Split-Wärmepumpen für Neu- und Altbauten

Das Split-Gerät ist eine relativ neue Variante der Luft/Wasser-Wärmepumpe. Die Technik ist allerdings sehr gut bekannt und hat sich in Form der Split-Klimageräte weltweit millionenfach bewährt. Die Außen- und eine oder mehrere Inneneinheiten werden getrennt geliefert und über Kältemittelleitungen miteinander verbunden.

In der Außeneinheit der Split-Wärmepumpe sind üblicherweise Verdampfer, Ventilator, Verdichter und Expansionsventil untergebracht, Bild 2. Die Inneneinheit enthält im wesentlichen Verflüssiger, 3-Wege-Umschaltventil, Heizkreispumpe, Ausdehnungsgefäß und die Regelung, Bild 3.

Kostenvorteile durch große Stückzahlen

Bei den Split-Wärmepumpen wurden alle von den Split-Klimageräten abstammenden Komponenten für die Funktion Heizen optimiert. Gegenüber herkömmlichen Wärmepumpen ergeben sich deutliche Kostenvorteile, denn die aus der Klimatechnik stammenden Bauteile werden in großen Stückzahlen hergestellt. So betragen die Gerätepreise für Split-Wärmepumpen zum Teil nicht einmal zwei Drittel üblicher Wärmepumpen vergleichbarer Leistung.

Hinzu kommt, dass die Außenluft als Wärmequelle einfach und ohne nennenswerten Aufwand erschlossen werden kann. Es sind weder kostenintensive Erdarbeiten erforderlich, noch müssen Zu- und Abluftkanäle verlegt werden. Lediglich zwei Kältemittelleitungen und der elektrische Anschluss der Außeneinheit sind in das Gebäude zu führen.

Die geteilte Bauweise der Split-Wärmepumpen bietet aber noch weitere Vorteile:

• Die Inneneinheit ist sehr kompakt und hat etwa die Abmessungen von Gas-Wandgeräten. Sie lässt sich einfach einbringen, beansprucht wenig Platz und kann auch in engen Nischen untergebracht werden.
• Da bis auf Heizkreispumpe und Drei-Wege-Ventil alle mechanisch arbeitenden Komponenten in der Außeneinheit untergebracht sind, arbeitet die Inneneinheit sehr geräuscharm. Dadurch ist in der Regel eine problemlose Installation auch in der Nähe von Wohnräumen möglich.

Leistungszahlen bis 4,6 sind möglich

Um eine Split-Wärmepumpe auf dem Markt anbieten zu können, mit der sich gute Jahresarbeitszahlen erzielen lassen, hat Viessmann als erster europäischer Hersteller ein solches Gerät selbst entwickelt. Die neue Vitocal 200-S mit Heizleistungen von 3 bis 10,6 kW erreicht einen COP nach EN 14511 bis 4,6 (A7/W35) bzw. bis 3,5 (A2/W35). Die Zahlenangaben in den Klammern stehen für Außentemperaturen von 2 und 7 °C und für Vorlauftemperaturen von 35°C. Die guten COP-Werte sowie die Tatsache, dass sich die Außenlufttemperaturen in unseren Breiten während der Heizperiode die meiste Zeit deutlich über Null bewegen, ermöglichen hohe Jahresarbeitszahlen.

Für die hohe Effizienz der Split-Wärmepumpe sorgt der invertergesteuerte Rollkolbenverdichter. Durch elektronisches Verändern der Wechselstrom-Frequenz wird der Verdichter stufenlos genau an die jeweils benötigte Leistung angepasst. Die Invertertechnik ermöglicht so gegenüber Verdichtern, die mit konstanten Drehzahlen arbeiten, einen besonders effizienten Betrieb, auch bei Teillast.

Exaktes Regelverhalten durch elektronische Expansionsventile

Eine weitere Effizienzsteigerung gegenüber herkömmlichen Split-Wärmepumpen wurde durch den Einsatz eines elektronischen Expansionsventils im Kältekreis erreicht. Bereits seit einigen Jahren verfügt eine Reihe von besonders effizienten Wärmepumpen des Viessmann-Programms über elektronische Expansionsventile. Sie haben sich hinsichtlich Zuverlässigkeit und exaktem Regelverhalten bewährt. Angetrieben von einem Schrittmotor regeln die Ventile den Massenstrom des Kältemittels proportional und haben sehr kurze Öffnungs- und Schließzeiten. Das daraus resultierende Regelverhalten sorgt für eine konstante Temperatur am Verdampferaustritt, bzw. für eine gleichbleibende Überhitzung des Kältemittels, unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand der Wärmepumpe, Bild 4. So kann der Verdichter stets mit höchstem Wirkungsgrad betrieben werden, was hohe Leistungszahlen in allen Betriebszuständen sicherstellt.

