Bivalente Systeme bei der Installation von Wärmepumpen

Was ist ein bivalentes System bei der Installation von Wärmepumpen?

Ein bivalentes System ist eine Heizkonfiguration, die eine Wärmepumpe mit einem zweiten Wärmeerzeuger kombiniert, um den gesamten Wärmebedarf eines Gebäudes zu decken. Die beiden Wärmequellen arbeiten entweder in einer abgestimmten Reihenfolge oder parallel. Gesteuert wird dies über Außentemperatur- und Lastgrenzen. Ein Wärmeerzeuger übernimmt die Grundlast, während der andere aktiviert wird, wenn der Wärmebedarf das übersteigt, was die Hauptquelle allein effizient leisten kann.

Bei der Installation von Wärmepumpen unterscheidet sich ein bivalentes System von einem monovalenten System dadurch, dass bewusst ein zusätzlicher Wärmeerzeuger integriert wird. Ein monovalentes System verlässt sich ausschließlich auf die Wärmepumpe. Die zweite Wärmequelle in einem bivalenten System ist typischerweise ein Gas- oder Ölkessel, ein Fernwärmeanschluss, ein elektrischer Heizstab oder ein Holzpelletkessel. Verbunden wird das System über einen gemeinsamen hydraulischen Kreis und eine zentrale Regelungseinheit, die entscheidet, welche Wärmequelle wann eingesetzt wird.

Das zentrale Merkmal eines bivalenten Systems ist der sogenannte Bivalenzpunkt. Dabei handelt es sich um die Außentemperaturgrenze, bei der der zweite Wärmeerzeuger zugeschaltet wird. Unterhalb dieses Punktes reicht die Wärmepumpe allein entweder energetisch oder wirtschaftlich nicht mehr aus, um die Heizlast des Gebäudes zu decken.

Welchen Zweck hat ein bivalentes System bei der Installation von Wärmepumpen?

Der wichtigste Zweck eines bivalenten Systems besteht darin, bei allen Außentemperaturen eine durchgehend zuverlässige Wärmeversorgung sicherzustellen, ohne die Wärmepumpe überdimensionieren zu müssen. Wärmepumpen verlieren bei sinkenden Außentemperaturen an Effizienz. Eine Wärmepumpe, die in kalten Klimazonen 100 Prozent der maximalen Winterlast abdecken soll, wäre für den Großteil der Heizperiode zu groß ausgelegt. Das führt zu höheren Investitionskosten und zu einer schlechteren saisonalen Effizienz.

Bivalente Systeme lösen dieses Problem, indem die Wärmepumpe auf die Grundlast ausgelegt wird. Typischerweise deckt sie dabei etwa 60 bis 80 Prozent des jährlichen Wärmebedarfs ab. Der zweite Wärmeerzeuger übernimmt die Spitzenlast, die nur an wenigen Tagen im Jahr auftritt. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems optimiert: Die Wärmepumpe arbeitet über möglichst viele Betriebsstunden in ihrem effizientesten Temperaturbereich, während der zweite Wärmeerzeuger die kurzen Phasen mit extrem niedrigen Temperaturen abdeckt.

Ein weiterer Zweck ist die Betriebssicherheit. Eine bivalente Konfiguration bietet Redundanz. Wenn die Wärmepumpe gewartet werden muss oder vorübergehend ausfällt, kann der zweite Wärmeerzeuger die Wärmeversorgung eigenständig aufrechterhalten. Das ist besonders relevant für Gebäude mit kritischem Heizbedarf oder für Haushalte, in denen Bewohner aus medizinischen Gründen auf eine sichere Wärmeversorgung angewiesen sind.

Warum bivalente Systeme benötigt werden

Die Physik des Wärmepumpenbetriebs bei niedrigen Außentemperaturen

Wärmepumpen entziehen einem Quellmedium thermische Energie, zum Beispiel der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser, und heben diese mithilfe eines Kältekreislaufs auf nutzbare Heiztemperaturen an. Die Effizienz dieses Prozesses, ausgedrückt durch die Leistungszahl beziehungsweise den Coefficient of Performance (COP), hängt direkt vom Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ab. Sinkt die Außentemperatur, nimmt der COP einer Luft-Wasser-Wärmepumpe ab. Bei sehr niedrigen Temperaturen, typischerweise zwischen -10 °C und -20 °C je nach Systemauslegung, erreichen manche Luft-Wasser-Wärmepumpen ihre Betriebsgrenzen oder verbrauchen mehr Energie als alternative Heizmethoden.

Erd- und Grundwasserwärmepumpen sind davon weniger stark betroffen, weil die Temperaturen im Untergrund über das Jahr hinweg relativ stabil bleiben. Dennoch sind auch sie nicht vollständig vor Auslegungsrisiken geschützt, insbesondere bei längeren Kälteperioden oder in Gebäuden mit hohem spezifischem Wärmebedarf.

Die Wirtschaftlichkeit der Auslegung auf Spitzenlast

Eine Wärmepumpe so auszulegen, dass sie 100 Prozent der Spitzenheizlast decken kann, verursacht deutliche Mehrkosten. Die Spitzenlast tritt nur während eines kleinen Teils der jährlichen Betriebsstunden auf. Eine Wärmepumpe, die für Auslegungsbedingungen von -15 °C dimensioniert ist, wäre erheblich größer, teurer und bei milder Witterung weniger effizient als eine Anlage, die auf die Grundlast ausgelegt ist. Der bivalente Ansatz bietet daher eine bessere Kapitalrendite, weil die Wärmepumpenleistung auf den wirtschaftlich optimalen Betriebsbereich abgestimmt wird.

