Bei der Auslegung einer Luft-Wasser-Wärmepumpenanlage ist eine der wichtigsten Entscheidungen, wie die Wärmepumpe hydraulisch mit den Heiz- und Kühlstellen des Gebäudes verbunden werden soll.

Für relativ einfache Installationen kann ein primäres oder direktes hydronisches System ausreichen. Wenn ein Projekt jedoch mehrere Arten von Endgeräten umfasst – wie Fußbodenheizung, Heizkörper und Lüftungsgeräte –, werden die hydraulischen Anforderungen wesentlich komplizierter.

Hier ist ein sekundäres hydronisches System, das typischerweise einen Pufferspeicher und zwei Umwälzpumpen verwendet, besonders nützlich.

Benötigt jede Wärmepumpeninstallation ein Sekundärsystem?

Nicht unbedingt.

Ein sekundäres hydronisches System bietet eine bessere hydraulische Stabilität, größere Flexibilität und verbesserte Betriebsbedingungen der Wärmepumpe. Gleichzeitig erhöht es die Systemkosten, den Stromverbrauch der Pumpen, die Komplexität der Installation und potenziell den Wärmeverlust.

Das Verständnis dieser Kompromisse ist für die Auslegung einer effizienten Luft-Wasser-Wärmepumpenanlage unerlässlich.

1. Was ist ein sekundäres hydronisches System?

Ein typisches sekundäres hydronisches System teilt den Wasserkreislauf in zwei hydraulische Kreise auf.

Der erste Kreis ist der primäre Wärmepumpenkreis:

Wärmepumpe → Pufferspeicher → Wärmepumpe

Der zweite Kreis ist der Gebäudelastkreis:

Pufferspeicher → Umwälzpumpe → Heiz-/Kühlstellen → Pufferspeicher

Der Pufferspeicher fungiert somit als gemeinsame Verbindung zwischen der Wärmequelle und der Gebäudelast.

Im Gegensatz zu einem direkten System muss die Umwälzpumpe der Wärmepumpe nicht unbedingt den gesamten vom Gebäudeverteilungssystem benötigten Wasserdurchfluss liefern.

Dies ist einer der wichtigsten Unterschiede zwischen primären und sekundären hydronischen Auslegungen.

2. Warum benötigen Wärmepumpensysteme eine hydraulische Trennung?

Die Wärmepumpe und die Gebäudestellen benötigen nicht immer den gleichen Wasserdurchfluss.

Betrachten Sie ein Gebäude, das ausgestattet ist mit:

• Heizkörper

• Lüftungsgeräte

• Fußbodenheizung

Jede Stelle kann mit unterschiedlichen Wassertemperaturen, Temperaturdifferenzen (ΔT), Durchflussraten, Regelventilen und Betriebszeiten arbeiten.

Zum Beispiel können typische Auslegungsbedingungen ungefähr so aussehen:

Diese Zahlen sind Auslegungsreferenzen und keine universellen Regeln; tatsächliche Werte sollten immer der Auswahl der Endgeräte und der Berechnung der Projektwärmelast folgen.

Das zentrale technische Problem ist einfach:

Der von der Wärmepumpe benötigte Durchfluss ist möglicherweise nicht gleich dem vom Endgerätesystem benötigten Durchfluss.

Ein sekundärer hydronischer Kreislauf hilft, diese beiden hydraulischen Anforderungen zu trennen.

Vorteile eines sekundären hydronischen Systems

3. Vorteil #1: Stabilerer Wasserdurchfluss der Wärmepumpe

Wärmepumpen benötigen normalerweise einen Mindestwasserdurchfluss durch den Wärmetauscher.

In einem direkten System können jedoch Raumthermostate, Zonenventile, thermostatische Heizkörperventile oder Lüftungsgeräteventile den Systemdurchfluss kontinuierlich ändern.

Stellen Sie sich ein Haus mit acht Heizkreisen vor.

Wenn alle acht Kreise geöffnet sind, kann der Wasserdurchfluss ausreichend sein.

Wenn jedoch sechs Kreise ihre Solltemperatur erreichen und ihre Ventile schließen, bleiben nur noch zwei Kreise aktiv.

