Die Wärmepumpe ist die „Diva“ unter den Wärmeerzeugern – kein anderer Wärmeerzeuger ist so sensibel beim Thema Effizienz: Jedes Kelvin höhere Heizmitteltemperatur bedeutet bei elektrischen Wärmepumpen einen Mehrverbrauch. Weil die Heizfläche mit der höchsten Heizmitteltemperatur die Effizienz der gesamten Anlage bestimmt, werden in Räumen mit einem erhöhten spezifischen Heizleistungsbedarf, z. B. in Räumen mit mehr als einer Außenfläche oder in Bädern, spezielle Maßnahmen umgesetzt. Erreichen lässt sich dies üblicherweise mit einem sehr engen Verlegeabstand bei einer Fußbodenheizung oder mit einer zusätzlichen Wand- oder Deckenheizung in den betroffenen Räumen. Dadurch wird ein Anheben der Systemtemperatur vermieden.
Regelmäßige Optimierung der Arbeitszahl sinnvoll
Solange keine konkreten Angaben vorliegen, wird als „Daumenwert“ für die Effizienz 2,5 % pro K angenommen. Das bedeutet: Wird die Anlage mit 45 °C statt 35 °C Vorlauftemperatur gefahren, erhöht sich durch diese 10 K die Stromrechnung des Kunden um etwa 25 %.
Neben den Systemtemperaturen hat auch die Hilfsenergie einen großen Einfluss auf die Effizienz des gesamten Wärmepumpensystems. Bild A verdeutlicht besonders die Zusammenhänge bezüglich Auswahl und Einstellung der Wärmepumpe im Hinblick auf den sich verändernden Stromverbrauch.
Die Effizienz und die durch den elektrischen Energieverbrauch verursachten Umwelteinwirkungen und Energiekosten hängen von vielen kältetechnischen, hydraulischen und regelungstechnischen Betriebsparametern ab. Um zu gewährleisten, dass die Effizienz der Wärmepumpenanlage zumindest näherungsweise den berechneten Zielwert nach VDI-Richtlinie 4650 erreicht, sollte die Arbeitszahl nach Inbetriebnahme monatlich und nach einem Jahr zumindest jährlich ermittelt werden. Bei Abweichungen sollte der Anlagenbetreiber eine Fachkraft mit der Optimierung der Anlage beauftragen.
Bild: Prof. Werner Schenk, Hochschule München
Heizwasserpufferspeicher fachgerecht einbinden
Zu den wichtigsten Aufgaben eines technischen Speichers gehört es, eine Mindestlaufzeit des Verdichters von zehn Minuten sowie den Wärmepumpen-Mindestvolumenstrom sicher zu gewährleisten. Zusätzlich dient er bei Luft/Wasser-Wärmepumpen zur Bereitstellung der Abtauenergie, wenn der Verdampfer vereist. Der technische Speicher wird nicht benötigt, falls die Dimensionierung der Wärmepumpen-Heizleistung oder die Leistungsregelung bei Invertermaschinen knapp erfolgt und falls die geplante Heizkurve exakt eingestellt wird, weil hierdurch der Volumenstrom durch die Heizflächen hoch ausfällt.
Im Bedarfsfall wird der technische Speicher entweder in Reihe oder parallel ins Heizsystem eingebunden. Beim Parallelpuffer (Bild B) kommt es zu Mischvorgängen. Abhängig vom Verhältnis des Volumenstroms im Wärmepumpenkreis zum Volumenstrom im variablen Verbraucherkreis wird entweder die Wärme auf einem höheren Temperaturniveau erzeugt, als sie am Verbraucher ankommt. Oder das Temperaturniveau im Rücklauf vom Heizkreis wird durch Mischen im Speicher für die Wärmeerzeugung angehoben. Der große Vorteil des Parallelspeichers ist, dass er den Mindestvolumenstrom durch den Verflüssiger sicher gewährleistet – unabhängig von der Hydraulik der Wärmeverbraucher. Hochdruckstörungen sind nahezu ausgeschlossen.
Der Einsatz eines Reihenspeichers mit Differenzdrucküberströmer (parallel zum Heizkreis) gewährleistet die höchstmögliche Effizienz, sofern die Wärmepumpen-Heizleistung nicht überdimensioniert und die Heizkurve exakt eingestellt ist. Der Heizwasserpufferspeicher wird hydraulisch in Reihe in den Rücklauf geschaltet (Bild C).