Gebäudebestand und Realität bei Nachrüstungen

Ein großer Teil des Gebäudebestands in der DACH-Region besteht aus älteren Gebäuden mit hohem spezifischem Wärmebedarf und bestehenden fossilen Heizkesseln. In solchen Nachrüstsituationen kann ein vollständiger Austausch durch eine monovalente Wärmepumpe zunächst umfangreiche Verbesserungen an der Gebäudehülle erfordern, damit die Wärmepumpe sinnvoll dimensioniert werden kann. Eine bivalente Installation ermöglicht es, die Wärmepumpe in bestehende wassergeführte Heizsysteme zu integrieren, die oft mit höheren Vorlauftemperaturen arbeiten. Der vorhandene Heizkessel bleibt dabei als zusätzliche Wärmequelle während der Übergangsphase erhalten. Dieser stufenweise Ansatz entspricht den Anforderungen des deutschen Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und der österreichischen OIB-Richtlinie 6 zur schrittweisen Dekarbonisierung.

Regulatorische Vorgaben und Förderrahmen

Mehrere Förderprogramme in der DACH-Region berücksichtigen oder verlangen ausdrücklich bivalente Konfigurationen. Der österreichische KlimaBonus beziehungsweise die Bundesförderung für erneuerbares Heizen unterstützt Wärmepumpeninstallationen in Kombination mit bestehenden Heizkesseln als Teil eines hybriden Systemwegs. Das Wärmepumpenprogramm des deutschen Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) erlaubt unter bestimmten Effizienzbedingungen hybride Wärmepumpensysteme mit Gas-Backup. Das Schweizer Gebäudeprogramm unterstützt die Integration von Wärmepumpen in bestehende wassergeführte Heizungsinfrastrukturen. Installateure und Gebäudeeigentümer müssen die verschiedenen Typen bivalenter Systeme verstehen, um Förderungen korrekt zu planen, zu dokumentieren und zu beantragen.

Wesentliche Merkmale bivalenter Systeme

Bivalente Systeme weisen eine Reihe gemeinsamer technischer Merkmale auf, die Leistung, Effizienz und regulatorische Konformität bestimmen. Diese Merkmale gelten für Luft-, Erd- und Grundwasserwärmepumpen, auch wenn sich die praktische Umsetzung je nach Systemtyp unterscheidet.

Zu den wichtigsten Merkmalen gehören:

• Definition des Bivalenzpunkts und Regelungslogik
• Auswahl der Betriebsart: alternativ, parallel oder teilparallel
• Integration eines Pufferspeichers
• Steuerung, Priorisierung und Kommunikationsprotokolle der Regelungseinheit
• Hydraulische Trennung und Vorlauftemperaturmanagement
• Energiemessung und Dokumentationsfähigkeit für Förderprogramme

Jedes dieser Merkmale hat eine wichtige betriebliche Bedeutung. Ein korrekt eingestellter Bivalenzpunkt entscheidet darüber, ob das System die geplante saisonale Leistungszahl beziehungsweise den geplanten SCOP erreicht. Ein unzureichend dimensionierter Pufferspeicher führt zu häufigem Takten. Eine schlecht konfigurierte Regelungslogik kann dazu führen, dass konkurrierende Wärmeerzeuger gleichzeitig arbeiten und dadurch die Energiekosten steigen.

Detaillierte Erklärung der wichtigsten Merkmale

Bivalenzpunkt

Definition: Der Bivalenzpunkt ist die Außentemperatur, bei der die Heizleistung der Wärmepumpe genau dem Wärmeverlust des Gebäudes bei dieser Temperatur entspricht. Unterhalb dieser Temperatur reicht die Leistung der Wärmepumpe allein nicht aus, um die gewünschte Innentemperatur aufrechtzuerhalten.

Zweck: Der Bivalenzpunkt legt die thermische Grenze zwischen dem Primärbetrieb der Wärmepumpe und der Zuschaltung des zweiten Wärmeerzeugers fest. Er ist der zentrale Parameter, um den herum das bivalente System geplant wird.

Vorteile: Ein korrekt berechneter Bivalenzpunkt maximiert die Betriebsstunden der Wärmepumpe, optimiert den jährlichen SCOP und verhindert, dass der zweite Wärmeerzeuger zu früh aktiviert wird. Das schützt sowohl die Energieeffizienz als auch die Einhaltung von Förderbedingungen.

Praktische Anwendung: Der Bivalenzpunkt wird anhand der Heizlastkurve des Gebäudes berechnet. Diese basiert auf der Heizlastberechnung nach EN 12831 und der Norm-Außentemperatur des Installationsorts. Für österreichische Standorte werden die Norm-Außentemperaturen in ÖNORM EN 12831-1 und ÖNORM B 8135 festgelegt. Für deutsche Standorte gilt DIN EN 12831-1. Bei den meisten Nachrüstungen in Mitteleuropa liegt der Bivalenzpunkt zwischen -5 °C und +2 °C. Das entspricht einem Wärmepumpenanteil von etwa 60 bis 80 Prozent des jährlichen Energiebedarfs.

Betriebsarten

Definition: Bivalente Systeme arbeiten je nach Zusammenspiel von Wärmepumpe und zweitem Wärmeerzeuger in einer von drei Regelungsarten: alternativ, parallel oder teilparallel.

Zweck: Die Betriebsart bestimmt, welcher Wärmeerzeuger bei bestimmten Außentemperaturen aktiv ist und ob beide Wärmeerzeuger gleichzeitig arbeiten können. Die Wahl der Betriebsart beeinflusst die Systemeffizienz, die hydraulische Auslegung und die Komplexität der Regelung.

