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Hybridwärmepumpe

Der Begriff Hybridwärmepumpe wird mit drei völlig unterschiedlichen Bedeutungen verwendet, die in den folgenden Abschnitten erklärt werden.

Bivalentes Wärmepumpensystem

Es gibt bivalente Systeme für die Erzeugung von Wärme, die eine Wärmepumpe mit einer anderen Art von Wärmeerzeuger kombinieren, beispielsweise mit einem Heizkessel in Form eines Brennwertkessels. Ein solches System kann beispielsweise für eine Wärmepumpenheizung mit Warmwasserbereitung in einem kleinen oder auch großen Wohnhaus eingesetzt werden. Die Bezeichnung Hybridwärmepumpe ist in diesem Falle etwas unglücklich, da sie suggeriert, die Wärmepumpe selbst sei irgendwie hybrid, obwohl es sich um keinen besonderen Typ von Wärmepumpe handelt. Etwas klarer wäre die Bezeichnung hybrides Wärmepumpensystem.

In einem typischen Fall besteht eine solche Art von Hybridwärmepumpe aus einer elektrisch angetriebenen Luft/Wasser-Wärmepumpe und einem Erdgas-Brennwertkessel, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden. Die folgenden Überlegungen zeigen den Sinn dieser Kombination:

• Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe hat im Vergleich zu einer Sole/Wasser-Wärmepumpe den Vorteil, keine Erdwärmesonde oder eine ähnliche relativ aufwendig zu erstellende Wärmequelle zu benötigen; sie nutzt einfach die Außenluft. Dadurch sind die Investitionskosten deutlich geringer.

• Der Nachteil der Luft/Wasser-Wärmepumpe ist allerdings, dass sie gerade an den kältesten Tagen des Jahres, wo der Wärmebedarf für Heizungszwecke besonders hoch ist, nicht mehr effizient arbeiten kann; die Temperaturdifferenz zwischen der benötigten Vorlauftemperatur und der Temperatur der Wärmequelle (Außenluft) wird hierfür zu groß. Dieses Problem lässt sich nun dadurch lösen, dass in solchen Fällen der Heizkessel für die Wärmeerzeugung genutzt wird. Wegen der relativ niedrigen Anschaffungskosten eines Gasheizkessels kann auch die Kombination desselben mit einer kostengünstigen Wärmepumpe akzeptable Investitionskosten ermöglichen.

• Ein weiterer wichtiger Faktor ist, dass durch das bivalente Konzept die Wärmepumpe für eine deutlich niedrigere Wärmeleistung ausgelegt werden kann. Dies vermindert nicht nur die Kosten, sondern ermöglicht vor allem auch eine bessere Anpassung der Wärmepumpen-Leistung an den zu ausgedehnten Zeiten relativ geringen Wärmebedarf (z. B. für die Beheizung eines Gebäudes in der Übergangszeit). Dadurch kann die Wärmepumpe energieeffizienter arbeiten, d. h. mit höherer Leistungszahl und Jahresarbeitszahl. Unter Umständen profitiert die Effizienz auch von einer gezielten Optimierung der Wärmepumpe auf geringere Temperaturdifferenzen.

• Bei geeigneter Auslegung ist auch ein bivalent-paralleler Betrieb möglich, bei dem die Wärmepumpe auch an kalten Tagen einen gewissen Teil der benötigten Wärmeleistung liefert, und zwar auf einem etwas niedrigeren Temperaturniveau als der benötigten Vorlauftemperatur (z. B. 35 °C statt 45 °C). Der Brennwertkessel dient dann zur weiteren Erhöhung der Temperatur auf das benötigte Niveau. Die Wärmepumpe kann dann immer noch eine relativ gute Leistungszahl erzielen, da sie nicht mehr die hohe Vorlauftemperatur bereitstellen muss.

Eine geeignete Steuer- und Regeleinrichtung soll die beiden Wärmeerzeuger abhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen so einsetzen, dass eine optimale Wirtschaftlichkeit erzielt wird. Dieses Optimum kann energetisch definiert werden (beispielsweise als eine Minimierung des gesamten Primärenergieverbrauchs) oder auch finanziell auf der Basis der jeweiligen Kosten der Energieträger Erdgas und elektrische Energie. Im letzteren Fall könnten auch zeitabhängige Stromtarife (mit Hoch- und Niedertarif) berücksichtigt werden.

