Bivalenzpunkt: Wo sich Heizlast und Wärmepumpenleistung schneiden
Der Bivalenzpunkt ist die Außentemperatur, bei der die Heizleistung einer Wärmepumpe gerade noch die Heizlast des Gebäudes deckt. Unterhalb dieser Temperatur schaltet sich ein zweiter Wärmeerzeuger zu, meist ein elektrischer Heizstab oder ein vorhandener Gaskessel. Üblich sind Werte zwischen minus 2 und minus 7 Grad, und jedes Grad Verschiebung verändert sowohl die Anlagengröße als auch die Jahresarbeitszahl messbar.
Was ist der Bivalenzpunkt einer Wärmepumpe?
Der Bivalenzpunkt bezeichnet den Schnittpunkt zweier Kurven: der Heizlast des Gebäudes, die mit sinkender Außentemperatur steigt, und der Heizleistung der Wärmepumpe, die mit sinkender Außentemperatur fällt. Unterhalb dieses Punktes reicht die Wärmepumpe allein nicht mehr aus.
Die gegenläufige Bewegung ist der Kern des Problems. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme, und je kälter die Luft ist, desto weniger Wärme steht zur Verfügung. Ein Gerät mit 9 Kilowatt bei 7 Grad Außentemperatur liefert bei minus 7 Grad oft nur noch 6 Kilowatt.
Gleichzeitig steigt der Bedarf des Gebäudes. Ein Haus mit 9 Kilowatt Heizlast am Auslegungspunkt von minus 12 Grad braucht bei 7 Grad nur rund 3 Kilowatt. Die beiden Kurven schneiden sich irgendwo dazwischen, und dieser Schnittpunkt ist der Bivalenzpunkt.
Wo er liegt, ist keine Eigenschaft des Geräts, sondern eine Planungsentscheidung.
Wie wird der Bivalenzpunkt berechnet?
Der Bivalenzpunkt ergibt sich aus der Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 und den Leistungsdaten der Wärmepumpe bei verschiedenen Außentemperaturen. Beide Kurven werden in ein Diagramm über der Außentemperatur eingetragen, ihr Schnittpunkt ist der gesuchte Wert.
Die Heizlastkurve ist eine Gerade zwischen zwei Punkten: der Heizlast am Auslegungspunkt und dem Wert null bei der Heizgrenztemperatur, üblicherweise 15 Grad. Die Leistungskurve der Wärmepumpe steht im Datenblatt, allerdings meist nur für einzelne Temperaturstufen.
Wichtig ist, die Leistungsangabe bei der tatsächlichen Vorlauftemperatur zu verwenden. Ein Datenblattwert für 35 Grad Vorlauf ist für ein Haus mit 50 Grad Vorlauf wertlos, weil die Leistung dort um 15 bis 25 Prozent niedriger liegt.
Rechenbeispiel
Einfamilienhaus, Heizlast 9 Kilowatt bei minus 12 Grad Auslegungstemperatur, Heizgrenze 15 Grad. Bei minus 5 Grad beträgt der Bedarf rund 6,7 Kilowatt. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe liefert bei minus 5 Grad und 50 Grad Vorlauf etwa 6,8 Kilowatt. Der Bivalenzpunkt liegt damit bei etwa minus 5 Grad. An einem durchschnittlichen deutschen Standort liegen rund 2 Prozent der Jahresstunden unterhalb dieser Temperatur, weshalb der Zweiterzeuger nur etwa 4 bis 6 Prozent der Jahreswärme liefert.
Die Zahl von 4 bis 6 Prozent erklärt, warum ein tiefer Bivalenzpunkt selten sinnvoll ist.
Welche Betriebsweisen gibt es?
Unterschieden werden vier Betriebsweisen: monovalent ohne zweiten Erzeuger, monoenergetisch mit elektrischem Heizstab, bivalent-parallel mit gleichzeitigem Betrieb beider Erzeuger und bivalent-alternativ mit vollständiger Übergabe an den zweiten Erzeuger.
| Betriebsweise | Zweiter Erzeuger | Typischer Bivalenzpunkt | Einsatzfall |
|---|---|---|---|
| Monovalent | keiner | entfällt | Sole-Wasser-Anlagen, Neubau |
| Monoenergetisch | elektrischer Heizstab | minus 2 bis minus 7 Grad | Standard bei Luft-Wasser-Anlagen |
| Bivalent-parallel | Gas- oder Ölkessel | 0 bis minus 3 Grad | Hybridheizung im Bestand |
| Bivalent-alternativ | Gas- oder Ölkessel | plus 2 bis minus 2 Grad | Altbau mit hoher Vorlauftemperatur |
Die monoenergetische Betriebsweise ist bei Luft-Wasser-Anlagen der Regelfall, weil der Heizstab ohnehin für den Frostschutz und die thermische Desinfektion des Warmwasserspeichers vorhanden ist. Er kostet damit keine zusätzliche Investition.