Vorteile: Die passende Betriebsart reduziert Energieverluste, vereinfacht die Hydraulikplanung und stellt die Kompatibilität mit vorhandenen Anlagenkomponenten sicher.

Praktische Anwendung:

Bivalent-alternativer Betrieb: Die Wärmepumpe arbeitet oberhalb des Bivalenzpunkts allein. Unterhalb dieses Punktes schaltet sie ab, und der zweite Wärmeerzeuger übernimmt vollständig. Diese Betriebsart eignet sich, wenn die beiden Wärmeerzeuger unterschiedliche Vorlauftemperaturen benötigen oder ein gleichzeitiger Betrieb hydraulisch nicht sinnvoll umgesetzt werden kann. Sie kommt häufig bei Nachrüstungen mit Gasheizkesseln und Hochtemperatur-Heizsystemen vor.

Bivalent-paralleler Betrieb: Unterhalb des Bivalenzpunkts arbeiten beide Wärmeerzeuger gleichzeitig. Die Wärmepumpe liefert ihre maximal verfügbare Leistung, während der zweite Wärmeerzeuger die fehlende Leistung ergänzt. Diese Betriebsart maximiert die Nutzung der Wärmepumpe und ist vorzuziehen, wenn niedrige Vorlauftemperaturen erreichbar sind. Sie erfordert jedoch eine Regelung, die beide Quellen dynamisch koordiniert, sowie eine Hydraulik, die den gleichzeitigen Durchfluss unterstützt.

Bivalent-teilparalleler Betrieb: Diese Betriebsart ist eine Kombination der beiden vorherigen Varianten. Die Wärmepumpe arbeitet oberhalb des Bivalenzpunkts allein und zwischen dem Bivalenzpunkt und einer unteren Abschalttemperatur parallel mit dem zweiten Wärmeerzeuger. Unterhalb der Abschalttemperatur arbeitet nur noch der zweite Wärmeerzeuger. Diese Betriebsart eignet sich, wenn die Wärmepumpe eine klar definierte Mindestbetriebstemperatur hat.

Pufferspeicher

Definition: Ein Pufferspeicher ist ein hydraulisch eingebundener thermischer Speicher, der den Betrieb der Wärmepumpe vom unmittelbaren Wärmebedarf des Heizkreises entkoppelt. Er speichert überschüssige Wärme und gibt sie bei Lastspitzen wieder ab.

Zweck: Ein Pufferspeicher verhindert häufiges Takten der Wärmepumpe. Dabei handelt es sich um häufiges Ein- und Ausschalten, das die Lebensdauer des Verdichters verkürzt und die Effizienz verschlechtert. Außerdem nimmt der Speicher überschüssige Leistung bei Teillast auf und stellt Volumen für die hydraulische Entkopplung in kombinierten Systemen bereit.

Vorteile: Ein richtig dimensionierter Pufferspeicher verlängert die Lebensdauer des Verdichters, senkt verschleißbedingte Wartungskosten, verbessert den SCOP und ist bei bivalenten Konfigurationen häufig Voraussetzung für Herstellergarantien.

Praktische Anwendung: Das erforderliche Pufferspeichervolumen wird anhand der thermischen Leistung der Wärmepumpe, des Mindestvolumenstroms im Heizkreis und der thermischen Trägheit des Gebäudes bestimmt. In der DACH-Praxis wird häufig eine Faustregel von 20 bis 50 Litern pro Kilowatt Wärmepumpenleistung angewendet. Eine exakte Auslegung erfordert jedoch hydraulische Berechnungen nach VDI 2078 und VDI 6001. Österreichische Installationsrichtlinien nach ÖNORM H 5151 definieren Mindestkonfigurationen für Speicher in Wärmepumpensystemen mit zusätzlichen Wärmeerzeugern.

Regelungseinheit und Priorisierungslogik

Definition: Die Regelungseinheit ist das elektronische Managementsystem, das Außentemperatur, Vorlauftemperaturen, Sollwerte und die Verfügbarkeit der Wärmequellen überwacht. Auf dieser Grundlage aktiviert oder deaktiviert sie die Wärmepumpe und den zweiten Wärmeerzeuger gemäß der programmierten Logik.

Zweck: Die Regelungseinheit ist das operative Gehirn des bivalenten Systems. Sie setzt den Bivalenzpunkt um, steuert Übergänge zwischen Betriebsarten, verhindert widersprüchlichen Parallelbetrieb und protokolliert Betriebsdaten für Förder- und Nachweisdokumentationen.

Vorteile: Eine gut konfigurierte Regelung optimiert das Verhältnis zwischen Wärmepumpenbetrieb und Einsatz des zweiten Wärmeerzeugers. Sie maximiert die Laufzeit der Wärmepumpe, verhindert Energieverluste durch unkoordiniertes Umschalten und ermöglicht Fernüberwachung sowie Fehlererkennung.

Praktische Anwendung: Moderne Wärmepumpenregler, etwa der iDM Navigator 2.0, kommunizieren mit zweiten Wärmeerzeugern über standardisierte Schnittstellen wie OpenTherm, Modbus RTU oder proprietäre Bussysteme. Die Regelungseinheit legt die Bivalenztemperatur fest, steuert die Übergabe der Sollwerte zwischen den Quellen und kann Smart-Grid-Ready-Signale (SG Ready) integrieren, um den Wärmepumpenbetrieb in Zeiten günstiger oder CO₂-armer Netzstromverfügbarkeit zu verlagern. Nach der deutschen VDE-AR-N 4100 und den österreichischen Vorgaben der E-Netzbetreiber können SG-Ready-fähige Systeme für bestimmte Netztarife geeignet sein.

