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Wärmepumpenanlagen sind beim Neubau und künftig auch bei der Heizungsmodernisierung die führende Technik zur Wärmeerzeugung. Die Auslegung, Planung, Integration in die Wärmeverteilung und die richtige Einstellung erfordert allerdings Know-how und rechnergestützte Planungswerkzeuge – insbesondere wenn sie künftig immer häufiger Bestandteil eines lokalen Energiesystems mit Stromerzeugung und -speicherung sind. Sonst sind unnötig hohe Betriebskosten oder Schäden an geothermischen Wärmequellen vorprogrammiert. Wärmepumpen-Software sorgt für mehr Planungssicherheit.
Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Im Vergleich zu Norm-Berechnungsverfahren liefern Wärmepumpen-Simulationsprogramme präzisere Prognosen zum Energiebedarf und zur Wärmebereitstellung, zu den Betriebskosten und zur Wirtschaftlichkeit und ermöglichen auch die Planung und Optimierung komplexer Systeme.
■ Dazu gehören Kombinationen mit anderen Energiegewinnungssystemen, die Eigenstromnutzung über Photovoltaik-Anlagen oder BHKW, die Berücksichtigung von Batteriespeichern und zunehmend auch mit Energiemanagementsystemen bis zur Teilnahme am Stromhandel.
■ Neben einer fachgerechten Auslegung und Montage ist bei der Inbetriebnahme auch die Wärmepumpen-Einstellung wichtig. Andernfalls drohen – trotz exakter individueller Berechnung – unnötig hohe Energieverbräuche und Klagen unzufriedener Kunden.
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Die Entwicklung ist beeindruckend: Im Jahresvergleich des Bundesverbands Wärmepumpe (BWP) ist der Absatz an Wärmepumpen im Jahr 2021 gegenüber dem Vorjahr um 28 % auf 154 000 gestiegen. Für das erste Halbjahr 2022 lag das Absatzwachstum nach Angaben des Bundesverbands der Deutschen Heizungsindustrie (BDH) gegenüber dem Vorjahreszeitraum bei 25 %. Bei einer höheren Verfügbarkeit wäre der Absatz aber wohl noch deutlich höher als 96 000 Wärmepumpen gewesen.
Bei der Genehmigung neuer Wohngebäude haben Heizungs-Wärmepumpen inzwischen Quoten von über 80 % als primäres Heizsystem, bei den Baufertigstellungen liegt die Quote über 50 %. Und in der nur für die Heizungsmodernisierung verfügbaren Einzelmaßnahme „Heizungsanlagen“ der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) ist in den zwölf Monaten September 2021 bis August 2022 eine Förderung für 318 103 Heizungs-Wärmepumpen beim BAFA beantragt worden. Die aktuelle Entwicklungen an den Energiemärkten und die politischen Ziele werden die Nachfrage weiter befeuern. Ab 2024 sollen pro Jahr mindestens 500 000 Heizungs-Wärmepumpen neu installiert werden.
Diese Wärmepumpenanlagen, insbesondere die im Bestand, müssen sorgfältig geplant werden. Denn im Betrieb erweisen sich Wärmepumpen als sensible „Diven“, sie arbeiten nur innerhalb enger Grenzen optimal. Ihre Betriebsdaten müssen deshalb möglichst genau mit ihrer saisonalen Abhängigkeit berechnet werden, damit Wärmepumpenanlagen den Wärmebedarf zu jeder Zeit und mit der notwendigen Vorlauftemperatur energieeffizient bereitstellen können.
Wärmepumpen-Simulationsprogramme liefern – für die getroffenen Randbedingungen – präzise Prognosen zur Jahresarbeitszahl (JAZ), zu den Betriebskosten und zur Wirtschaftlichkeit und ermöglichen darüber hinaus auch die Planung und Optimierung komplexer Systeme – etwa die Kombinationen mit anderen Energiegewinnungssystemen oder die Eigenstromnutzung über Photovoltaik-, Photovoltaik-Thermie- oder BHKW-Anlagen.
Simulation statt Norm-Berechnung
Prognosen von Herstellern oder nach Regelwerken ermittelte Werte unterscheiden sich häufig von den tatsächlichen Daten im Betrieb. Das liegt unter anderem daran, dass das Betriebsverhalten und die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpen-Heizung von zahlreichen Faktoren abhängen. Neben den Gebäude-, Lage- oder Klimadaten müssen auch Wechselwirkungen, etwa zwischen den Quellentemperaturen und Temperaturanforderungen, berücksichtigt werden. Werden mehrere Wärmequellen überschneidend genutzt, können die Regelwerke in den meisten Fällen keine Ergebnisse liefern.