Die maximale Vorlauftemperatur der Wärmepumpe beträgt 55 °C bei einer Außentemperatur von minus 15 °C. Optional ist das Gerät in einer Ausführung für den reversiblen Betrieb erhältlich, so dass es an heißen Sommertagen auch zur Kühlung der Wohnräume eingesetzt werden kann. Die Kühlleistungen gehen von 3,2 bis 9,1 kW bei A35/W7. So ergibt sich ein doppelter Nutzen ohne hohe Zusatzkosten. Voraussetzung ist lediglich, dass die zu kühlenden Räume über eine Fußbodenheizung oder über Gebläsekonvektoren verfügen.

Für den Nachtbetrieb wird zur Geräuschreduktion die Ventilatordrehzahl automatisch reduziert.

Dimensionierung der Wärmepumpenanlage

In Neubauten und sanierten Bestandsgebäuden, die aufgrund ihrer Wärmedämmung dem Niedrigenergiehaus-Standard entsprechen und deren Heizungsanlagen niedrige Systemtemperaturen erfordern, können Split-Wärmepumpen als alleinige Wärmeerzeuger die gesamte Heizlast des Gebäudes decken. In diesen Fällen muss die Leistung der Wärmepumpe entsprechend des tatsächlichen Wärmebedarfs gewählt werden.

Um den tatsächlichen Wärmebedarf eines Gebäudes zu bestimmen, ist die Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 das exakteste Verfahren. Die damit ermittelte Norm-Gebäudeheizlast ist die maximale Leistung des Heizsystems, die benötigt wird, um bei den niedrigsten angenommenen Außentemperaturen die geforderten Innentemperaturen zu erreichen.

Für das Kundengespräch und die Angebotserstellung genügt es in der Regel, die Heizlast des Gebäudes und die erforderliche Wärmeleistung der Wärmepumpe überschlägig zu ermitteln. Dazu kann zum Beispiel die beheizte Gebäudefläche in m² mit dem auf Erfahrungswerten beruhenden spezifischen Leistungs­bedarf multipliziert werden, wie es in der Tabelle in Bild 5 aufgelistet ist. Diese überschlägige Leistungsermittlung ersetzt allerdings kein exaktes Berechnungsverfahren. Im Einzelfall können die Ergebnisse von der tatsächlich benötigten Leistung deutlich abweichen.

Konkrete Zahlen hierzu sind im Infokasten „Auslegungsbeispiel“ dargestellt.

Zuschlag für die Trinkwasser­erwärmung

Für den üblichen Wohnhausbau wird von einem maximalen Warmwasserbedarf von etwa 50 l pro Person und Tag mit 45 °C ausgegangen. Dies entspricht einer zusätzlichen Heizlast von etwa 0,25 kW pro Person bei 8 Stunden Aufheizzeit für den Speicher-Wassererwärmer. Diese Zuschlag wird jedoch nur berücksichtigt, wenn die Summe der zusätzlichen Heizlast größer als 20 % der nach DIN EN 12831 berechneten Gebäude-Heizlast ist. Die Tabelle in Bild 7 listet Zahlenbeispiele auf.

Bivalente Anlagen im Gebäudebestand

Die attraktiven Anschaffungskosten sowie die vielfältigen Aufstellmöglichkeiten haben dazu geführt, dass Split-Wärmepumpen zunehmend auch bei der Modernisierung zum Einsatz kommen. Wegen der beschriebenen Leistungscharakteristik, die bei tiefen Außentemperaturen sinkende Heizleistungen zur Folge hat, werden Luft/Wasser-Wärmepumpen im Gebäudebestand oft mit dem vorhandenen Heizkessel kombiniert. Bild 8 zeigt eine Anlagenskizze.

In solchen bivalenten Anlagen beträgt der Deckungsanteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit häufig 75 bis 90 %. Entsprechend groß sind die erzielbaren Brennstoff-Einsparungen gegenüber dem ausschließ­lichen Betrieb des Öl- oder Gas-Heizkessels. Darüber hinaus verringern die Betreiber bivalenter Anlagen erheblich ihre Abhängigkeit von den fossilen Brennstoffen, erhalten durch die Nutzung von zwei Energieträgern eine besonders hohe Versorgungssicherheit und verlängern die Nutzungsdauer des Heizkessels.

Bei der Dimensionierung der Wärmepumpe für eine bivalente Heizungsanlage ist zu beachten, dass der vorhandene Gas- oder Öl-Heizkessel üblicherweise für die gesamte erforderliche Heizlast ausgelegt wurde. Damit können der Heizkessel als Spitzenlastkessel verwendet und die Heizleistung der Wärmepumpe geringer gewählt werden, als die maximale Gebäude-Heizlast es bei monovalentem Betrieb erfordern würde.