Hydraulische Trennung und Vorlauftemperaturmanagement

Definition: Hydraulische Trennung bezeichnet die Auslegung des Heizkreises so, dass direkte Druckwechselwirkungen zwischen Wärmepumpe, zweitem Wärmeerzeuger und Verteilkreisen vermieden werden. Das Vorlauftemperaturmanagement stellt sicher, dass jeder Wärmeerzeuger in seinem optimalen Temperaturbereich arbeitet.

Zweck: Wärmepumpen arbeiten am effizientesten bei niedrigen Vorlauftemperaturen von etwa 35 bis 55 °C. Viele zweite Wärmeerzeuger, insbesondere Gasheizkessel in Bestandsgebäuden, sind dagegen für höhere Vorlauftemperaturen von 65 bis 85 °C ausgelegt. Die hydraulische Trennung ermöglicht es, dass jeder Wärmeerzeuger den passenden Teil des Systems versorgt, ohne sich gegenseitig thermisch zu beeinflussen.

Vorteile: Eine korrekte hydraulische Auslegung verhindert, dass die Wärmepumpe unter ungünstigen thermischen Bedingungen arbeitet. Sie schützt den zweiten Wärmeerzeuger vor Schäden durch Kondensation im Niedertemperaturbetrieb und ermöglicht eine korrekte Messung des Energiebeitrags jedes Wärmeerzeugers.

Praktische Anwendung: Die hydraulische Schnittstelle zwischen Wärmepumpe und zweitem Wärmeerzeuger wird häufig über eine hydraulische Weiche, einen Verteiler mit geringem Druckverlust oder einen Schichtpufferspeicher mit separaten Anschlüssen für jeden Wärmeerzeuger realisiert. In Österreich regelt ÖNORM EN 14336 die hydraulische Installation von Heizungsanlagen. In Deutschland gilt DIN 18380 für Heizungsanlagen und zentrale Wassererwärmungsanlagen, insbesondere für Inbetriebnahme und hydraulische Dichtheits- beziehungsweise Funktionsprüfungen.

Arten bivalenter Systeme

Bivalente Systeme werden nach der Kombination aus Wärmepumpentyp und zweitem Wärmeerzeuger klassifiziert. Jede Kombination hat eigene Einsatzbereiche, Effizienzmerkmale und regulatorische Anforderungen.

Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Gas- oder Ölkessel

Dies ist die am weitesten verbreitete bivalente Konfiguration bei Nachrüstungen in der DACH-Region. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe übernimmt die Grundlast, während der fossile Heizkessel in Kälteperioden oder bei hohen Lastspitzen aktiviert wird. Diese Konfiguration wird im deutschen GEG ausdrücklich im Rahmen hybrider Heizsysteme berücksichtigt. Das System kann die Anforderung eines 65-prozentigen Anteils erneuerbarer Energien erfüllen, wenn die Wärmepumpe den Großteil des jährlichen Energiebedarfs liefert.

Geeignete iDM-Produkte: iDM TERRA AL, die Luft-Wasser-Wärmepumpenserie, kombiniert mit einem bestehenden Heizkessel über den iDM Navigator 2.0.

Luft-Wasser-Wärmepumpe mit elektrischem Heizstab

Bei dieser Konfiguration ist der zweite Wärmeerzeuger ein elektrischer Heizstab oder ein Elektrokessel, der typischerweise direkt in das hydraulische System oder in eine kombinierte Einheit integriert ist. Diese Lösung kommt ohne fossile Infrastruktur aus, verursacht bei hohen Strompreisen jedoch höhere Kosten in Spitzenlastzeiten. Sie ist häufig in Neubauten und Mehrfamilienhäusern ohne Gasanschluss zu finden.

Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Gas- oder Ölkessel

Diese Variante ist wegen der höheren Investitionskosten für die Erschließung der Wärmequelle Erdreich weniger verbreitet. Sie wird vor allem in größeren Gewerbe- oder Industriegebäuden eingesetzt, deren Spitzenwärmebedarf die Kapazität einer einzelnen Sole-Wasser-Wärmepumpe übersteigt. Die Erdquelle sorgt über die gesamte Heizperiode für stabile Effizienz, während der Heizkessel kurzzeitige Lastspitzen abdeckt.

Geeignete iDM-Produkte: iDM TERRA SW, die Sole-Wasser-Wärmepumpenserie, mit Integration eines zweiten Heizkessels über den iDM Navigator 2.0.

Wärmepumpe mit Fernwärme

In städtischen Gebieten Österreichs, Deutschlands und der Schweiz mit Fernwärmenetzen kann eine Wärmepumpe als Grundlastquelle integriert werden, während der Fernwärmeanschluss als zweite Hochtemperaturquelle dient. Diese Konfiguration gewinnt an Bedeutung, da Fernwärmenetze ausgebaut und zunehmend dekarbonisiert werden. Die hydraulische Einbindung erfordert einen Wärmetauscher, um die Druckzonen des Fernwärmenetzes vom internen Gebäudekreislauf zu trennen.

Wärmepumpe mit fester Biomasse oder Pelletkessel

Diese Kombination ist in ländlichen Regionen Österreichs und Deutschlands verbreitet, in denen bereits Holzpellet- oder Scheitholzkessel installiert sind. Die Wärmepumpe liefert effiziente Grundlastwärme, während der Biomassekessel in kalten Perioden arbeitet oder die Warmwasserbereitung unterstützt. Da beide Wärmeerzeuger erneuerbare Energien nutzen, erfüllt diese Kombination die Anforderungen des GEG an erneuerbare Energien vollständig und kann in Österreich für KlimaBonus-Förderungen geeignet sein.

