Wärmepumpen optimiert steuern: Berg- und Talfahren

Wärmepumpen sind im Gegensatz zu Gas- oder Ölheizungen Sensibelchen. Während letztere sehr gutmütig Brennstoff in Wärme umwandeln, hängt die Effizienz von Wärmepumpen entscheidend von der korrekten Auslegung bei der Installation und der Regelung im Betrieb ab. Aus zwingenden physikalischen Gründen arbeitet eine Wärmepumpe nämlich dann besonders effizient, wenn die Außentemperatur möglichst hoch und die Temperatur im Heizungssystem möglichst niedrig ist. Letzteres wird erreicht, indem man die Oberfläche des Heizungssystems möglichst groß auslegt (durch Flächenheizungen wie Fußbodenheizungen oder große Heizkörper und immer geöffnete Ventile). Viel Wärme kann auch in den Wohnraum übertragen werden, wenn die Wärmepumpe durchgehend läuft, so dass im Gegenzug die Vorlauftemperatur weiter abgesenkt werden kann. Die Situation ist vergleichbar mit einer Autobahnfahrt auf ebener Strecke, bei der man möglichst langsam und gleichmäßig fahren sollte, um wenig Energie zu verbrauchen. Soweit die übliche Empfehlung für möglichst geringe Heizkosten. Doch was stimmt an dieser Betrachtung nicht?

Bisher haben wir die Situation unter der Annahme konstanter Strompreise und konstanter Außentemperatur betrachtet - oder im Autovergleich: konstante Spritpreise und eine ebene Autobahn. Beides ist in der Realität nicht gegeben, was das Ergebnis grundlegend verändert:

Schwankende Außentemperaturen

Insbesondere in der Übergangszeit zwischen Sommer und Winter, in der die Temperaturunterschiede zwischen Tageshöchsttemperatur und nächtlicher Tiefsttemperatur bis zu 15 Grad betragen können, kann man mit einer Wärmepumpe, die die Außenluft als Temperaturquelle nutzt, diese Temperaturunterschiede intelligent zur Effizienzsteigerung nutzen. Denn eine „dumme“ Wärmepumpe, die nur nach der Heizkurve geregelt wird, heizt in den ungünstigen, kalten Stunden besonders viel, weil aus der niedrigen Außentemperatur ein hoher Wärmeverlust des Gebäudes errechnet wird. Wenige Stunden später, in den sonnenreichen Stunden, wird die Wärmepumpe dagegen ihre Leistung reduzieren oder sich sogar ganz abschalten.

Wird die Wärmepumpe hingegen über ein Energiemanagementsystem intelligent gesteuert, kann mit Hilfe einer Wetterprognose und eines thermischen Gebäudemodells die Gebäudemasse und ein eventuell vorhandener Pufferspeicher genutzt werden, um Wärmeenergie für einige Stunden zwischenzuspeichern. Die Effizienzunterschiede sind enorm: Bei einer Außentemperatur von 0 Grad kann eine Wärmepumpe 1 kWh Strom in ungefähr 2,8 kWh Wärme umwandeln. Bei 15 Grad Außentemperatur sind es hingegen ca. 4 kWh, der Stromverbrauch für die Bereitstellung derselben Wärmeenergie ist also 30 % geringer!

Die Situation gleicht nun einer Berg- und Talfahrt mit dem Auto: Es ist nicht mehr effizient, mit der gleichen Geschwindigkeit den Berg hinauf- wie hinunterzufahren. Stattdessen sollte man bei der Talfahrt Geschwindigkeit aufnehmen, um den nächsten Anstieg ohne zusätzlichen Energieaufwand bewältigen zu können.

Schwankende Strompreise und Netzentgelte

Variable Stromtarife werden immer beliebter, zumal sie neuerdings auch mit variablen Netzentgelten kombiniert werden können. Diese stündlichen Preisschwankungen können zusätzlich genutzt werden, um das Gebäude möglichst kostengünstig zu beheizen.

Die Ausnutzung von Strompreisschwankungen und die Pufferung von Wärme in der Gebäudemasse kann zwar zu Lasten der thermodynamischen Effizienz des Heizsystems gehen, dies kann aber durch die wirtschaftliche Effizienz unter Kostengesichtspunkten überkompensiert werden: Trotz eines insgesamt etwas höheren Stromverbrauchs sind die Stromkosten dann geringer. Ergänzung: Der erhöhte Stromverbrauch ist in diesem Fall in der Regel nicht umweltschädlich, sondern nützt der Umwelt, da günstiger Strom in der Regel regenerativ erzeugt wurde, teurer Strom dagegen in fossilen Kraftwerken.

