1 Auswahl und Dimensionierung von Wärmepumpen

1.1 Wärmepumpen für den Sanierungsmarkt - Dimensionierung bei bestehender Heizungsanlage

1.1.1 Wärmebedarf des zu beheizenden Hauses

Bei bestehenden Heizungsanlagen muss der Wärmebedarf des zu beheizenden Gebäudes neu bestimmt werden, da die Heizleistung des vorhandenen Heizkessels kein Maß für den Wärmebedarf ist. Heizkessel sind im Regelfall überdimensioniert und würden somit zu überdimensionierten Wärmepumpen führen. Die genaue Berechnung des Wärmebedarfs erfolgt nach länderspezifischen Normen (z.B. EN 12831). Eine überschlägige Ermittlung kann aus dem bisherigen Energieverbrauch, der zu beheizenden Wohnfläche und dem spezifischen Wärmebedarf erfolgen. Überschlägig lässt sich der Wärmebedarf wie folgt bestimmen:
Berechnung für Öl:

B_a * eta * H_u Q_N = -------------------- B_vh Berechnung für Gas:
B_a * eta Q_N = ---------------- B_vh Vereinfachte Berechnung:
B_a Q_N = --------- 250 mit:

• Q_N = Wärmebedarf Gebäude

• B_a = Jahresverbrauch Gas (in kWh) bzw. Öl (in l)

• eta = Wirkungsgrad Gas bzw. Ölheizung

• B_vh = Jahresvollbenutzungsstunden

• H_u = Heizwert Heizöl (in kWh/l)

Die Jahresvollbenutzungsstunden sind vom Gebäudetyp und der Klimaregion abhängig. Aus der folgenden Tabelle können für verschiedene Gebäudearten Jahresvollbenutzungsstunden nach der VDI 2067 entnommen werden.

Tab. 1.1: Jahresvollbenutzungsstunden für verschiedene Gebäudearten

Der spezifische Wärmebedarf bei Ein- und Zweifamilienhäusern, die im Zeitraum zwischen 1980 und 1994 gebaut wurden, liegt bei ca. 80 W/m². Bei Häusern, die vor 1980 gebaut und noch keine zusätzliche Wärmedämmmaßnahmen vorgenommen wurden, liegt er bei 100 W/m² bis 120 W/m². Bei bestehenden Anlagen ist der Ist-Zustand der Anlage zu berücksichtigen.

1.1.2 Bestimmung der benötigten Vorlauftemperatur

Bei den meisten Öl- und Gaskesselanlagen ist der Kesselthermostat auf eine Temperatur von 70 °C bis 75 °C eingestellt. Diese hohe Temperatur wird in der Regel nur für die Warmwasserbereitung benötigt. Nachgeschaltete Regelsysteme des Heizsystems wie Misch- und Thermostatventile verhindern ein Überheizen des Gebäudes. Wird nachträglich eine Wärmepumpe eingebaut, muss zwingend die tatsächlich benötigte Vorlauf- und Rücklauftemperatur ermittelt werden, um die richtigen Sanierungsmaßnahmen bestimmen zu können.
Dafür gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten:

• Wärmebedarfsberechnung und Wärmebedarf jedes Raumes sind bekannt.
  In den Heizleistungstabellen der Heizkörper ist die Leistung in Abhängigkeit von Vor- und Rücklauftemperatur angegeben (siehe Tab. 1.2). Der Raum, für den die höchste Temperatur benötigt wird, ist dann für die maximale Vorlauftemperatur in der Heizzentrale maßgebend.

Tab. 1.2: Wärmeleistung von Radiatorengliedern (bei Raumlufttemperatur t_i=20 °C, nach DIN 4703)

• Experimentelle Ermittlung in der Heizperiode (siehe Abb. 1.1)
  Während der Heizperiode werden die Vor- und Rücklauftemperatur bei vollständig geöffneten Thermostatventilen so lange abgesenkt, bis sich eine Raumtemperatur von ca. 20–22 °C einstellt. Ist die gewünschte Raumtemperatur erreicht, wird die aktuelle Vor- und Rücklauftemperatur sowie die Außentemperatur notiert und in das unten abgebildete Diagramm eingetragen. Unter Zuhilfenahme des Diagramms kann aus dem eingetragenen Wert das tatsächlich benötigte Temperaturniveau (Nieder-, Mittel-, Hochtemperatur) abgelesen werden.

Abb. 1.1: Diagramm zur experimentellen Ermittlung der tatsächlich benötigten Systemtemperaturen

1.1.3 Welche Sanierungsmaßnahmen müssen für einen energiesparenden Wärmepumpenbetrieb ergriffen werden?

Niedertemperatur
Vorlauftemperatur für alle Räume max. 55 °C
Liegt die benötigte Vorlauftemperatur unter 55 °C sind keine zusätzlichen Maßnahmen erforderlich. Es kann jede Niedertemperatur-Wärmepumpe für Vorlauftemperaturen bis 55 °C eingesetzt werden.

Mitteltemperatur
Vorlauftemperatur in einigen Räumen über 55 °C
Liegt die benötigte Vorlauftemperatur nur in einigen Räumen über 55 °C, sollten Maßnahmen ergriffen werden, um die benötigte Vorlauftemperatur zu reduzieren. Hierfür werden nur die Heizkörper in den betroffenen Räumen ausgetauscht, um den Einsatz einer Niedertemperatur-Wärmepumpe zu ermöglichen.