Anwendungsfälle

Nachrüstung in bestehenden Wohngebäuden

Ein Einfamilienhaus in Graz, Österreich, Baujahr 1975, verfügt über einen Gasheizkessel und ein Heizkörpersystem, das für Vorlauftemperaturen von 75/65 °C ausgelegt ist. Ein vollständiger Ersatz durch eine monovalente Wärmepumpe würde entweder den Austausch beziehungsweise die Vergrößerung von Heizkörpern oder eine Wärmepumpe mit hohen Vorlauftemperaturen erfordern. Beides erhöht die Kosten. Eine bivalente Installation ermöglicht es der iDM TERRA AL, während des Großteils der Heizperiode mit reduzierten Vorlauftemperaturen zu arbeiten, während der bestehende Gasheizkessel in den kältesten Wochen aktiviert wird. In diesem Szenario erreicht der jährliche Wärmepumpenanteil typischerweise 70 bis 80 Prozent und erfüllt damit die Anforderungen des KlimaBonus.

Neubau in einer Klimazone mit sehr kalten Wintern

Eine neue Wohnanlage in den Vorarlberger Alpen auf 1.200 Metern Seehöhe ist Norm-Außentemperaturen von -16 °C ausgesetzt. Eine monovalente Luft-Wasser-Wärmepumpe auf diese Extrembedingungen auszulegen, würde zu einer großen und teuren Anlage führen, die bei milderen Temperaturen eine schlechte Teillasteffizienz aufweist. Eine bivalente Konfiguration mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe für die Grundlast und einem elektrischen Heizstab für die kältesten Tage stellt eine zuverlässige Versorgung sicher, ohne die Investitionskosten unnötig zu erhöhen. Sole-Wasser-Systeme können in diesem Umfeld aufgrund stabiler Erdtemperaturen unter Umständen monovalent betrieben werden.

Mehrfamilienhaus mit Fernwärmeanschluss

Ein Wohnhaus mit sechs Wohneinheiten in München verfügt über einen bestehenden Fernwärmeanschluss. Eine bivalente Konfiguration mit einer Wärmepumpe für die Grundlast reduziert den Fernwärmeverbrauch, senkt die Energiekosten und erfüllt die Anforderungen des GEG an erneuerbare Energien. Der Fernwärmeanschluss stellt Backup-Leistung bereit und übernimmt die Warmwasserbereitung im Sommer, ohne dass die Wärmepumpe in einem weniger effizienten Betriebsbereich arbeiten muss.

Gewerbe- oder leichtes Industriegebäude

Ein Produktionsbetrieb in Zürich, Schweiz, benötigt Raumwärme und Prozesswärme bei mittleren Temperaturen. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe stellt die Grundlast für die Raumheizung effizient bereit. Der zweite Wärmeerzeuger, ein Gasheizkessel, dient zur Spitzenlastabdeckung und liefert Prozesswärme bei Temperaturen oberhalb des Betriebsbereichs der Wärmepumpe. Diese Konfiguration entspricht der SIA 384/1, der Schweizer Norm für Heizungsanlagen in Gebäuden, und kann nach kantonalen Schweizer Energievorschriften genehmigungsfähig sein.

Schrittweise Dekarbonisierung öffentlicher Gebäude

Kommunale Gebäude in Deutschland und Österreich müssen Dekarbonisierungsfristen nach dem GEG und dem österreichischen Erneuerbares-Wärme-Gesetz einhalten. Bivalente Installationen ermöglichen es öffentlichen Gebäudebetreibern, Wärmepumpen einzuführen, während vorhandene Heizkessel weiter genutzt werden. So können Investitionen über mehrere Budgetzyklen verteilt werden. Mit zunehmender Optimierung steigt jedes Jahr der Anteil der Wärmepumpe am jährlichen Energiebedarf, während der fossile Anteil auf einem dokumentierten Pfad sinkt.

Vorteile

Energieeffizienz

Ein korrekt ausgelegtes bivalentes System erreicht eine höhere jährliche saisonale Leistungszahl als eine monovalente Wärmepumpe, die auf die volle Spitzenlast ausgelegt ist. Die Wärmepumpe arbeitet während des Großteils der jährlichen Betriebsstunden in ihrem effizientesten Außentemperaturbereich, typischerweise oberhalb von 0 °C. Die Spitzenlast, die in den meisten DACH-Klimazonen nur 5 bis 15 Prozent der jährlichen Betriebsstunden ausmacht, wird vom zweiten Wärmeerzeuger übernommen. Dadurch sinkt der jährliche Primärenergieverbrauch im Vergleich zu einem reinen fossilen Heizkessel oder einer überdimensionierten Wärmepumpe.

Wirtschaftlichkeit

Die Investitionskosten eines bivalenten Systems sind in der Regel niedriger als die eines monovalenten Wärmepumpensystems, das auf die vollständige Spitzenlastabdeckung ausgelegt ist. Die Wärmepumpe selbst kann kleiner und günstiger gewählt werden. Wenn ein vorhandener Heizkessel als zweiter Wärmeerzeuger weiter genutzt wird, reduziert sich die Investition zusätzlich. Die Betriebskosten werden optimiert, indem die Wärmepumpe bei hoher Effizienz priorisiert wird und der zweite Wärmeerzeuger nur dann arbeitet, wenn die Effizienz der Wärmepumpe deutlich abnimmt.

