Kompakt informieren
- Das Kurzverfahren in VDI 4650 zur Berechnung der Jahresarbeitszahl von Elektro-Wärmepumpen ist zur Planung von Wärmepumpenanlagen und zur Berechnung ihrer Wirtschaftlichkeit nicht geeignet.
- Für eine realistische Energiebilanz sind die Wechselwirkungen zwischen der Wärmepumpenanlage, der Nutzung und der Wärmequelle im Jahresverlauf zu berücksichtigen. Der erforderliche Rechenaufwand erfordert die Nutzung einer Simulationssoftware.
- Bei der Programmauswahl muss besonders geprüft werden, ob die eigenen Anforderungen an die Tiefe der Gebäudesimulation, an die Berücksichtigung bestimmter Wärmequellen und die Simulation der Erdreich-Auskühlung sowie an exakte Wärmepumpendaten erfüllt werden.
„Prognosen sind schwierig, vor allem wenn sie die Zukunft betreffen.“ Dieses abwechselnd Karl Valentin, Winston Churchill oder Mark Twain zugeschriebene Zitat lässt sich auch auf die Planung von Wärmepumpenanlagen übertragen. Ertragsprognosen sind dabei stets mit einem Risiko behaftet – auch wenn das profunde Know-how von Fachingenieuren, gepaart mit modernen Planungswerkzeugen zum Einsatz kommt. Die Planung einer Wärmepumpenanlage, insbesondere bei der Nutzung oberflächennaher Geothermie, ist nun einmal ein schwieriges Terrain – denn die Effizienz einer Wärmepumpen-Heizung hängt von zahlreichen Faktoren ab.
Neben den Rahmenbedingungen Gebäude, Geologie, Klima etc. müssen das komplette System und die Wechselwirkung von Wärmepumpe, Wärmequelle, Heizlast, Wärmeverteilung, Trinkwassererwärmung, Tarife, Sperrzeiten usw. berücksichtigt werden. Hinzu kommt, dass die Leistung der Wärmequellen Außenluft, Erdwärme, Grundwasser und Abwärme ebenso zeitlichen Schwankungen unterliegt, wie der aus der Nutzung resultierende Energiebedarf.
Wärmepumpenanlagen müssen folglich so ausgelegt werden, dass sie diesen wechselnden Bedingungen sowie den Anforderungen an Energieeffizienz, die Wirtschaftlichkeit und den Komfort zu jedem Zeitpunkt im Jahresverlauf genügen. Das setzt einen hohen Planungs- und Rechenaufwand voraus, den Fachplaner ohne Simulationsprogramme nicht wirtschaftlich bewältigen können.
Simulieren statt berechnen
Für die Auslegung in Standardfällen genügen bei kleinen Wärmepumpenanlagen Erfahrungswerte oder vereinfachende Auslegungstools der Wärmepumpenanbieter. Für den Nachweis einer Mindestjahresarbeitszahl als Fördervoraussetzung nach dem Marktanreizprogramm (MAP [1]) ist der Berechnungsformalismus der VDI 4650 [2] vorgegeben. Er berücksichtigt jedoch nur fundamentale Daten der Wärmepumpe, der Raumheizung und der Sole- bzw. Grundwasserpumpe auf der Quellenseite. Andere Einflussgrößen, für die eigentlich eine detaillierte Simulationsrechnung erforderlich wäre, beispielsweise die Temperatur des Erdreichs, werden lediglich geschätzt. Für Detailuntersuchungen oder nutzungsspezifische Wirtschaftlichkeitsprognosen ist die VDI-4650-Berechnung damit ungeeignet.
Insbesondere Anlagen mit einem hohen Anteil für die Trinkwassererwärmung und Systeme mit mehreren Wärmeerzeugern erfordern aufgrund zahlreicher Wechselwirkungen einen hohen Rechenaufwand. Denn die Leistungsaufnahme einer Wärmepumpe zu einem bestimmten Zeitpunkt hängt von den Temperaturen im Heizungskreislauf und auf der Wärmequellenseite ab. Da sich beide im Jahresverlauf mit unterschiedlicher Dynamik ändern, müsste man standortbezogen für viele Zeitabschnitte die relevanten Temperaturen und Wärmemengen berechnen.