Bivalent-alternativ ist die ungünstigste Variante für die Effizienz, weil die Wärmepumpe unterhalb des Bivalenzpunkts vollständig abschaltet, obwohl sie noch einen Teil der Last decken könnte. Sie kommt nur dort zum Einsatz, wo der Kessel Temperaturen liefern muss, die die Wärmepumpe nicht erreicht.
Welcher Wert eingestellt wird, hat direkte Folgen für die Stromrechnung.
Welcher Bivalenzpunkt ist sinnvoll?
Für monoenergetische Luft-Wasser-Wärmepumpen im Einfamilienhaus liegt der sinnvolle Bereich zwischen minus 3 und minus 7 Grad. Ein tieferer Wert verlangt ein größeres Gerät, das die übrige Zeit im Teillastbetrieb arbeitet, ein höherer Wert erhöht den Anteil des teuren Heizstabstroms.
Der Zielkonflikt lässt sich in Zahlen fassen. Bei einem Bivalenzpunkt von minus 7 Grad deckt der Heizstab rund 2 Prozent der Jahreswärme, bei minus 2 Grad etwa 8 Prozent. Weil der Heizstab mit einer Arbeitszahl von 1,0 arbeitet, schlagen diese Prozente überproportional auf den Stromverbrauch durch.
Umgekehrt kostet eine größere Wärmepumpe nicht nur mehr in der Anschaffung, sondern taktet im Übergangsbetrieb häufiger. Jeder Takt verschleißt den Verdichter und senkt die Jahresarbeitszahl, weshalb eine leichte Unterdimensionierung meist die bessere Wahl ist.
Die Auslegungstemperatur des Standorts gehört in diese Rechnung. In Norddeutschland liegt sie bei minus 10 bis minus 12 Grad, in Süddeutschland und in Mittelgebirgslagen bei minus 14 bis minus 18 Grad, und mit ihr verschiebt sich der sinnvolle Bivalenzpunkt.
Wie wirkt sich der Bivalenzpunkt auf die Jahresarbeitszahl aus?
Jede Verschiebung des Bivalenzpunkts um 2 Grad nach oben senkt die Jahresarbeitszahl um etwa 0,1 bis 0,2, weil der Anteil des Heizstabstroms steigt. Bei einem Jahresbedarf von 18.000 Kilowattstunden Wärme entspricht das rund 250 bis 400 Kilowattstunden Mehrverbrauch.
Der Effekt wirkt auch in die andere Richtung, aber schwächer. Ein sehr tiefer Bivalenzpunkt bringt kaum noch Gewinn, weil die betroffenen Stunden so selten sind, kostet aber ein größeres Gerät und mehr Taktverluste in der Übergangszeit.
Für die Förderung ist die Jahresarbeitszahl relevant, weil die Bundesförderung Mindestwerte verlangt. Diese Werte werden rechnerisch nachgewiesen, und der Bivalenzpunkt geht in diese Rechnung ein.
Notieren Sie nach dem ersten Betriebsjahr den Zählerstand des Heizstabs getrennt von der Wärmepumpe. Liegt der Heizstabanteil über 10 Prozent, ist der Bivalenzpunkt zu hoch eingestellt oder die Anlage zu klein ausgelegt.
Wie wird der Bivalenzpunkt eingestellt?
Der Bivalenzpunkt wird in der Reglereinstellung der Wärmepumpe als Freigabetemperatur für den zweiten Wärmeerzeuger hinterlegt. Die Werkseinstellung liegt meist bei minus 5 Grad und passt nicht zwangsläufig zum Gebäude.
Vor jeder Änderung muss die Heizkurve stimmen. Ein zu steil eingestellter Verlauf treibt die Vorlauftemperatur unnötig nach oben, wodurch die Wärmepumpe früher an ihre Grenze kommt und der Heizstab häufiger anspringt, obwohl das Gebäude die Wärme gar nicht braucht.
Die Einstellung gehört in die Hände des Fachbetriebs, weil eine falsche Freigabetemperatur im Extremfall dazu führt, dass das Gebäude an kalten Tagen nicht warm wird. Lassen Sie sich die eingestellten Werte nach der Inbetriebnahme schriftlich geben.
Welche baulichen Voraussetzungen erfüllt sein müssen, damit die Vorlauftemperatur überhaupt niedrig genug bleibt, ist im Beitrag zum Nachrüsten einer Wärmepumpe beschrieben.