Mitteltemperatur
Vorlauftemperaturen in fast allen Räumen zwischen 55 °C und 65 °C
Werden in fast allen Räumen Temperaturen zwischen 55 °C und 65 °C benötigt, müssen die Heizkörper in fast allen Räumen ausgetauscht werden oder man entscheidet sich für den Einsatz einer Mitteltemperatur-Wärmepumpe..

Hochtemperatur
Vorlauftemperaturen in fast allen Räumen zwischen 65 °C und 75 °C Sind Vorlauftemperaturen von 65 °C bis 75 °C erforderlich, muss das gesamte Heizungssystem umgestellt bzw. angepasst werden. Ist diese Umstellung nicht möglich oder nicht gewollt, muss eine Hochtemperatur-Wärmepumpe eingesetzt werden.

Eine Verringerung des Wärmebedarfs durch

• Austausch von Fenstern

• Reduzierung der Lüftungsverluste

• Dämmung von Geschossdecken, Dachstühlen oder Fassaden

bringt bei der Heizungssanierung mit einer Wärmepumpe eine Einsparung auf vier verschiedenen Wegen.

• Durch das Verringern des Wärmebedarfs kann eine kleinere und damit günstigere Wärmepumpe eingebaut werden.

• Ein geringerer Wärmebedarf führt zu einer Verringerung des Jahresheizenergiebedarfs, der durch die Wärmepumpe geliefert werden muss.

• Der geringere Wärmebedarf kann mit niedrigeren Vorlauftemperaturen gedeckt werden und verbessert somit die Jahresarbeitszahl.

• Eine bessere Wärmedämmung führt zu einer Erhöhung der mittleren Oberflächentemperaturen der raumumschließenden Flächen. Dadurch wird bei niedrigeren Raumlufttemperaturen die gleiche Behaglichkeit erreicht.

Beispiel:

Ein Wohnhaus mit einem Wärmebedarf von 20 kW und einem Jahresheizenergiebedarf von ca. 40.000 kWh wird mit einer Warmwasserheizung mit Vorlauftemperaturen von 65 °C (Rücklauf 50 °C) beheizt. Durch nachträgliche Wärmedämmmaßnahmen wird der Wärmebedarf um 25% auf 15 kW und der Jahresheizenergiebedarf auf 30.000 kWh gesenkt. Dadurch kann die durchschnittliche Vorlauftemperatur um ca. 10 K gesenkt werden, was den Energieverbrauch um weitere 20–25% senkt. Die gesamte Energiekosteneinsparung beträgt bei einer Wärmepumpen-Heizungsanlage dann ca. 44 %.

1.1.4 Auswahl der Wärmequelle (Sanierung)

Im Sanierungsmarkt bei bestehenden Häusern und angelegten Gärten ist es nur selten möglich, einen Erdwärmekollektor, eine Erdwärmesonde oder Brunnenanlage zu errichten. Meistens bleibt als einzige mögliche Wärmequelle die Außenluft. Luft als Wärmequelle steht überall zur Verfügung und kann ohne Genehmigung immer genutzt werden. Die zu erwartenden Jahresarbeitszahlen sind geringer als bei Wasser- und Erdreichanlagen, dafür ist der Aufwand für die Erschließung der Wärmequellenanlage niedriger. Wie die Wärmequellenanlage bei Sole- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen dimensioniert werden, entnehmen Sie bitte den entsprechenden Kapiteln.

1.2 Wärmepumpen für neu zu errichtende Anlagen

1.2.1 Ermittlung des Gebäude-Wärmebedarfs

Die genaue Berechnung des maximalen stündlichen Wärmebedarfs erfolgt nach landespezifischen Normen. Eine überschlägige Ermittlung des Wärmebedarfs ist über die zu beheizende Wohnfläche A (m²) möglich:

Wärmebedarf [kW] = beheizte Fläche [m²] * spez. Wärmebedarf [kW/m²]

Tab. 1.3: Überschlägige spezifische Wärmebedarfswerte für Einfamilienhaus

1.2.2 Auslegung der Vorlauftemperaturen

Bei der Auslegung des Wärmeverteilsystems von Wärmepumpenheizungsanlagen ist darauf zu achten, dass der benötigte Wärmebedarf bei möglichst niedrigen Vorlauftemperaturen übertragen wird, da jedes Grad Temperaturabsenkung bei der Vorlauftemperatur eine Einsparung im Energieverbrauch von ca. 2,5 % bringt. Ideal sind großflächige Heizflächen wie z.B. Fußbodenheizungen. Generell sollte die benötigte Vorlauftemperatur max. 55 °C betragen, um den Einsatz von Niedertemperatur-Wärmepumpen zu ermöglichen. Sind höhere Vorlauftemperaturen notwendig, müssen Mittel- bzw. Hochtemperatur-Wärmepumpen eingesetzt werden (Kap. 1.1.3). Um Gebäude mit einer möglichst niedrigen Vorlauftemperatur (Niedertemperaturheizsystem) und dadurch energieeffizient zu beheizen muss der Verbraucherkreis auf diese Systemtemperaturen ausgelegt sein. Für den Betrieb mit niedrigen Vorlauftemperaturen sind beispielsweise folgende Wärmesenken geeignet:

• Fußbodenheizung

• Gebläsekonvektoren

• Deckenstrahlplatten

• Lüftungsregister (mit großer Wärmetauscherfläche)

• Betonkernaktivierung

Bevorzugt wird eine witterungsgeführte Einstellung der Regelung, um unnötig hohe Heizwassertemperaturen während des Teillastbetriebes der Wärmepumpe zu vermeiden. Durch Absenkung der Vorlauftemperatur bei steigender Außentemperatur wird hierdurch eine Steigerung der Energieeffizienz erzielt. Die ebenfalls mögliche Festwert-Regelung der Wärmepumpe sollte bei Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Sondenanlage eingestellt werden, da hier ein ganzjährig gleiches Temperaturniveau der Wärmequelle vorliegt.