Der Systemwiderstand ändert sich dramatisch, und der Durchfluss durch die Wärmepumpe kann unter den empfohlenen Betriebsbereich fallen.

Dies kann zu Problemen führen wie:

• Alarme bei unzureichendem Wasserdurchfluss

• Übermäßige Vorlauf-/Rücklauftemperaturdifferenz

• Hoher Kondensationsdruck

• Reduzierte Heizleistung

• Instabiler Kompressorbetrieb

• Häufiges Takten

Ein Sekundärsystem reduziert diese Wechselwirkung, da die Wärmepumpe ihren eigenen dedizierten Kreislauf hat.

Technische Erkenntnis

Die Wärmepumpe sieht eine vorhersagbarere hydraulische Umgebung, auch wenn sich der Durchfluss auf der Gebäudeseite ändert.

Für Inverter-Wärmepumpen kann dies besonders wertvoll sein, da stabile Wasserbedingungen die Modulationsstrategie des Kompressors effektiver unterstützen.

4. Vorteil #2: Bessere Kompatibilität mit mehreren Endgerätetypen

Eine moderne hydronische Heizungsanlage kann mehrere verschiedene Arten von Endgeräten enthalten.

Zum Beispiel:

Wärmepumpe → Pufferspeicher → Heizkörper + Lüftungsgeräte + Fußbodenheizung

Diese Endgeräte benötigen selten genau den gleichen Durchfluss und die gleiche Wassertemperatur.

Fußbodenheizungen arbeiten normalerweise mit relativ niedrigen Wassertemperaturen, während herkömmliche Heizkörper deutlich höhere Temperaturen benötigen können. Lüftungsgeräte können sowohl im Heiz- als auch im Kühlmodus arbeiten und verwenden oft eine relativ geringe ΔT auf der Wasserseite.

Ein Sekundärsystem erleichtert die Erstellung separater Verteilungszweige unter Verwendung von:

• Unabhängige Umwälzpumpen

• Mischventile

• Zonenventile

• Verteiler

• Temperaturregelungen

• Differenzdruckregelung

Dies bietet eine deutlich größere Flexibilität bei der Auslegung.

5. Vorteil #3: Der Pufferspeicher sorgt für thermische Trägheit

Eine der wichtigsten Komponenten in vielen sekundären Wärmepumpensystemen ist der Pufferspeicher bezeichnet.

Wasser hat eine beträchtliche Wärmespeicherkapazität.

Ein Pufferspeicher erhöht daher das gesamte Wasservolumen des hydronischen Systems und sorgt für thermische Trägheit.

Die gespeicherte Wärmeenergie kann approximiert werden durch:

Q = m × Cp × ΔT

Wobei:

• Q = gespeicherte Wärmeenergie

• m = Masse des Wassers

• Cp = spezifische Wärmekapazität von Wasser

• ΔT = nutzbare Temperaturdifferenz

Für praktische HLK-Berechnungen:

1 Liter Wasser speichert etwa 1,16 Wh pro 1°C Temperaturänderung.

Daher speichert ein 200-Liter-Pufferspeicher, der über einen nutzbaren Temperaturbereich von 5 K arbeitet, etwa:

200 × 1,16 × 5 ≈ 1,16 kWh

Das bedeutet nicht, dass ein Pufferspeicher eine Energiequelle ist.

Er speichert Energie nur vorübergehend und gibt sie später wieder ab.

Diese Unterscheidung ist wichtig.

6. Vorteil #4: Reduziertes Kurzzyklieren der Wärmepumpe

Kurzzyklieren tritt auf, wenn eine Wärmepumpe startet, schnell ihre Zieltemperatur erreicht, stoppt und kurz darauf wieder startet.

Dies tritt häufig auf, wenn:

Mindestleistung der Wärmepumpe > Aktueller Wärmebedarf des Gebäudes

Zum Beispiel: Angenommen, eine Inverter-Wärmepumpe kann bis auf 5 kW herunterregeln, aber das Gebäude benötigt derzeit nur 2 kW.

Ohne ausreichend Systemwasservolumen kann die Vorlauftemperatur schnell ansteigen.