Simulationsprogramme ermitteln diese Werte automatisch in zeitlicher Abhängigkeit und der gewünschten zeitlichen Auflösung. Auf Basis dieser Simulationen ist eine näher an die Realität heranreichende Voraussage möglich. Außerdem kann man Bauherren/Hauseigentümern mit geringem Aufwand aufzeigen, wie sich ein anspruchsvolleres Nutzungsprofil (höherer Warmwasserverbrauch und/oder höhere Raumtemperaturen) auf den Strombezug und damit auf die Wirtschaftlichkeit auswirken würde.
Entsprechend umfangreich ist das Pflichtenheft einer Planungssoftware für Wärmepumpenanlagen. Ausgehend von den Außentemperaturen am Gebäudestandort und dem Gebäude-Wärmebedarf, muss sie die benötigten Wärmemengen und Heizwassertemperaturen berechnen. Die Trinkwassererwärmung muss mit dem eingesetzten Speichertyp und den Temperaturanforderungen bewertet werden. In Abhängigkeit von den technischen Parametern der Wärmepumpe ist mit Beginn der Heizperiode die Abkühlung geothermischer Wärmequellen durch den Wärmeentzug sowie die Regeneration in den Sommermonaten zu ermitteln1).
Bei Anlagen mit Solekreislauf muss der Wärmeübergang unter Berücksichtigung strömungstechnischer Eigenschaften sowie die Beschaffenheit von Frostschutzmittel, Absorberrohr und Erdreich einbezogen werden. Korrespondierend zu den aktuellen Temperaturen im Heizkreis und im Wärmequellenkreis ergeben sich die Laufzeiten und die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe. Die Werte werden verrechnet, aufsummiert und zur Berechnung der Jahresarbeitszahl und der Betriebskosten verwendet.
Präzision erhöht den Aufwand
Für eine korrekte Berechnung des Gesamtsystems Wärmepumpen-Heizung müssen zahlreiche Parameter berücksichtigt werden, die die Ergebnisgenauigkeit, aber auch den Eingabeaufwand steigern. Zu den Grunddaten gehören die Art der Wärmequelle (Erdsonden, Horizontalabsorber, Wasser, Luft oder Kombinationen), die Absorberfläche und -länge, die Anzahl und Tiefe der Erdsonden, geologische Verhältnisse (Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte, Feuchtegehalt des Erdreichs).
Insbesondere bei Sondenfeldern muss die durch den Wärmeentzug bedingte Temperaturabsenkung des Erdreichs näher betrachtet werden, um eine Bodenvereisung auszuschließen. Bei der Trinkwassererwärmung sollten unterschiedliche Konzepte ebenso berücksichtigt werden, wie die Art des Speichers (Schichtung, Größe) und der durchschnittliche Warmwasserbedarf pro Tag. Weitere elementare Parameter sind technische Wärmepumpendaten, die elektrische Leistungsaufnahme, die thermische Leistung und die Kälteleistung in Abhängigkeit von der Quellen- und der Heizwassertemperatur, die Betriebsweise (monovalent, bivalent, …) und die Temperaturdifferenz am Verdampfer und am Verflüssiger.
Auch die Gebäudedaten, wie Heizlast bzw. Wärmebedarf, inklusive solarer und interner Gewinne und die gewünschte Raumtemperatur sind wesentliche Faktoren bei der Simulation. Relevant sind auch die klimatischen Verhältnisse, die Tarife (Sperrzeiten, Hoch- und Niedertarifzeiten, Arbeitspreise), die Wärmeverteilung im Gebäude (Fußboden-, Wandheizung, Heizkörper) und weitere Parameter. Sind einige davon nicht bekannt, solle das Programm Pauschalwerte vorschlagen. Eine vom Nutzer erweiterbare Datenbank mit Klimadaten, Bodenarten, dem Bodentemperatur-Jahresverlauf und aktuellen Wärmepumpen macht Wärmepumpen-Planungssoftware „ready-to-use“.
Welche Softwareunterstützung gibt es?
Förderprogramme und steigende Preise für fossile Brennstoffe haben der Wärmepumpentechnik zu stabilen Absatzzahlen auf einem relativ hohen Niveau verholfen. Nach einer Marktüberhitzung im Jahr 2008 (62500 Heizungswärmepumpen) aufgrund rasant gestiegener Ölpreise wurden in 2010 rund 51000 Heizungswärmepumpen abgesetzt (Webcode 305506).