Der Differenzdrucküberströmer wird zwischen Heizungsvor- und -rücklauf in eine Bypass-Leitung eingebaut und der Volumenstrom so eingestellt, dass der Mindestvolumenstrom der Wärmepumpe (laut Datenblatt) gewährleistet ist. Im Teillastbetrieb schließen die Heizkreisthermostate bzw. Stellantriebe, wodurch sich der Anlagendruck im Heizkreis erhöht und somit der Volumenstrom sinkt. Sollte der Anlagendruck so stark ansteigen, dass der eingestellte Differenzdruck überschritten wird, öffnet das Überströmventil und ein Teil des Heizwassers fließt zusätzlich über den Bypass. Wichtig ist somit, den Differenzdrucküberströmer fachgerecht einzustellen und die Umwälzpumpe mit Konstantdrehzahl zu betreiben.
Der Kombispeicher (Bild D) hat den Vorteil, dass bei Kleinanlagen nur eine geringe Aufstellfläche benötigt wird. Allerdings sind erhebliche Mischvorgänge bei allen Betriebsbedingungen vorhanden, die sich sehr effizienzschädigend auswirken. Spezielle Schichtladeeinrichtungen wirken dem entgegen.
Fazit: Die höchsten Jahresarbeitszahlen werden bei an der unteren Leistungsgrenze ausgelegten Wärmepumpen ohne technischen Speicher erreicht. Die Mindestlaufzeit ist durch die Auslegung bei üblichen Betriebsbedingungen abgesichert. Das Heizwasser muss nur auf dem Temperaturniveau erzeugt werden, auf dem es auch verbraucht wird.
Bild: Prof. Werner Schenk, Hochschule München
Bild: Prof. Werner Schenk, Hochschule München
Hydraulische Fehlströmungen unbedingt vermeiden
Während die Wärme für Flächenheizungen auf einem niedrigen Temperaturniveau mit hoher Effizienz erzeugt wird, verringert sich die Effizienz bei der Trinkwarmwasserbereitung aufgrund des benötigten relativ hohen Temperaturniveaus.
Achtung: Sollten Rückschlagventile undicht sein, wird im Heizbetrieb die mit niedriger Effizienz erzeugte Hochtemperaturwärme aus dem Trinkwarmwasserspeicher dem Heizwasser der Fußbodenheizung beigemischt. Da der Trinkwarmwasserfühler dann relativ schnell abkühlt, wird wieder mit niedriger Effizienz erzeugte Hochtemperaturwärme angefordert.
Alternativ zu Pumpen mit Rückschlagventilen kann auch ein Drei-Wege-Umschaltventil eingesetzt werden. Wichtig ist, auch dieses bei der Inbetriebnahme genauestens auf einen Leckagestrom zu untersuchen. Denn jegliche hydraulische Fehlströmung in Wärmepumpenanlagen hat effizienzschädigende Mischvorgänge zur Folge (Bild E).
Erfolgt die Trinkwarmwasserbereitung mit der Wärmepumpenanlage, wird die Beladung entweder mittels Drei-Wege-Umschaltventilen oder mittels Pumpen realisiert. Bei der in Bild F dargestellten Hydraulik mit einem Drei-Wege-Umschaltventil (l.) muss zunächst geklärt werden, ob der Verdichter beim Umschalten von Heizung auf Warmwasserbereitung (und umgekehrt) ununterbrochen betrieben wird.
Falls dies der Fall ist, muss zur Vermeidung von Hochdruckstörungen ein Drei-Wege-Umschaltventil eingesetzt werden, welches beim Umschalten keine Strömungsunterbrechung bewirkt. Weiterhin muss das Drei-Wege-Umschaltventil auch absolut dicht schließen.
Bei der Hydraulik mit Umwälzpumpen (Bild F, r.) ist darauf zu achten, dass die Rückschlagventile dauerhaft dicht sind und die Umwälzpumpen nicht gleichzeitig in Betrieb gehen können.
Bild: Prof. Werner Schenk, Hochschule München
Bild: Prof. Werner Schenk, Hochschule München
Heizungsregelung sorgfältig einstellen und optimieren
Nach der Wärmepumpeninstallation ist ein hydraulischer Abgleich unverzichtbar: mit Blick auf eine hohe (System-)Energieeffizienz, zur Vermeidung von Strömungsgeräuschen in Rohren und Ventilen, um einen hohen Raumwärmekomfort zu erreichen sowie als Voraussetzung für eine BEG-Förderung durch das Bafa und die KfW.