Die Steuerung erreicht die Zieltemperatur und stoppt den Kompressor.

Das Gebäude entzieht weiterhin Wärme, die Wassertemperatur sinkt, und der Kompressor startet erneut.

Das Ergebnis kann sein:

Start → Stopp → Start → Stopp → Start

Wiederholtes Takten des Kompressors kann:

• Die saisonale Effizienz verringern

• Den Stromverbrauch erhöhen

• Die Kompressorstarts erhöhen

• Den Verschleiß der Komponenten erhöhen

• Zu instabilen Innentemperaturen führen

Zusätzliches Wasservolumen aus einem richtig dimensionierten Pufferspeicher verlangsamt die Änderungen der Wassertemperatur.

Anstatt:

45°C → 50°C sehr schnell

benötigt das System möglicherweise erheblich länger, um die Regelgrenze zu erreichen.

Dies gibt der Wärmepumpe einen längeren Betriebszyklus.

7. Vorteil #5: Bessere hydraulische Stabilität bei Teillast

Gebäude arbeiten selten kontinuierlich mit 100 % Heizbedarf.

Im Frühling und Herbst benötigt beispielsweise nur ein Teil des Gebäudes Heizung.

Einige Räume erreichen möglicherweise ihre Solltemperaturen, während andere weiterhin Wärme benötigen.

Dies führt zu einer variablen Durchflussbedingung.

Ein Sekundärkreislauf ermöglicht es der Pumpe auf der Gebäudeseite, auf diese sich ändernde Nachfrage zu reagieren, während der Kreislauf auf der Wärmepumpenseite den von der Wärmepumpe benötigten Durchfluss aufrechterhält.

Diese hydraulische Trennung kann die Steuerung des gesamten Systems erleichtern.

8. Vorteil #6: Mehr Flexibilität für komplexe HLK-Projekte

Sekundärsysteme werden besonders nützlich, wenn das Projekt Folgendes umfasst:

Wärmepumpe + Pufferspeicher + Mehrere Heizkreise + Lüftungsgeräte + Heizkörper + Fußbodenheizung

Sie sind auch nützlich für:

• Große Wohngebäude

• Hotels

• Gewerbegebäude

• Schulen

• Villen mit mehreren Heizkreisen

• Nachrüstprojekte

• Hybride Heizkörper-/Fußbodenheizungssysteme

• Heiz- und Kühlsysteme mit mehreren Endgerätetypen

Bei diesen Projekten ist die zusätzliche hydraulische Komplexität oft durch die verbesserte Steuerbarkeit gerechtfertigt.

Nachteile eines sekundären hydronischen Systems

Ein Sekundärsystem ist nicht automatisch effizienter.

Dies ist ein entscheidender Punkt.

Mehr Komponenten können hydraulische Probleme lösen, aber jede zusätzliche Komponente bringt auch Kosten und potenzielle Energieverluste mit sich.

9. Nachteil #1: Eine zusätzliche Umwälzpumpe ist erforderlich

Ein typisches direktes System kann mit einer Hauptumwälzpumpe betrieben werden.

Ein Sekundärsystem benötigt normalerweise mindestens zwei:

Pumpe 1:Wärmepumpe ↔ Pufferspeicher

Pumpe 2:Pufferspeicher ↔ Gebäudestellen

Zusätzliche Heizkreise können noch mehr Pumpen erfordern.

Jede Umwälzpumpe verbraucht Strom.

Daher:

Ein Sekundärsystem kann die Betriebsstabilität der Wärmepumpe verbessern und gleichzeitig den Hilfsstromverbrauch erhöhen.

Das System sollte daher anhand des gesamten saisonalen Energieverbrauchs bewertet werden – nicht nur anhand des COP der Wärmepumpe.

Hocheffiziente ECM-Umwälzpumpen mit Drehzahlregelung werden im Allgemeinen bevorzugt.

10. Nachteil #2: Höhere Anfangskosten

Im Vergleich zu einer einfachen direkten Verbindung kann ein Sekundärsystem Folgendes erfordern:

• Normalerweise zwei oder mehr

• Zusätzliche Umwälzpumpe

• Mehr Rohrleitungen

• Mehr Absperrventile

• Rückschlagventile

• Sensoren

• Ausdehnungszubehör

• Mischventile

• Zusätzliche Steuerungen

• Mehr Installationsaufwand

Dies erhöht die anfänglichen Projektkosten.