Ein Rechenbeispiel

Wir haben traditionelle und optimierte Steuerung mit realistischen Zahlen für den folgenden Beispielfall verglichen: Außentemperaturen zwischen 5,4 und 13,8 °C (10.04.2025, Berlin), Strompreise zwischen 12 und 39 Cent (die hohen Schwankungen mögen überraschen, sind aber bei einem dynamischen Strompreis plus variablen Netzentgelten zukünftig realistisch), Einfamilienhaus mit 180 m² Wohnfläche, niedriger Dämmstandard. Die optimierte Steuerung wurde mit dem Shyft-Power.com-Optimierer ermittelt und entstammt einem realen Anwendungsfall. Die Leistung der Wärmepumpe bei optimierter Steuerung vergleichen wir im ersten Diagramm mit dem Fall der klassischen, rein temperaturgeführten Steuerung. Im zweiten Diagramm sind Strompreise und Außentemperaturen dargestellt. Wir zeigen eine Optimierung über zwei Tage, also 48 Stunden.

Die Kosten für den Betrieb der Wärmepumpe fallen durch die Optimierung von 2,63 € pro Tag auf 2,24 also um erfreuliche 15 %. Wenn man bedenkt, dass erstens die Kostensenkung alleine durch den Einsatz von „ein bisschen Software“, also ohne jegliche Investitionen erreicht werden kann, und zweitens die Heizkosten für viele Haushalte einen ganz wesentlichen Ausgabenposten darstellen, sind die Ersparnisse erheblich. Dass sie nicht noch höher ausfallen, liegt an der eingangs beschriebenen Physik: Man sieht in den Grafiken, dass durch die optimierte Steuerung die Leistung der Wärmepumpe deutlich stärker schwankt als im klassischen Betrieb: In günstigen bzw. warmen Stunden wird die Leistung hochgefahren, in kalten bzw. teuren Stunden herunter. Die Wärmepumpe wird aber nie mit maximaler Leistung gesteuert und stellt sich auch nur sehr selten vollständig aus: Eine extremere Leistungssteuerung als im Optimalverlauf würde mit so hohen Vorlauftemperaturen einhergehen, dass der ineffizientere Betrieb durch Einsparungen beim Strompreis nicht mehr wettgemacht würde. Im optimalen Szenario steigt der Stromverbrauch der Wärmepumpe nur moderat, nämlich von 14.5 kWh pro Tag auf 16 kWh. Wichtig ist auch: Der optimale Leistungsverlauf lässt sich ohne komplexe Modellberechnungen nicht ermitteln: Zu unterschiedlich sind von Tag zu Tag die Verläufe von Strompreis und Temperatur. Beispielsweise zeigen die Grafiken, dass die Wärmepumpe bei hohen Außentemperaturen nicht zwangsläufig auf Hochtouren läuft, wenn hohe Strompreise und Netzentgelte die bessere physikalische Effizienz überkompensieren würden.

Wichtig ist auch anzumerken, dass bei Vorhandensein einer PV-Anlage die Strompreisschwankungen nochmals zunehmen, und ein Stromspeicher, der zudem optimiert aus dem Netz geladen werden kann, bedeutend dabei helfen, Leistung zwischen teuren und günstigen Stunden zu verschieben: Werden in unserem Szenario für die Wärmepumpe 10 kWh Strom über eine Solaranlage erzeugt (für 10 Cent pro kWh) und steht ein Stromspeicher mit 5 kWh Kapazität zur Verfügung, fallen die Kosten gegenüber dem Basisszenario um 27 %!

Zusammenfassung

Die klassische Empfehlung, eine Wärmepumpe möglichst konstant zu betreiben, ignoriert das große Einsparpotenzial, das sich in der neuen Welt der Energiewende durch dynamische Strompreise, dynamische Netzentgelte und schwankende Außentemperaturen für den Wärmepumpenbetrieb ergibt. Da Gebäude recht gute Wärmespeicher sind, kann mit einem intelligenten Energiemanagementsystem wie shyft-power.com Heizleistung innerhalb der als komfortabel empfundenen Temperaturgrenzen in günstige Stunden verschoben werden. Ohne jegliche Investitionskosten können so in unserem durchgerechneten Szenario 15 % der Heizkosten gespart werden. Sind eine PV-Anlage und ein kleiner Stromspeicher vorhanden, steigt der Spareffekt sogar auf 27 %! Ganz nebenbei fördert eine solche Steuerung auch den netzdienlichen Betrieb der Heizung und den Einsatz von regenerativ erzeugtem Strom.