Sorgfältige Vorarbeit lohnt sich

Die Bedeutung der Wärmepumpe als Heizsystem der Zukunft ist unstrittig. Für die Wärmeversorgung von Gebäuden wird diese Technologie in den nächsten Jahrzehnten nach heutigem Stand der Dinge die zentrale Rolle spielen. Derzeit sind in Deutschland rund 700 000 Wärmepumpen installiert. Das entspricht gegenüber Öl- und Gasheizungen rund 1,4 Millionen Tonnen CO₂-Einsparung pro Jahr. Nach einem Marktentwicklungsmodell des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg könnte die Zahl der in Deutschland installierten Wärmepumpen schon 2025 bei zehn Millionen oder darüber liegen. Tritt dieses Szenario ein, würden in den kommenden acht Jahren jedes Jahr weit mehr neue Wärmepumpen installiert als in den vergangenen zehn Jahren zusammen. Wie auch immer die tatsächlichen Zahlen sein werden – sicher ist: Der Markt zieht an. Denn erstens ist die Wärmepumpe für den privaten Verbraucher zunehmend interessant – zu günstigen Betriebskosten und umweltfreundlichem Betrieb kommen staatliche Fördergelder in erheblicher Höhe. Und zweitens: Die Wärmepumpe ist ein wichtiges Element beim Umbau unseres Energiesystems hin zu einer umweltfreundlichen und nachhaltigen Versorgung. Das ist ein wesentlicher Grund für die staatliche Förderung dieser Technologie. Denn sie vereint viele Eigenschaften, die in den nächsten Jahren und Jahrzehnten gefragt sind:

• Sole-Wasser-Wärmepumpen zum Beispiel erreichen in der Regel Jahresarbeitszahlen von 4,5 oder höher. Damit sind sie hocheffizient und wirtschaftlich attraktiv. Sie arbeiten mit 75 bis 80 % Umweltenergie und lediglich 20 bis 25 % Elektrizität. Das ist nicht nur die flexibelste und vielseitigste Energieform, sondern sie wird auch immer häufiger vor Ort aus der Sonne gewonnen und ist damit umweltfreundlich und günstig.
• Wärmepumpen entkoppeln durch den Einsatz von Speichern die Produktion und den Verbrauch von Heizenergie. Produziert wird, wenn das Netz günstige Überkapazitäten bietet, verbraucht wird zu Zeiten knappen Stroms. Das wirkt sich schonend auf das Heizbudget und stabilisierend auf die Netze aus.
• Sie sind umweltfreundlich. Denn sie nutzen CO2-freie Umweltenergie und einen geringen Anteil Strom. Rund ein Drittel des in Deutschland verbrauchten Stroms ist schon heute „grün“, in wenigen Jahrzehnten wird sich die globale Stromversorgung überwiegend oder ganz aus erneuerbaren Quellen speisen.
• Wärmepumpen entwickeln sich zusehends zu den Leistungsträgern der Energiewende. Denn mehr als 80 % der in deutschen Haushalten verbrauchten Energie wird laut Umweltbundesamt für die Erzeugung von Wärme eingesetzt. Die Energiewende braucht die Wärmewende. Und die ist nach heutigem Stand der Technik nur mit dem großflächigen Einsatz von Wärmepumpen zu leisten.
• Die sogenannte Sektorkopplung gilt unter Experten zunehmend als Schlüssel für das Gelingen der Energiewende. Gemeint ist damit das Zusammenführen von Elektrizität, Wärmeversorgung und Verkehr zu einem Gesamt-Energiesystem mit Strom als Energieträger Nummer eins. Die Wärmepumpe verbindet Elektrizität mit Wärmeerzeugung und fördert damit diese Entwicklung.

Kurz: Der Boom der Wärmepumpe hat bereits eingesetzt, die Entwicklungskurve der ersten Jahre wird steiler. Zeit also für Heizungsinstallateure, sich intensiv mit diesem Thema zu beschäftigen. Nachfolgend haben wir die wesentlichen Punkte zusammengetragen, die bei der Auslegung und Installation einer Wärmepumpe zu beachten sind.