Für eine kleine Wohninstallation mit einem einfachen Fußbodenheizungskreis bietet die zusätzliche Komplexität möglicherweise nicht immer einen ausreichenden Nutzen.

Für ein großes Projekt mit mehreren Zonen können die zusätzlichen Kosten jedoch gerechtfertigt sein.

11. Nachteil #3: Zusätzlicher Wärmeverlust

Ein Pufferspeicher ist nicht perfekt isoliert.

Ebenso wenig sind die zusätzlichen Rohre, Ventile und Armaturen, die für den Sekundärkreislauf erforderlich sind.

Daher kann Wärme verloren gehen aus:

• Wänden des Pufferspeichers

• Verteilungsrohren

• Ventilen und Armaturen

• Pumpengehäusen

• Technikräumen

Eine gute Isolierung kann diese Verluste minimieren, aber nicht vollständig eliminieren.

Dies ist besonders wichtig, wenn der Pufferspeicher in einem unbeheizten Raum installiert ist.

12. Nachteil #4: Schlechte hydraulische Auslegung kann die Effizienz der Wärmepumpe verringern

Das Hinzufügen eines Pufferspeichers schafft nicht automatisch ein gutes System.

Ein häufiges Problem tritt auf, wenn die primären und sekundären Durchflussraten schlecht aufeinander abgestimmt sind.

Sei:

Vp = primärer Wärmepumpendurchfluss

Vs = sekundärer Gebäudedurchfluss

Wenn:

Vp > Vs

kann heißes Vorlaufwasser direkt durch den Pufferspeicher zurück zur Wärmepumpe fließen.

Wenn:

Vs > Vp

kann kühleres Rücklaufwasser in die sekundäre Vorlaufleitung gelangen.

Dieses Phänomen wird manchmal als hydraulische Vermischung bezeichnet.

Übermäßige Vermischung kann die an die Endgeräte gelieferte Wassertemperatur verändern und die Wärmepumpe zwingen, mit einer höheren Austrittswassertemperatur zu arbeiten.

Da die Effizienz der Wärmepumpe mit steigender erforderlicher Wassertemperatur im Allgemeinen abnimmt, kann eine schlechte hydraulische Auslegung den COP verringern.

13. Nachteil #5: Die Steuerung wird komplizierter

Ein direktes System ist relativ einfach.

Die Wärmepumpe überwacht die Wassertemperatur und steuert einen Hauptwasserkreislauf.

Ein Sekundärsystem kann Folgendes beinhalten:

• Wärmepumpenregler

• Primäre Umwälzpumpe

• Sekundäre Umwälzpumpe

• Pufferspeicher-Sensor

• Raumthermostate

• Zonenventile

• Mischventil

• Witterungsgeführte Regelung

• Lüftungsgeräte-Steuerungen

• Fußbodenheizungs-Steuerungen

Diese Komponenten müssen korrekt zusammenarbeiten.

Eine schlechte Steuerlogik kann Situationen schaffen, in denen Pumpen unnötig laufen oder die Wärmepumpe arbeitet, wenn wenig tatsächlicher Heizbedarf besteht.

Daher ist die Regelstrategie genauso wichtig wie die hydraulische Auslegung

.

14. Ist ein Pufferspeicher für eine Wärmepumpe immer notwendig?

Nein.

Dies ist eines der häufigsten Missverständnisse bei der Auslegung von Luft-Wasser-Wärmepumpen.

Ein Pufferspeicher sollte ein spezifisches technisches Problem lösen.