Parallel zur Nachfrage ist offensichtlich auch das Interesse an Software zur Planung von Wärmepumpenanlagen gestiegen. Neben der 1999 gegründeten WPsoft GbR, die sich mit WP-OPT Abb. 2 als einziger Anbieter auf die Wärmepumpen-Simulation spezialisiert hat, sind inzwischen weitere Softwarehäuser auf den fahrenden Zug aufgesprungen. Dr. Valentin EnergieSoftware (GeoT*SOL) Abb. 4 und Hottgenroth/ETU Software (Wärmepumpe) Abb. 3 bieten seit einem respektive zwei Jahren ähnliche Planungshilfen an.
Neben diesen Programmen für Fachplaner und Installateure existieren Programme, die entweder nur Anlagendetails wie die Sondenauslegung (z.B. EED) berücksichtigen – oder es handelt sich um Gebäude-/Anlagensimulations-Programme (z.B. DK-Integral, Polysun Abb. 5 oder TRNSYS), welche Wärmepumpen als einen Baustein im Gesamtsystem betrachten. Diese umfassenderen Lösungen setzen meist einen höheren Eingabeaufwand voraus, haben eher bei Sonderprojekten ihre Berechtigung – etwa bei Büro- oder Industriegebäuden mit besonderer Architektur und hohen solaren bzw. internen Gewinnen durch Personen, Beleuchtung, IT, Maschinen und Prozesse.
Insbesondere von WP-OPT werden zahlreiche Firmenversionen angeboten, die eine echte Simulation und nicht nur eine Grobauslegung ermöglichen (z.B. Terra-Opt von IDM-Energiesysteme und Vito-WP von Viessmann). Für die Grobauslegung werden spezielle Online-Tools von Brötje, Nibe, Stiebel Eltron Abb. 6, Viessmann, Vaillant und anderen offeriert. Diese „Wärmepumpen-Konfiguratoren“ leiten den Anwender Schritt für Schritt durch die Anlagendefinition und Parameterauswahl und machen die Auslegung damit auch für Laien verständlich und nachvollziehbar. Daneben kursieren zahlreiche herstellerspezifische Online-Berechnungstools für die VDI-4650-Auslegung.
Die Preise für herstellerunabhängige Wärmepumpen-Simulationsprogramme liegen zwischen 400 und 1000 Euro. Gebäude-/Anlagensimulationsprogramme kosten erheblich mehr. Auslegungshilfen von Wärmepumpenanbietern sind meistens kostenlos.
Worauf sollte man achten?
Laut Anbieter sind alle Programme für die Auslegung, Simulation und Planung geeignet. Tatsächlich haben die einzelnen Lösungen aber Stärken und Schwächen in dem einen oder anderen Bereich. Neben dem Funktionsumfang unterscheiden sich vor allem die Berechnungs- und Simulationsmethoden. Unterschiede gibt es auch in der Konzeption, darum sollte bei der Vorauswahl auf folgende Merkmale achten:
Da ist zunächst der Anbieter: Konzentriert er sich vorwiegend auf die Wärmepumpenplanung (WPSoft), regenerative Energien (Valentin), die Energieberatung und Anlagenplanung (Hottgenroth/ETU) oder die Anlagensimulation (Vela Solaris und Delzer Kybernetik)? Durch Förderprogramme und Energiegesetze ergibt sich regelmäßig Entwicklungs- und Anpassungsbedarf.
Die Marktdaten lassen (wie übrigens auch die neben dem Programm-Namen stehende Versionsnummer) Rückschlüsse auf die Kontinuität und Marktrelevanz des Programms zu.
Gerade für Einsteiger wichtig sind Eingabehilfen, beispielsweise ein Eingabeassistent, Vorgabewerte, wenn die tatsächlichen Werte nicht bekannt sind sowie Plausibilitätsprüfungen.
Wichtige Kriterien sind der Umfang und die Qualität der Datenbanken, gerade bei den Wärmepumpen: Realistische Berechnungen bei kritischen Betriebsbedingungen sind nur mit exakten Herstellerdaten möglich Abb. 7. Diese für jedes am Markt erhältliche Wärmepumpenmodell zu besorgen ist aber aufwendig und teuer, weshalb Wärmepumpendaten teilweise nur anhand weniger Betriebspunkte nach VDI 4650 oder DIN 4701-10 abgebildet werden. Aber: Je mehr Betriebspunkte, Kenngrößen und Leistungsdaten berücksichtigt werden, desto genauer ist das Ergebnis. Ebenso wichtig sind präzise Boden- und Klimadaten für den jeweiligen Standort. Eine aktuelle Tarifdatenbank für Gas- und Strompreise ermöglicht die Berechnung von Kosteneinsparungen innerhalb des Programms. Die Datenbanken sollten vom Anwender individuell erweiterbar sein.