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Außerdem unterliegen die Leistung und die Temperatur der Wärmequellen ebenso jahreszeitlichen Schwankungen, wie der Heiz- und Warmwasserbedarf. Damit sie den Anforderungen an den Wärmeertrag und den -komfort zu jedem Zeitpunkt im Jahr genügen, müssen Wärmepumpen-Betriebsdaten möglichst präzise in zeitlicher Abhängigkeit berechnet und überprüft werden.
Simulationsrechnungen ermöglichen gegenüber JAZ-Rechnern nach VDI 4650-1 [1], die lediglich fundamentale Daten der Wärmepumpe, der Heizwassertemperaturen oder der Umwälzpumpen-Leistung berücksichtigen, präzisere Berechnungen, eine Optimierung der Anlagenkonfiguration sowie realistischere Betriebskosten- und Amortisierungsprognosen.
Im Vergleich zu Normverfahren lassen sich zudem höhere JAZ und damit unter Umständen vorteilhaftere Förderkonditionen erzielen. Allerdings erfordern aufgrund der Wechselwirkungen und Temperaturabhängigkeiten insbesondere Anlagen im Gebäudebestand, Anlagen mit einem hohen Anteil für die Trinkwassererwärmung und bivalente Systeme mit mehreren Wärmeerzeugern einen hohen Berechnungsaufwand.
Präziser berechnen, einfacher optimieren
Simulationsprogramme ermitteln nicht nur die Betriebsdaten in Abhängigkeit von der Außentemperatur am Standort automatisch in der gewünschten zeitlichen Auflösung.
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Man kann auch die Folgen eines veränderten Nutzungsprofils für die Jahresarbeitszahl und die Wirtschaftlichkeit einer Anlage anhand von Grafiken Kunden anschaulich präsentieren: Steigen der Warmwasserverbrauch oder die Raumtemperatur-Anforderungen, sinkt die Energieeffizienz der Anlage.
Projekte lassen sich auch einfacher optimieren, indem man diese mit unterschiedlichen Randbedingungen, wie Quelle, Quellengröße, Speicherlösung, Wärmepumpe, Betriebsweise etc. durchrechnet. Werden die Alternativen nacheinander berechnet und als kommentierte Anlagenvariante hinterlegt, lassen sich Systeme und Konfigurationen einfacher vergleichen.
Auch Auslegungsfehler können vermieden werden, etwa bei der Dimensionierung von Erdsonden. Mit Simulationsprogrammen kann auch der Wärmeentzug in kritischen Phasen überprüft werden, um eine Vereisung des Erdreichs zu vermeiden.
Welche Programme gibt es?
Wärmepumpen-Planungsprogramme gibt es für unterschiedliche Zielgruppen: Bauherren, Hauseigentümer und Handwerker können über Online-Planer oder JAZ-Rechner eine Anlage überschlägig auslegen, respektive Fördermöglichkeiten ausloten. Die Webseite des BWP bietet unter der Rubrik „Für Handwerker“ dafür verschiedene Online-Planungstools.
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Für Installateure und Fachhandelspartner von Wärmepumpen-Herstellern zur Verfügung gestellte kostenfreie Berechnungs- und Auslegungsprogramme von alpha innotec, Brötje, Remeha, Roth Werke und anderen bieten ähnliche Berechnungsfunktionen wie die herstellerübergreifende Programme in der tabellarischen Marktübersicht. Allerdings enthält die Datenbank dann nur Gerätedaten des jeweiligen Herstellers. Meist handelt es sich bei den Herstellerprogrammen um Firmenversionen der Programme GeoT*SOL oder WP-OPT.
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In dieser Marktübersicht wird deshalb beispielhaft nur die eigenständige Software plansoft von Vaillant vorgestellt. Herstellerspezifische Software kann allerdings eine wichtige Aufgabe übernehmen, die herstellerübergreifende Programme schwerlich abdecken können. Beispielsweise liefert ein weiteres Online-Schnellauslegungstool für Heizungs-Wärmepumpen von Vaillant projektspezifisch alle gerätespezifischen Einstellwerte für die Regelung (siehe unten und: Schnellauslegungstool für Heizungs-Wärmepumpen, TGA 05-2022).
Für TGA+E-Planer und Energieberater eignen sich zur Planung und Optimierung von Wärmepumpenanlagen am besten herstellerübergreifende Simulationsprogramme. Sie berechnen die für Förderprogramme relevante JAZ nach VDI 4650-1 und per Simulationsrechnung, machen einen Betriebskostenvergleich mit anderen Energieträgern bzw. Heizsystemen, ermitteln die jährlichen Kosten unter Berücksichtigung der Lebensdauer der Komponenten, der Zinsen und jährlicher Energiepreissteigerungen sowie den Stromverbrauch und die Stromkosten gemäß den Tarifen verschiedener Stromanbieter.