Für Verbraucher ist es von großer Bedeutung, dass ein solches Hybridsystem vom Hersteller komplett geliefert wird, mit gut aufeinander abgestimmten Komponenten und einer optimierten Steuerung. Ein solches System wäre nämlich nicht so einfach durch Kombination separat eingekaufter Komponenten zu realisieren.

Es sind auch andere Kombinationen von Wärmeerzeugern möglich. Beispielsweise kann eine Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einer Solarthermieanlage kombiniert werden. Hier könnte die Wärmepumpe den Wärmebedarf zu allen Zeiten decken, aber ihr Primärenergiebedarf wird durch die Nutzung solarer Wärme, soweit sie zur Verfügung steht, reduziert. Unter Umständen ist es auch möglich, bei niedrigem Strahlungsangebot die Sonnenkollektoren über die Wärmepumpe zu betreiben, d. h. auf abgesenktem Temperaturniveau; dies kann die Wärmeausbeute der Kollektoren erheblich erhöhen und die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe verbessern, da die Wärmepumpe dann im Jahresmittel eine etwas höhere Temperatur der Wärmequelle nutzen kann.

Welcher Anteil des jährlichen Wärmebedarfs von der Wärmepumpe gedeckt wird, hängt nicht nur von der Art der Anlage, sondern auch stark von den jeweiligen Umständen ab. Beispielsweise kann bei der Beheizung eines energetisch sanierten Gebäudes der Anteil der Wärmepumpe steigen, da dann oft eine niedrigere Vorlauftemperatur genügt.

Wärmepumpe mit auf zweierlei Arten arbeitendem Kältekreislauf

Es gibt Wärmepumpen, deren Kältekreislauf auf zwei verschiedene Arten betrieben werden kann:

• Die eine Möglichkeit ist der Betrieb als Kompressionswärmepumpe mit einem meist elektrisch angetriebenen Kompressor.
• Im anderen Fall erfolgt ein Betrieb als Absorptionswärmepumpe, bei der die Antriebsenergie in Form von Hochtemperaturwärme (beispielsweise von einem Heizkessel oder von Solarthermie) geliefert wird.

Die Auswahl der jeweiligen Betriebsart kann durch unterschiedliche Dinge beeinflusst werden. Der Betrieb als Kompressionswärmepumpe bietet sich an zu Zeiten, in denen kostengünstige elektrische Energie (etwa zu einem Schwachlasttarif) verfügbar ist und/oder wenn keine Hochtemperaturwärme zur Verfügung steht. Auch die Verhältnisse im öffentlichen Stromnetz können unter Umständen berücksichtigt werden; beispielsweise kann man den Betrieb als Kompressionswärmepumpe vermeiden in Zeiten, in denen die Kraftwerkskapazitäten knapp sind.

Im Prinzip könnte man statt einer Hybridwärmepumpe auch einfach eine Kompressionswärmepumpe und eine Absorptionswärmepumpe (also zwei separate Geräte) miteinander kombinieren. Die Investitionskosten für eine Hybridwärmepumpe können allerdings niedriger liegen, da ein wesentlicher Teil der Komponenten für beide Betriebsarten genutzt werden kann.

Hybride Wärmepumpen sind eher für größere Anlagen geeignet, beispielsweise zur Speisung von Fernwärme- oder Nahwärmenetzen oder zur Beheizung größerer Gebäude.

Wärmepumpen mit mehreren Wärmequellen

Es gibt Wärmepumpen, die zwei unterschiedliche Wärmequellen nutzen. Beispielsweise gibt es Geräte, die sowohl eine Erdwärmesonde als auch die Außenluft als Wärmequelle nutzen können – je nachdem, welche Wärmequelle momentan die höhere Temperatur bietet. Ein solches Gerät kann also je nach Bedingungen als Sole/Wasser-Wärmepumpe oder als Luft/Wasser-Wärmepumpe arbeiten. Da der Erdsonde so im Jahresmittel weniger Wärme entzogen wird, kann sie kleiner dimensioniert werden. Außerdem ist im Sommerbetrieb für die Warmwasserbereitung eine höhere Leistungszahl möglich, da die Außentemperatur dann deutlich höher liegt als die Temperatur des Erdreichs.

Siehe auch: Wärmepumpe, Luft/Wasser-Wärmepumpe, Wärmepumpenheizung, Warmwasser, Absorptionswärmepumpe, Kompressionswärmepumpe