Welche Wärmequellen werden unterstützt: Erdsonden, Horizontalabsorber, Wasser-/Luft-Wärmepumpen oder Kombinationen aus Sonden und Horizontalabsorbern, respektive geothermischen und solaren Wärmequellen?
Während mit allen Programmen gängige Anlagentypen für Heizung, Trinkwarmwasser, mit oder ohne Solarunterstützung geplant werden können, sind Art, Umfang und vor allem Qualität der Simulationen unterschiedlich: Zur Pflicht gehören die Simulation der Wärmepumpe und der Wärmequelle. Kritische Betriebsbedingungen lassen sich nur anhand detaillierter Simulationen untersuchen, etwa die Auskühlung des Erdreichs.
Wichtige Ausgabedaten sind die simulierte, respektive nach VDI 4650 berechnete Jahresarbeitszahl Abb. 8, die Nutzenergie, der Stromverbrauch, die Betriebskosten Abb. 9 und die Wirtschaftlichkeit Abb. 10. Darüber hinaus werden teilweise auch die Quellentemperatur (min./max.), die CO2-Einsparung, Laufzeiten, der Druckverlust etc. als Tabelle oder Grafik in der gewünschten zeitlichen Auflösung (Stunde, Tag, Woche, Jahr) ausgegeben.
Schnittstellen, wie ASCII, RTF, DOC, XLS und PDF, ermöglichen die Weiterbearbeitung und den digitalen Austausch von Text- und Bildinformationen.
Der Support sollte per Telefon, Fax oder E-Mail möglich sein und auch eine Online-Fernwartung beinhalten. Wartungsverträge halten Wärmepumpen-Planungsprogramme aktuell, allerdings fallen die jährlichen Kosten dafür recht unterschiedlich aus.
Von den Anbietern angegebene Merkmale heben Besonderheiten der Software im Wettbewerbsumfeld hervor.
Bei den Preisangaben ist darauf zu achten, ob es sich um eine Einstiegs- oder Komplettversion handelt.
Eine Garantie gibt es nicht
Der Punkt-für-Punkt-Vergleich zeigt, dass WP-OPT beim Funktionsumfang weiterhin die Messlatte ist. Je nach vorgesehener Anwendung können die Gebäudesimulation, bestimmte Wärmequellen, die Simulation der Erdreich-Auskühlung und exakte Wärmepumpendaten mit vielen Messpunkten unverzichtbar sein. Sollen andererseits komplexe Detailfragen aus dem Zusammenspiel von Anlagentechnik und Gebäude untersucht oder sogar Fehler in vorhandenen Anlagen aufgespürt werden, wird schnell die Benutzung von Gebäude-/Anlagensimulations-Programmen erforderlich Abb. 11.
Doch welche Anwendung letztlich am besten zum konkreten Bedarf passt und gewählt wird – Wärmepumpen-Simulationsprogramme sind nicht nur bei bivalenten Systemen, komplexen Rahmenbedingungen oder Sonderprojekten unerlässlich. Auch bei einfachen Anlagen ermöglichen sie realistischere Prognosen zur Wirtschaftlichkeit und der Jahresarbeitszahl (meistens höhere als beim VDI-Verfahren). Damit spart der Nutzer sowohl bei der Investition als auch beim Betrieb der Anlage.
Die tatsächliche Jahresarbeitszahl garantieren kann gleichwohl kein Programm. Schließlich hängt sie nicht alleine von der Qualität der Planungssoftware, der planerischen und handwerklichen Leistung sowie der eingesetzten Technik ab. Damit berechnete Soll- und gemessene Istwerte möglichst gut übereinstimmen, müssen auch das geplante und reale Nutzungsprofil übereinstimmen. Wird später im Betrieb ein höherer Bedarf oder Komfort, als in der Planung berücksichtigt, abgerufen, sind Abstriche bei der Jahresarbeitszahl und der Wirtschaftlichkeit physikalisch bedingt unvermeidbar [4]. Mit einer professionellen Planungssoftware kann man Ärger aber vorbeugen und seinem Auftraggeber mit geringem Aufwand die Konsequenzen bereits im Vorfeld aufzeigen.Marian Behaneck
1) Hinweis: Je effizienter eine Wärmepumpe ist, desto größer muss der Absorber sein bzw. desto stärker wird ein gegebener Absorber abgekühlt (wodurch sich die Effizienz der Wärmepumpe verringert, bis sich ein Gleichgewicht ergibt).
