Luft-Wasser-Wärmepumpen können im Idealfall bis zu 80 % der benötigten Wärme aus der Umgebungsluft beziehen. Allerdings kann die Umgebungsluft nicht immer eine konstante Energiemenge zur Verfügung stellen. Wenn im Winter die Außentemperaturen sinken, verringert sich bei den meisten Luft-Wasser-Wärmepumpen auch die Leistung. Kritiker der Wärmepumpe sehen gerade darin den Schwachpunkt der innovativen Heiztechnik. Allerdings richtig ausgelegt und dimensioniert arbeiten Wärmepumpen trotz dieses Nachteils über das Jahr betrachtet effizienter als viele andere Heizungsanlagen.
Richtig dimensionierte Wärmepumpen verhindern Komforteinbußen und unnötig hohe Betriebskosten
Zu klein dimensioniert kann es im schlimmsten Fall zu Komforteinbußen kommen. Schlecht ausgelegte Anlagen haben in der Vergangenheit auch am Image der Wärmepumpe gekratzt: Keine wohlige Wärme, sondern kühle Räume und kalte Duschen setzen dem Kunden zu. Dank immer besser gedämmter Häuser und Flächenheizungen kommen diese Probleme bei heutigen Neubauten kaum vor. Anders sieht das bei Nachrüstungen in Bestandsbauten aus. Dort sollten die Geräte unbedingt ausreichend dimensioniert werden. Allerdings, wenn die Vorlauftemperaturen im Heizsystem (z. B. Heizkörper) zu hoch ausgelegt sind, führt dies in vielen Fällen zu einem erhöhten Stromverbrauch und damit zu unnötig hohen Betriebskosten.
Wie wird die Wärmepumpe richtig dimensioniert?
Im Folgenden beschreiben wir ein Verfahren, um die für ein Gebäude benötigte Wärmepumpe mit der erforderlichen Heizleistung überschlägig zu dimensionieren. Das Verfahren wurde vor allem für die Auslegung von Wärmepumpenanlagen in Ein- und Zweifamilienwohnhäusern entwickelt. Obwohl diese Vorgehensweise relativ zuverlässige Ergebnisse bringt, empfehlen wir trotzdem, die Wärmepumpe mit einer dafür entwickelten Software, wie beispielsweise dem kostenlosen Aquarea-Wärmepumpendesigner, auszulegen. Auch wenn es für alles mittlerweile ein Computerprogramm gibt, verdeutlicht die „händische“ Vorgehensweise die Punkte, auf die es bei der Auslegung einer Wärmepumpe ankommt.
Wichtige Einflussfaktoren auf die Berechnung der benötigten Wärmepumpenleistung
Die Norm-Heizlast
Typische Werte für den spezifischen Wärmebedarf von Wohngebäuden zur überschlägigen Ermittlung der Heizlast.
Die Norm-Heizlast beschreibt die maximale Leistung in kW, die erforderlich ist, um die Nutzräume eines Gebäudes auch bei der tiefsten zu erwartenden Temperatur (Vorgabe Norm-Außentemperatur) auf eine behagliche Raumtemperatur (20 °C) zu bringen.
Die Norm-Heizlast wird nach DIN EN 12 831 berechnet. Dabei ist es wichtig zu wissen, dass es sich bei der Norm-Heizlast um einen maximalen Leistungsbedarf unter widrigsten Bedingungen handelt. Manche Planer sprechen in diesem Zusammenhang auch von einem Worst-Case-Szenario, unter dem eine behagliche Gebäudetemperatur gewährleistet sein muss.
Die Norm-Heizlast ist einer der entscheidenden Werte, wenn man die optimale Leistung der Wärmepumpe bestimmt. Folgende Sachverhalte sollte der Fachmann aber immer im Kopf behalten: Die Heizleistung entsprechend der Norm-Heizlast wird nur an sehr wenigen Tagen im Jahre benötigt. Kürzere Kälteperioden können auch durch die Wärmespeicherung im Gebäude überbrückt werden. Andererseits empfinden viele Personen 20 °C nicht unbedingt als „wohlig warm“.
