Hydraulik und Wärmepumpen: Einbindung, Regelung und Bewertung von Konzepten
Stand: Mai 2026
Die hydraulische Einbindung der Wärmepumpe sowie die Steuerung und Regelung aller Komponenten im System haben einen sehr hohen Einfluss auf die Effizienz, störungsfreie Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Wärmepumpensystems.
Die Vielfalt an Lösungen ist groß. Hinweise zur Bewertung von Konzepten und zur Vermeidung von Planungsfehlern unterstützen den Prozess.
Einfluss von Hydraulikkomponenten und Regelung auf die Effizienz, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Wärmepumpe
Was braucht die Wärmepumpe für den effizienten, leistungsfähigen und langlebigen Betrieb?
Der Begriff Hydraulik umfasst dabei die Komponenten zur Verteilung, Speicherung und Übergabe der erzeugten Wärme durch die Wärmepumpe im Gebäude. Dies sind Rohre, Umwälzpumpen, Ventile, Speicher, Heizkörper etc. Die Auswahl und Anordnung der Komponenten sowie die Steuerung der Wärmepumpe und weiterer Komponenten bestimmen im Betrieb die Temperaturen und den Volumenstrom des Heizungswassers im System. Diese Zusammenhänge unterscheiden sich wesentlich in ihrer Auswirkung in einem Wärmepumpensystem im Vergleich zum Verbrennungsheizsystem.
Die besondere Bedeutung von Wärmepumpen Im Vergleich zu Heizsystemen mit Verbrennung liegt in ihren spezifischen Anforderungen für den effizienten, langlebigen und störungsfreien Betrieb:
- Möglichst niedrige Systemtemperaturen: Je niedriger die erforderlichen Temperaturen des Heizungswassers oder Trinkwarmwassers, desto weniger Strom benötigt die Wärmepumpe zum Erreichen dieser Temperatur durch den Antrieb des Verdichters im Kältemittelkreislauf. Die hydraulischen Komponenten bestimmen und beeinflussen die erforderliche Temperatur durch z.B. Größe und Art der Heizkörper oder Temperaturschichtung und Wärmeverluste eines Speichers. Die Regelung der Anlage steuert über Sollwerte, Hysteresen und programmierte Regelkonzepte unter anderem Ventile und Umwälzpumpen und bestimmt damit das Temperaturniveau im System. Bei der Planung der hydraulischen Einbindung sollte geprüft werden, inwieweit sich die Temperaturen beispielsweise durch den Austausch von Heizkörpern senken lassen. Temperaturverluste sowie Durchmischungseffekte, etwa in Speichern, sind zu vermeiden.
- Hoher und stetiger Volumenstrom des Wassers: Die Wärmeabnahme am Kondensator der Wärmepumpe muss über einen hohen Volumenstrom des Wassers gewährleistet sein. Je nach Bauart der Wärmepumpe sind Mindestvolumenströme vorgegeben. Der Unterschied gegenüber Verbrennungsheizsystemen besteht darin, dass Wärmepumpensysteme mit einer geringeren Spreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur arbeiten, was der Effizienz zugutekommt. i. Um die erforderliche Heizleistung bereitzustellen, wird die geringe Temperaturspreizung durch einen höheren Volumenstrom des Heizungswassers ausgeglichen. Dazu benötigt man in der Regel größere Durchmesser der Rohrleitungen. Ein stetiger, hoher Wasser-Volumenstrom im Heizbetrieb ermöglicht lange Laufzeiten und eine geringe Schalthäufigkeit des Verdichters. Dadurch steigen Effizienz und Lebensdauer der Wärmepumpe. Diese Voraussetzungen lassen sich durch unterschiedliche Anordnungen der Komponenten in sogenannten Hydraulikschaltungen realisieren. Bei der Planung der hydraulischen Einbindung muss der Mindestvolumenstrom der Wärmepumpe (Angabe des Herstellers) beachten werden.