Literatur und Quellen
[1] Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt vom 11. März 2011, http://www.bafa.de (Rubrik: Energie / Erneuerbare Energien)
[2] VDI 4650 Blatt 1 Berechnungen von Wärmepumpen – Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen – Elektro-Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung. Berlin: Beuth Verlag, März 2009
[3] Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG), Bundesgesetzblatt Jahrgang 2008 Teil I, Nr. 36, verfügbar auch über http://www.gesetze-im-internet.de
[4] Hönig, Christina: Wärmepumpe mit Flatrate? Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 2-2010, Webcode 269911
[5] Hönig, Christina: Trinkwassererwärmung mit Wärmepumpen. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 2-2011, Webcode 305976
[6] Bonin, J.: Handbuch Wärmepumpen – Planung und Projektierung, Berlin: Beuth Verlag, Beuth Praxis, 2012
[7] Checkliste Wärmepumpen 2011/12. Download auf: http://www.verbraucherzentrale-energieberatung.de Rubrik: Broschüren
[8] Fördergemeinschaft Wärmepumpen: http://www.fws.ch
[9] Bundesverband Geothermie: http://www.geothermie.de
[10] Bundesverband Wärmepumpe: http://www.waermepumpe.de
Programme und Anbieter (Auswahl)
DK-Integral, http://www.dk-integral.de
EED Earth Energy Designer, http://www.buildingphysics.com,
GeoT*SOL, https://valentin-software.com/
Polysun Wärmepumpen-Software, https://www.velasolaris.com/
TRNSYS, http://www.transsolar.de
WP-OPT, https://wp-opt.de/
Wärmepumpe, http://www.hottgenroth.de http://www.etu.de
Mehr Infos zum Thema enthält das TGAdossier Wärmepumpe: Webcode 718
Im Kontext
Wärmepumpen werden eine neue Rolle bekommen
Bisher werden Wärmepumpen überwiegend als Alternative zu traditionellen Heizungslösungen eingesetzt. Für diese ist die Verfügbarkeit der Brennstoffe kein Auslegungskriterium, Lastabwurf gibt es allenfalls bei größeren Erdgas-Feuerungsanlagen. Elektro-Wärmepumpen können solche Aufgaben auch im Kollektiv kleiner Anlagen übernehmen – durch den Ausbau der Stromerzeugung mit erneuerbaren Energien steigt der Bedarf (zu)schaltbarer Abnehmer.
Abgesehen von Kurzzeitspeichern – um durch die temporäre Abschaltung einen günstigen Stromtarif zu erhalten – sind bisher nur wenige Wärmepumpenanlagen zur Raumheizung als aktiv(ierbar)er Teilnehmer in ein übergeordnetes System integriert oder sogar speziell dafür ausgelegt. Dies wird sich ändern.
Dass Wärmepumpen für das Lastmanagement im Strommarkt prinzipiell geeignet sind, hat das Bundeswirtschaftsministerium kürzlich mit einer Studie unterstrichen (Webcode 339127). Allerdings fehlen zur Marktentwicklung wichtige Rahmenbedingungen, Strukturen und wirtschaftliche Anreize. Es gibt aber übergeordnete Interessen, beispielsweise zur Kundenbindung oder als Einstieg in neue Geschäftsmodelle; ein Beispiel ist das Virtuelle Kraftwerk von Vattenfall, dass neben dezentraler Stromerzeugung auch Wärmepumpen als schaltbare Last integriert (Webcode 339775).
Bei der Planung und Wirtschaftlichkeitsberechnung von Wärmepumpenanlagen werden also künftig zusätzliche Kriterien zu berücksichtigen sein. Schon jetzt ist absehbar, dass dies nur mit einer hochauflösenden Simulationssoftware zu leisten ist. Die aufgezeigte Entwicklung bedeutet auch, dass die Software zusätzliche Komponenten in den Bilanzkreis aufnehmen muss, denn ein Wärmespeicher verursacht auch zusätzliche Verluste – was allerdings den Primärenergieaufwand trotzdem senken kann, wenn ereignisabhängige Primärenergiefaktoren berücksichtigt werden. Gleichzeitig müssen detaillierte Informationen zum Gebäude, zu seiner Nutzung, zu den Regelalgorithmen der Wärmepumpe und zu den Tarifen verarbeitet werden. TGA Fachplaner wird darüber berichten.
Jochen Vorländer, Chefredakteur TGA Fachplaner
