Eine Alternative für größere Objekte

Verschiedene Hersteller haben in den letzten Jahren Großwärmepumpen entwickelt, die sich mittlerweile auch am Markt etabliert haben. Über die Kaskadierbarkeit der Produkte lassen sich zudem sehr hohe Heizleistungen abdecken. Die Planung und Installation einer solchen Anlage ist für den engagierten Installateur mit fundiertem Grundwissen und entsprechender Unterstützung durch den Hersteller kein Problem.

Die Wahl der Wärmequelle wird für Großwärmepumpen allerdings schwieriger. Die Quelle muss entsprechend ergiebig sein und je nach Beschaffenheit dominiert sie entscheidend die Investitionskosten. Darüber hinaus können Nebenantriebe einen hohe Energieverbrauch verursachen sowie ein spezielles Management fordern. Je Kelvin höherer Verdampfungs- bzw. Quellenaustrittstemperatur erhöht sich die Jahresarbeitszahl um 2 bis 2,5 %. Folgendes ist zu den verschiedenen Quellenarten zu bemerken:

Grundwasser

Liegt Grundwasser in ausreichenden Mengen und nutzbarer Qualität vor und wird die Nutzung genehmigt, bietet es ein günstiges Temperaturniveau für gute Jahresarbeitszahlen und eine leistungsstarke, effiziente passive Gebäudekühlung. Die Investitionskosten steigen nicht proportional zur Entnahmeleistung, jedoch fallen im Vorfeld Kosten für Probebohrungen zum Testen der Ergiebigkeit und Qualität an. Großer Wert ist auf die Auslegung der Nebenantriebe zu legen. Optimal ist eine Wasserauskühlung von 3 bis 3,5 K. Der für kleinere Spreizungen notwendige Hilfsenergieaufwand übersteigt den Gewinn an höherer Effizienz.

Ein abgestimmter Teillastbetrieb schont die Quelle und erhöht die Gesamteffizienz. Vor allem in „offenen“ Systemen mit Bohrtiefen größer 10 m sollten mehrere lastabhängige Umwälzpumpen einer drehzahlgeregelten Pumpe vorgezogen werden. Trennwärmetauscher verringern die Effizienz und Heizleistung. Auf der anderen Seite erhöhen sie aber die Betriebssicherheit, schützen das Aggregat und mindern die Wartungskosten. Je nach Wasserqualität und Aggregat kann der Einsatz sinnvoll sein.

Erdreich

Flächenkollektoren sind aufgrund des Platzbedarfes Grenzen gesetzt. Vorteilhafter sind meistens Erdsondenfelder, obwohl auch hier der verfügbare Platz zum begrenzenden Faktor werden kann. Die Erstellungskosten steigen proportional zur Entnahmeleistung und sind maßgebend für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit. Die Kosten pro Meter Erdsonde sinken um bis zu 10 % im Vergleich zu Kleinwärmepumpen.

Trotz hoher Erstellungskosten sind Erdsondenfelder interessant, da Nebenantriebe die Jahresarbeitszahl kaum mindern, ein Wartungsaufwand vernachlässigt werden kann und passive Kühlanwendungen realisierbar sind. Pro Meter Doppelrohr-Erdsonde sollten nicht mehr als 80 bis 100 kWh/Jahr entzogen werden. Monovalente Anlagen können mit typischen Entzugsleistungen pro Meter Sonde überschlägig ausgelegt werden. Besonders Erdsondenfelder mit Entnahmeleistungen oberhalb 30 kW erfordern jedoch numerische Simulationen, das heißt, eine detaillierte Aussage zu möglichen Entzugsleistungen und langfristigen Entwicklungen bei kombinierten Heiz-/Kühlanwendungen. Dieser Response-Test wird in der Regel vom beauftragten Bohrunternehmen erstellt. Die Bohrfirma Geowell, eine Tochtergesellschaft von Stiebel Eltron, führt diesen Test ebenfalls durch.

Weitere Wärmequellen

Die Nutzung von Abwärme ist doppelt interessant. Nutzt eine Heizungswärmepumpe zum Beispiel Abwärme eines geschlossenen Kältekreislaufs, profitiert dieser ebenfalls von der entzogenen Wärmeleistung. Ist Wärme und Kälte für einen definierten Prozess, wie beispielsweise in einer Brauerei, nötig, bieten Heizungswärmepumpen in Kombination mit prozesseigenen Speichermassen die ideale Lösung.

Auch die im Abwasser enthaltene Wärme lässt sich durch Wärmepumpen erschließen. Wirtschaftlich wird die Anwendung sinnvoll, wenn Wohnsiedlungen oder Nahwärmenetze eine Heizlast von mindestens 150 kW erfordern und eine Abwassermenge von 15 l/s zur Verfügung steht. Voraussetzung ist auch die Nähe des Objektes zu einem großen Abwasserkanal oder einer Kläranlage. Für die Übertragung der Wärme aus dem Abwasser werden überwiegend Wärmetauscher in die Sole von Abwasserkanälen eingebracht. Für den Einbau ist ein Leitungsdurchmesser von mindestens 0,8 m erforderlich. An die Form des Kanals werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Um Abwärme aus einem Kanal zu gewinnen, ist das Einverständnis der Betreiber von Kläranlage und Kanalisation erforderlich, da die Abkühlung den Betrieb der Abwasserreinigungsanlage beeinflusst. Mit der Zeit bildet sich ein Biofilm, der eine regelmäßige Reinigung notwendig macht.