Verschiedene bivalente Betriebsweisen sind möglich

Bei der bivalent-alternativen Betriebsweise übernimmt die Wärmepumpe bis zu einer bestimmten Außentemperatur, dem Bivalenzpunkt, die in Abhängigkeit der Heizkennlinie des vorhandenen Heizungssystems einer bestimmten Vorlauftemperatur entspricht, alleine die Beheizung des Gebäudes. Eine Split-Wärmepumpe wie die Vitocal 200-S erreicht Vorlauftemperaturen bis 55 °C. Erst wenn aufgrund weiter sinkender Außentemperaturen eine höhere Vorlauftemperatur gefordert ist, schaltet die Wärmepumpe ab und der Heizkessel übernimmt die Wärmeversorgung. Die Festlegung der im konkreten Einzelfall sinnvollen Wärmepumpen-Größe erfolgt deshalb – wie bereits beim monoenergetischen Betrieb erläutert – anhand der Leistungsdiagramme und in Abhängigkeit von der Heizkennlinie. Der Bivalenzpunkt wird dabei häufig zwischen 0 und etwa minus 10 °C gewählt.

Bei der bivalent-parallelen Betriebsweise wird die Wärmepumpe unterhalb der Bivalenztemperatur durch den Heizkessel ergänzt, beide Wärmeerzeuger sind dann gleichzeitig in Betrieb. Die maximale Heizleistung der Wärmepumpe beträgt in solchen Anlagen üblicherweise 50 bis 70 % der maximalen Gebäude-Heizlast. Der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit beträgt dann je nach Leistungscharakterisitik 75 bis 92 %, wie in Bild 9 dargestellt.

Split-Geräte erschließen Markt für schmälere Budgets

Effiziente Luft/Wasser-Wärmepumpen leisten im Neubau wie auch im Gebäudebestand einen wichtigen Beitrag zur Energieeinsparung. Bei modernen Luft/Wasser-Wärmepumpen in Split-Bauweise sorgen Inverterverdichter und elektronische Expansionsventile für hohe Leistungszahlen bis 4,6. Außerdem bieten sie den Vorteil attraktiver Anschaffungskosten. Damit bestehen sehr gute Voraussetzungen, dass sich diese Technologie weitere Marktanteile erschließt und Verbraucher anspricht, deren Budget bisher für eine Wärmepumpenanlage zu eng begrenzt war.

Auslegungsbeispiel

Bei einem Niedrigenergiehaus mit spezifischem Leistungsbedarf 40 W/m² und einer beheizten Fläche von 135 m² beträgt die überschlägig ermittelte Heizlast 5,4 kW.

Bei tiefen Außentemperaturen nimmt die Heizleistung von Luft/Wasser-Wärmepumpen ab, gleichzeitig steigt aber der Wärmebedarf. Für den monovalenten Betrieb sind deshalb in der Regel Wärmepumpen mit Leistungen erforderlich, die nur an relativ wenigen, sehr kalten Tagen eines Jahres vollständig abgerufen werden. Während des größten Teils der Laufzeit wären solche Wärmepumpen überdimensioniert. Aus diesem Grund werden Luft/Wasser-Wärmepumpen überwiegend monoenergetisch betrieben: ein integrierter elektrischer Heizwassererhitzer unterstützt an besonders kalten Tagen die Wärmepumpe im Heizbetrieb. Die Wärmepumpe kann so kleiner gewählt werden als bei der monovalenten Betriebsweise, wodurch die Anschaffungskosten geringer sind.

In einer monoenergetisch betriebenen Anlage sollte die Heizleistung der Wärmepumpe 70 bis 85 % der maximal erforderlichen Gebäude-Heizlast (gemäß DIN EN 12831) betragen. Oberhalb einer festzulegenden Außentemperatur (Bivalenzpunkt) liefert die Wärmepumpe den gesamten Anteil der benötigten Heizlast. Unterhalb des Bivalenzpunktes hebt die Wärmepumpe die Rücklauftemperatur des Heizsystems an und der Heizwasser-Durchlauferhitzer heizt nach. Die Wärmepumpe kommt so auf einen Anteil an der Jahresheizarbeit von bis zu 95 %. Die Festlegung des Bivalenzpunktes erfolgt nach den Leistungsdiagrammen des Herstellers. Hierzu ein Zahlenbeispiel:

Heizlast nach DIN EN 12831: 5 kW

Minimale Außentemperatur: –12 °C

Heizgrenztemperatur: 12 °C

Maximale Vorlauftemperatur: 35 °C

Gewählte Wärmepumpe: Vitocal 200-S, Typ AWS 107, Nenn-Wärmeleistung 5,6 kW

Aus dem Leistungsdiagramm Bild 6 ergibt sich der Bivalenzpunkt –8 °C bei einer Leistung von 4,2 kW.

Dipl.-Ing. Wolfgang Rogatty ist bei den Viessmann-Werken als technischer Redakteur im Bereich der Presse- und Öffentlichkeitsarbeit ­tätig, 35108 Allendorf (Eder), Telefon (0 64 52) 70-0, rgw@viessmann.com https://www.viessmann.de/