Für den effizienten Betrieb einer Wärmepumpe sind die schrittweise fachgerechte Planung und Auslegung mitentscheidend. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die wichtigsten Schritte am Beispiel einer Luft/Wasser-Wärmepumpe.
Kompakt zusammengefasst
■ Es ist zu erwarten, dass die Wärmepumpe auch bei der Heizungsmodernisierung künftig häufiger nachgefragt wird und ihr Anteil am Wärmeerzeugerabsatz insgesamt deutlich zunimmt.
■ Mit dem richtigen Know-how für die Auslegung von Heizsystemen mit Wärmepumpe können Fachplaner und Fachhandwerker an diesem Wachstum teilhaben.
■ Die Wärmepumpen-Hersteller liefern nicht nur die erforderlichen Heizsystemkomponenten, sondern unterstützen bereits in der Planungsphase mit praktischen Tools und spezialisierten Ansprechpartnern.
Energiebedarf berechnen, Bivalenzpunkt bestimmen, Hydraulik auf die Art der Trinkwassererwärmung abstimmen – ein Wärmepumpensystem zu planen und auszulegen, ist nicht gerade trivial. Doch wer sich als Planer und Fachhandwerker regelmäßig mit der Materie beschäftigt, setzt Wärmepumpensysteme schnell und effizient um.
Das ist von Vorteil, denn der Wärmepumpe gehört als einer der Schlüsseltechnologien für umweltschonendes und energiesparendes Heizen die Zukunft: Mit regenerativ erzeugtem Strom betrieben, arbeitet sie weitestgehend CO2-neutral, die Leistungszahl einer Luft/Wasser-Wärmepumpe liegt etwa zwischen 3 und 5.
Ein eindeutiger Trend ist bei den Absatzzahlen erkennbar: Rund 120 000 Wärmepumpen wurden im Jahr 2020 laut BDH/BWP-Absatzstatistik hierzulande neu installiert, das entspricht einem Wachstum von rund 40 % gegenüber dem Vorjahr.
Von den in 2020 insgesamt verkauften Wärmeerzeugern waren gut 14 % Wärmepumpen – Gas-Brennwertheizkessel lagen noch bei knapp zwei Drittel – doch dieses Verhältnis wird sich künftig weiter zugunsten der Wärmepumpe verschieben: Allein der Bund trägt über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) mit attraktiven Zuschüssen für moderne Heizsysteme dazu bei, dass sich immer mehr Hausbesitzer für eine effiziente Luft/Wasser- oder Sole/Wasser-Wärmepumpe entscheiden. Im Neubau ist auch das Gebäudeenergiegesetz (GEG) ein Treiber; die geplante Neuausrichtung des GEG dürfte den Trend nochmals verstärken.
Konkret heißt das für TGA-Planer und SHK-Fachbetriebe, dass eine Investition in das Wissen, wie man ein Wärmepumpensystem realisiert, eine lohnende Investition in die Zukunft ist. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die wichtigsten Schritte bei Planung und Auslegung eines Heizsystems mit Wärmepumpe am Beispiel einer Luft/Wasser-Wärmepumpe Buderus Logatherm WLW196i.
Schritt für Schritt zum Ziel
Je nach Planungsbüro oder Fachbetrieb kann es im Detail abweichende Vorgehensweisen geben oder es kommen Hilfstools zum Einsatz. Grundsätzlich empfehlen sich jedoch folgende Schritte:
● Mindestanlagenvolumen berücksichtigen
● Energiebedarf berechnen für
• Heizung; Faustformel (m2 × W/m2) oder Heizlast nach DIN EN 12 831
• Warmwasser; Faustformel (Anzahl Personen × 0,2 kW = Aufschlag auf die Gebäudeheizlast) oder DIN 4708
• Kühlung; Formblatt oder VDI 2078
● Auslegung und Planung der Wärmepumpe
• Sperrzeiten des Energieversorgers berücksichtigen
• Betriebsweise definieren (monoenergetisch oder bivalent)
• Gerät auswählen
● Anlagenhydraulik nach Anlagentyp auswählen
• mit / ohne integrierte Trinkwassererwärmung
Schritt 1: Mindestanlagenvolumen für gleichmäßigen Betrieb berücksichtigen
Um die Wärmepumpenfunktion sicherzustellen und übermäßig viele Start/Stopp-Zyklen, eine unvollständige Abtauung und unnötige Alarme zu vermeiden, muss in der Anlage eine ausreichende Energiemenge gespeichert werden können. Diese Energie wird einerseits in der Wassermenge der Heizungsanlage und andererseits in den Anlagenkomponenten (Heizkörper) und in „aktivierten“ Bauteilen (Flächenheizung) gespeichert.