- Das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten erfolgt über die Steuerung der Anlage nach eingestellten Regelparametern in der Wärmepumpe oder in einer übergeordneten Steuerung. Die Hydraulik im Zusammenspiel mit der entsprechenden Regelstrategie ist daher essenziell für eine optimal funktionierende Anlage. An der Anlage müssen bei der Inbetriebnahme die passenden Werte eingestellt werden (Parametrierung).
Hohe Vielfalt an Varianten: Empfehlungen und Kriterien zu Bewertung
Die Möglichkeiten der hydraulischen Einbindung sowie der Anordnung und Art von Komponenten (z.B. Speicher) im Heizungssystem sind aufgrund der vielfältigen Anforderungen an das System äußerst vielschichtig. Im Zusammenspiel mit dem Regelkonzept der Anlage ergeben sich daraus unterschiedliche Effizienzgrade und Leistungsfähigkeiten des Systems. Die Art, Anzahl, Anordnung und Dimensionierung der Komponenten variiert entsprechend der Wärmeverteilung (Heizkreise), Trinkwarmwasseranforderungen und eingebundenen Wärmeerzeuger. Hersteller bieten zahlreiche Hydraulikschaltungen für ihre Systeme an.
Die Vielzahl an Möglichkeiten von Hydraulikschaltungen und damit verbundene Art und Anordnung der Komponenten zur Verteilung, Speicherung und Wärmeübergabe zeigt sich in den Antworten auf folgende Fragen.
Grundlegende Fragestellungen bei der Planung von Hydraulikkonzepten
Aus diesen Varianten ergibt sich eine hohe Vielfalt und unterschiedliche Komplexität mit vielen Lösungsangeboten. Die Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit, Effizienz und Lebensdauer werden bisher nicht quantifiziert, sondern sind Ergebnis von Planungs- und Erfahrungswerten von Herstellern, Planungsbüros und SHK-Betrieben.
Ungünstige Zustände für den Wärmepumpenbetrieb vermeiden
Mit zunehmender Komplexität durch Einbindung verschiedener Komponenten und Funktionen steigt die Anfälligkeit für Fehler beziehungsweise Fehlfunktionen in der Dimensionierung, Installation, Parametrierung und Regelstrategie sowie von Defekten. Diese können die folgende ungünstigen Zustände im System verursachen:
- Durchmischung und Fehlströmungen des Wassers
- Überhöhte Temperaturen im System
- hohe Taktung (Schaltzyklen) und geringe Laufzeit des Verdichters
- erhöhter Anteil Heizstab und hybrider Wärmeerzeuger
Für einen störungsfreien Betrieb, eine hohe Effizienz mit geringen Betriebskosten und zur Vermeidung hoher Investitionskosten sollten diese Punkte in der Planung vermieden werden:
- ungünstiger Aufbau, der eine unnötig hohe Vorlauftemperatur erfordert
- fehleranfällige Komponenten (z.B. undichte Rückschlagklappen, Fehlströmungen)
- komplexe Schaltungen mit vermeidbaren Komponenten
Um diese ungünstigen Betriebszustände zu vermeiden, ist ein optimales Hydraulikkonzept zu planen und umzusetzen sowie die Regelung entsprechend anzupassen:
- Auswahl und Planung des Hydraulikkonzeptes:
- Schulungen und Erfahrungen von Planenden und Installierenden in Bezug auf spezifische hydraulische Zusammenhänge und die Auswirkungen bei Wärmepumpensystemen ermöglichen die Bewertung und Umsetzung optimaler Konzepte
- Planung und Bewertung: Aufeinander abgestimmte Systeme der Hersteller hinsichtlich Hydraulikkonzept- und Regelstrategie ermöglichen hohe Leistungsfähigkeit, Effizienz und Lebensdauer der Anlagen. Die Auswirkung auf die Effizienz wird bisher nicht vergleichend gemessen. Systeme sollten daher hinsichtlich des Aufbaus der Hydraulik und Beschreibung der Regelstrategie nachvollziehbar dokumentiert sein.
