Artikel aktualisiert am 07.06.2023
von Boris Stippe | ca: 10 Min. zu lesen

Zwei-Quellen-System

Was ist eine bivalente Wärmepumpe?

Ein Wärmepumpensystem mit zwei Quellen bezieht sich auf eine Anlage, die sowohl Umweltwärme aus der Luft als auch aus dem Boden oder dem Grundwasser nutzt, um Gebäude zu heizen oder zu kühlen. Es kombiniert die Vorteile beider Quellen, um die Effizienz und Leistung der Wärmepumpe zu optimieren.

Luftwärmepumpe
Luftwärmepumpe (Bildquelle: Hermann – stock.adobe.com)

Zweiquellensystem (auch „bivalente Wärmepumpe“ oder „Hybridwärmepumpe“ genannt) ist ein Begriff, der im Zusammenhang mit der Installation und dem Betrieb einer Wärmepumpe verwendet wird. Eine Wärmepumpe ist eine effiziente Heiz- und Kühllösung, die Umweltwärme nutzt, um Wärmeenergie von einer Quelle mit niedriger Temperatur zu einer Quelle mit höherer Temperatur zu transportieren. Das Zweiquellensystem geht über die herkömmlichen Wärmepumpen hinaus, indem es zwei Wärmequellen integriert.

Bei einem Zweiquellensystem werden in der Regel zwei Quellen für Umweltwärme genutzt: die Luft und das Erdreich bzw. das Grundwasser. Dies ermöglicht eine effizientere Nutzung der verfügbaren Energie und eine höhere Leistung der Wärmepumpe. In den kälteren Monaten, wenn die Lufttemperatur niedriger ist, kann die Wärmepumpe die Umweltwärme aus dem Erdreich oder dem Grundwasser nutzen, um das Gebäude zu beheizen. In den wärmeren Monaten, wenn die Lufttemperatur höher ist, kann die Wärmepumpe die Umweltwärme aus der Luft nutzen, um das Gebäude zu kühlen.

Die Integration eines Systems mit zwei Wärmequellen bietet mehrere Vorteile. Erstens ermöglicht es eine höhere Effizienz und Leistung der Wärmepumpe, da die Wärmequelle je nach der zu einem bestimmten Zeitpunkt effizientesten Wärmequelle ausgewählt werden kann. Zweitens erhöht es die Flexibilität und Zuverlässigkeit des Systems, da die Wärmepumpe bei Ausfall einer Wärmequelle auf die andere umschalten kann. Dies erhöht die Betriebssicherheit und gewährleistet eine kontinuierliche Beheizung oder Kühlung des Gebäudes.

Wie funktioniert ein Zwei-Säulen-System?

Ein Wärmepumpensystem mit zwei Quellen bezieht sich auf die Verwendung von zwei verschiedenen Energiequellen zur Wärmeerzeugung. Normalerweise wird eine Wärmepumpe verwendet, um Wärme von einer Quelle mit niedrigerer Temperatur zu einer Quelle mit höherer Temperatur zu übertragen. In einem Zweiquellensystem werden jedoch zwei verschiedene Wärmequellen verwendet, um die Effizienz und Leistung der Wärmepumpe zu verbessern.

Die erste Quelle, auch Wärmequelle oder Niedertemperaturquelle genannt, kann beispielsweise die Umgebungsluft oder das Grundwasser sein. Diese Quelle hat normalerweise niedrigere Temperaturen als die gewünschte Zieltemperatur. Die Wärmepumpe entzieht der ersten Quelle Wärmeenergie und erhöht die Temperatur durch einen Kältemittelkreislauf.

Das Kältemittel verdampft bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck in einem Verdampfer und nimmt dabei Wärme aus der ersten Quelle auf. Anschließend wird das verdampfte Kältemittel in einem Kompressor verdichtet, wodurch sich sowohl der Druck als auch die Temperatur erhöhen. Das erhitzte und komprimierte Kältemittel gibt die aufgenommene Wärmeenergie in einem Wärmetauscher, dem Kondensator, ab, wo sie an die zweite Quelle übertragen wird.