Regulatorische Konformität

Bivalente Systeme bieten einen dokumentierbaren Weg, um die Anforderungen des GEG an einen Anteil von 65 Prozent erneuerbarer Energien bei Heizsystemen zu erfüllen. Die österreichische OIB-Richtlinie 6 und das Erneuerbares-Wärme-Gesetz verlangen erneuerbare Wärmeanteile in Neubauten und bei umfangreichen Sanierungen. Bivalente Konfigurationen ermöglichen die Einhaltung dieser Vorgaben auch in Gebäuden, die noch nicht vollständig für einen monovalenten Wärmepumpenbetrieb geeignet sind. Auch die kantonale Umsetzung der Schweizer MuKEn 2014 erkennt bivalente Systeme als geeigneten Pfad zur Dekarbonisierung an.

Betriebssicherheit

Bivalente Systeme bieten von Natur aus Redundanz. Wenn die Wärmepumpe eine Störung meldet oder planmäßig gewartet werden muss, kann der zweite Wärmeerzeuger die Beheizung des Gebäudes sicherstellen. Das ist besonders wichtig für Gesundheitseinrichtungen, Pflegeheime und Gebäude in Hochlagen, in denen ein Heizungsausfall im Winter schwerwiegende Folgen haben kann.

Umweltvorteile

Indem bivalente Systeme die Betriebsstunden der Wärmepumpe maximieren und den Einsatz fossiler Heizkessel minimieren, senken sie die CO₂-Emissionen im Vergleich zu rein fossilen Heizsystemen. Mit der fortschreitenden Dekarbonisierung der Stromnetze in Österreich, Deutschland und der Schweiz verbessert sich die Umweltbilanz der Wärmepumpe von Jahr zu Jahr, da der Anteil erneuerbaren Stroms im Netz steigt.

Auswahlkriterien

Die Wahl der passenden bivalenten Systemkonfiguration erfordert eine systematische Bewertung des Gebäudes, des Klimas, der vorhandenen Infrastruktur und des regulatorischen Umfelds. Die folgenden Kriterien gelten für Installationen in der DACH-Region.

Gebäudeheizlast und Wärmeverlustkurve

Die Auslegungsheizlast des Gebäudes, berechnet nach EN 12831, ist die wichtigste Grundlage für die Dimensionierung. Die Wärmeverlustkurve, also das Verhältnis zwischen Außentemperatur und Wärmebedarf, bestimmt den Bivalenzpunkt und die erforderliche Leistung der Wärmepumpe. Gebäude mit schlechter Dämmung haben steile Wärmeverlustkurven und benötigen eine höhere Leistung des zweiten Wärmeerzeugers. Gut gedämmte Neubauten können sehr niedrige Bivalenzpunkte erreichen und damit nahezu monovalent betrieben werden.

Bestehendes wassergeführtes Heizsystem und Vorlauftemperaturen

Bestehende Heizkörpersysteme, die für hohe Vorlauftemperaturen von über 65 °C ausgelegt sind, begrenzen die Effizienz der Wärmepumpe. Der Installateur muss prüfen, ob ein Betrieb mit niedrigeren Temperaturen möglich ist, etwa durch den teilweisen Austausch von Heizkörpern, durch die Nutzung größer dimensionierter vorhandener Heizkörper oder durch den Betrieb der Wärmepumpe mit höheren Kondensationstemperaturen und entsprechend geringerem COP. Wenn hohe Vorlauftemperaturen unvermeidbar sind, ist der bivalent-alternative Betrieb, bei dem der Heizkessel die Spitzenlast bei hohen Temperaturen abdeckt, häufig die pragmatischste Lösung.

Klimazone und Norm-Außentemperatur

Die Norm-Außentemperatur am Installationsort bestimmt, wie häufig und wie lange Bedingungen unterhalb des Bivalenzpunkts auftreten. Regionen mit milden Wintern, etwa das Wiener Becken, das Rheintal in Vorarlberg oder das bayerische Tiefland, haben weniger Stunden mit extremer Kälte. Der jährliche Beitrag des zweiten Wärmeerzeugers bleibt dort gering. Alpine oder kontinentale Standorte mit kälteren Wintern erfordern dagegen einen höheren jährlichen Energieanteil des zweiten Wärmeerzeugers.

Typ und Kompatibilität des zweiten Wärmeerzeugers

Der zweite Wärmeerzeuger muss zur hydraulischen und regelungstechnischen Architektur der Wärmepumpe passen. Gas- und Ölkessel benötigen eine Abgasinfrastruktur. Elektrische Heizstäbe oder Elektrokessel erfordern eine ausreichende elektrische Anschlussleistung. Biomassekessel benötigen Lager- und Fördereinrichtungen für den Brennstoff. Fernwärmeanschlüsse benötigen Wärmetauscher und ein geeignetes Druckmanagement. Jeder Wärmeerzeugertyp hat eigene Installationsanforderungen gemäß den jeweiligen Regelwerken in der DACH-Region.

Anforderungen von Förderprogrammen

Der österreichische KlimaBonus, deutsche BAFA-Programme und Investitionszuschüsse sowie kantonale Schweizer Förderprogramme stellen jeweils spezifische Anforderungen an bivalente Systemkonfigurationen. Dazu gehören Mindestanforderungen an die Effizienz der Wärmepumpe, etwa Mindestwerte für SCOP oder COP, die Dokumentation des Wärmepumpenanteils am Energiebedarf und zugelassene Produktkategorien. Vor der Installation muss der Installateur prüfen, ob das gewählte Wärmepumpenmodell und die Systemkonfiguration die Anforderungen des jeweiligen Förderprogramms erfüllen.