In den meisten Fällen muss der Fachhandwerker die Heizlast nicht selbst errechnen. Bei Neubauten muss die Norm-Heizlast aus den Planungsunterlagen hervorgehen. Zudem gibt es Richtwerte, nach denen die Norm-Heizlast überschlägig ermittelt werden kann. Trotzdem gilt: Schauen Sie sich das Gebäude genau an und vertrauen Sie Ihrem gesunden Menschenverstand. Denn Richtwerte sind was sie sind – eben Richtwerte.
Die Norm-Außentemperatur
Die Norm-Außentemperatur fließt, wie oben beschrieben, in die Berechnung der Norm-Heizlast ein, wird aber darüber hinaus benötigt, um den Bivalenzpunkt zu ermitteln. Die Norm-Außentemperatur ist das tiefste Zweitagesmittel der Außentemperatur, das zehnmal in 20 Jahren erreicht oder unterschritten wurde. Damit eignet sich die Norm-Außentemperatur zur Festlegung des Norm-Auslegungspunktes, d. h. des Punktes, der die maximale klimatische Herausforderung an eine Wärmepumpe darstellt.
Warmwasserbedarf und die Zeit zur Speicherladung
Gerade in modernen Niedrigenergiehäusern mit zum Teil sehr geringen Heizlasten kommt der Warmwasserbereitung eine immense Bedeutung für die Auslegung der Gesamtanlage zu. Denn während die Heizlast durch bessere Dämmung usw. deutlich gesenkt werden kann, ist der Energiebedarf für die Warmwasserbereitung durch technische Maßnahmen nur minimal zu beeinflussen. Zudem ist der Warmwasserbedarf stark abhängig vom Nutzerverhalten und kann bedingt von der Personenanzahl und dem Komfortanspruch sehr unterschiedlich ausfallen.
Auch hier gibt es Empfehlungen für die überschlägige Berechnung. Bild 4 weist den typischen Warmwasserbedarf pro Person – abhängig vom Komfortanspruch – für Ein- und Zweifamilienhäuser bei 45 °C Zapftemperatur aus.
Auch das Speichervolumen des Warmwasserspeichers wird in Abhängigkeit vom Warmwasserbedarf geplant werden. Dabei sollte die Warmwasser-Schüttleistung mindestens den Bedarf für ein Wannenbad abdecken. Aber auch Raindance-Duschen und Schwallbrausen mit nicht unerheblichem Wasserverbrauch können den Warmwasserbedarf immens erhöhen. Andererseits sollte aus hygienischen Gründen das Speichervolumen nicht zu großzügig gewählt werden, damit das Wasser nicht zu lange im Speicher bleibt.
Auch für die Speicherauslegung gibt es folgende Richtwerte:
Obwohl die Auslegung von Warmwasseranlagen einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Wärmepumpenauslegung hat, würde eine tiefer gehende Ausführung den Rahmen dieses Beitrags sprengen.
Was wir aber zur Auslegung der Wärmepumpe brauchen, ist die Zeit, die diese täglich benötigt, um das notwendige Warmwasser zu bereiten. Wenn wir beispielsweise von drei Personen mit einem normalen Tagesbedarf von je 30 l/Tag ausgehen, ergibt sich daraus ein Gesamtleistungsbedarf für die Warmwasserbereitung von 3 x 1,2 kWh – sprich 3,6 kWh pro Tag. Eine Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 7,2 kW würde genau eine halbe Stunde (3,6 kW/7,2 kW = 0,5) für die tägliche Warmwasserbereitung benötigen.
EVU-Sperrzeit
Viele Energieversorger gewähren vergünstigte Stromtarife für den Betrieb von Wärmepumpen. Allerdings darf der Energieversorger bis zu einer Dauer von zwei Stunden und das bis zu dreimal am Tag die Stromversorgung unterbrechen. Auch diese Unterbrechungen der Energieversorgung müssen bei der Wärmepumpenauslegung berücksichtigt werden. Informationen über die Sperrzeiten stellen die Energieversorger zur Verfügung.
Bei der Wärmepumpenauslegung ist sicherzustellen, dass der tägliche Wärmebedarf des Gebäudes (24 h x Heizlast) auch mit weniger Betriebsstunden der Wärmepumpe gedeckt werden kann. Eine detaillierte Berechnung zeigt das Beispiel.
