Leistungsgeregelte Wärmepumpen und Pufferspeicher effizient kombinieren

In der Praxis treten bei der Leistungsregelung von Wärmepumpen zwei wesentliche Probleme auf. Zum einen kann die Leistung der Wärmepumpe immer nur in einem eingeschränkten Bereich variiert werden. Je nach Typ liegt die untere Leistungsgrenze zwischen 20 und 50 % der Maximalleistung (bei gleichen Quellen- und Senkentemperaturen), daher kann das Takten mithilfe der Leistungsmodulation nur eingeschränkt reduziert werden. Zum anderen werden Wärmepumpen in der Praxis gern mit hydraulischen Pufferspeichern kombiniert, in der Annahme, dass zwei positive Maßnahmen sich in ihrer Wirkung addieren.

Hierbei wird aber das Problem der Informationsübertragung von der Last (benötigte Leistung) der Verbraucher an den Wärmeerzeuger übersehen. Denn nur wenn der Wärmeerzeuger weiß, welche Last die Verbraucher haben, kann er die exakte Wärmeleistung zur Verfügung stellen und möglichst taktarm arbeiten.

Der Einsatz von Pufferspeichern in den hydraulischen Übertragungssystemen verändert diese Informationsübertragung aber signifikant und schränkt damit die Leistungsregelung der Wärmeerzeuger unter Umständen massiv ein. Um ein Verständnis für diese Problematik zu schaffen, wird im Folgenden auf die Funktion der Leistungsregelung eingegangen.

Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Hydraulikschema einer Wärmepumpe mit mehreren Verbrauchern ohne Pufferspeicher zur Erläuterung der Leistungsregelung der Wärmepumpe.

Neben der leistungsgeregelten Wärmepumpe (Drehzahlregelung des Verdichters) verfügt die Anlage über Drosselventile zur Anpassung der Massenströme über die Verbraucher, eine (differenzdruckgeregelte) Umwälzpumpe sowie eine Überströmleitung zur Gewährleistung des von der Wärmepumpe benötigten Mindestmassenstroms. Da die Wärmepumpe keine Information über die Leistungsanforderungen der einzelnen Verbraucher hat, soll der Frage nachgegangen werden, wie ihre Leistungsregelung in der Praxis funktioniert:

• In Abhängigkeit von der Außentemperatur (und der Systemauslegung) erhält die Wärmepumpe eine Vorlauf-Solltemperatur vorgegeben. Hiermit können die Verbraucher ausreichend mit Heizleistung versorgt werden.
• Reduziert sich die Heizlast einzelner Räume (z. B. durch interne Lasten oder solare Einstrahlung), passen die Thermostatventile durch Drosselung des Massenstroms die Heizleistung so an, dass die Raumtemperatur konstant gehalten wird.
• Damit reduziert sich im vorliegenden Beispiel nicht nur der Massenstrom durch die Verbraucher, sondern zunächst (solange der Mindestmassenstrom nicht unterschritten wird) auch durch die Wärmepumpe. Aufgrund des reduzierten Massenstroms durch die Wärmepumpe würde sich ohne Anpassung der Heizleistung die Vorlauftemperatur erhöhen. Aber genau hier schreitet die Regelung der Wärmepumpe ein, die die Aufgabe hat, die Vorlauftemperatur konstant zu halten. Hierzu wird die Heizleistung der Wärmepumpe reduziert, indem die Verdichterdrehzahl heruntergefahren wird.
• Benötigen die Verbraucher mehr Heizleistung, weil die Raumtemperatur abfällt, öffnen die Thermostatventile und die differenzdruckgeregelte Pumpe erhöht den Massenstrom. Der ansteigende Massenstrom – auch durch die Wärmepumpe – würde zu einem Absinken der Wärmepumpen-Vorlauftemperatur führen. Die Regelung wirkt hier entgegen, indem sie die Wärmepumpen-Leistung durch eine Drehzahlerhöhung des Verdichters steigert.
• Strömt Vorlaufwasser über den Bypass in den Rücklauf, sei es zur Aufrechterhaltung des Mindestmassenstroms oder aufgrund eines unzureichend arbeitenden Ventils, fällt der Massenstrom über die Wärmepumpe zwar nicht ab, aber die Rücklauftemperatur an der Wärmepumpe steigt an. Auch in diesem Fall reagiert die Leistungsregelung der Wärmepumpe schnell, um einen Anstieg der Vorlauftemperatur zu vermeiden.