1.2.3 Auswahl der Wärmequelle

Die Entscheidung, ob die Wärmequelle Luft, Sole (Erdwärmekollektor, Erdwärmesonde) oder Wasser (Brunnenanlage) eingesetzt wird, sollte in Abhängigkeit der folgenden Einflussgrößen erfolgen.

• Investitionskosten Neben den Kosten für die Wärmepumpe und der Wärmenutzungsanlage werden die Investitionskosten entscheidend von den Erschließungskosten der Wärmequelle beeinflusst.

• Betriebskosten Die zu erwartenden Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpen-Heizungsanlage haben entscheidenden Einfluss auf die Betriebskosten. Diese werden in erster Linie durch den Wärmepumpentyp, die durchschnittliche Wärmequellentemperatur und die benötigten Heizungs-Vorlauftemperaturen beeinflusst.

1.3 Zusätzlicher Leistungsbedarf

1.3.1 Sperrzeiten der EVU

Die meisten Energieversorgungsunternehmen (EVU) bieten für Wärmepumpen ein Sonderabkommen mit einem günstigeren Strompreis an. Dafür muss nach der Bundestarifverordnung das EVU in der Lage sein, bei Lastspitzen im Versorgungsnetz, Wärmepumpen abzuschalten und zu sperren. Während der Sperrzeiten steht die Wärmepumpenanlage zur Wärmeerzeugung des Hauses nicht zur Verfügung. Deshalb ist in den Wärmepumpen-Freigabezeiten Energie nachzuschieben, was zur Folge hat, dass die Wärmepumpe oder der zweite Wärmeerzeuger entsprechend größer zu dimensionieren ist.

Dimensionierung Die errechneten Wärmebedarfswerte für die Heizungs- und Warmwasserbereitung sind zu addieren. Bei monovalenten Betrieb ohne Soll auf die Zuschaltung eines einen zusätzlichen 2. Wärmeerzeugers während der Sperrzeit verzichtet werden, muss die Summe der Wärmebedarfswerte mit dem Dimensionierungsfaktor f multipliziert und die Wärmepumpe entsprechend größer ausgelegt werden. Bei monoenergetischen bzw. bivalenten Anlagen kann auch der zweite Wärmeerzeuger die zusätzlich benötigte Leistung zur Verfügung stellen.

Berechnungsgrundlage:

Tab. 1.4: Dimensionierungsfaktor f zur Berücksichtigung von Sperrzeiten

Aufgrund der Vielzahl an Netzbetreibern wird die EVU-Sperre sehr unterschiedlich eingesetzt. Die Bandbreite geht von täglich fest definierten Sperren bis zu sporadischen, lastabhängigen Sperren, die nur bei Lastspitzen im Netz sporadisch eingesetzt werden.

Im Allgemeinen genügt bei massiv gebauten Häusern, insbesondere bei Fußbodenheizung, das vorhandene Wärmespeichervermögen, um auch die maximale Sperrzeitdauer von zwei Stunden mit nur geringer Komforteinbuße zu überbrücken, so dass auf die Zuschaltung des zweiten Wärmeerzeugers (z.B. Heizkessel) während der Sperrzeit verzichtet werden kann. Die Leistungserhöhung der Wärmepumpe oder des zweiten Wärmeerzeugers ist jedoch wegen der erforderlichen Wiederaufheizung der Speichermassen erforderlich.

1.3.2 Warmwasserbereitung

Der Warmwasserbedarf in Gebäuden ist stark vom Nutzungsverhalten abhängig.

Überschlägig kann bei normalen Komfortansprüchen ein täglicher mittlerer Warmwasserbedarf von 1,45 kWh pro Person ange­setzt werden. Bei einer Bevorratungstemperatur von 60 °C entspricht das einer Wassermenge von 25 l pro Person. In diesem Falle ist eine zusätzliche Heizleistung der Wärmepumpe von 0,2 kW pro Person für das Warmwasser zu berücksichtigen.

Vereinfachtes Verfahren

Im Ein- und Zweifamilienhausbereich mit sanitärer Standardausstattung können die erforderliche Speichergröße und die benötigte Heizleistung mit Hilfe eines vereinfachten Verfahrens ermittelt werden.

Für die Speicherauslegung bis ca. 10 Personen wird dieser Wert verdoppelt – somit erhält man das erforderliche Mindestspeicher­volumen. Dieses Mindestvolumen wird auf die tatsächliche Bevorratungstemperatur umgerechnet.

Erfolgt die Warmwasserbereitung im Auslegungspunkt der Wärmepumpe mittels einer Flanschheizung, ist es nicht notwendig den zusätzlichen Energiebedarf zur Warmwasserbereitung zum Heizwärmebedarf zu addieren.

Zirkulationsleitungen
Zirkulationsleitungen erhöhen anlagenseitig den Wärmebedarf für die Warmwassererwärmung. Der Mehrbedarf ist abhängig von der Zirkulationsleitungslänge und der Güte der Leitungsisolierung und ist entsprechend zu berücksichtigen. Kann aufgrund langer Leitungswege auf eine Zirkulation nicht verzichtet werden, sollte eine Zirkulationspumpe eingesetzt werden, die sich durch einen Durchflusssensor bei Bedarf aktiviert. Der Wärmebedarf für die Zirkulationsleitung kann erheblich sein.