Speziell für Split-Wärmepumpen: Leitungskorrekturfaktor
Ein Vorteil von Split-Wärmepumpen gegenüber kompakten Systemen, bei denen sich der komplette Kältekreis in einem Gerät befindet, ist die Möglichkeit, dass auch größere Entfernungen zwischen Außengerät und Heiztechnikraum möglich sind, ohne dass die Effizienz immens darunter leidet. Dennoch ist bei der Auslegung ein Leitungskorrekturfaktor zu berücksichtigen, da die Leistung der Split-Wärmepumpen mit zunehmender Entfernung zwischen Innen- und Außengerät abnimmt. Der Korrekturfaktor wird vom Hersteller angegeben. Bild 6 zeigt den Leitungskorrekturfaktor für Panasonic-Split-Systeme mit einer Nennleistung von bis zu 16 kW.
Monovalente Auslegung
Bei hohen Baustandards mit starker Dämmung und damit einhergehenden geringen Heizlasten können Luft-Wasser-Wärmepumpen heutzutage teilweise auch monovalent ausgelegt werden. In vielen Fällen ist die monovalente Auslegung mit einer Überdimensionierung der Anlage verbunden. Hier sollte geprüft werden, ob die höheren Investitionskosten die Einsparungen im Betrieb rechtfertigen.
Bivalente Auslegung
Um eine Überdimensionierung der Wärmepumpenleistung zu vermeiden, werden Luft-Wasser-Wärmepumpen in den meisten Fällen aber bivalent ausgelegt, d. h. bei sehr niedrigen Außentemperaturen, wenn die Leistung des Geräts sinkt, wird die Wärmepumpe von einem zweiten Wärmeerzeuger unterstützt. Dabei handelt es sich üblicherweise um einen in der Wärmepumpe integrierten Heizstab – aber auch Holzöfen oder bestehende Gas- oder Ölkessel im Bestand können eingesetzt werden.
Die Leistungskurve der Aquarea T-CAP im Vergleich.
Bivalenzpunkt
Der Bivalenzpunkt beschreibt die Außentemperatur, bei der der Energiebedarf des Gebäudes noch ausschließlich über die Wärmepumpe gedeckt werden kann. Der Bivalenzpunkt wird bestimmt durch
- die Heizlast des Gebäudes,
- den Norm-Auslegungspunkt (dieser wird durch die Norm-Außentemperatur bestimmt und kann von Region zu Region unterschiedlich sein),
- die Heizgrenztemperatur, also die Außentemperatur, bei der das Gebäude nicht mehr beheizt werden muss (üblicherweise 20°C; kann bei besonderen Anforderungen aber auch höher oder tiefer liegen),
- die Leistungskurve der Wärmepumpe. Diese beschreibt den Leistungsverlust der Wärmepumpe bei sinkender Temperatur.
Am einfachsten kann der Bivalenzpunkt grafisch (oder per Software) bestimmt werden.
Die Berechnungsschritte
Wie die einzelnen Faktoren zusammenspielen und wie letztendlich die notwendige Leistung der Wärmepumpe berechnet wird, zeigen die einzelnen Berechnungsschritte:
Schritt 1: Ermittlung der mindestens benötigten Heizleistung der Wärmepumpe
In diesem Schritt ermitteln wir zunächst den maximalen Wärmebedarf des Gebäudes in kWh, und zwar einfach indem wir die Norm-Heizlast x 24 h multiplizieren.
Da die Wärmepumpe allerdings nicht 24 Stunden lang Leistung für die Beheizung zur Verfügung stellen kann, muss die Heizleistung in kürzerer Zeit erbracht werden. Wie lang diese Zeit tatsächlich ist, ermitteln wir, indem wir die EVU-Sperrzeiten und die Zeiten, die für die Warmwasserbereitung benötigt werden (Speicherladung), abziehen.
Dann teilen wir den Wärmebedarf des Gebäudes durch diese tatsächlich zur Verfügung stehende Zeit, die die Wärmepumpe hat, um diese Leistung zu erbringen.
Bei Split-Wärmepumpen mit über 7 m Kälteleitung vom Innen- zum Außengerät müssen wir das Ergebnis noch durch den Leitungskorrekturfaktor teilen.
In einer Formel zusammengefasst sieht das so aus:
Da wir die mindestens benötigte Heizleistung errechnen, steht hier das Größer-gleich-Zeichen, was darauf hinweist, dass es sich hier um die Mindestleistung handelt.