Die Regelungseinstellungen haben ebenfalls einen enormen Einfluss auf die Systemeffizienz und Lebensdauer der Wärmepumpe. Um häufige, verschleißbehaftete und effizienzschädigende Startvorgänge des Verdichters zu vermeiden, wird bei Wärmepumpenanlagen üblicherweise die außentemperaturabhängige Rücklauftemperatur geregelt.
Bei der Einstellung (Parametrierung) der Heizkennlinie wird oftmals irrtümlicherweise die Vorlauftemperatur eingestellt. Hierdurch wird die Wärme auf einem um 5 bis 10 K höheren Temperaturniveau erzeugt, bezogen auf die Temperaturdifferenz zwischen der geplanten Vor- und Rücklauftemperatur. Durch Angstzuschläge kommen meistens noch ein paar Kelvin hinzu, wodurch sich die falsche Einstellung der Heizkennlinie weiter verstärkt.
Das Resultat ist in der Regel eine um mindestens 10 K überhöhte Temperatur beim Heizbetrieb. Um daraus entstehende Effizienzeinbußen zu korrigieren, wird beim Betrieb der Wärmepumpenanlage die Heizkennlinie so weit nach unten optimiert, bis es gerade noch in allen Räumen behaglich warm ist.
Die bei anderen Wärmeerzeugern durchaus vorteilhafte Nachtabsenkung zwecks Energieeinsparung sollte bei Wärmepumpen nicht programmiert werden. Denn nachteilig sind die aufgrund der Wiederaufheizung höhere notwendige Heizwassertemperatur bei der Wärmeerzeugung sowie der Verzicht auf einen günstigeren Nachtstromtarif.
Bild: Prof. Werner Schenk, Hochschule München
Bild: Prof. Werner Schenk, Hochschule München
SBZ-Serie: Grundlagen Wärmepumpe
500.000 installierte Wärmepumpen pro Jahr ab 2024 – auf diese Zielmarke haben sich Hersteller, Verbände und Politik auf dem zweiten Wärmepumpengipfel Ende 2022 geeinigt. Bis dahin ist noch viel zu tun und es werden sich noch viele SHK-Betriebe auf die eigentlich gar nicht so neue Technik einstellen müssen.
In dieser Artikelserie vermitteln die Fachbuchautoren Markus Heigele und Lars Keller dazu neutrale, grundlegende Informationen. Der Fokus liegt hierbei auf Anwendungen im Ein- und Zweifamilienhaus. Häufige Fragen werden geklärt und so eine Brücke für den Einstieg geschlagen. Aber auch wer sich bereits mit der Wärmepumpe beschäftigt, kann sein Wissen auffrischen und die ein oder andere Lücke füllen.
Teil 1: Effizienzzahlen (SBZ 01.23)
Der erste Teil definiert die gängigen Effizienzzahlen wie COP, SCOP, SPF, Jahresarbeitszahl und ErP-Gruppierung und erläutert, welche Einflussfaktoren hier mit reinspielen. Anschaulich wird auf die Effektivität und Effizienz eingegangen.
Teil 2: Photovoltaik und Batteriespeicher (SBZ 02.23)
Im zweiten Teil wird das Zusammenspiel von Photovoltaik, Batteriespeicher und Wärmepumpe näher betrachtet. Was macht die Nutzung von selbst erzeugtem Strom für den Betrieb der Wärmepumpe so attraktiv? Was ist bei der Umsetzung zu beachten und wie erreiche ich einen hohen Eigenverbrauch?
Teil 3: Auslegung gemäß VDI 4645 (SBZ 03.23)
Der dritte Teil widmet sich der korrekten Auswahl einer Wärmepumpe und der zugehörigen Pufferspeicher, da dies die Basis eines effizienten und störungsfreien Betriebs darstellt. Als Grundlage dient hier die VDI 4645. Zudem werden Möglichkeiten zur effizienten Trinkwassererwärmung vorgestellt.
Teil 4: Hydraulik und Regelung (in dieser Ausgabe)
Der vierte Teil wendet sich wieder der Effizienz zu und legt dar, wie hydraulische Schaltungen diese beeinflussen können. Was sind die Effizienzkiller einer Wärmepumpe und in welchen Bestandssystemen ist eine Wärmepumpe die falsche Wahl? Warum sind Wärmepumpen über die Heizkurve und nicht über Thermostate zu regeln und welchen Einfluss hat der Betreiber?
Weitere Infos auf www.sbz-online.de
Neugierig geworden?
Mehr rund um das Thema
Wärmepumpe erfahren Sie in unserem Online-Dossier unter: www.bit.ly/sbz_wp
Autor
Bild: Heigele