- Umsetzung Regelkonzept bei Installation und Anpassung der Regelparameter:
- Installationshinweise und Ablauf der Inbetriebnahme umsetzen: insbesondere die genaue Positionierung und Zuordnung von Temperatursensoren und von Speicheranschlüssen entsprechend der Planung ist grundlegend für die optimale Funktionsweise
- Hydraulischen Abgleich durchführen, um die Grundvoraussetzung für angepasste Durchströmung in der Wärmeverteilung zu gewährleisten
- Inbetriebnahme und Parametrierung der Regelung:
- Planungswerte berücksichtigen und Auswirkungen von Reglereinfluss begrenzen: z.B. Reduzierung der Leistung des elektrischen Heizstabes, Sommerbetrieb festlegen, Bivalenzpunkt und Heizkurve anpassen
- Nutzereinweisung: Einfluss des Nutzers auf Effizienz durch Einstellungen an der Regelung verdeutlichen, wie z.B. Höhe der Solltemperaturen für Räume und Trinkwasser, Nachtabsenkung
- Überwachung des Betriebs und relevanter Parameter zur Diagnose ungünstiger Zustände und Anpassung bei Bedarf
Erfahrungen aus der Praxis
Im Rahmen der Monitoringprojekte und Felduntersuchungen an Wärmepumpensystemen in der Praxis hat das Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) Erkenntnisse , die nachfolgend zusammengefasst werden:
Hydraulische Weichen
Der Einbau einer hydraulischen Weiche ermöglicht es, den Wärmepumpenkreis und den Heizkreis unabhängig voneinander zu betreiben. Der Einsatz einer hydraulischen Weiche ist jedoch für Wärmepumpensysteme ein „sensibles“ Konzept. Wenn der Volumenstrom im Heizkreis höher als im Wärmepumpenkreis ist, führt dies zu einer unerwünschten Rücklaufbeimischung und somit zu einer Reduzierung der Vorlauftemperatur. Dies ist zu vermeiden. Wenn hingegen der Volumenstrom im Wärmepumpenkreis sehr viel höher als im Heizkreis ist, führt die damit verbundene Beimischung aus dem Vorlauf in den Rücklauf zu einem raschen Anstieg der Rücklauftemperatur und folglich zu kurzen Wärmepumpenlaufzeiten. Systeme mit parallel eingebundenem „Minispeicher“ (Speichervolumen beispielsweise 20 l) sind wie Systeme mit hydraulischer Weiche einzuordnen, da deren Speichereffekt zu vernachlässigen ist.
Einbindung verschiedener Heizkreise
In Einfamilienhäusern (EFH) im Bestand sind teilweise unterschiedliche Arten von Wärmeübergabesystemen installiert (beispielsweise Fußbodenheizung und Heizkörper), die für unterschiedliche Heizkreistemperaturen ausgelegt sind. In „kleinen“ Systemen – wie EFH – ist es üblich, einfache hydraulische Konzepte umzusetzen, sodass die Wärme für die Raumheizung auf einem Temperaturniveau bereitgestellt wird. Das Wärmeübergabesystem mit der höchsten Temperaturanforderung bestimmt die erforderliche Temperatur. Der Anschluss der Fußbodenheizung erfolgt über eine Beimischschaltung. Dabei wird die Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung über die Beimischung aus dem Rücklauf reduziert. Bei Heizungssystemen mit verschiedenen Wärmeübergabesystemen empfiehlt es sich – ebenso wie bei Systemen, die ausschließlich Heizkörper nutzen – die Auslegung der einzelnen Heizkörper zu überprüfen und gegebenenfalls einzelne klein dimensionierte Heizkörper auszutauschen, um die erforderliche Heizkreistemperatur abzusenken. Damit kann die Effizienz erhöht werden.