Innerhalb des Modulationsbereiches der Wärmepumpe kann das System die Leistung unmittelbar an die Erfordernisse anpassen. Erst wenn der Modulationsbereich unterschritten wird, kommt es zum Takten. Wird mit dem Ziel, die Takthäufigkeit bei Unterschreitung des Modulationsbereiches zu reduzieren, in obiges System nun ein Pufferspeicher parallel eingebunden (Bild 2), ändert sich die Situation der Leistungsregelung grundlegend.

2 - Hydraulikschema Wärmepumpe, Verbraucher mit parallel eingebundenem Pufferspeicher Bild: Alexander Floß/Michael Schaub

• Auch hier wird in Abhängigkeit von der Außentemperatur der Wärmepumpe eine Vorlauf-Solltemperatur vorgegeben.
• Reduziert sich die Heizlast einzelner Räume, passen auch hier die Thermostatventile durch Drosselung des Massenstroms die Heizleistung so an, dass die Raumtemperatur konstant gehalten wird.
• Damit reduziert sich zwar der Massenstrom durch die Verbraucherkreise. Aufgrund der hydraulischen Entkoppelung von Erzeuger- und Verbraucherseite durch den parallel eingebundenen Pufferspeicher (hydraulische Weiche) bleibt der Massenstrom durch die Wärmepumpe aber konstant. Unter der zunächst vereinfachten Annahme, dass auch die Rücklauftemperatur konstant bleibt, würde sich die Wärmepumpen-Vorlauftemperatur nicht ändern und die Regelung bekommt keinen Impuls, die Leistung nach unten an den aktuellen Verbrauch anzupassen.
• Infolge der sehr eingeschränkt funktionierenden Leistungsreduzierung wird der Pufferspeicher mit unnötig hoher Leistung beladen. Erst wenn der Pufferspeicher beladen ist, strömt unten aus dem Pufferspeicher warmes Wasser in den Rücklauf zur Wärmepumpe. Um ein Ansteigen der Vorlauftemperatur zu vermeiden, greift nun die Wärmepumpen-Regelung ein und mindert über eine Drehzahlreduzierung des Verdichters die Heizleistung.

Hierbei hat die Art und Weise, wie der Pufferspeicher gefüllt wird (geschichtet oder gemischt), einen großen Einfluss auf die Leistungsregelung. Beim ideal geschichteten Speicher (Wunsch) strömt erst warmes Wasser in den Rücklauf zur Wärmepumpe, wenn der Speicher voll ist. In der Praxis führt dies in der Regel zum unmittelbaren Abschalten der Wärmepumpe. Im Fall eines „ideal gemischten Speichers“ erhöht sich die Rücklauftemperatur langsam und die Wärmepumpe kann frühzeitiger die Leistung reduzieren.

• Die zuvor getroffene Annahme einer konstanten Rücklauftemperatur an der Wärmepumpe ist aber unter vielen Randbedingungen nicht zutreffend. Bei einer Reduzierung der Verbraucherleistung durch Massenstromanpassung sinkt die Verbraucher-Rücklauftemperatur aufgrund einer längeren Verweilzeit des Heizungswassers in den Raumheizeinrichtungen. Damit sinkt in der Regel auch die Rücklauftemperatur an der Wärmepumpe. Bei einem konstanten Massenstrom durch die Wärmepumpe führt dies zu einer Anhebung der Leistung, da die Regelung das Ziel verfolgt, die Vorlauftemperatur auf der Sollwertvorgabe zu halten. Dies bedeutet aber, dass ein reduzierter Leistungsbedarf an den Verbrauchern zumindest temporär (bis der Speicher gefüllt ist) zu einer Anhebung der Erzeugerleistung führt!

Wird der Pufferspeicher wie in Bild 3 dargestellt seriell in den Rücklauf installiert, stellt sich die Situation wieder ein wenig anders dar. Das zum Verbraucher parallel geschaltete Überströmventil hat die Aufgabe, den von der Wärmepumpe geforderten Mindestmassenstrom zu gewährleisten, um eine „Hochdruckstörung“ der Wärmepumpe zu vermeiden. Es wird an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Mindestmassenstrom in der Regel deutlich unter dem Nennmassenstrom liegt und ein Absenken des Massenstroms durch die Wärmepumpe bis zum Mindestmassenstrom im Hinblick auf eine gute Leistungsregelung dringend anzustreben ist.