Deshalb braucht jede Anlage ein darauf abgestimmtes zirkulierendes Mindestwasservolumen. Weil die Anforderungen für verschiedene Wärmepumpeninstallationen und Heizsysteme jedoch stark variieren, ist es nicht zielführend, ein Mindestwasservolumen in Litern anzugeben. Stattdessen wird das Anlagenvolumen als ausreichend angesehen, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind.
Buderus
Diese legt der Wärmepumpenhersteller fest, abhängig vom System und von der Leistung der Wärmepumpe. So gibt Buderus für einen Fußbodenheizkreis ohne Pufferspeicher 6 m2 Fußbodenfläche für die Luft/Wasser-Wärmepumpe Logatherm WLW196i AR in den Leistungsgrößen 4 bis 8 kW an. In den Leistungsgrößen 11 bis 14 kW sind es 22 m2 Fußbodenheizungsfläche. Um maximal Energie zu sparen und um den Zuheizerbetrieb zu vermeiden, empfehlen sich in diesem Fall jedoch mindestens 30 beziehungsweise 100 m2 Fußbodenheizungsfläche.
Ähnliche Bedingungen werden beispielsweise für Heizsysteme mit Heizkörpern ohne Mischer und Pufferspeicher genannt, dabei geht es um die erforderliche Zahl an Heizkörpern. Wichtig ist, dass diese Fußbodenheizflächen beziehungsweise Heizkörper ständig durchströmt und nicht durch Ventile gedrosselt oder abgesperrt werden. Den regelungsseitigen Einfluss muss in diesem Fall eine mit dem Wärmeerzeugerregelsystem verbundene Fernbedienung sicherstellen. Erwärmt sich der Raum zu stark, wird kein Ventil gedrosselt, sondern die Heizkennlinie kontinuierlich angepasst.
Schritt 2: Energiebedarf berechnen
Für die korrekte Dimensionierung einer Wärmepumpe ist der Energiebedarf elementar: Wird dieser falsch berechnet, bringt der Wärmeerzeuger zu wenig Leistung und die Bewohner frieren im Winter. Wird sie zu groß dimensioniert, steigen die Energiekosten und der Betrieb wird unwirtschaftlicher.
Energiebedarf berechnen: Heizung
Buderus
Hier wird die Heizlast nach DIN EN 12 831 ermittelt. Die nachfolgend genannten überschlägigen Verfahren eignen sich zur Abschätzung, ersetzen jedoch keine detaillierte individuelle Berechnung.
In bestehenden Objekten lässt sich bei einer Heizungsmodernisierung die Heizlast über den Brennstoffverbrauch der alten Heizungsanlage anhand der Gleichung 1 für Gas-Heizungen und anhand der Gleichung 2 für Öl-Heizungen abschätzen. Um den Einfluss extrem kalter oder warmer Jahre auszugleichen, sollte der Brennstoffverbrauch über mehrere Jahre gemittelt werden.
Für den Neubau ist die Heizlast grob über die zu beheizende Fläche und den spezifischen Wärmebedarf ermittelbar. Der spezifische Wärmeleistungsbedarf ist abhängig von der Wärmedämmung des Gebäudes (Bild 2). Als Formel lässt sich Gleichung 3 verwenden. Die Heizlast bei einem Haus mit 150 m3 zu beheizender Fläche und Wärmedämmung nach KfW-55-Standard mit qh =30 W/m2 beträgt damit 4,5 kW
Energiebedarf berechnen: Warmwasser
Der Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung wird üblicherweise mit 0,2 kW/Pers Person angesetzt, davon ausgehend, dass eine Person täglich maximal 80 bis 100 l Warmwasser mit einer Temperatur von 45 °C zapft. Soll die Wärmepumpe das Warmwasser im Auslegungspunkt (also etwa im tiefen Winter) nicht erwärmen, muss der Energiebedarf für die Warmwasserbereitung nicht zur Heizungsheizlast addiert werden.
