, indem die Wärmepumpe durch selbst erzeugten PV-Strom betrieben wird, haben sie das Zeug zum Klassiker der Zukunft.

Während das Smart Grid schrittweise zur Realität wird, ergeben sich hieraus neue Anforderungen und Potenziale für die Wärmepumpenregelung. Ein Sensoreingang kann hier auf Kurzschluss eines PV-Kontaktes überwacht werden. Dieser könnte die Wärmepumpe in einen Komfortmodus versetzen, der zur Nutzung des Stroms eine höhere Solltemperatur anstrebt.

Mit einer zweiten Klemme kann eine Möglichkeit zur Einflussnahme durch den Energieversorger vorgesehen werden. Beide Eingänge werden hierbei auf offene Klemme (0) oder Kurzschluss (1) überwacht, so dass sich vier Betriebsarten kombinieren lassen:

0:0Zwangsabschaltung durch den Versorger. Der Heizkreis wird mit Ausnahme von Schutzfunktionen wie dem Frostschutz ausgeschaltet.
1:0Absenkbetrieb, um bei Stromengpässen oder hohen Strompreisen durch eine Temperaturreduzierung Energie zu sparen
0:1Normalbetrieb anhand eingestellter Zeitprogramme und Solltemperaturen
1:1Komfortanhebung zur Nutzung von günstigen Strompreisen oder um durch zusätzliche Abnahme das Stromnetz zu entlasten.

Besonders interessant ist die Nutzung von Stromüberschüssen bei Systemen mit Pufferspeicher, da dieser die zusätzliche Energie einfach aufnehmen und später davon zehren kann. Ein Pufferspeicher kann somit ein ähnliches Wirkprinzip erfüllen wie ein elektrischer Batteriespeicher und hat hierbei durchaus energetische, wirtschaftliche und ökologische Vorteile. Nachteilig ist der tendenziell geringere COP der Wärmepumpe bei höherer Speichertemperatur, der für die Verwendung von Stromüberschüssen jedoch nachrangig ist.

Infobox: Power-to-Heat

Die Nutzung von elektrischer Energie zur Wärmeerzeugung wird auch Power-to-Heat oder P2H genannt. Durch den steigenden Einsatz variabler Stromerzeuger wie der Windkraft und Photovoltaik, mehren sich die Phasen, in denen die Stromproduktion die Nachfrage übersteigt. Statt diese einfach abzuregeln, bietet sich die Umwandlung von Strom in Wärme an. Diese kann durch effiziente Technologien wie die Wärmepumpe oder auch auf direktem Wege mit elektrischen Thermoelementen stattfinden. Power-to-Heat ist somit eine Facette der sogenannten Sektorenkopplung der Energiewirtschaft. Zur Erhöhung der Flexibilität werden in Power-to-Heat-Systemen häufig Wärmespeicher eingesetzt.

Die Wärmepumpe mit der Flächenheizung und -kühlung

Eine weitere Form der thermischen Speicherung von überschüssigem Photovoltaik-Strom lässt sich auch in Kombination mit einer Flächenheizung realisieren. Diese kann aus überschüssigem Photovoltaik-Strom über die Wärmepumpe erzeugte Mehrwärme im Gebäude verteilen und somit die Speicherkapazität der Gebäudesubstanz nutzen.

Bei der Einzelraumregelung von Flächenheizungen kann ebenfalls die Einbindung einer Wärmepumpe vorgesehen werden, welche die Betriebszeitenoptimierung der Wärmepumpe mitübernimmt. Hierzu gehören Mindestlaufzeiten, Pausenzeiten, Zeitverzögerungen wie etwa zwischen Kompressor und Speicherladepumpe, oder auch Nachlaufzeiten für einen effizienten und schonenden Wärmepumpenbetrieb. Die Ventile im Heizungsverteiler können beispielsweise so geregelt werden, dass sie erst nach einer angemessenen Wartezeit auffahren und dann lange genug geöffnet bleiben, um der Wärmepumpe die Erreichung ihrer Mindestlaufzeit zu ermöglichen.

Bei integrierten Wärmepumpenreglern wird zudem die Kombination aus heizen und kühlen oft nur rudimentär mitgeregelt. Ein zuverlässiges Taupunktmanagement wird hierbei oft vernachlässigt, indem beispielsweise nur eine Systemabschaltung über einen Rohranlegefühler am Vorlauf vorgesehen wird.

Wünschenswert gegenüber der pauschalen Systemabschaltung wäre eine Regelung der Vorlauf-Temperatur im Kühlbetrieb unter Berücksichtigung einer Taupunktberechnung, wodurch die Abschaltung oft umgangen werden kann. Ein weiterer Ansatz wäre ein zonenweise differenziertes Taupunktmanagement, damit die Wärmepumpe für ungefährdete Räume weiterarbeiten kann. Angesichts der steigenden Popularität solcher Multifunktionssysteme wird sicher eine zunehmende Funktionstiefe für die Kombination von Heizen und Kühlen zu beobachten sein.

Hier lesen Sie, wie gute Regelkonzepte für die Flächenkühlung aussehen könnten.

Christian Zänker

Über den Autor

Christian Zänker ist seit den neunziger Jahren technischer Leiter bei SOREL und hat somit rund 25 Jahre Praxiserfahrung in der Entwicklung von Temperaturreglern für die Heizungsindustrie.

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