Parallele Einbindung Heizungsspeicher
In Deutschland ist die Einbindung über den Vier-Punkt-Anschluss üblich: Vorlauf und Rücklauf des Wärmepumpen- und des Heizkreises sind jeweils separat an den Speicher angebunden. Beim Eintritt des Vorlaufs der Wärmepumpe (beziehungsweise analog beim Eintritt des Rücklaufs des Heizkreises) in den Speicher kommt es zu einer Mischung des einfließenden Wassers mit dem Wasser in der entsprechenden Schichthöhe. Inwieweit eine Durchmischung stattfindet, hängt einerseits von technischen Gegebenheiten (Art und Positionierung der Anschlüsse, innerer Aufbau des Speichers, Eintrittsgeschwindigkeit) und anderseits vom Betriebsverhalten des Wärmepumpensystems ab. Ein hoher Anteil dynamischer Betriebsbedingungen (beispielsweise „Aufwärmphase“ des Speichers oder hohe Leistungsdiskrepanz zwischen Wärmepumpe und Heizkreis) führt zu höheren „Temperaturabfällen“ des Vorlaufs über den Speicher. Daher ist auch beim Einsatz eines Pufferspeichers eine gute Leistungsregelung der Wärmepumpe wichtig. Der Volumenstrom im Wärmepumpenkreis sollte stets höher sein als der Volumenstrom im Heizkreis, um eine Rücklaufbeimischung über den Speicher zu vermeiden.
Eine Alternative zum Vier-Punkt-Anschluss ist die Einbindung des Vorlaufs über einen T-Anschluss. Dabei wird der Heizungsspeicher teilweise im Bypass umströmt, so dass nur die Differenz der Volumenströme im Wärmepumpen- und Heizkreis t durch den Speicher strömt. Dadurch it wird ein Temperaturabfall im Vorlauf vermieden – vorausgesetzt es gibt einen höheren Volumenstrom im Wärmepumpen- als im Heizkreis.
Serielle Einbindung Heizungsspeicher (Reihenschaltung)
Es gibt unterschiedliche Arten der seriellen Einbindung von Heizungsspeichern. Dies hat einen grundlegenden Einfluss auf das Betriebsverhalten des Wärmepumpensystems.
Vermeiden von Fehlströmungen
Bei der Planung beziehungsweise Auswahl von Hydraulikkonzepten ist es wichtig, auf einfache, bewährte Konzepte zurückzugreifen. Die Entwicklung von komplexen Konzepten, die hohe Effizienz versprechen, birgt das Risiko signifikanter Effizienzeinbußen durch Fehler im Hydraulikplan, bei der Installation oder durch ungünstige Regelung. Ein wichtiger Gesichtspunkt ist eine zuverlässige Vermeidung von Fehlströmungen. Standardschemen sehen bereits die richtige Rohrführung und Positionierung von etwaigen Umschaltventilen und Rückschlagarmaturen vor. Entscheidend ist im nächsten Schritt die exakte Umsetzung des Installationsschemas sowie eine fachkundige Inbetriebnahme inklusive der Betriebsprüfung.
Weiterführende Informationen
Links:
- VDI: Richtlinie VDI 4645 – Planung, Errichtung und Betrieb von Wärmepumpenanlagen
- Fraunhofer ISE: Entwicklung optimierter Versorgungskonzepte und nachhaltiger Qualitätssicherungsmaßnahmen für Wärmepumpen im EFH-Bestand (WP-QS)
Literatur:
- Praxis-Buch: Effizienter Betrieb von Wärmepumpenanlagen, Hans-Jürgen Seifert, VDE-Verlag
Leitfaden Hydraulik - bei Heizungsanlagen mit eingebundener Wärmepumpe
Der Leitfaden soll den Nutzenden ermöglichen, aus hydraulischer Sicht effiziente Wärmepumpenanlagen zu planen sowie zu errichten und gibt gibt Hinweise zur überschlägigen Dimensionierung der Grundkomponenten in den einzelnen Hydraulikschemata.