3 - Hydraulikschema Wärmeerzeuger, Verbraucher mit seriell im Rücklauf eingebundenem Pufferspeicher Bild: Alexander Floß/Michael Schaub

• Auch bei dieser Einbindung wird die Vorlauf-Solltemperatur der Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Außentemperatur vorgegeben.
• Reduziert sich die Heizlast einzelner Räume, passen auch hier die Thermostatventile durch Drosselung des Massenstroms die Heizleistung so an, dass die Raumtemperatur konstant gehalten wird.
• Ist das Überströmventil richtig eingestellt und lässt nur ausreichend Wasser durch, um den Mindestmassenstrom der Wärmepumpe sicherzustellen, reduziert sich zunächst nicht nur der Massenstrom durch die Verbraucher, sondern auch durch die Wärmepumpe. Ohne Leistungsregelung würde dies zu einem Anstieg der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe führen. Die Leistungsregelung kann dies jedoch ausgleichen, indem die Wärmepumpe-Leistung über die Drehzahl des Verdichters angepasst wird.
• Erst wenn der Massenstrom durch die Verbraucher den Mindestmassenstrom der Wärmepumpe unterschreitet, soll der notwendige Massenstrom über das Überströmventil in den Rücklauf überströmen. Dies führt unmittelbar zu einer Anhebung der Rücklauftemperatur am Einbindepunkt. Im Fall der wie hier dargestellt seriellen Pufferspeichereinbindung im Rücklauf fungiert der Pufferspeicher aber als Verzögerungsglied und die Rücklauftemperaturerhöhung kommt erst zeitlich verzögert an der Wärmepumpe an, weshalb auch die Leistungsregelung der Wärmepumpe nur sehr verzögert reagieren kann. Diese Verzögerung ist von der Speichergröße und der Art der Beladung (geschichtet oder gemischt) abhängig.
• Lässt das Überströmventil „frühzeitig“, d. h. vor Unterschreitung des Mindestmassenstroms der Wärmepumpe, Wasser in den Rücklauf überströmen, wird eine bedarfsgerechte Leistungsregelung der Wärmepumpe reduziert oder unterbunden.

Die richtige Einstellung der meist differenzdruckgeregelten Überströmventile ist nicht trivial, zumal hierzu auch die Pumpenkennlinie und die Regelstrategie der Pumpe berücksichtigt werden müssen. In der Praxis wird daher der Massenstrom über die Wärmepumpe in der Regel viel zu hoch gefahren, da sich so leicht ein robuster (keine Hochdruckstörung der Wärmepumpe) Betrieb erreichen lässt. Dies führt aber dazu, dass auch bei dieser hydraulischen Einbindung die Leistungsregelung unbefriedigend funktioniert und die Wärmepumpe unnötig oft taktet.

Vorschläge zur Problemminderung

Es konnte dargestellt werden, dass die in der Praxis üblichen hydraulischen und regelungstechnischen Einbindung von Pufferspeichern in Wärmepumpensystemen mit modulierenden (leistungsgeregelten) Wärmepumpen der Leistungsregelung nicht zuträglich ist und diese in der Praxis daher auch nur sehr eingeschränkt funktioniert.

Vor diesem Hintergrund werden nachfolgend beispielhaft Überlegungen vorgestellt, wie modulierende Wärmepumpe und Pufferspeicher vorteilsbringend hydraulisch und regelungstechnisch in Wärmepumpensysteme eingebunden werden können.

Bei der sehr verbreiteten seriellen Einbindung des Pufferspeichers im Rücklauf lässt sich eine gute Leistungsregelung der Wärmepumpe leicht erreichen, wenn der Massenstrom durch die Wärmepumpe bis auf das zulässige Minimum (Mindestmassenstrom) reduziert wird. In einer internen Forschungsarbeit am Institut für Gebäude und Energiesysteme (IGE) der Hochschule Biberach wird klar dargestellt, dass die Einstellung der in der Regel Feder-gesteuerten Überströmventile in der Praxis meist völlig unzureichend arbeitet. Hintergrund ist, dass eine gute Funktion den Abgleich der Federkennlinie mit der Pumpenkennlinie erfordert. Auch muss die Einstellung der Pumpenregelung (Konstant- oder Proportionaldruck) berücksichtigt werden, was für den heutigen Baualltag viel zu komplex erscheint. Ein einfaches Einstellen der Ventile (das in der Regel sehr selten vorgenommen wird) führt bestenfalls an einem Betriebspunkt, nicht aber über einen weiten Betriebsbereich zu guten Ergebnissen.

