Ohne Simulation kein wirtschaftlicher Betrieb

Kompakt informieren

• Wärmepumpen-Simulationsprogramme sind nicht nur im Zusammenhang mit der Planung und Optimierung komplexer Systeme oder für Sonderprojekte unerlässlich. Auch bei einfachen Anlagen ermöglichen sie realistischere Prognosen der Jahresarbeitszahl, der Wirtschaftlichkeit und der Betriebskosten.
• Da außerdem die Kombination mit anderen Energiegewinnungssystemen immer relevanter wird, insbesondere im Zusammenhang mit der Eigenstromnutzung von PV- oder BHKW-Anlagen, benötigen Fachplaner und Fachbetriebe Softwarelösungen, die solche Kombinationen realitätsnah abbilden.
• Die Eigenstromnutzung wird von den verfügbaren Programmen allerdings unterschiedlich unterstützt. Ausbaufähig sind die Programme insbesondere hinsichtlich der Abbildung von Stromspeichern sowie ausgefeilten Anlagenkombinationen und Regelungstechniken.

Durch die degressive EEG-Einspeisevergütung für neue Photovoltaik-Anlagen wird eine hohe Eigenstromnutzung – und damit auch eine an den tatsächlichen Eigenbedarf angepasste Dimensionierung der PV-Anlage immer wichtiger. Insbesondere die Kombination aus PV-Anlage und Wärmepumpe scheint zur Eigenstromnutzung geradezu ideal zu sein.

Hauseigentümer, die bereit sind, für eine Wärmepumpe das Zwei- bis Dreifache gegenüber einer konventionellen Heizung zu investieren, wollen allerdings möglichst präzise wissen, wie viel selbsterzeugter Strom zur Trinkwassererwärmung und Raumheizung tatsächlich genutzt werden kann und ob sich die Anlagenkombination amortisiert.

Das lässt sich mit Tabellen und Normberechnungen nicht ermitteln. Hier sind spezielle Wärmepumpen-Simulationsprogramme gefordert, die auch zeitliche Abhängigkeiten, denen die Energiequellen Außenluft, Erdwärme, Grundwasser und Sonne unterliegen, berücksichtigen und dadurch präzise Wirtschaftlichkeitsprognosen ermöglichen.

Simulation liefert präzisere Ergebnisse

Ob mit oder ohne Eigenstromnutzung – die Werbeversprechen der Wärmepumpen-Hersteller beziehungsweise normativ ermittelten Prognosen ausführender Unternehmen decken sich in der Praxis selten mit den tatsächlichen Ergebnissen. Das liegt unter anderem daran, dass das Betriebsverhalten und die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpen-Heizung von verschiedenen Faktoren abhängen. Neben den Gebäude-, Lage- oder Klimadaten müssen auch Wechselwirkungen berücksichtigt werden, weil sich die Wärmepumpen-Parameter, Quellentemperaturen und die Temperaturanforderungen der Heizung gegenseitig beeinflussen. Zudem unterliegen die Wärmequellen und der Heiz- und Warmwasserbedarf der Bewohner zeitlichen Schwankungen.

Wärmepumpen-Betriebsdaten müssen folglich möglichst präzise in ihrer zeitlichen Abhängigkeit berechnet werden, damit sie den Anforderungen an den Wärmeertrag und den Komfort zu jedem Zeitpunkt im Jahresverlauf genügen. Zwar genügt für den Nachweis einer Mindestjahresarbeitszahl als Fördervoraussetzung nach dem Marktanreizprogramm (MAP) [1] eine Berechnung nach VDI 4650-1 [2]. Dabei werden jedoch nur fundamentale Daten der Wärmepumpe, der Heizwassertemperaturen oder der Umwälzpumpen-Leistung berücksichtigt. Andere Einflussgrößen, wie etwa die Erdreichtemperaturen, werden lediglich geschätzt.

Simulationsrechnungen ermöglichen demgegenüber eine präzisere Planung, eine Optimierung der Anlagenkonfiguration, realistischere Betriebskosten- und Amortisierungsprognosen. Im Vergleich zu den mit pauschalen Aufschlägen rechnenden Normverfahren lassen sich zudem höhere, für Fördermittel günstigere Jahresarbeitszahlen (JAZ-Werte) und damit vorteilhaftere Förderkonditionen erzielen [6].