Ferner werden berechnet – wo sinnvoll, unterteilt nach Heizung und Warmwasser – der Temperaturverlauf der Wärmequelle, der durchschnittliche monatliche Wärmebedarf, die Vorlauftemperatur und die Heizleistung etc. Thermische Gebäudesimulationsprogramme wie DK-Integral, IDA ICE oder Polysun Designer sind nicht speziell für die Wärmepumpenplanung ausgelegt, ermöglichen dafür aber auch gekoppelte Simulationen in beliebigen Zeitschritten von Gebäuden und sehr komplexe Anlagenkombinationen unter Berücksichtigung benutzerdefinierter Regelstrategien.
So unterscheiden sich die Programme
Unterschiede zeigen sich bereits bei den Produktdaten für Wärmepumpen, Kollektoren, Heizkessel oder Speicher: Realistische Berechnungen bei kritischen Betriebsbedingungen sind nur mit exakten Daten möglich. Je mehr Betriebspunkte, Kenngrößen und Leistungsdaten berücksichtigt werden, desto genauer ist das Berechnungsergebnis.
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Ebenso wichtig sind präzise Boden- und Klimadaten für den jeweiligen Standort in Deutschland, wobei erweiterte, respektive weltweite Standortdaten teilweise zusätzlich erworben werden können. Während mit allen Programmen gängige Anlagentypen für Heizung oder Trinkwassererwärmung geplant werden können, werden Betriebsweisen unterschiedlich berücksichtigt.
Auch bei der Art und Qualität der Simulation gibt es Unterschiede: Zum Standard von Simulationsprogrammen gehören Berechnungen der Wärmepumpe, der Wärmequelle sowie der Gebäudenutzung in der gewünschten zeitlichen Auflösung. Kritische Betriebsbedingungen, etwa eine zu starke Auskühlung / Vereisung des Erdreichs, lassen sich allerdings teilweise nur optional anhand zusätzlicher, detaillierter Simulationsrechnungen untersuchen.
Welchen Stromertrag eine Photovoltaik-Anlage bei der Eigenstromnutzung einbringt, lässt sich entweder über einen integrierten PV-Rechner oder eine Schnittstelle zu einem externen Programm in Abhängigkeit von Standort, Ausrichtung und Dachneigung relativ präzise ermitteln. Damit lässt sich der Autarkiegrad einer bestehenden Energieversorgung sowohl für die Stromversorgung als auch für die Wärmeversorgung eines Gebäudes bestimmen. Die Software berücksichtigt den zeitlichen Verlauf der Solarstromerzeugung und gibt an, wie viel selbst erzeugter Strom für Warmwasser und Heizung genutzt wird respektive welche Überschüsse an einen Stromspeicher abgegeben werden können. Beim Wirtschaftlichkeitsvergleich kann die anteilige Eigenstromnutzung unter Berücksichtigung der Stromtarife bzw. der Einspeisevergütung einbezogen werden.
Schemapläne, Eingabeassistenten, Vorgabewerte oder Hilfetexte unterstützen die Eingabe, Plausibilitätskontrollen prüfen Eingabewerte auf Fehler und Unstimmigkeiten.
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Zu den Ausgabedaten zählen die simulierte bzw. nach VDI 4650-1 oder DIN EN 14825 [2] berechnete Jahresarbeitszahl, die Nutzenergie, der Stromverbrauch, die Betriebskosten und die Wirtschaftlichkeit. Darüber hinaus werden teilweise auch die Maximalwerte der Quellentemperatur, die CO2-Einsparung gegenüber konventionellen Systemen, Laufzeiten usw. als Tabelle oder Grafik in der gewünschten zeitlichen Auflösung (Stunde, Tag, Woche, Monat, Jahr) ausgegeben. Auch Schallemissionen von Luft/Wasser-Wärmepumpen und die Anforderungen der TA Lärm werden mithilfe eines Schallrechners von einigen Programmen überprüft (z. B. von plansoft).
Berichte und Reporte mit anschaulichen Diagrammen und Vergleichen unterstützen die Kundenberatung. Je nach Anwendungsfall (Gutachten, Kaufentscheidung, Systemvergleich, technische Hilfestellung) sind verschiedene Informationen wichtig. Deshalb sollten Berichtsinhalte individuell anpassbar sein. Exportschnittstellen wie ASCII, RTF, DOC, XLS, PDF ermöglichen die Weiterbearbeitung und den digitalen Austausch von Text- und Bildinformationen.
Der Preis für herstellerunabhängige Wärmepumpen-Simulationsprogramme liegt zwischen 400 und 500 Euro. Komplettversionen und Gebäudesimulationsprogramme kosten deutlich mehr.