Die Auslegung muss passen

Jedes Heizsystem muss zum Wärmebedarf des Gebäudes und seiner Bewohner oder, im Falle eines Bürogebäudes, seiner Nutzer passen. Die sogenannte Heizlast bezeichnet die Wärmezufuhr, die erforderlich ist, um eine bestimmte Raumtemperatur zu erreichen und zu halten. Die wesentlichen Parameter, aus denen sich die Heizlast ergibt, sind neben der Lage des Gebäudes und der Nutzungsart der Räumlichkeiten vor allem die Beschaffenheit der Gebäudehülle – also die Dämmung der Außenwände und die Ausführung von Türen und Fensterflächen hinsichtlich ihres Wärmeverlustes. Der sogenannte Transmissionswärmeverlust der einzelnen Elemente des Gebäudes und der Lüftungswärmeverlust werden aufaddiert. Das Ergebnis ist die Heizlast, aus der sich die Auslegung der Heizungsanlage ergibt. Die Ermittlung der Heizlast ist in der DIN-EN 12831 genormt. Den Wert anhand von Erfahrungs- oder Durchschnittswerten zu schätzen, ist zwar in der Praxis noch immer weit verbreitet, aber nicht wirklich zielführend. Zum einen gibt es heute starke Unterschiede in der wärmedämmenden Qualität der Gebäudehülle. Zum anderen sollte das Heizsystem so effizient wie möglich arbeiten. Das aber ist nur gegeben, wenn es die Anforderungen im jeweiligen Gebäude möglichst genau abdeckt. Um dies zu gewährleisten, bieten viele Wärmepumpenhersteller ihren Installationspartnern den Service, die Auslegung vom jeweiligen Außendienstmitarbeiter berechnen zu lassen. Das ist auf jeden Fall einer reinen Schätzung vorzuziehen.

Berechnungshilfen nutzen

Wer sich hingegen selbst das Know-how aneignen will, kann dafür ein webbasiertes Online-Auslegungstool nutzen, wie es zum Beispiel alpha innotec anbietet. Für die Berechnung sind vier Angaben erforderlich:

• die Heizlast,
• die Menge des benötigten Brauchwassers,
• die Sperrzeitregelung des zuständigen Energieversorgers und
• die Art der geplanten Wärmepumpe: Luft-Wasser, Wasser-Wasser oder Sole-Wasser.

Für die Brauchwarmwasserbereitung ist es ausreichend, die Faustregel 250 W pro Bewohner zugrunde zu legen. Zur Sicherheit empfiehlt es sich allerdings, vorab die Nutzer beziehungsweise Bewohner nach ihren Verbrauchsgewohnheiten zu befragen. Wenn etwa jemand täglich ein warmes Vollbad nimmt, liegt dessen Brauchwasserbedarf sicher weit über dem Durchschnitt.

Die EVU-Sperrzeiten lassen sich beim örtlichen Energieversorger erfragen. Falls bereits ein Stromliefervertrag für die Wärmepumpe besteht, sind die Sperrzeiten dort genannt. Zum Hintergrund: Die Energieversorger bieten ihren günstigen Wärmepumpentarif nur außerhalb der Spitzenlastzeiten. Sie sind berechtigt, die Stromlieferung für die Wärmepumpe bis zu dreimal täglich für maximal zwei Stunden am Stück zu kappen. Nach jeder Sperrzeit muss der Strom für mindestens die gleiche Zeit wieder fließen – nach zwei Stunden Sperrung also gibt es mindestens wieder für zwei Stunden Strom für die Wärmepumpe. Reizt der Energieversorger seine Sperrzeiten aus, muss die Wärmepumpe im äußersten Fall sechs Stunden am Tag ohne Stromzufuhr überbrücken. Das muss bei der Auslegung berücksichtigt werden, damit Haus und Brauchwasser selbst an extrem kalten Wintertagen ausreichend mit Wärme versorgt sind.

Bivalenzpunkt beachten

Für Luft-Wasser-Wärmepumpen gibt es noch ein Spezialthema: Da sie Energie aus der Umgebungsluft ziehen, kommt es in aller Regel an kalten Wintertagen zu der Situation, dass die Leistung der Wärmepumpe geringer ist als der Wärmebedarf des Gebäudes. Denn je niedriger die Außentemperatur, desto höher der Wärmebedarf und desto geringer die Energieausbeute aus der Luft. Der sogenannte Bivalenzpunkt, an dem dies der Fall ist, liegt in der Regel bei -5 °C. Dann kommt ein Heizstab zum Einsatz, der die Wärmepumpe unterstützt. Um unliebsame Überraschungen bei der Stromrechnung zu vermeiden, empfiehlt es sich, beim Energieversorger zu klären, ob der Heizstab über den Wärmepumpentarif oder über den normalen Haustarif abgerechnet wird.

Zurück zur Auslegung: Wer sich auf Schätzwerte verlässt und dann, was nicht selten vorkommt, einen „Angstzuschlag“ drauflegt, riskiert, dass die Wärmepumpe zu groß dimensioniert ist. Das führt zu kurzen Laufzyklen: Das Gerät läuft, produziert in kurzer Zeit die geforderte Wärmeleistung und schaltet wieder ab. Dieses kurze, aber häufige Takten geht zulasten der Lebensdauer. Ist die Wärmepumpe hingegen zu klein dimensioniert, läuft sie allzu oft an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit. Solche Effekte lassen sich vermeiden, wenn man das Auslegungstool mit korrekten Angaben füttert und die empfohlene Auslegung der Wärmepumpe übernimmt.