Insbesondere Anlagen mit einem hohen Anteil für die Trinkwassererwärmung und Systeme mit mehreren Wärmeerzeugern verursachen aufgrund der Wechselwirkungen und Temperaturabhängigkeiten viel Rechenaufwand. So hängt der jeweilige Stromverbrauch einer Wärmepumpenheizung von den Temperaturen im Heizungskreislauf und der Wärmequelle ab. Da sich beide im Jahresverlauf ändern, muss man für jeden einzelnen Zeitabschnitt die Heizwassertemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur am jeweiligen Standort berechnen. Per Handrechnung ist das kaum zu leisten.

Simulationsprogramme ermitteln diese Werte automatisch in zeitlicher Abhängigkeit und in der gewünschten zeitlichen Auflösung. Auf Basis dieser Simulationen ist eine näher an die Realität heranreichende Vorhersage möglich. Außerdem kann man gegenüber Kunden die Folgen eines veränderten Nutzungsprofils für die Jahresarbeitszahl und Wirtschaftlichkeit einer Anlage anhand von Grafiken darstellen: Steigen der Warmwasserverbrauch oder die Raumtemperatur-Anforderungen, sinkt die Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Eigenstromnutzung berechnen

Die Kombination aus PV-Anlage und Wärmepumpe erscheint auf den ersten Blick ideal: der selbst erzeugte Strom kann unmittelbar für den Betrieb der Wärmepumpe genutzt werden und trägt bei sinkender Einspeisevergütung für Neuanlagen dazu bei, dass sich die Gesamtanlage schneller rechnet. Schließlich kann eine PV-Anlage eines Ein- oder Mehrfamilienhauses über das Jahr rechnerisch so viel Strom erzeugen, wie eine entsprechende Wärmepumpe im Jahr verbraucht.

Hinzu kommt, dass sich die Verbindung aus Wärmepumpe und Photovoltaik positiv auf den Jahresprimärenergie-Bedarf eines Wohngebäudes auswirkt, da nach der Energieeinsparverordnung (ab EnEV 2009) selbst erzeugter Strom rechnerisch vom Endenergiebedarf eines Gebäudes abgezogen werden kann.

Was auf den ersten Blick als ideale Kombination erscheint, wird bei näherer Betrachtung jedoch schnell relativiert: Eine Wärmepumpe benötigt vor allem in der Heizperiode zwischen Oktober und April den meisten Strom. In dieser Zeit liefert eine PV-Anlage aber nur etwa 30 bis 35 % ihres Jahresertrags. Umgekehrt ist der PV-Stromertrag im Sommer am höchsten – just dann, wenn der Stromverbrauch der Wärmepumpe eher gering ist. Da selbst erzeugter Strom aufgrund hoher Stromspeicherkosten derzeit nicht wirtschaftlich für den Winter gespeichert werden kann, ist ein vollständig autarker Betrieb mit einer eigenen PV-Anlage (ohne großen thermischen Pufferspeicher) momentan nicht realistisch.

Gefragt sind deshalb intelligente Anlagenkombinationen und Regelungstechniken, beispielsweise Wärmepumpen-Anlagen mit integriertem Energiemanagement: Wird im Haushalt nicht genügend Strom abgenommen, dann lädt die Wärmepumpe automatisch den Warmwasserspeicher, respektive die Wärmepumpe wird primär dann betrieben, wenn ausreichend Solarstrom zur Verfügung steht.

Inzwischen bieten mehrere Wärmepumpen-Hersteller, teilweise in Kooperation mit PV-Systemanbietern, unterschiedliche Lösungen zur Wärmepumpen-/PV-Anlagenkombination [8] an. Auf die Besonderheiten dieser Systeme gehen Wärmepumpen-Simulationsprogramme zwar in der Regel nicht ein, auch weil sich der Markt derzeit noch entwickelt und die Systeme sich erst behaupten müssen.

Welchen Stromertrag die PV-Anlage einbringt, lässt sich über einen integrierten PV-Rechner oder eine Schnittstelle zu einem externen Programm in Abhängigkeit von Standort, Ausrichtung und Dachneigung aber sehr genau ermitteln. Die Software berücksichtigt den zeitlichen Verlauf der PV-Stromerzeugung und gibt an, wie viel selbst erzeugter Strom für Warmwasser und Heizung genutzt werden kann. Auch BHKW können im Systemvergleich berücksichtigt werden, beim Wirtschaftlichkeitsvergleich kann selbsterzeugter BHKW-Strom als Gewinn einbezogen werden.

Kleine, aber feine Unterschiede

Wärmepumpen-Planer werden in Form von Online-Dimensionierungshilfen für Bauherren und Hauseigentümer, als herstellerspezifische Auslegungs- und Konfigurationsprogramme für Installateure oder als herstellerübergreifende Simulationsprogramme für Fachplaner und Energieberater offeriert.