Fähigkeiten des Wärmepumpenmodells

Nicht alle Wärmepumpenmodelle unterstützen eine bivalente Integration auf Regelungsebene. Der Installateur muss sicherstellen, dass der Regler der gewählten Wärmepumpe die Aktivierung externer Wärmeerzeuger über eine standardisierte Schnittstelle unterstützt, die von der Wärmepumpe gelieferte Energie getrennt vom zweiten Wärmeerzeuger erfassen kann und den Bivalenzpunkt als konfigurierbaren Parameter verwaltet. iDM-Wärmepumpen mit Navigator-2.0-Regler unterstützen diese Funktionen nativ, einschließlich SG-Ready-Schnittstelle für den netzintegrierten Betrieb.

Vergleiche

Bivalentes System im Vergleich zum monovalenten System

Ein monovalentes System deckt den gesamten Wärmebedarf ausschließlich mit der Wärmepumpe. Dafür muss die Wärmepumpe auf die Auslegungs-Spitzenlast dimensioniert werden und auch bei niedrigen Außentemperaturen arbeiten, bei denen der COP reduziert sein kann. Ein monovalenter Betrieb eignet sich für gut gedämmte Neubauten mit Niedertemperatur-Heizsystemen, für Erd- oder Grundwasserwärmepumpen mit stabilen Quellentemperaturen und für Standorte mit vergleichsweise milden Norm-Außentemperaturen.

Bivalente Systeme sind vorzuziehen, wenn eine Auslegung der Wärmepumpe auf Spitzenlast unwirtschaftlich wäre, wenn vorhandene wassergeführte Heizsysteme den Wärmepumpenbetrieb begrenzen oder wenn regulatorische Anforderungen eine stufenweise Integration erneuerbarer Energien ermöglichen. Das monovalente System beseitigt die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen vollständig. Das bivalente System kombiniert dagegen niedrigere Investitionskosten mit höherer betrieblicher Flexibilität, auch wenn bei einem fossilen zweiten Wärmeerzeuger eine teilweise Abhängigkeit von fossilen Energieträgern bestehen bleibt.

Bivalent-alternativ im Vergleich zu bivalent-parallel

Im bivalent-alternativen Betrieb schaltet die Wärmepumpe ab, sobald der zweite Wärmeerzeuger aktiviert wird. Das vereinfacht Hydraulik und Regelung, nutzt aber die bei niedrigen Temperaturen noch verfügbare Wärmepumpenleistung nicht aus. Im bivalent-parallelen Betrieb arbeitet die Wärmepumpe weiter mit maximaler verfügbarer Leistung, während der zweite Wärmeerzeuger die Differenz abdeckt. Der Parallelbetrieb gewinnt dadurch mehr Jahresenergie aus der Wärmepumpe, verbessert die Wirtschaftlichkeit und erleichtert die Einhaltung von Förderanforderungen. Gleichzeitig steigen jedoch die Anforderungen an Hydraulik und Regelung.

Der Parallelbetrieb ist die bevorzugte Konfiguration, wenn die Wärmepumpe auch bei niedrigen Temperaturen effizient arbeiten kann, die Regelung eine koordinierte Quellensteuerung unterstützt und die Hydraulik gleichzeitige Volumenströme beider Wärmeerzeuger zulässt. Der alternative Betrieb eignet sich für Hochtemperatur-Nachrüstungen, bei denen die Wärmepumpe das Verteilungssystem bei niedrigen Außentemperaturen nicht effizient versorgen kann.

Bivalentes System im Vergleich zum multivalenten System

Ein multivalentes System integriert drei oder mehr Wärmequellen, zum Beispiel eine Wärmepumpe, eine Solarthermieanlage und einen Gasheizkessel. Multivalente Konfigurationen können höhere jährliche Anteile erneuerbarer Energien und größere betriebliche Flexibilität erreichen. Sie erfordern jedoch eine komplexere hydraulische Planung, fortgeschrittene Regelungslogik und höhere Installationskosten. Bivalente Systeme stellen daher für die meisten Wohngebäude und kleineren Gewerbeanwendungen in den DACH-Märkten den praktischen Optimalfall dar.

Integration mit anderen Systemen

Integration mit iDM-Wärmepumpensystemen

Die iDM Energiesysteme GmbH entwickelt ihre Wärmepumpen für die bivalente Integration als wichtigen Anwendungsfall. Der iDM Navigator 2.0 unterstützt bivalente Systemkonfigurationen nativ, einschließlich einstellbarem Bivalenzpunkt, Auswahl der Betriebsart, also alternativ, parallel oder teilparallel, Aktivierung des zweiten Wärmeerzeugers über Relais- oder Busschnittstelle sowie getrennter Energieüberwachung für Wärmepumpe und zweiten Wärmeerzeuger.

Die Produktlinien iDM TERRA AL für Luft-Wasser-Wärmepumpen und iDM TERRA SW für Sole-Wasser-Wärmepumpen sind beide für bivalente Installationen in Wohngebäuden und kleineren Gewerbeanwendungen in der DACH-Region ausgelegt. Die iDM iPump A kombiniert Wärmepumpe und hydraulische Komponenten in einer kompakten Einheit, die für eine vereinfachte bivalente Nachrüstung entwickelt wurde.