Zu berücksichtigen sind auch Zirkulationsleitungen, weil sie die Heizlast für die Warmwasserbereitung je nach Leitungslänge und Isolierungsqualität erheblich erhöhen. Beträgt die Nutzfläche zwischen 100 und 150 m2 und findet die Verteilung innerhalb der thermischen Hülle statt, sind die jährlichen flächenbezogenen Wärmeverluste gemäß Gebäudeenergiegesetz (GEG) wie folgt:
● mit Zirkulation: 9,8 kWh/(m2 ∙ a)
● ohne Zirkulation: 4,2 kWh/(m2 ∙ a)
Energiebedarf berechnen: Kühlung
Buderus
Handelt es sich um eine reversierbare Wärmepumpe (Bild 3), die sich auch zum Kühlen einsetzen lässt, ist diese entsprechend nicht nur für den Heiz- und auch für den Kühlbetrieb auszulegen.
Die Kühlung ist über eine Fußbodenheizung oder über einen Kühlkonvektor möglich. Die Kühllast lässt sich gemäß VDI 2078 sehr genau berechnen – alternativ bieten einige Hersteller Formblätter zur überschlägigen Berechnung an.
Beispielsweise liefert Buderus in der Planungsunterlage der Luft/Wasser-Wärmepumpe Logatherm WLW196i einen Vordruck mit, den der Planer oder Fachhandwerker einfach ausfüllt.
Die Berechnung ist angelehnt an VDI 2078 und berücksichtigt Sonneinstrahlung durch Fenster und Außentüren; Wände, Boden und Decke; in Betrieb befindliche elektrische Geräte sowie die Wärmeabgabe durch Personen.
Aus den einzelnen Kühllasten ergibt sich dann die gesamte Kühllast.
Sperrzeiten des Energieversorgers mit Zuschlag berücksichtigen
Ebenfalls relevant für die Auslegung sind Sperrzeiten: Viele Energieversorgungsunternehmen fördern die Installation von Wärmepumpen durch spezielle Stromtarife. Im Gegenzug für die günstigeren Preise behalten sie sich vor, Sperrzeiten für den Betrieb der Wärmepumpen zu verhängen, etwa um das Stromnetz bei Leistungsspitzen zu entlasten.
Bei monovalentem und monoenergetischem Betrieb muss die Wärmepumpe entsprechend größer dimensioniert werden, um trotz der Sperrzeiten den erforderlichen Wärmebedarf eines Tages decken zu können. Weil in der Praxis nie alle Räume beheizt und die tiefsten Außentemperaturen nur selten erreicht werden, ist jedoch nur eine relativ geringe Mehrleistung zu kalkulieren: Es hat sich bewährt, die Wärmepumpe zwischen 5 % (bei zwei Sperrstunden) und 15 % (sechs Sperrstunden) größer zu dimensionieren.
Im bivalenten Betrieb sind die Sperrzeiten im Allgemeinen irrelevant, weil dann gegebenenfalls der zweite Wärmeerzeuger startet.
Schritt 3: Auslegung und Planung der Wärmepumpe
Wurden Heiz- und Kühllast ermittelt, geht es an die tatsächliche Auslegung der Wärmepumpe, in der Regel in den Betriebsweisen monovalent, monoenergetisch oder bivalent.
Buderus
Buderus
Buderus
Monovalente Betriebsweise: Bei der monovalenten Betriebsweise deckt die Wärmepumpe die gesamte Gebäudeheizlast und die Heizlast für die Warmwasserbereitung. Für Luft/Wasser-Wärmepumpen ist diese Auslegung eher unüblich.
Monoenergetische Betriebsweise: Bei der monoenergetischen Betriebsweise deckt die Wärmepumpe überwiegend die Gebäudeheizlast und die Heizlast für die Warmwasserbereitung. Bei Bedarfsspitzen springt ein elektrischer Zuheizer ein. Es empfiehlt sich, die Wärmepumpe so auszulegen, dass der Bivalenzpunkt bei bivalent-paralleler oder monoenergetischer Betriebsweise bei − 5 °C liegt. Bei diesem Bivalenzpunkt ergibt sich gemäß DIN 4701 Teil 10 ein Deckungsanteil der Wärmepumpe an der Heizarbeit von etwa 98 %.
Der Elektro-Heizeinsatz muss dann nur 2 % beisteuern. Er unterstützt die Heizung und die Trinkwassererwärmung je nach Bedarf, indem er schrittweise die jeweils erforderliche Leistung liefert. Der Bivalenzpunkt beschreibt die Außentemperatur, bis zu der die Wärmepumpe den berechneten Heizwärmebedarf alleine deckt, also ohne den zweiten Wärmeerzeuger.