Für Fachplaner und Fachbetriebe konzipierte Lösungen berechnen die förderrelevante Jahresarbeitszahl nach VDI 4650-1 und per Simulationsrechnung, machen einen Betriebskostenvergleich mit anderen Energieträgern, wie Heizöl, Erdgas, Holzpellets etc., ermitteln die jährlichen Kapitalkosten unter Berücksichtigung der Lebensdauer der Komponenten, der Zinsen und jährlicher Energiepreissteigerungen sowie den Stromverbrauch und die Stromkosten in den einzelnen Tarifen der verschiedenen Stromanbieter.

Ferner wird – unterteilt nach Heizung und Trinkwarmwasser – der Temperaturverlauf in der Wärmequelle berechnet, der durchschnittliche monatliche Wärmebedarf, die Vorlauftemperatur, die Heizleistung etc. Die Preise für herstellerunabhängige Wärmepumpen-Simulationsprogramme beginnen bei 400 Euro. Planungs- und Auslegungsprogramme von Wärmepumpen-Herstellern sind für Fachplaner, Installateure und Fachhandelspartner kostenfrei. Bei den meisten Hersteller-Programmen handelt es sich um eine Firmenversion des Simulationsprogramms WP-OPT von WPsoft, sodass Funktionen und Bedienung mehr oder weniger identisch sind.

Unterschiede gibt es dagegen bei herstellerunabhängigen Lösungen. Das beginnt bereits bei den Wärmepumpen-Daten: realistische Berechnungen bei kritischen Betriebsbedingungen sind nur mit exakten Herstellerdaten möglich. Diese für jedes am Markt erhältliche Wärmepumpen-Modell zu besorgen und aktuell zu halten, ist aufwendig, weshalb Wärmepumpendaten teilweise nur anhand weniger Betriebspunkte nach VDI 4650-1 abgebildet werden. Je mehr Betriebspunkte, Kenngrößen und Leistungsdaten aber berücksichtigt werden, desto genauer das Berechnungsergebnis.

Ebenso wichtig sind präzise Boden- und Klimadaten für den jeweiligen Standort. Während mit allen Programmen gängige Anlagentypen für Heizung oder Trinkwarmwasser geplant werden können, werden die Betriebsweisen unterschiedlich berücksichtigt. Insbesondere modulierende Wärmepumpen, die ihre Heizleistung anpassen können, werden nicht immer unterstützt. Das gilt auch für Luft- und Erdwärmepumpen, die in Kaskadenform unter- und miteinander zusammengeschaltet werden, um unterschiedliche Leistungsanforderungen wirtschaftlich abdecken zu können.

Auch bei der Art und Qualität der Simulation gibt es Unterschiede: Zum Standard gehören die Simulation der Wärmepumpe, der Wärmequelle und der Gebäudenutzung. Kritische Betriebsbedingungen lassen sich allerdings nur anhand zusätzlicher, detaillierter Simulationsrechnungen untersuchen, etwa die Auskühlung des Erdreichs. Kombinationen mit Solarthermie- und Photovoltaik-Anlagen sind möglich, um etwa die Primärenergiebilanz durch Eigenstromnutzung für die Heizung zu verbessern, respektive die Anlagenaufwandszahl nach EnEV zu ermitteln.

Bei der Eigenstromverbrauch-Berechnung wird der zeitliche Verlauf der PV- oder BHKW-Stromerzeugung berücksichtigt und angegeben, wie viel Kilowattstunden an selbsterzeugtem Strom für die Trinkwassererwärmung und Raumheizung genutzt, respektive Überschüsse an Stromspeicher abgegeben werden können.

Zu den Ausgabedaten zählen die simulierte, respektive nach VDI 4650 bzw. DIN EN 14 825 [3] berechnete Jahresarbeitszahl, die Nutzenergie, der Stromverbrauch, die Betriebskosten und die Wirtschaftlichkeit. 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, Monat, Jahr) ausgegeben.

Schnittstellen wie ASCII, RTF, DOC, XLS, PDF ermöglichen die Weiterbearbeitung und den digitalen Austausch von Text- und Bildinformationen. Beim Support per Telefon, E-Mail oder Online-Fernwartung spielt dessen Qualität eine wichtige Rolle: Nur wenn die Hotline von Wärmepumpen-Experten betreut wird, können Fachfragen kompetent beantwortet werden. Wartungsverträge halten WP-Planungsprogramme auf aktuellem Stand, allerdings fallen die laufenden Kosten recht unterschiedlich aus. Bei den Preisangaben sollte man darauf achten, ob es sich um eine Einstiegs- oder Komplettversion handelt.