Die zweite Quelle, auch Hochtemperaturwärmequelle genannt, kann z. B. die Raumluft oder die Heizungsanlage sein. Die Wärmeenergie des Kältemittels wird an die zweite Quelle abgegeben, wodurch die gewünschte höhere Temperatur erreicht wird. Das abgekühlte Kältemittel fließt anschließend zurück zum Verdampfer, um den Kreislauf erneut zu durchlaufen.

Was sind die Vorteile eines Zweiquellensystems gegenüber einer konventionellen Wärmepumpe?

Ein Zweiquellensystem, auch „bivalente Wärmepumpe“ oder „Hybridwärmepumpe“ genannt, bietet gegenüber einer konventionellen Wärmepumpe mehrere Vorteile. Im Folgenden werden die Hauptvorteile eines Zweiquellensystems näher erläutert:

  • Verbesserte Effizienz: Durch die Nutzung von zwei Wärmequellen, z.B. Luft und Erdreich oder Grundwasser, kann ein Zweiquellensystem die Effizienz der Wärmepumpe optimieren. In den kälteren Monaten, wenn die Lufttemperatur niedrig ist, kann die Wärmepumpe die Wärmeenergie aus dem Erdreich oder dem Grundwasser beziehen, das in der Regel eine konstantere Temperatur als die Luft aufweist. Dadurch kann die Wärmepumpe mit höheren Leistungszahlen arbeiten und mehr Wärmeenergie erzeugen.
  • Erhöhte Leistung: Durch die Integration von zwei Wärmequellen kann ein Zweiquellensystem eine höhere Leistung erbringen. Wenn die Lufttemperatur extrem niedrig ist oder die Wärmepumpe in der Heizperiode ihre maximale Leistung erreicht hat, kann das System automatisch auf die Nutzung von Erdwärme oder Grundwasser umschalten. Dies ermöglicht eine höhere und zuverlässigere Beheizung des Gebäudes, insbesondere in kalten Klimazonen oder bei höherem Wärmebedarf.
  • Flexibilität bei der Wärmequelle: Ein Zweiquellensystem bietet die Möglichkeit, die Wärmequelle je nach den aktuellen Bedingungen auszuwählen. Die Steuerung kann die verfügbare Lufttemperatur, die Temperatur des Erdbodens oder des Grundwassers und andere Faktoren wie die Energiepreise berücksichtigen. Durch diese Flexibilität kann das System die effizienteste und wirtschaftlichste Wärmequelle auswählen und so den Betrieb optimieren.
  • Redundanz und Ausfallsicherheit: Durch die Integration von zwei Wärmequellen erhöht ein Zweiquellensystem die Betriebssicherheit. Fällt eine Wärmequelle aus oder kann nicht ausreichend Wärme liefern, kann das System auf die alternative Wärmequelle umschalten. Damit ist eine kontinuierliche Beheizung bzw. Kühlung des Gebäudes auch dann gewährleistet, wenn eine Wärmequelle vorübergehend nicht zur Verfügung steht.
  • Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Standorte: Ein System mit zwei Wärmequellen kann in unterschiedlichen Umgebungen eingesetzt werden. Wenn z.B. die Fläche eines Gebäudes nicht groß genug für ein Erdwärmesystem ist, kann stattdessen Grundwasser als Wärmequelle genutzt werden. Dadurch können mehr Gebäude von den Vorteilen einer Wärmepumpe profitieren, unabhängig von den spezifischen Standortbedingungen.

Ist ein Zweiquellen-System für mein Gebäude geeignet?