Der flächenbezogene Wärmeverlust der Trinkwasserverteilung hängt von der Nutzfläche und Art und Lage der verwendeten Zirkulation ab. Bei einer Nutzfläche von 100 bis 150 m² und einer Verteilung innerhalb der thermischen Hülle ergeben sich flächenbezogene Wärmeverluste gemäß EnEV von:

n (mit Zirkulation) = 9,8 [kWh/m²a]

n (ohne Zirkulation) = 4,2 [kWh/m²a]

1.3.3 Schwimmbeckenwasser-Erwärmung

Freibad Der Wärmebedarf für eine Schwimmbeckenwasser-Erwärmung im Freibad hängt stark von den Nutzungsgewohnheiten ab. Er kann größenordnungsmäßig dem Wärmebedarf eines Wohnhauses entsprechen und ist in solchen Fällen gesondert zu berechnen. Erfolgt jedoch nur eine gelegentliche Aufheizung im Sommer (heizfreie Zeit), braucht der Wärmebedarf unter Umständen nicht berücksichtigt zu werden. Die überschlägige Ermittlung des Wärmebedarfs ist abhängig von der Windlage des Beckens, der Beckentemperatur, den klimatischen Bedingungen, der Nutzungsperiode und ob eine Abdeckung der Beckenoberfläche vorliegt.

_{1 Verminderte Werte für Becken mit Abdeckung gelten nur bei privaten Schwimmbädern bei einer Nutzung von bis zu 2h pro Tag}

Tab. 1.5: Anhaltswerte für den Wärmebedarf von Freibädern bei einer Nutzung von Mai bis September

Für die Erstaufheizung des Beckens auf eine Temperatur von über 20 °C ist eine Wärmemenge von ca. 12 kWh/m³ Beckeninhalt erforderlich. Je nach Beckengröße und installierter Heizleistung sind damit Aufheizzeiten von ein bis drei Tage erforderlich.

Hallenbad

• Raumheizung
  Die Raumheizung erfolgt im Allgemeinen über eine Radiatoren- oder Fußbodenheizung und/oder ein Heizungsregister in der Entfeuchtungs-/Belüftungsanlage. In beiden Fällen ist eine Wärmebedarfsberechnung – je nach technischer Lösung – notwendig.

• Schwimmbeckenwasser-Erwärmung
  Der Wärmebedarf hängt von der Beckenwassertemperatur, der Temperaturdifferenz zwischen Beckenwasser und Raumtemperatur sowie der Nutzung des Schwimmbades ab.

Tab. 1.6: Anhaltswerte für den Wärmebedarf von Hallenbädern

Bei privaten Schwimmbädern mit einer Abdeckung des Beckens und einer Nutzung von max. 2 Stunden pro Tag können diese Leistungen um bis zu 50% verringert werden.

1.3.4 Festlegung der Wärmepumpen-Leistung

1.3.4.1 Wärmepumpe mit einer Leistungsstufe (Fix-Speed)

Fix-Speed Wärmepumpen werden durch Ein- und Ausschalten des Verdichters geregelt. Der Kältekreis inkl. der Wärmeübertragerflächen ist für die volle Leistung des Verdichters optimiert. Betriebsvorteile zeigen sich insbesondere in Anlagen die einen hohen Wärmebedarf bei ca. 2°C aufweisen z.B. in bivalenten Anlagen oder Anlagen mit hohen Speichermassen z.B. offene Fußbodenheizsysteme, da der Verdichter auch bei hohem Wärmebedarf mit maximaler Effizienz betrieben wird.

Eine Überdimensionierung führt in Verbindung mit fehlenden Speichermassen zu kurzen Laufzeiten, die Maschine taktet. Dieses Verhalten tritt verstärkt in der Übergangszeit auf.

_{Heizleistung in kW}

_{Außentemperatur in °C}

_{- Heizleistungskennlinie}

_{- Fixed-Speed Kennlinie}

Abb. 1.2: Heizleistungskurve Wärmepumpe mit einer Leistungsstufe (Fixed-Speed)

1.3.4.2 Leistungsgeregelte Wärmepumpen mit zwei Leistungsstufen (stufige Regelung)

Stufig geregelte Wärmepumpen werden durch das Ein- und Ausschalten von zwei Verdichtern geregelt. Der Kältekreis inkl. der Wärmeübertragerflächen ist für den Betrieb mit einem Verdichter optimiert, da mit einem Verdichter oft über 80% der Jahresheizarbeit abgedeckt werden können. Bei niedrigen Außentemperaturen steht durch das Zuschalten des zweiten Verdichters zusätzliche Leistung zur Verfügung. Bei höheren Außentemperaturen steht nur die Leistung eines Verdichters zur Verfügung.

Eine Überdimensionierung (z.B. monovalente Auslegung) ist unkritischer, da sich dadurch einfach der Anteil des effizienteren Ein-Verdichterbetriebes erhöht. Idealerweise deckt die Wärmepumpe den Wärmebedarf des Gebäudes bei einer Außentemperatur von ca. 2°C mit der Leistung eines Verdichters ab. In bivalenten Anlagen sollte der Bivalenzpunkt unter 0°C liegen.