• Er kann nützlich sein, wenn:

• Das Systemwasservolumen unzureichend ist

• Mehrere Heizkreise häufig öffnen und schließen

• Der Mindestdurchfluss der Wärmepumpe sonst nicht gewährleistet werden kann

• Die Mindestleistung der Wärmepumpe den häufigen Teillastbedarf übersteigt

• Mehrere Endgerätetypen eine hydraulische Trennung erfordern

• Der Abtauvorgang ein ausreichendes Wasservolumen erfordert

Die primären und sekundären Durchflussanforderungen sich erheblich unterscheiden

Wenn das System jedoch bereits ausreichend Wasservolumen, stabilen Durchfluss, richtige Zonierung und gute Wärmepumpenmodulation bietet, bietet ein großer Pufferspeicher möglicherweise wenig zusätzlichen Nutzen.

15. Größere Pufferspeicher sind nicht immer besser

Ein weiteres häufiges Missverständnis ist:

„Wenn 100 Liter gut sind, müssen 500 Liter besser sein.“

Das ist nicht unbedingt wahr.

• Ein überdimensionierter Pufferspeicher kann:

• Die Systemkosten erhöhen

• Den Wärmeverlust erhöhen

• Das Systemwasservolumen unnötig erhöhen

• Die Aufheizzeit verlängern

• Mehr Installationsplatz benötigen

Die Regelungsreaktion verringern

Die Dimensionierung des Pufferspeichers sollte daher berechnet und nicht nach Gewohnheit ausgewählt werden.

• Das richtige Volumen hängt von Faktoren ab, darunter:

• Wärmepumpenleistung

• Minimale Modulationsleistung

• Minimale Kompressorlaufzeit

• Minimaler Wärmebedarf des Gebäudes

• Systemwasservolumen

• Zulässige Temperaturschwankung

• Abtauanforderungen

Herstellerseitige Mindestwasseranforderungen

Eine vereinfachte technische Beziehung ist:

V ≈ Q × t / (ρ × Cp × ΔT)

wobei das benötigte Volumen mit dem Wärmeungleichgewicht zusammenhängt, das während der gewünschten minimalen Betriebszeit aufgenommen werden muss.

In der praktischen Auslegung sollten die hydraulischen Anforderungen des Wärmepumpenherstellers immer Vorrang haben.

Komplexe/mehrzonige Systeme

Keine der beiden Auslegungen ist universell besser.

Die richtige Wahl hängt von den Gebäude- und Betriebsbedingungen ab.

17. Ein praktisches Beispiel

Betrachten Sie ein Haus, das eine Luft-Wasser-Wärmepumpe verwendet mit:Zone A:
FußbodenheizungZone B:
HeizkörperZone C:

Lüftungsgeräte

Im Winter können alle drei Zonen in Betrieb sein.

Bei mildem Wetter benötigt möglicherweise nur die Fußbodenheizung Wärme.

Im Sommer können nur die Lüftungsgeräte zur Kühlung betrieben werden.

Der Systemdurchfluss ändert sich daher im Laufe des Jahres erheblich.

Eine sekundäre hydraulische Auslegung kann es der Wärmepumpe ermöglichen, einen stabilen primären Durchfluss aufrechtzuerhalten, während sich das sekundäre Verteilungssystem unabhängig von der Gebäudenachfrage anpasst.

Eine typische Konfiguration könnte sein:
Sekundäre Pumpe / Verteilungsverteiler
↓
Sekundäre Pumpe / Verteilungsverteiler
↓
Sekundäre Pumpe / Verteilungsverteiler
↓
Sekundäre Pumpe / Verteilungsverteiler
↓

Heizkörper + Lüftungsgeräte + Fußbodenheizung

Für den Fußbodenheizungskreis kann auch eine Mischregelung erforderlich sein, wenn seine erforderliche Vorlauftemperatur niedriger ist als die anderer Endgeräte.

Deshalb sind sekundäre hydronische Systeme bei komplexeren Wärmepumpenprojekten üblich.

18. Das wichtigste Auslegungsprinzip

Der Zweck eines Sekundärsystems ist nicht einfach nur das Hinzufügen eines Pufferspeichers.

Sein eigentlicher Zweck ist die Verwaltung der Beziehung zwischen:

Wärmequelle ↔ Wasserdurchfluss ↔ Wärmespeicherung ↔ Gebäudelast

Ein gut ausgelegtes System hält diese vier Elemente im Gleichgewicht.