Schritt 2: Einkalkulieren des Leistungsabfalls und Berechnung des Bivalenzpunktes
Wie bereits beschrieben, sinkt bei den meisten Wärmepumpen die Leistung mit dem Absinken der Außentemperatur. Dies müssen wir mit einkalkulieren. Für jede Wärmepumpe wird von den Herstellern eine Leistungskurve angegeben, die zeigt, wie viel Leistung die Wärmepumpe bei einer bestimmten Außentemperatur noch erbringen kann (farbige Linien Bild 8). Die grüne Linie zeigt beispielsweise, dass die Wärmepumpe bei einer Norm-Außentemperatur von –12 °C (auf der Horizontalen) die am Auslegungspunkt geforderten 12 kW nicht mehr erbringen kann.
Grafisch wird der Bivalenzpunkt wie folgt ermittelt: Der Auslegungspunkt (entspricht der Norm-Außentemperatur) wird mit einer Linie mit der Heizgrenztemperatur (die Außentemperatur, ab der kein Heizbedarf mehr besteht) auf der horizontalen Außentemperaturachse verbunden. Der Schnittpunkt dieser Linie mit der Leistungskurve der Wärmepumpe beschreibt den Bivalenzpunkt. Das bedeutet in diesem Fall: Spätestens bei einer Außentemperatur von –7 °C (am Bivalenzpunkt) müsste ein unterstützender Wärmeerzeuger (z. B. ein Heizstab) zugeschaltet werden.
Sonderfall Aquarea T-CAP
Der oben beschriebene Schritt 2 erübrigt sich bei der Planung von Wärmepumpenanlagen mit den Aquarea-T-CAP-Modellen von Panasonic. Denn diese Geräte arbeiten bis –15 °C (Außentemperatur) ohne Leistungsabfall (Heizungs-Vorlauftemperatur bis +60 °C).
Ein Beispiel: Das 16-kW-Modell erreicht laut Messungen der Panasonic-Wärmepumpenspezialisten auch bei –15 °C noch die volle Leistung von 16 kW. Damit kann in der Praxis auf eine Zuheizung mittels E-Heizstab und entsprechender Auslegung verzichtet werden. Damit aber wirklich niemand friert, kann im Notfall und auch für die Bauaustrocknung der E-Stab genutzt werden, deswegen sind die T-CAP-Geräte auch noch mit einem Heizstab ausgerüstet.
Natürlich drängt sich bei solchen Geräten die Frage auf: Wie funktioniert das und wie sieht es mit der Effizienz solcher Geräte bei –15 °C aus? Dazu lässt sich sagen: Im Zusammenspiel mit einer Fußbodenheizung und mit einer Vorlauftemperatur von 35 °C erreicht das Gerät noch einen COP von 2,32 (A-15W35).
Ansicht der Startoberfläche des Panasonic Aquarea Designer zur Berechnung und Optimierung von Wärmepumpenheizungen.
Die Effizienz und die gleich bleibende Leistung auch bei tiefen Temperaturen werden durch ein Verfahren erreicht, bei dem der Kältekreislauf gezielt unterkühlt und so die nutzbare Verdampfungsenthalpie vergrößert wird, sodass das Kältemittel selbst bei niedrigen Temperaturen mehr Energie aufnehmen kann.
Wie oben beschrieben wurde, sind in modernen Niedrigenergiehäusern der Warmwasserbedarf und die Geschwindigkeit der Speicherbeladung Faktoren mit entscheidendem Einfluss auf die Wärmepumpenauslegung. Bei der Planung von T-CAP-Anlagen sollte man deshalb wissen, dass diese selbst bei hohen Vorlauftemperaturen und niedrigen Außentemperaturen noch konstante Leistung bringen können. Das bedeutet, selbst unter widrigsten Klimabedingungen, bei denen ein immenser Temperaturhub notwendig ist, lässt sich ein Warmwasserspeicher relativ schnell beladen.
Beispielrechnung
Das folgende Beispiel eines Wohnhauses in Frankfurt soll zeigen, wie das oben beschriebene Verfahren in der Praxis angewendet wird.
Ein Wohnhaus in Frankfurt/Main mit einer Heizlast von 9,6 kW bei einer Norm-Außentemperatur von –12 °C soll mit einer Split-Wärmepumpe ausgestattet werden.