_{Heizleistung in kW}

_{Außentemperatur in °C}

_{- Heizleistungskennlinie}

_{- Leistungsstufe 1 (2-stufig)}

_{- Leistungsstufe 2 (2-stufig)}

Abb. 1.3: Heizleistungskurven Wärmepumpen mit zwei Leistungsstufen (stufige Regelung)

1.3.4.3 Leistungsgeregelte Wärmepumpen mit Inverter

Bei stufenlos geregelten Inverter-Wärmepumpen wird die Leistung des Verdichters über die Frequenz geregelt. Der Kältekreis inkl. der Wärmeübertragerflächen ist für den Teillast-Betrieb optimiert mit dem Ziel eine hohe Jahresarbeitszahl zu erreichen. Idealerweise ist die Anlage so dimensioniert, dass der Regelbereich des Inverters ausreicht, um einen Dauerbetrieb der Wärmepumpe zwischen ca. -7°C und +7°C Außentemperatur zu ermöglichen. Erst bei niedrigeren Außentemperaturen ist eine Unterstützung der Wärmepumpe durch einen zweiten Wärmeerzeuger erforderlich. Bei höheren Außentemperaturen, außerhalb des Regelbereiches, erfolgt die Regelung über die Abschaltung des Verdichters (analog Fix-Speed).

Eine Überdimensionierung führt dazu, dass der Inverter verstärkt außerhalb seines Regelbereiches betrieben wird, was wiederum zu einer erhöhten Taktung und somit zu einem Regelverhalten ähnlich einer Fix-Speed Wärmepumpe, Regelung durch Ein- und Ausschaltung, führt.

_{Heizleistung in kW}

_{Außentemperatur in °C}

_{- Heizleistungskennlinie}

_{- Leistungskurve minimal (variabel)}

_{- Leistungskurve maximal (variabel)}

Abb. 1.4: Heizleistungskurven leistungsgeregelte Wärmepumpen mit Inverter

1.3.4.4 Luft/Wasser-Wärmepumpe (monoenergetischer Betrieb)

Luft/Wasser-Wärmepumpen werden überwiegend als monoenergetische Anlagen betrieben. Die Wärmepumpe sollte dabei je nach Klimazone den Wärmebedarf von –2 °C bis ca. -5 °C Außentemperatur (Bivalenzpunkt) vollständig decken. Bei tiefen Temperaturen und hohem Wärmebedarf wird bedarfsabhängig ein elektrisch betriebener Wärmeerzeuger zugeschaltet. Die Dimensionierung der Wärmepumpenleistung beeinflusst insbesondere bei monoenergetischen Anlagen die Höhe der Investitionen und die Höhe der jährlich anfallenden Heizkosten. Je höher die Leistung der Wärmepumpe, desto höher sind die Investitionen der Wärmepumpe und desto niedriger sind die jährlich anfallenden Heizkosten. Erfahrungsgemäß ist eine Wärmepumpenleistung anzustreben, die bei einer Grenztemperatur (bzw. Bivalenzpunkt) von ca. -5 °C die Heizkennlinie schneidet. Bei dieser Auslegung ergibt sich gemäß VDI 4650 DIN 4701 T10 bei einer bivalent-parallel betriebenen Anlage ein Anteil des 2. Wärmeerzeugers (z.B. Heizstab) von 2%. Die folgende Abb. 1.5 zeigt beispielsweise die Jahresdauerkennlinie der Außentemperatur in Essen. Danach ergeben sich weniger als 10 Tage im Jahr mit einer Außentemperatur von unter -5 °C.

• Eine monovalente Auslegung von Luft/Wasser-Wärmepumpen ist zulässig

• Die Anlage sollte hydraulisch so optimiert werden, dass es nicht zu einem permanenten Taktbetrieb kommt (Pufferspeichergröße, hydraulischer Abgleich, Heizkurveneinstellung,…)

• Eine Überdimensionierung aus Sicherheitsgründen bzw. aufgrund von EVU-Sperren sollte vermieden werden

Bei einer monovalent ausgelegten Wärmepumpe ist darauf zu achten, dass ausreichende Speichermassen ein Takten der Wärmepumpe verhindern. Dies kann durch ein vergrößertes Puffervolumen oder durch Nutzung der Speichermassen der Fußbodenheizung erfolgen. Dabei ist ein hydraulischer Abgleich und die richtige Einstellung der Heizkurve unabdingbar. Ideal ist die Kombination mit der intelligenten Raumtemperaturregelung, die die Systemtemperatur an den tatsächlichen Wärmebedarf anpasst und so u.a. zu längeren Laufzeiten der Wärmepumpe beiträgt.

Abb. 1.5.: Jahresdauerkennlinie: Anzahl an Tagen, an denen die Außentemperatur unter dem angegebenen Wert liegt

Beispiel zu Tab. 1.7: Bei einem Bivalenzpunkt von 5 °C ergibt sich bei bivalent-paralleler Betriebsweise ein Wärmepumpenanteil von ca. 98%.

Tab. 1.7: Deckungsanteil der Wärmepumpe einer monoenergetischen oder bivalent betriebenen Anlage in Abhängigkeit vom Bivalenzpunkt und der Betriebsweise (Quelle: Tabelle 5.3-4 DIN 4701 T10)

1.3.4.5 Auslegungsbeispiel für eine Luft/Wasser-Wärmepumpe

Die Dimensionierung der Wärmepumpe erfolgt mittels außentemperaturabhängigem Gebäudewärmebedarf (vereinfacht als Gerade) im Heizleistungsdiagramm und den Heizleistungskurven der Wärmepumpen. Hierbei wird der außentemperaturabhängige Gebäudewärmebedarf von der gewählten Raumtemperatur (entsprechende Außentemperatur Punkt 1) auf der Abszisse (x-Achse) zur berechneten Wärmeleistung (Punkt 2) bei Normaußentemperatur nach landespezifischen Normen eingetragen.