Der in der Luft/Wasser-Wärmepumpe Logatherm WLW196i integrierte Elektro-Heizeinsatz hat eine maximale Leistung von 9 kW. Diese maximale Leistung lässt sich nur im reinen Zuheizbetrieb nutzen. Wichtig ist, die Wärmepumpe so auszulegen, dass ein möglichst geringer Anteil an elektrischer Heizenergie zugeführt wird. Eine deutlich zu niedrig dimensionierte Wärmepumpe führt zu einem unerwünscht hohen Arbeitsanteil des Elektro-Heizeinsatzes und damit zu höheren Stromkosten, je nachdem, welcher Stromtarif für den Betrieb der Wärmepumpe beim Energieversorger abgeschlossen wurde. Bild 5 zeigt eine Beispielrechnung für die Wärmepumpenauslegung.
Bivalente Betriebsweise: Bei der bivalenten Betriebsweise deckt die Wärmepumpe überwiegend die Gebäudeheizlast und die Heizlast für die Warmwasserbereitung. Bei Bedarfsspitzen springt ein weiterer Wärmeerzeuger (Öl, Gas, Zuheizer) ein.
Zur Auslegung einer Wärmepumpe für die bivalente Betriebsweise ist es wichtig, den Bivalenzpunkt zu bestimmen. Die Außentemperaturen in Deutschland sind abhängig von den örtlichen klimatischen Bedingungen. Weil durchschnittlich jedoch nur an etwa 20 Tagen im Jahr eine Außentemperatur von unter − 5 °C herrscht, ist auch nur an wenigen Tagen im Jahr ein paralleles Heizsystem, beispielsweise ein Gas-Brennwertheizkessel, zur Unterstützung der Wärmepumpe erforderlich. In Deutschland empfehlen sich die Bivalenzpunkte nach DIN EN 12 831 (Bild 6).
Eine Klimakarte nach DIN/TS 12 831-1 visualisiert die Normaußentemperaturen für Deutschland nach Postleitzahl (www.waermepumpe.de/normen-technik/klimakarte). Für Gebäude mit geringem Wärmebedarf kann der Bivalenzpunkt auch bei niedrigeren Temperaturen liegen.
Um eine geeignete Wärmepumpe für den bivalenten Betrieb auszuwählen, lassen sich Heizleistungskurven verwenden. Im Schaubild (Bild 7) sind beispielhaft die Heizleistungskurven von sieben Buderus-Wärmepumpen bei 35 °C Vorlauftemperatur und 100 % Modulation abgebildet. Die Leistungsgrößen der Wärmepumpen liegen zwischen 4 und 14 kW.
Buderus
Zur Auswahl einer geeigneten Wärmepumpe wird nun die Gebäudekennlinie [A] eingetragen – vereinfacht als Gerade zwischen der ermittelten erforderlichen Leistung am Normauslegungspunkt (im Beispiel − 12 °C, 6 kW) und einer Heizleistung von 0 kW bei 20 °C. Wenn der Schnittpunkt der Gebäudekennlinie mit einer Heizleistungskurve in der Nähe der vorgesehenen Bivalenztemperatur (zum Beispiel − 5 °C) liegt, kann die dazugehörige Wärmepumpe eingesetzt werden.
Im Beispiel wird deshalb die Wärmepumpe der Kurve Nr. 7 ausgewählt. Am Abstand zwischen der Heizleistungskurve und der Gebäudekennlinie am Normauslegungspunkt lässt sich der zusätzliche Leistungsbedarf ablesen, der durch elektrische Heizstäbe oder einen Heizkessel abgedeckt wird.
Im Beispiel beträgt die erforderlicher Gesamtleistung am Normauslegungspunkt (Heizleistung + Leistungsbedarf für Trinkwassererwärmung + Zuschlag für Sperrzeit) 6 kW. Die ausgewählte Wärmepumpe hat am Normauslegungspunkt eine Heizleistung von 4 kW. Die zusätzlich aufzubringende Leistung, durch elektrische Heizstäbe (monoenergetisch) oder einen zweiten Wärmeerzeuger (bivalent) ergibt sich aus der Differenz zu 2 kW.