Die Eignung eines bivalenten Systems für ein bestimmtes Gebäude hängt von verschiedenen Faktoren ab. Nachfolgend sind einige detaillierte Punkte aufgeführt, die bei der Beurteilung der Eignung berücksichtigt werden sollten:

  • Verfügbarkeit der Wärmequellen: Ein Zweiquellensystem erfordert in der Regel zwei Wärmequellen, z. B. Luft und Erdreich oder Grundwasser. Stellen Sie sicher, dass Ihr Gebäude über ausreichend Platz für eine Luftquelle verfügt und dass Erdreich oder Grundwasser in ausreichender Nähe und zugänglich sind.
  • Geographischer Standort: Regionen mit kalten Wintern können von einem Zweiquellensystem profitieren, da Erdwärme oder Grundwasser auch bei niedrigen Temperaturen eine konstantere Wärmequelle darstellen. In wärmeren Klimazonen kann die Luft als Hauptwärmequelle ausreichen.
  • Wärmebedarf des Gebäudes: Je höher der Wärmebedarf, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein System mit zwei Wärmequellen sinnvoll ist. Gebäude mit einer hohen Heizlast, wie z.B. große Wohnhäuser oder Gewerbegebäude, können von der höheren Effizienz eines Zweiquellensystems profitieren.
  • Kosten und Rentabilität: Die Kosten für die Installation eines Zweiquellensystems müssen mit den erwarteten Einsparungen und der langfristigen Rentabilität verglichen werden. Berücksichtigen Sie dabei die Investitionskosten, die Betriebskosten und eventuelle staatliche Zuschüsse oder Anreize für erneuerbare Energien.
  • Bauliche Einschränkungen: Einige Gebäude können architektonische Einschränkungen haben, die die Installation eines bivalenten Systems erschweren. Prüfen Sie die Möglichkeiten zur Integration der erforderlichen Komponenten wie Luftquellen, Erdwärmekollektoren oder Brunnen. Stellen Sie sicher, dass das System nahtlos in die bestehende Gebäudestruktur integriert werden kann.

Wie wird die richtige Wärmequelle im Zweiquellensystem ausgewählt?

Die Auswahl der richtigen Wärmequelle in einem Zweiquellensystem erfolgt in der Regel automatisch und hängt von verschiedenen Faktoren ab. Im Folgenden sind einige detaillierte Aspekte aufgeführt, die bei der Auswahl der Wärmequelle berücksichtigt werden:

  • Temperatur der verfügbaren Wärmequellen: Die Temperatur der beiden verfügbaren Wärmequellen wie Luft, Erdreich oder Grundwasser wird überwacht und gemessen. Die Steuerung des Zweiquellensystems vergleicht die Temperaturen und wählt die Wärmequelle aus, deren Temperatur am besten geeignet ist, um den aktuellen Heiz- oder Kühlbedarf des Gebäudes zu decken. Dies geschieht in Echtzeit, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.
  • Effizienz der Wärmequellen: Je nach Modell und Auslegung des Systems können bestimmte Wärmequellen effizienter sein als andere. Die Regelung kann dies berücksichtigen und die Wärmequelle mit dem besten Wirkungsgrad auswählen, um die Leistungszahl der Wärmepumpe zu optimieren und den Energieverbrauch zu minimieren.
  • Energiepreise: In einigen Fällen können die aktuellen Energiepreise eine Rolle bei der Wahl der Wärmequelle spielen. Wenn beispielsweise die Strompreise hoch sind, kann die Wärmepumpe Erdwärme oder Grundwasser bevorzugen, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Umgekehrt kann bei niedrigen Strompreisen die Nutzung von Luft als Wärmequelle bevorzugt werden.
  • Leistung und Anforderungen des Systems: Die Leistung des Zweiquellensystems und die spezifischen Anforderungen des Gebäudes werden ebenfalls berücksichtigt. Wird beispielsweise eine höhere Heizleistung benötigt, kann das System automatisch auf die Wärmequelle umschalten, die eine größere Wärmemenge liefern kann, um den gewünschten Komfort zu erreichen.