Abb. 1.6: Heizleistungskurven von zwei Luft/Wasser-Wärmepumpen unterschiedlicher Heizleistungen für Vorlauftemperaturen von 35 °C und außentemperaturabhängigem Gebäudewärmebedarf

Das Beispiel aus Abb. 1.6 mit einem Gesamt-Wärmebedarf des Hauses von 11,0 kW bei einer Normaußentemperatur von 16 °C und einer gewählten Raumtemperatur von +20 °C veranschaulicht die Vorgehensweise. Das Diagramm zeigt die Heizleistungskurven von zwei Wärmepumpen für eine Heizwasser-Vorlauftemperatur von 35 °C. Die Schnittpunkte (Grenztemperatur bzw. Bivalenzpunkte) aus der Gerade des außen-temperaturabhängigen Gebäudewärmebedarfs und den Heizleistungskurven der Wärmepumpen liegen bei ca. -5 °C für die WP 1 und ca. -9 °C für die WP 2. Für das gewählte Beispiel ist die WP 1 einzusetzen. Damit eine ganzjährige Beheizung erfolgen kann, ist die Differenz zwischen außentemperaturabhängigem Gebäudewärmebedarf und der Heizleistung der Wärmepumpe bei der entsprechenden Lufteintrittstemperatur durch eine elektrische Zusatzheizung auszugleichen.

Auslegung der elektrischen Zusatzheizung:

Beispiel:

Für das gewählte Beispiel ist die WP 1 mit einer elektrischen Leistung der Heizstäbe von 6,0 kW zu dimensionieren.

1.3.4.6 Auslegung von Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen (monovalenter Betrieb)

Abb. 1.7 zeigt die Heizleistungskurven von Sole/Wasser-Wärmepumpen. Auszuwählen ist die Wärmepumpe, deren Heizleistung oberhalb des Schnittpunkts von erforderlichem Gesamtwärmebedarf und der zur Verfügung stehenden Wärmequellentemperatur liegt.

Abb. 1.7: Heizleistungskurven von Sole//Wasser-Wärmepumpen unterschiedlicher Heizleistungen für Vorlauftemperaturen von 35 °C.

Bei einem Gesamt-Wärmebedarf von 13,8 kW und einer minimalen Soletemperatur von 0 °C muss bei einer maximal notwendigen Vorlauftemperatur von 35 °C die Leistungskurve der WP 5 ausgewählt werden. Diese liefert unter den oben genannten Randbedingungen eine Wärmeleistung von 14,5 kW.

1.3.4.7 Auslegung von Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen (monoenergetischer Betrieb)

Monoenergetische Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Wärmepumpenanlagen sind mit einem zweiten, ebenfalls elektrisch betriebenen Wärmeerzeuger, z.B. einem Pufferspeicher mit Elektroheizstab ausgerüstet. Die Planung von monoenergetischen Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Wärmepumpenanlagen sollte nur in Ausnahmefällen erfolgen, wenn aufgrund von Sperrzeiten ein sehr großer Leistungsaufschlag erforderlich ist oder aufgrund des Sortiments eine Wärmepumpe mit wesentlich größerer Leistung im Vergleich zum Gesamtwärmebedarf gewählt werden müsste. Zudem bietet sich der monoenergetische Betrieb für die erste Heizperiode an, wenn die Bauaustrocknung in den Herbst oder Winter fällt.

1.3.4.8 Auslegung von Luft/Wasser-Wärmepumpen (bivalenter Betrieb – Hybrid-Systeme)

Bei einem bivalent-parallelen Betrieb (Altbau und/oder Hybrid-Systeme) unterstützt ein 2. Wärmeerzeuger (fossil: Öl- oder Gaskessel; regenerativ: Pelletofen, Solarthermie) die Wärmepumpe ab dem Bivalenzpunkt. Unterhalb des Bivalenz-Punktes können beide Wärmeerzeuger parallel betrieben werden.

Bei Bestands-Gebäuden mit klassischen (Guss-)Radiatoren als Wärmeverteilsystem sind teilweise Heizungsvorlauftemperaturen von 50 °C und mehr möglich. Ist eine Optimierung des Wärmeverteilsystems nicht möglich empfiehlt sich ein bivalent-alternativer Betrieb von Wärmepumpen und Heizkessel, da gerade Luft/Wasser-Wärmepumpe bei höheren Außentemperaturen deutlich bessere Leistungszahlen aufweisen. Bei niedrigen Außentemperaturen (siehe Bivalenzpunkt) übernimmt der 2.Wärmeerzeuger die Beheizung des Gebäudes.

Abb. 1.8: Deckungsanteil einer Wärmepumpe bei verschiedenen Betriebsarten

Aus dem Diagramm ist beispielhaft der Deckungsanteil einer Wärmepumpe für die Betriebsarten bivalent-parallel und bivalent-alternativ in Abhängigkeit des Gebäudewärmebedarfs für ein Beispielgebäude aufgezeigt.

1.3.4.9 Auslegung von Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen (bivalenter Betrieb)

Bei einem bivalenten Betrieb von Wasser/Wasser- und Sole/Wasser-Wärmepumpen gelten prinzipiell die gleichen Zusammenhänge wie für Luft/Wasser-Wärmepumpen. Je nach System der Wärmequellenanlage müssen die anderen Dimensionierungsfaktoren der Wärmequelle (Entzugsleistung der Wärmepumpe, Vollbenutzungsstunden) berücksichtigt und angepasst werden.