Der ermittelte Bivalenzpunkt liegt in diesem Fall bei etwa − 5,5 °C. Im Temperaturbereich rechts dieser Bivalenztemperatur deckt die Wärmepumpe alleine den Wärmebedarf. Im Temperaturbereich links davon entspricht die Strecke zwischen den Kurven (Kennlinie der Wärmepumpe und Gebäudekennlinie) der benötigten zusätzlichen Heizleistung.
Bivalenzpunkt verschiebt sich je nach Gebäudetyp
Die Gebäudekennlinie schneidet die x-Achse (Außentemperatur) bei 20 °C. Nach Norm VDI 4650 wird die Heizgrenztemperatur nach bestimmten Haustypen definiert:
● Niedrigenergiehaus: 10 °C
● Neubau: 12 °C
● Bestand: 15 °C
Nimmt man einen dieser Standardwerte, schneidet die Gebäudekennlinie die x-Achse nicht mehr bei 20 °C, sondern beim entsprechenden Wert. Für die Wärmepumpenauslegung bedeutet das: Die Gebäudekennlinie wird steiler und dadurch verschiebt sich der Bivalenzpunkt (Schnittpunkt Gebäudekennlinie mit Wärmepumpen-Heizleistungskurven) etwas nach links – in diesem Fall lässt sich gegebenenfalls eine kleinere Wärmepumpe auswählen.
Für eine erste Einschätzung und Hilfsmittel bei der Auslegung können sowohl Fach- als auch Endkunden ein Wärmepumpen-Planungstool verwenden; Buderus bietet dies an unter www.buderus-logatherm.de. Auch hier werden anhand von Heizlast, Energiebedarf für Warmwasser, Normaußentemperatur und weiteren Angaben geeignete Wärmepumpen ermittelt. Ein Expertenmodus bietet zudem die Möglichkeit, als erfahrener Anwender eine Anlage mit aufeinander abgestimmten Komponenten zusammenzustellen.
Schritt 4: Anlagenhydraulik nach Anlagentyp auswählen
Buderus
Geht es an die Planung der Anlagenhydraulik, unterscheidet man grundsätzlich zwischen einer Wärmepumpe mit oder ohne integrierter Trinkwassererwärmung. Je nachdem ergeben sich weitere Optionen – etwa für einen Elektro-Heizeinsatz oder die Einbindung eines Heizkessels bei Wärmepumpen ohne integrierte Trinkwassererwärmung.
Praktisch für Planer und Fachhandwerker ist, dass sie das Rad nicht jedes Mal neu erfinden müssen: Hydrauliken stehen als Planungshilfe online zur Verfügung. Buderus bietet in seinem Fachkundenbereich unter www.buderus.de/hydraulikdatenbanknk mehr als 350 Hydrauliken von Heizsystemen zum Download an, im PDF-Format sowie als DWG-Datei für CAD-Anwendungen.
Sinnvolle Extras: Photovoltaik-Anlage und Energiemanager
Oft empfiehlt es sich, eine Wärmepumpe mit einer Photovoltaik-Anlage zu kombinieren: Mit Strom aus erneuerbaren Quellen und einer Wärmepumpe lassen sich Selbstversorgungsquoten von bis zu 70 % erreichen. Ein Wärmepumpenbetrieb mit selbst erzeugtem PV-Strom vermeidet zu einem überwiegenden Teil den teureren Netzbezug.
Buderus
Die Größe der Photovoltaik-Anlage ist ausschlaggebend dafür, welcher Anteil des Strombedarfs der Wärmepumpe sich darüber decken lässt. Das optimale Verhältnis ist immer Ergebnis einer individuellen Kalkulation, in die außer der Heizlastberechnung auch das Verbrauchsverhalten des Haushalts einfließen muss. Sinnvoll ist zudem ein Energiemanagementsystem, das alle Verbraucher in Abhängigkeit des erzeugten Stroms koordiniert und steuert.
Die Dimensionierung der Photovoltaik-Anlage ist ein weiteres umfangreiches Thema – wichtig zu wissen ist, dass Planern und Fachhandwerkern hierfür gängige PV-Softwareprogramme zur Verfügung stehen. Ebenfalls zu berücksichtigen für das konkrete System: Manche Hersteller bieten Energiemanager an, so steuert etwa MyEnergyMaster von Buderus die monovalente und monoenergetische Wärmepumpe intelligent und passt die Erzeugung von Warmwasser und Heizwärme an die aktuelle Stromgewinnung an. Weitere Informationen gibt es unter: www.buderus.de/de/energiemanager.
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