Wie werden die beiden Wärmequellen in einem Zweiquellensystem angeschlossen und betrieben?

Die beiden Wärmequellen in einem Zweiquellensystem, z.B. Luft und Erdreich oder Grundwasser, werden auf unterschiedliche Weise angeschlossen und betrieben. Hier einige detaillierte Informationen:

  • Anschluss der Luftquelle: Die Luftquelle wird normalerweise über eine Lufteinheit angeschlossen, die sich in der Nähe des Gebäudes befindet. Dieses Gerät enthält einen Ventilator, der die Umgebungsluft ansaugt und der Wärmepumpe zuführt. Die Lufteinheit kann auf dem Dach, an einer Außenwand oder an einer anderen geeigneten Stelle montiert werden, um einen ungehinderten Luftstrom zu ermöglichen.
  • Anschluss der Erdwärmequelle: Die Erdwärmequelle wird über Erdkollektoren oder Erdwärmesonden erschlossen. Erdkollektoren bestehen aus Rohren, die in Schleifen in einer bestimmten Tiefe im Boden verlegt werden. Diese Rohre sind mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt, die die Erdwärme aufnimmt und zur Wärmepumpe transportiert. Erdwärmesonden hingegen sind vertikale Bohrungen, in die ebenfalls Rohre eingebracht werden, um die Erdwärme zu entziehen. Die Wahl zwischen Erdkollektoren und Erdwärmesonden hängt von den geologischen Gegebenheiten und den Platzverhältnissen ab.
  • Grundwasseranschluss: Bei der Nutzung von Grundwasser als Wärmequelle wird ein Brunnen gebohrt, um auf eine ausreichende Wassermenge zugreifen zu können. Das Grundwasser wird durch den Brunnen in die Wärmepumpe gepumpt, wo ihm die Wärmeenergie entzogen wird. Anschließend wird das abgekühlte Wasser wieder dem Grundwasser zugeführt oder in einen Vorfluter geleitet.

Der Betrieb eines Zweiquellensystems wird durch die Steuereinheit geregelt, die die Temperaturen, den Energiebedarf und andere relevante Parameter überwacht. Die Steuerung entscheidet anhand der vorgegebenen Parameter und der aktuellen Bedingungen, welche Wärmequelle genutzt wird. Die Umschaltung zwischen den Wärmequellen erfolgt automatisch und nahtlos, um eine optimale Effizienz und Leistung zu gewährleisten.

Fazit

Ein Wärmepumpensystem mit zwei Quellen nutzt sowohl die Umweltwärme aus der Luft als auch die Wärme aus dem Boden oder dem Grundwasser, um Gebäude effizient zu heizen oder zu kühlen. Diese innovative Lösung, auch Zweiquellensystem oder bivalente Wärmepumpe genannt, kombiniert die Vorteile beider Quellen, um die Effizienz und Leistung der Wärmepumpe zu optimieren. Der Hauptvorteil eines Zweiquellensystems liegt in der verbesserten Effizienz. In den kalten Monaten, wenn die Lufttemperatur niedrig ist, kann die Wärmepumpe die Umweltwärme aus dem Erdreich oder dem Grundwasser nutzen, da diese Quellen in der Regel eine konstantere Temperatur als die Luft aufweisen. Dadurch kann die Wärmepumpe mit höheren Leistungszahlen arbeiten und mehr Wärmeenergie erzeugen. Ein System mit zwei Wärmequellen ist eine flexible Lösung, die sich an verschiedene Standorte und Gebäude anpassen lässt. Bietet ein Gebäude beispielsweise nicht genügend Fläche für ein Erdwärmesystem, kann stattdessen Grundwasser als Wärmequelle genutzt werden. Dadurch können mehr Gebäude von den Vorteilen einer Wärmepumpe profitieren, unabhängig von den spezifischen Standortbedingungen.

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