1.3.4.10 Bauaustrocknung/Estrichtrocknung

Beim Hausbau wird je nach Bauweise eine gewisse Menge an Wasser für Mörtel, Putz, Gips und Tapeten eingesetzt, das nur langsam aus dem Baukörper verdunstet. Zudem kann Regen die Feuchte im Baukörper zusätzlich erhöhen. Durch die hohe Feuchtigkeit im gesamten Baukörper ist der Wärmebedarf des Hauses in den ersten beiden Heizperioden erhöht.

Die Bauaustrocknung sollte mit speziellen, bauseitigen Geräten erfolgen. Bei knapp bemessenen Heizleistungen der Wärmepumpe und einer Bauaustrocknung im Herbst oder Winter muss gem. VDI 4645 ein zusätzlicher Elektroheizstab oder ein Ersatzheizgerät  installiert werden. Dies ist insbesondere bei Sole/Wasser-Wärmepumpen zu berücksichtigen, um den erhöhten Wärmebedarf zu kompensieren und die Wärmequelle zu entlasten.

1.3.5 Allgemeine Hinweise zum hydraulischen Anschluss von Wärmepumpen

Heizungsseitiger Anschluss
Der heizungsseitige Anschluss hat durch Fachpersonal zu erfolgen, unter Verwendung der persönlichen Schutzausrüstung. Die jeweiligen Anschlussgrößen und Gewindearten sind den Geräteinformationen der Wärmepumpe zu entnehmen. Beim Anschluss an die Wärmepumpe muss an den Übergängen mit einem Schlüssel gegengehalten werden. Leerrohre sind nach der Montage an der Wärmepumpe zu verschließen.

Bevor die heizwasserseitigen Anschlüsse der Wärmepumpe erfolgen, muss die Heizungsanlage gespült werden, um eventuell vorhandene Verunreinigungen, Reste von Dichtmaterial oder Ähnliches zu entfernen. Ein Ansammeln von Rückständen im Verflüssiger kann zum Totalausfall der Wärmepumpe führen.
Nach erstellter heizungsseitiger Installation ist die Heizungsanlage zu füllen, zu entlüften und abzudrücken.
Beim Füllen der Anlage ist folgendes zu beachten:

• das Füll- und Ergänzungswasser muss Trinkwasserqualität haben (farblos, klar, ohne Ablagerungen)

  und vorfiltriert sein (Porenweite max. 5 μm). Nähere Hinweise siehe Kapitel 8.9 – Steinbildungen…

• weiterhin sind die Montage- und Gebrauchsanweisungen bauseits verwendeter Komponenten (z.B. Pumpen, Ventile, Speicherbehälter…) zu beachten.

1.3.6 Allgemeine Hinweise zum elektrischen Anschluss von Wärmepumpen

1.3.6.1 Leitungsschutzschalter und Fehlerstrom-Schutzschalter (RCD)

Die Größe und der Typ des benötigten Leitungsschutzschalters ist den mitgelieferten Unterlagen (Elektrodokumentation, Geräteinformation, Anleitung) bzw. dem Typenschild der jeweiligen Wärmepumpe zu entnehmen. Der Einsatz eines Leitungsschutzschalters mit einer anderen Auslösecharakteristik oder eines höheren Auslösewertes ist nicht gestattet.

Abhängig von den Einsatzbedingungen und der Installationsumgebung ist der Einsatz eines vorgeschalteten RCD notwendig. Die Informationen und Randbedingungen für den Einsatz eines Fehlerstrom-Schutzschalters sind u. a. den allgemein gültigen VDE-Vorschriften zu entnehmen. Wird ein Fehlerstrom-Schutzschalter verbaut, muss dieser mindestens dem in den Geräteinformationen bzw. der Elektrodokumentation der Wärmepumpe genannten RCD-Typs entsprechen.

1.3.6.2 Leitungsverlegung

Die Umgebungsbedingungen (z.B. Innen- oder Außenmontage, Nasszelle,…) sind ausschlaggebend für eine vorschriftsmäßige Ausführung der Elektroinstallation. Entsprechend dieser Anforderungen ist ein geeigneter Kabeltyp einzusetzen und auf die vorschriftsmäßige Leitungsverlegung zu achten.

1.3.6.3 Auslegung, Projektierung und Installation des Überspannungsschutzes / Blitzschutzes

In Zeiten von Digitalisierung, Wohnkomfort und vernetzter Gebäudetechnik kommt auch dem Blitz- und Überspannungsschutz von Wohngebäuden eine immense Bedeutung zu. In allen neuen Wohngebäuden sowie bei Änderungen und Erweiterungen der Elektroinstallation muss auf den Einsatz von Überspannungs-Schutzmaßnahmen geachtet werden. Die Auslegung, Projektierung und Installation des Überspannungsschutzes / Blitzschutzes obliegt der Verantwortung des Planers bzw. Installateurs.
Die folgenden Normenteile der DIN VDE 0100 regeln dabei:

-443: WANN Überspannungs-Schutzmaßnahmen in Anlagen und Gebäuden vorzusehen sind.

-534: WIE die Auswahl der Ableiter, der Einbau und die Installation in die elektrische Anlage erfolgen soll.

Nach der technischen Interpretation dieser Normen erlaubt sich eine Differenzierung in verpflichtende und empfohlene Maßnahmen zum Überspannungsschutz bei Wohngebäuden.