Betriebsweisen

Die grundsätzlichen Möglichkeiten, Heizungswärmepumpen zu betreiben, gelten auch für mittlere und große Anlagen. Das System kann bei entsprechender Auslegung monovalent oder bivalent – also mit einem zweiten Wärmeerzeuger – betrieben werden. Erreicht die System-Vorlauftemperatur einen für Wärmepumpen ungeeigneten und unwirtschaftlichen Bereich, schaltet das System den alternativen Erzeuger zu. Verschiedene bivalente Betriebsweisen sind im Bild „Wärmeleistungen abhängig von der Umgebungstemperatur“ dargestellt.

Die Frage, ob ein Kombination zweier Wärmeerzeuger sinnvoll ist, lässt sich nicht pauschal beantworten. Je geringer die Kosten für die Wärmequelle und je höher die zu erwartende Effizienz des Wärmepumpensystems, desto eher rechnet sich die monovalente Betriebsweise. Hohe Heizungsvorlauftemperaturen erfordern und rentieren meist eine Kombination mit Spitzenlastwärmeerzeugern. Das optimale Verhältnis wird vor allem durch die Kosten für den alternativen Erzeuger und die Mehrkosten für die Wärmequellenanlage (Erdreich) bestimmt.

Der Entscheidung für eine Großwärmepumpe geht oft der Wunsch nach einer zentralen Lösung voraus. Folglich ist Wärme über längere, oft auch erdverlegte Distanzen zum Verbraucher zu transportieren. Je Kelvin höherer Vorlauftemperatur sinkt die Jahresarbeitszahl um etwa 1,25 %. Wesentlich ist daher die Reduzierung der Verluste im Verteilsystem und des Hilfsenergieaufwandes für Nebenantriebe. Empfehlungen:

• Nahwärmenetze gleitend betreiben
• Wärmepumpensystem hydraulisch entkoppeln
• Nebenantriebe mit Drehzahlregelung
• Hausübergabestationen (Wärmetauscher) möglichst vermeiden
• Mittlere Strömungsgeschwindigkeit 1,0– 1,5 m/s, Temperaturspreizung 7–10 K
• Kurze Wege, kleine U-Werte

Große Heizleistungen lassen sich über externe Wärmeübertrager an das Trinkwarmwasser übertragen. Kurze Aufheizzeiten und verhältnismäßig hohe Ladetemperaturen garantieren einen hohen Komfort. Dennoch fungieren über ein Wärmepumpensystem geladene Trinkwasserspeicher aus hygienischen Gründen meist als Vorwärmstufe. Nacherwärmer sichern Auslauftemperatur und Legionellenschutz, müssen bei guter Auslegung aber weniger als 5 % des Wärmebedarfs decken.

Konzeptionelle Fehler im Nahwärmenetz verkleinern die Jahresarbeitszahl erheblich. Lange Distanzen und im Sommer temporär geheizte Verteilnetze erzeugen unnötige Verluste. Dezentrale Lösungen sind in einem solchen Fall zu empfehlen.

Gebäudekühlung

Die Möglichkeit, eine Sole-/Wasser oder Wasser-/Wasser-Wärmepumpe für die Gebäudekühlung zu nutzen, ist bekannt. Möglich ist die Kühlung ebenso mit mittleren und großen Wärmepumpenanlagen, wobei sich vor allem passiv kühlende Anlagen günstig erstellen, effizient nutzen und nahezu emissionsfrei betreiben lassen. Im Kühlbetrieb fördern lastabhängig gesteuerte Antriebe den Quellen- und Systemvolumenstrom über einen Wärmeaustauscher. Sekundär lassen sich, besonders für die Bauteilaktivierung, günstige Vorlauftemperaturen von 15 bis 19 °C erzielen. Werden gleichzeitig Teile des Gebäudes beheizt oder wird Warmwasser bereitet, profitiert das Wärmepumpensystem von höheren Quelleneintrittstemperaturen.

Fazit

Sorgfältig geplant, können Heizungswärmepumpen größerer Heizleistung genauso gute Ergebnisse wie Kleinwärmepumpen erzielen, wobei konzeptionelle Entscheidungen des Anlagenplaners die Gesamteffizienz des Systems erheblich beeinflussen. Vollkostenbetrachtungen sind Grundlage für jede Anlage und entscheiden über die Betriebsweise des Systems. Bei Stiebel Eltron zum Beispiel sind die Berechnungen Bestandteil der unterstützenden Unterlagen, die die Planungsabteilung für den Fachpartner erstellt. Besonderes Augenmerk liegt auf den im Vergleich größeren Verlusten durch Nebenantriebe und Wärmeverluste im Verteilsystem.

Wie eine größere Anlage von einem SHK-Handwerksunternehmer umgesetzt werden kann, zeigt unser Projektbeispiel.

Dipl.-Ing. (FH) Frank Röder ist Leiter der Planungsabteilung von Stiebel Eltron, 37603 Holzminden, Telefon (0 55 31) 7 029 56 59, frank.roeder@stiebel-eltron.de, https://www.stiebel-eltron.de/de/home.html