Korrekte Randbedingungen erforderlich

Vergleicht man die Programme Punkt für Punkt, so fallen einige Unterschiede auf: So fehlen teilweise die Gebäudesimulation, unterschiedliche Wärmequellen, Betriebsweisen oder die Simulation der Erdreich-Auskühlung etc. Abstriche gibt es bei einigen Programmen auch im Hinblick auf den Umfang und die Qualität der Datenbanken sowie der Simulationen (zeitliche Auflösung, Eigenstromverbrauch aus PV-/BHKW-Anlagen etc.). Wärmepumpendaten lediglich anhand weniger Betriebspunkte abzubilden oder Gebäudedaten überschlägig abzufragen, wird dem Ziel einer möglichst genauen Prognose nicht gerecht.

Berechnungsgrundlage sollte in jedem Fall eine dynamische Simulationsrechnung und nicht nur VDI 4650 sein. Simulationen liefern allerdings nur dann präzise Ergebnisse, wenn auch die Randbedingungen stimmen. Das beginnt schon mit der exakten Bestimmung des Wärmebedarfs. So kann aus einer ungenau bestimmten Heizlast eine ganze Reihe an Folgeabhängigkeiten entstehen, die sich negativ auf die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpenanlage auswirken.

Damit sich berechnete Soll- und tatsächliche Ist-Werte decken, müssen auch das geplante und später tatsächlich vorhandene Nutzungsprofil übereinstimmen. Wird von den Bewohnern/Nutzern ein höherer Bedarf oder Komfort als geplant abgerufen, sind physikalisch bedingte Abstriche bei der Jahresarbeitszahl, Wirtschaftlichkeit und Behaglichkeit unvermeidlich [5] und ohne vorherige Aufklärung der Nutzer Enttäuschungen oder sogar Ärger vorprogrammiert. Mit Wärmepumpen-Planungssoftware kann man dem vorbeugen und seinem Auftraggeber mit geringem Aufwand die Konsequenzen bereits im Vorfeld aufzeigen. Marian Behaneck

Literatur und Links

[1] Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt, vom 11. März 2015, BAnz AT vom 25. März 2015 B1. Download auf www.bafa.de

[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 / VDI 4650 Blatt 1 (Entwurf) Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen – Elektrowärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung. Berlin: Beuth Verlag, November 2014

[3] DIN EN 14 825: Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern zur Raumbeheizung und -kühlung – Prüfung und Leistungsbemessung unter Teillastbedingungen und Berechnung der saisonalen Arbeitszahl. Berlin: Beuth Verlag, Dezember 2013

[4] Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG). www.bit.ly/eeg_volltext

[5] Hönig, Ch.: Wärmepumpe mit Flatrate?. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 2-2010,  Webcode  269911

[6] Hönig, Ch.: Trinkwassererwärmung mit Wärmepumpen. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 2-2011,  Webcode  305976

[7] Bonin, J.: Handbuch Wärmepumpen – Planung und Projektierung, Berlin: Beuth Verlag, Beuth Praxis, 2012

[8] Theiß, E.: Ein starkes Team – Die Autarkie machts: Wirtschaftliche Eigenstrom- und Wärmenutzung mit solarstrombetriebener Wärmepumpe. Arnsberg: Strobel-Verlag, IKZ Energy 12-2013

www.energie-experten.orgRubrik Heizung, Wärmepumpe

www.erdwaermepumpe.deVerbraucherportal Erdwärmepumpe

www.fws.chFördergemeinschaft Wärmepumpen

www.geothermie.deBundesverband Geothermie

www.waermepumpe.deBundesverband Wärmepumpe (BWP)

Software-Anbieter

DK-Integral www.dk-integral.de

GeoT*SOL www.valentin.de

Polysun WP-Software www.velasolaris.com

Wärmepumpe www.hottgenroth.de

WP-OPT www.wp-opt.de

WP-Hersteller

Aquarea Desinger www.panasonic.de

Junkers WP-Auslegung www.junkers.com

Logasoft WP-Auslegung www.buderus.de

Nibe-DIM www.nibe.de

Novelan Exakt www.novelan.com

plansoft www.vaillant.de

Terra-OPT www.idm-energie.com

Vito-WP www.viessmann.de

Wärmepumpen-Navigator www.stiebel-eltron.de

*) Auswahl