In der genannten Untersuchung wurden mit einer geregelten Pumpenventileinheit sehr gute Ergebnisse erzielt (Bild 4). In diesem Fall übergibt die differenzdruckgeregelte Pumpe den von der Pumpe ermittelten Massenstrom an einen Regler. Bei Unterschreitung des Mindestmassenstroms wird das Regelventil in der Überströmleitung geöffnet und bei Überschreitung des Mindestmassenstroms geschlossen. Der Mindestmassenstrom kann so sehr exakt gehalten werden. Die Marktfähigkeit einer solchen geregelten Pumpen-/Ventileinheit erscheint gegeben, zumal sie völlig produktneutral eingesetzt werden kann, da es keinerlei weiterer Schnittstellen zu den Verbrauchern oder zur Wärmepumpe bedarf. Lediglich der Mindestmassenstrom muss einmalig eingegeben werden.

4 - Serielle Einbindung des Pufferspeichers im Rücklauf mit geregelter Pumpen-/Überströmeinheit Bild: Alexander Floß/Michael Schaub

Nach einer internen Untersuchung am IGE schlägt der überwiegende Teil der Hersteller von leistungsgeregelten Wärmepumpen die parallele Speicherintegration vor. Eine Lösung des zuvor beschriebenen Problems der Leistungsregelung der Wärmepumpe liegt im Angleichen des Erzeugerkreismassenstroms an den Verbrauchermassenstrom. Dies kann auf verschiedene Weisen geschehen. In Bild 5 ist beispielhaft eine Lösung mittels Speicherlademanagement dargestellt.

Reduziert sich aufgrund eines geringeren Bedarfs der Massenstrom durch die Verbraucher, wird bei konstantem Massenstrom durch die Wärmepumpe warmes Wasser in den Pufferspeicher geleitet und der Pufferspeicher wird beladen. Die über die Höhe des Speichers angebrachten Temperatursensoren erkennen durch eine Verlagerung der Temperaturfront die Beladung und fahren die Drehzahl der Umwälzpumpe im Wärmepumpenkreislauf bis auf den Mindestmassenstrom zurück. Aufgrund des reduzierten Massenstroms im Wärmepumpenkreis reagiert jetzt auch die Leistungsregelung der Wärmepumpe. Damit wird erreicht, dass bei einem minderen Wärmebedarf der Verbraucher zunächst die Leistung der Wärmepumpe reduziert wird. Erst wenn der Mindestmassenstrom oder die Minimalleistung der Wärmepumpe unterschritten werden, wird der Pufferspeicher langsam beladen.

5 - Parallele Einbindung des Pufferspeichers mit Speicherlademanagement Bild: Alexander Floß/Michael Schaub

Steigt der Massenstrom durch die Verbraucher wieder an, verschiebt sich die „Wärmefront“ nach oben (Entladung). Kurz bevor der Pufferspeicher entladen ist, wird der Wassermassenstrom über die Wärmepumpe erhöht. Die Leistung der Wärmepumpe wird dabei so geregelt, dass sich eine konstante Vorlauftemperatur an der Wärmepumpe ergibt.

Fazit

Um eine lange Lebensdauer von Wärmepumpen zu erreichen, ist es notwendig, die Takthäufigkeit der Wärmepumpenverdichter zu reduzieren. Dies kann sowohl durch eine Integration von Pufferspeichern im hydraulischen System oder aber durch eine Leistungsanpassung der Wärmepumpe an den Verbrauch erfolgen. Eine Kombination der beiden Maßnahmen führt in der Praxis derzeit aber meist zu Misserfolgen.

Es gibt aber zahlreiche Lösungsansätze, die eine sinnvolle Kombination von leistungsgeregelter Wärmepumpe und Pufferspeicher ermöglichen. Zwei wurden in diesem Beitrag vorgestellt.