Dazu kommt die Warmwasserbereitung für vier Personen mit normalem Komfortanspruch (45 l pro Person und Tag bei 45 °C Zapftemperatur bzw. 1,8 kWh): 4 mal 1,8 = 7,2 kWh pro Tag. Eine Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 9,6 kW würde für die Warmwasserbereitung 7,2 kWh / 9,6 kW = 0,75 h Betrieb benötigen. Aufgerundet ergibt sich damit: Speicherladung = 1 h
Der Leitungskorrekturfaktor ergibt sich aufgrund einer Leitungslänge von 15 m (einfache Länge) als Mittelwert von 1,0 und 0,83 (Bild 6) zu Leitungskorrekturfaktor = 0,92:
Die zusätzliche Berücksichtigung einer EVU-Sperrzeit von 2 h pro Tag ergibt:
Die berechnete Gesamtheizleistung muss bei gleichzeitiger Einhaltung der erforderlichen Wasservorlauftemperatur von 35 °C für eine Fußbodenheizung erzeugt werden.
Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und weil sehr niedrige Außentemperaturen nur an vereinzelten Tagen im Jahr auftreten, wird die Wärmepumpe als bivalentes Heizsystem ausgelegt.
Da der zweite Wärmeerzeuger, der als Zusatzheizung zum Einsatz kommt, aus dem internen E-Heizstab der Wärmepumpe besteht, wird die Wärmepumpe monoenergetisch betrieben. Unterhalb der Außentemperatur des Bivalenzpunktes von –7 °C (Bild 8) wird die verbleibende Heizleistung vom E-Heizstab der Wärmepumpe erzeugt. Bis zu dieser Außentemperatur läuft die Aquarea-Wärmepumpe im monovalenten Betrieb.
Darauf sollten Sie achten
Die Heizung und die Warmwasserbereitung bilden ein komplexes System, das von vielen Faktoren beeinflusst wird. Leider lassen sich diese Faktoren rechnerisch nicht alle abbilden bzw. ist deren Berechnung sehr aufwendig und kompliziert.
Deshalb gilt: Die rechnerischen Ergebnisse der Wärmepumpenauslegung sind eine Entscheidungsgrundlage, aber noch keine Entscheidung. Aus diesem Grund ist es auch so wichtig, die Faktoren, die hinter einer solchen Auslegungsberechnung stehen, zu kennen, um auch die Ergebnisse der Berechnungsprogramme vor diesem Hintergrund bewerten zu können.
Die letzte Entscheidung sollte aber mit gesundem Menschenverstand getroffen werden, denn nicht alle Faktoren, wie z. B. das Nutzerverhalten, sind zu 100 % kalkulierbar. Bei Wärmepumpen mit 3-kW-Heizstab sollte das System dann ggf. monovalent ausgelegt werden. Ein weiteres Beispiel: Ein starker Raucher möchte mangels Lüftungsanlage auch im Winter bei offenem Fenster rauchen. Das muss man nicht gutheißen, aber es kommt tatsächlich vor. In diesem Fall musste die erste Wärmepumpe durch ein stärkeres Modell ersetzt werden.
Leistungskennlinien der Aquarea-LT-Baureihe für die Splitsysteme mit Auslegungspunkt, Heizgrenztemperatur und Bivalenzpunkt.
Zur einfachen und schnellen Berechnung und Optimierung von Wärmepumpenheizungen bietet Panasonic den Aquarea Designer an. Dieser kann kostenlos heruntergeladen werden.
Mit der Software können Wärmepumpen anhand von Gebäude- und Verbrauchsdaten ausgelegt werden. Dazu enthält das Programm auch eine eigene Klima- und Wetterdatenbank. Mit einer Berechnung des Bivalenzpunktes vereinfacht die Software die Auswahl einer geeigneten Wärmepumpe deutlich.
Mit dem Quick Design (Schnellauslegung) und dem Expert Design (erweiterten Auslegung) werden verschiedene Komplexitätsstufen der Berechnung angeboten, damit auch einfache Anlagen schnell von der Hand gehen. Entsprechend können auch die Ergebnisse als Kurz- oder Langreport ausgegeben werden.
Die Berechnung der Jahresarbeitszahl und der Anlagenaufwandszahl nach VDI 4650 und ein Kostenvergleich ermöglichen eine Effizienzbewertung der Anlagen.
Dieser Artikel ist eine Überarbeitung des Artikels „Worauf es bei der Auslegung ankommt“ von Karsten Wagner, erschienen in SBZ 24-2017.
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