Integration mit Trinkwarmwassersystemen

In bivalenten Heizsystemen muss die Trinkwarmwasserbereitung in die Regelungsarchitektur eingebunden werden. Die Wärmepumpe kann über einen separaten Warmwasserspeicher oder einen kombinierten Puffer- und Warmwasserspeicher als primäre Quelle für die Trinkwarmwasserbereitung dienen. Der zweite Wärmeerzeuger kann die Warmwasserbereitung unterstützen, wenn die Wärmepumpe im alternativen Betrieb läuft. Die Regelungseinheit muss die Priorisierung zwischen Raumheizung und Trinkwarmwasser steuern, damit nicht beide Kreise gleichzeitig volle Leistung anfordern.

Die österreichische ÖNORM B 5019 regelt Planung und Installation von Trinkwassererwärmungsanlagen und legt thermische Anforderungen zur Legionellenprävention fest. Diese Anforderungen beeinflussen Speichertemperaturen und Aufheizstrategien in bivalenten Konfigurationen.

Integration mit Smart Grid und dynamischen Tarifen

Bivalente Systeme eignen sich gut für die Integration in intelligente Stromnetze. Die SG-Ready-Schnittstelle, definiert in der SG-Ready-Spezifikation des Bundesverbands Wärmepumpe (BWP) und anerkannt in österreichischen und schweizerischen Netzrahmen, ermöglicht es der Regelungseinheit, den Wärmepumpenbetrieb in Zeiten mit überschüssigem erneuerbarem Strom zu verlagern. Bei hoher Netzverfügbarkeit, etwa SG-Ready-Signalstufe 3 oder 4, arbeitet die Wärmepumpe mit erhöhten Solltemperaturen und erwärmt das Gebäude oder den Pufferspeicher vor. Bei geringer Netzverfügbarkeit oder hohen Stromkosten, etwa Signalstufe 1, kann bei Bedarf der zweite Wärmeerzeuger zugeschaltet werden.

Dynamische Stromtarife österreichischer und deutscher Energieanbieter belohnen zunehmend die flexible Lastverschiebung von Wärmepumpen. Der iDM Navigator 2.0 unterstützt die Integration von SG-Ready-Signalen und ermöglicht dadurch eine zeitabhängige Optimierung innerhalb des bivalenten Regelungskonzepts.

Integration mit Gebäudeautomation und Energiemanagementsystemen

In Gewerbegebäuden, Schulen und Mehrfamilienhäusern können bivalente Wärmepumpensysteme über BACnet, Modbus TCP oder KNX in Gebäudeautomationssysteme integriert werden. Das Gebäudeautomationssystem verwaltet Sollwertzeitpläne, nutzungsabhängige Lastreduzierung und Störungsüberwachung über alle Gebäudesysteme hinweg. Der Wärmepumpenregler übermittelt Betriebsstatus, aktuelle Leistung und Alarmmeldungen an das zentrale Gebäudeautomationssystem. Dadurch werden ein koordiniertes Energiemanagement und eine Fernüberwachung durch das Facility Management ermöglicht.

Die Schweizer SIA 386 und die deutsche DIN EN 15232 klassifizieren Effizienzstufen der Gebäudeautomation. Bivalente Wärmepumpensysteme mit vollständiger Integration in die Gebäudeautomation können die höchsten Effizienzklassen erreichen und den berechneten Primärenergiebedarf im Energieausweis reduzieren.

Integration mit Photovoltaikanlagen

Bivalente Wärmepumpensysteme können mit einer gebäudeeigenen Photovoltaikanlage koordiniert werden. Wenn die PV-Erzeugung den unmittelbaren Strombedarf des Gebäudes übersteigt, wird der Wärmepumpenbetrieb priorisiert, um den überschüssigen erneuerbaren Strom direkt zu nutzen. Diese PV-Überschussintegration senkt den Netzstrombezug und reduziert die Betriebskosten. Die Regelungslogik benötigt dafür ein PV-Überschusssignal, das an den Wärmepumpenregler übermittelt wird und den Betrieb der Wärmepumpe auf Zeiten mit hoher Solarstromproduktion verschiebt.

Im Rahmen österreichischer und deutscher Einspeise- und Eigenverbrauchsmodelle vermeidet der Eigenverbrauch von PV-Strom durch die Wärmepumpe eine Einspeisung zu niedrigeren Vergütungssätzen und ersetzt gleichzeitig Netzstrom zu höheren Bezugspreisen. Dieser wirtschaftliche Vorteil stärkt die Investitionsentscheidung für bivalente Wärmepumpensysteme in Gebäuden mit Photovoltaikanlage.

Bivalente Systeme bei der Installation von Wärmepumpen verbinden eine Wärmepumpe mit einem zweiten Wärmeerzeuger, zum Beispiel einem Heizkessel, einem elektrischen Heizstab, einem Fernwärmeanschluss oder einem Biomassesystem. So stellen sie bei wechselnden Außentemperaturen eine effiziente und zuverlässige Wärmeversorgung sicher. Statt die Wärmepumpe auf selten auftretende winterliche Spitzenlasten auszulegen, nutzt das System einen definierten Bivalenzpunkt, eine koordinierte Regelungslogik, Pufferspeicher und eine passende hydraulische Integration. Die Wärmepumpe deckt die effiziente Grundlast ab, während die zweite Wärmequelle extreme Kälteperioden oder hohe Lastanforderungen unterstützt. Dadurch eignen sich bivalente Heizsysteme besonders für Nachrüstungen in der DACH-Region, bestehende Heizkörpersysteme, die Erfüllung von Förderbedingungen, eine schrittweise Dekarbonisierung und Gebäude, die niedrigere Energiekosten mit einer zuverlässigen Wärmeversorgung verbinden.