Verpflichtend sind derzeit Maßnahmen für die ins Wohnhaus eingeführten Stromversorgungsleitungen. Für Internet-, Telefon- und Breitbandkabel-Leitungen kann die DIN VDE 0100-443 keine Überspannungs-Schutzmaßnahmen fordern, sondern nur empfehlen. Ein sicheres und wirksames Überspannungs-Schutzkonzept kann aber nur erreicht werden, wenn Überspannungsableiter für alle eingeführten elektrischen Leitungen und damit auch für Kommunikationsleitungen eingesetzt werden.

Es wird somit für jede dieser Leitungen (Stromversorgung, Telefonleitung und Breitbandkabel) ein Überspannungsableiter am Gebäudeeintritt benötigt. Bei hochwertigen, empfindlichen Endgeräten bzw. bei besonderer Schutzbedürftigkeit des Anlagenteils (z. B. Wärmepumpe) gilt es zu prüfen, ob weitere Überspannungsschutzmaßnahmen benötigt werden. Denn trotz eines bereits am Gebäudeeintritt installierten Überspannungsableiters kann es durch Einkopplungen zu Schäden an Endgeräten oder Anlagenteilen kommen, die aufgrund ihrer Leitungslänge mehr als 10 Meter vom letzten Überspannungsschutzgerät entfernt sind. Durch die Installation von zusätzlichen Überspannungsschutzeinrichtungen wird eine Spannungsbegrenzung entsprechend der Isolationsfestigkeit der elektrischen bzw. elektronischen Geräte sichergestellt und Schäden an empfindlichen Geräten vermieden.

Auch der Aspekt der Leitungslänge findet sich in der DIN VDE 0100-534 wieder. Die Norm spricht hier vom sogenannten „Wirksamen Schutzbereich von Überspannungs-Schutzeinrichtungen". Dieser wurde – wie auch in anderen Normen – mit 10 Meter angegeben. Das heißt, dass die Wirksamkeit der in der Einspeisung angeordneten Überspannungsschutzeinrichtung nach 10 Meter gegebenenfalls nicht mehr ausreicht.

Es empfiehlt sich daher zu prüfen, ob noch weitere Schutzmaßnahmen erforderlich sind. Diese sind so nahe wie möglich am zu schützendem Gerät (z. B. Wärmepumpe) oder in der letzten vorgeordneten Unterverteilung zu installieren. Ein zusätzlicher Überspannungsschutz wird deshalb für Komponenten einer Wärmepumpe besonders empfohlen, wenn

• die Leitungslänge zu empfindlichen Endgeräten oder Anlagenteilen mehr als 10 Meter beträgt,

• gebäudeüberschreitende Leitungen zu außen liegenden Anlagenkomponenten (z.B. Außeneinheit Wärmepumpe) vorhanden sind,

• Schleifen in der Installation aufgespannt werden (z. B. bei Verlegung Stark-/ Schwachstrom, WLAN-Routern),

• sich weitere oder hohe Gebäude (z. B. Kirchen oder Hochhäuser) in der Nähe befinden.

Stimmen Sie die Maßnahmen nachgelagerter Überspannungsableiter mit dem Eigentümer ab und passen Sie diese an die individuellen Schutzbedürfnisse des Gebäudes bzw. des Eigentümers an. Diese Forderungen/Empfehlungen gelten ausschließlich für Gebäude ohne äußerem Blitzschutzsystem. Ein mögliches Blitz- und Überspannungsschutzkonzept zum Schutz aller Komponenten einer Wärmepumpenanlage wird in Abbildung 1.6 dargestellt.

Abb.: 1.9 Blitz- und Überspannungsschutzkonzept am Beispiel System M / M Flex

Legende zu Abb. 1.9

Zusätzliche Informationen, Datenblätter und Planungsunterlagen zum Thema Blitzschutz finden Sie z.B. unter www.dehn.de.

1.3.6.4 Elektrischer Anschluss von Wärmepumpen (allgemein)

Der Leistungsanschluss der Wärmepumpe erfolgt über ein handelsübliches 5-adriges Kabel. Das Kabel ist bauseits beizustellen und der Leitungsquerschnitt gemäß der Leistungsaufnahme der Wärmepumpe (siehe Anhang Geräteinformation) sowie der einschlägigen VDE- (EN-) und VNB-Vorschriften zu wählen.
In der Leistungsversorgung für die Wärmepumpe ist eine allpolige Abschaltung mit mindestens 3 mm Kontaktöffnungsabstand (z.B. EVU-Sperrschütz, Leistungsschütz), sowie ein 3-poliger Sicherungsautomat, mit gemeinsamer Auslösung aller Außenleiter, vorzusehen (Auslösestrom gemäß Geräteinformation der jeweiligen Wärmepumpe).
Die relevanten Komponenten in der Wärmepumpe enthalten einen internen Überlastschutz.

Beim Anschließen ist das Rechtsdrehfeld der Lasteinspeisung sicherzustellen.

Phasenfolge: L1, L2, L3.

• Die Steuerspannung wird über den Wärmepumpenmanager zugeführt. Hierzu ist eine 3-polige Leitung in Anlehnung zur Elektrodokumentation zu verlegen. Weitere Informationen zur Verdrahtung des Wärmepumpenmanagers finden sie in dessen Gebrauchsanweisung.

• Eine geschirmte Kommunikationsleitung (J-Y(ST)Y ..LG) (bauseits - nicht im Lieferumfang der Wärmepumpe enthalten) verbindet den Wärmepumpenmanager mit dem in der Wärmepumpe eingebauten WPIO-Regler. Genauere Anweisungen sind der Gebrauchsanweisung des Wärmepumpenmanagers und der Elektrodokumentation zu entnehmen.

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