Eine Frage der Einstellung
In der Praxis werden Wärmepumpen von SHK-Installateuren sowohl montiert und eingebaut als auch ausgelegt und geplant. Wärmepumpen-Hersteller offerieren deshalb zunehmend einfache, auch ohne Expertenwissen bedienbare Auslegungsprogramme.
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So hat beispielsweise Vaillant kürzlich ein Online-Schnellauslegungstool vorgestellt, das vor allem Fachhandelspartner bei der Auslegung, Installation, aber auch der Einstellung der Anlage unterstützt.
Neben der fachgerechten Auslegung und Installation ist nämlich die projektspezifische Einstellung Voraussetzung für einen energieeffizienten und störungsfreien Betrieb.
Analysen in Betrieb genommener Wärmepumpenanlagen haben gezeigt, dass sie häufig zwar optimal geplant, anschließend aber nicht oder falsch eingestellt wurden. Das führt in der Praxis zu nicht erfüllten Ertragsvorhersagen, zu hohen Betriebskosten, unzufriedenen Kunden und bringt die Wärmepumpe als Technologie unnötig in Misskredit.
Solange den bekannten Ursachen – Wissens-Defizite, zu geringe Erfahrung, fehlende Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen im Installationshandwerk sowie dem Fachkräftemangel in der Branche – nicht wirkungsvoll begegnet wird, werden Wärmepumpen den von der Politik und neuerdings auch von der Gesellschaft erwarteten Beitrag zur Energiewende aber kaum adäquat leisten können. Einfach anzuwendende Wärmepumpen-Software ist ein wichtiger Baustein, damit die notwenige Qualifizierungsoffensive dann auch in die Praxis umgesetzt werden kann.
Bei der Planung von Wärmepumpenanlagen sollte man allerdings berücksichtigen, dass sie – insbesondere in Verbindung mit anderen Energieerzeugungssystemen, der Eigenstromnutzung, Batteriespeichern oder ausgefeilten Anlagenkombinationen und Regelungstechniken – sehr komplexe Systeme sind, bei deren Auslegung zahlreiche Parameter in ihrer Wechselbeziehung und den zeitlichen Abhängigkeiten sorgfältig berücksichtigt werden müssen.
Das setzt dann allerdings Simulationsprogramme und Ingenieurwissen zwingend voraus, was im kleinteiligen Fachhandwerk mit breiter Aufstellung im Normalfall nicht verfügbar ist. Um der steigenden Nachfrage und der begrenzten Auslegungskapazität gleichzeitig gerecht zu werden, dürfte sich ein bereits eingesetzter Trend zu übergreifenden Gesamtlösungen mit integriertem Energiemanagement beschleunigen – und vermutlich auch eine ganz neue Generation von Auslegungs- und Berechnungstools für solche Systeme mit Wärmepumpe als Kernelement auf den Markt spülen. Marian Behaneck
Gentner Verlag / Behaneck
Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGA+E-Dossier TGA+E-Software
Literatur
[1] VDI 4650 Blatt 1 Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen – Elektrowärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung. Berlin: Beuth Verlag, März 2019
Bundesverband Wärmepumpe
[2] DIN EN 14825 Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern zur Raumbeheizung und -kühlung – Prüfung und Leistungsbemessung unter Teillastbedingungen und Berechnung der saisonalen Arbeitszahl. Beuth Verlag, Berlin, Juli 2019
[3] Bonin, J.: Handbuch Wärmepumpen – Planung und Projektierung, Berlin: Beuth Verlag, Beuth Praxis, 2016
[4] Keller, L, Heigele, M.: Leitfaden für Wärmepumpenanlagen. Kleinaitingen: ITM InnoTech Medien, 2021
[5] Schellhorn, M.: Alle Basisdaten sorgfältig ermitteln. Stuttgart: Gentner Verlag, SBZ 9-2018
[7] Schellhorn, M.: Planung und Technologien von Luft/Wasser-Wärmepumpen. Heidelberg / München: Teile 1 bis 3, aus de – das elektrohandwerk 3-, 4- und 5-2022, Hüethig, Heidelberg
[8] Schmid, W.: Viele Faktoren bremsen Erdreich-Wärmepumpen. Stuttgart: Gentner Verlag TGA+E 08-2022
[9] Weitere Infos zur Auslegung von Wärmepumpen: www.energie-experten.org www.fws.ch www.geothermie.de www.waermepumpe.de www.waermepumpe-austria.at
[10] Weitere Programme (Auswahl): Alphacheck (www.alpha-innotec.de), Aquarea Desinger (www.aircon.panasonic.eu), Heizungsplaner (www.broetje.de), JAZ-Rechner (www.waermepumpe.de), Nibe DIM (www.nibe.de), Novelan Konzept (www.novelan.com), Terra-Opt (www.idm-energie.at), WP-Planer (www.viessmann.de), Wärmepumpentool (www.stiebel-eltron.de)