Wenn die Wärmepumpe mehr Wärme produziert, als das Gebäude derzeit verbraucht, benötigt das System ausreichende Wärmekapazität und Steuerlogik, um einen schnellen Temperaturanstieg und einen Kompressorstillstand zu verhindern.

Wenn das Gebäude mehr Wärme benötigt, als die Wärmepumpe derzeit produziert, kann gespeicherte Wärme im System den Rückgang der Wassertemperatur vorübergehend verlangsamen.

Diese thermische Trägheit hilft, die Diskrepanz zwischen der momentanen Wärmepumpenleistung und dem Gebäudebedarf auszugleichen.

Wärmespeicherung erzeugt jedoch keine Energie.

Letztendlich:

Von der Wärmepumpe erzeugte Wärme = An das Gebäude abgegebene Wärme + Systemverluste ± Änderung der gespeicherten Wärmeenergie

Diese Energiebilanz ist die Grundlage der hydronischen Wärmepumpenauslegung.

Fazit: Wann sollten Sie ein sekundäres hydronisches System wählen?

Ein sekundäres hydronisches System kann eine ausgezeichnete Lösung sein, wenn eine Luft-Wasser-Wärmepumpe ein komplexes Gebäude mit variablem Wasserdurchfluss, mehreren Heizkreisen oder unterschiedlichen Endgeräten versorgt.

Seine Hauptvorteile sind:

stabiler Wärmepumpendurchfluss, hydraulische Trennung, erhöhtes Systemwasservolumen, reduziertes Kurzzyklieren und bessere Flexibilität bei mehreren Zonen.

Seine Hauptnachteile sind:

höhere Anfangskosten, zusätzlicher Stromverbrauch der Pumpen, größere Installationskomplexität, zusätzlicher Wärmeverlust und die Möglichkeit der hydraulischen Vermischung, wenn das System schlecht ausgelegt ist.

Daher sollte die technische Frage nicht lauten:

„Sollte jede Wärmepumpe einen Pufferspeicher haben?“

Eine bessere Frage ist:

„Benötigt dieses spezielle System eine hydraulische Trennung oder zusätzliche thermische Masse, um einen stabilen und effizienten Betrieb der Wärmepumpe aufrechtzuerhalten?“

Diese Frage führt zu einer wesentlich besseren HLK-Auslegung.

FAQ: Sekundäre hydronische Systeme und Pufferspeicher

Was ist ein sekundäres hydronisches System?

Ein sekundäres hydronisches System trennt den Wärmepumpenkreis vom Gebäudeverteilungskreis. Die beiden Kreise sind normalerweise über einen Pufferspeicher oder eine andere Form der hydraulischen Trennung verbunden.

Warum werden zwei Umwälzpumpen verwendet?

Eine Pumpe hält den erforderlichen Wasserdurchfluss durch die Wärmepumpe aufrecht, während die zweite Pumpe die Heiz- oder Kühlstellen des Gebäudes entsprechend ihren eigenen Durchflussanforderungen versorgt.

Verbessert ein Pufferspeicher die Effizienz der Wärmepumpe?

Nicht automatisch. Er kann Kurzzyklieren reduzieren und den Betrieb stabilisieren, was in bestimmten Systemen die saisonale Leistung verbessern kann. Der Speicher führt jedoch auch zu Wärmeverlusten, und eine zusätzliche Pumpe verbraucht Strom.

Kann eine Wärmepumpe ohne Pufferspeicher arbeiten?

Ja. Viele ordnungsgemäß ausgelegte Systeme können ohne einen arbeiten, vorausgesetzt, Mindestdurchfluss, Mindestwasservolumen, Zonierung, Abtauanforderungen und Kompressorlaufzeitanforderungen sind erfüllt.

Ist ein Sekundärsystem besser für Fußbodenheizungen?

Nicht unbedingt. Ein einfaches Fußbodenheizungssystem mit stabilem Durchfluss kann oft gut mit einer direkten Verbindung funktionieren. Sekundärsysteme werden wertvoller, wenn Fußbodenheizungen mit Heizkörpern, Lüftungsgeräten, mehreren Zonen oder unterschiedlichen Wassertemperaturanforderungen kombiniert werden.

Was passiert, wenn der Pufferspeicher zu groß ist?