Warmwasserspeicher richtig dimensionieren

Auch bei der Auslegung des Warmwasserspeichers gibt es einige Dinge zu beachten. Zum einen sollte man klären, welche Art von Dusche die Hausbewohner nutzen. Während durch einen normalen Duschkopf 10 bis 12 l Wasser pro Minute fließen, gibt es Regenduschen mit riesigen Duschkopfflächen, die bis zu 50 l und mehr pro Minute ausschütten. Klar, dass ein zu klein geratener Warmwasserspeicher schnell an seine Grenzen gerät, wenn vier Personen hintereinander eine solche Dusche benutzen. Spätestens der Vierte duscht kalt. Häufig steht beim Heizungstausch im Rahmen einer Sanierung die Frage im Raum, ob der Warmwasserspeicher, der bisher an eine Öl- oder Gasheizung angeschlossen war, weiter genutzt werden kann. Hierbei ist vor allem darauf zu achten, dass die Oberfläche des Wärmetauschers zur Leistung der Wärmepumpe passt, denn die Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur ist bei einer Wärmepumpe geringer als bei einer Öl- oder Gasheizung. Deshalb muss für die Versorgung von Gebäude und Warmwasserspeicher ein größerer Volumenstrom fließen, um die gleiche Heizleistung zu liefern. In der Regel ist davon auszugehen, dass ein bestehender Speicher mit diesen veränderten Rahmenbedingungen nicht zurechtkommt, also ein neuer Speicher zu empfehlen ist.

Heizkörper prüfen

Natürlich gefällt jedem Bauherrn, der sein Bestandsgebäude saniert, die Idee, nicht nur den vorhandenen Warmwasserspeicher weiter zu nutzen, sondern auch die bereits installierten Heizkörper. Hier ist zu prüfen, ob sie für die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe nicht zu klein sind. Denn klar ist: Je niedriger die Vorlauftemperatur, desto größer muss die Heizfläche sein. Sonst werden die Räume nicht ausreichend beheizt, Ärger mit dem Kunden ist programmiert.

Eher banal ist ein Problem, das im Alltag immer wieder auftaucht: Der Installateur hat im Vorfeld nicht auf die Abmessungen der bestellten Geräte geachtet, die Wärmepumpe oder der Speicher lassen sich aufgrund ihrer Größe nicht in den gewünschten Raum verbringen. Immer wieder kommt es vor, dass ein Installateur beim Hersteller anruft und fragt, wie er die Wärmepumpe kleiner machen kann – etwa durch das Entfernen von Außenverkleidungen oder Bauteilen –, um dieses akute Problem zu lösen. Das beginnt bei den Abmessungen der Treppen und Zugänge und setzt sich fort bei der Raumhöhe.

Handliche Einheiten

Alpha innotec beispielsweise hat eine einfache Lösung für dieses Thema. So lässt sich bei den Geräten der Sole-Wasser-Serie alterra der Kältekreis einfach demontieren und wieder anbringen. Und die neuen Luft-Wasser-Modelle vom Typ alira sind in drei handliche Einheiten teilbar. Dadurch lassen sie sich selbst bei engen Altbauverhältnissen problemlos in die gewünschten Räume bringen.

Eine besondere Herausforderung kann im Zusammenhang mit sogenannten Hocheffizienz-Umwälzpumpen entstehen. Diese Geräte laufen nicht konstant, sondern regeln sich selbst anhand des im Umlauf befindlichen Volumenstroms ein. Werden beispielsweise mehrere Heizkörper gleichzeitig aufgedreht, gehen moderne leistungsgeregelte Wärmepumpen auf Höchstleistung, um die angeforderte Wärme zu liefern. Zugleich muss auch die Umwälzpumpe ihre Leistung hochfahren, um die von der Wärmepumpe erzeugte Energie schnell abzuführen. Steuert die Wärmepumpe die Umwälzpumpe direkt mit, läuft im Normalfall alles glatt. Regelt sich die Umwälzpumpe aber selbst ein, kann es passieren, dass sie nicht schnell genug hochfährt. Die Folge: Der Druck steigt, die Wärmepumpe geht auf Störung. Moderne Wärmepumpen regeln die Umwälzpumpe gleich mit ein. Dies geschieht über das sogenannte PWM-Signal (Pulsweitenmodulation).

Ein ähnlicher Effekt wie bei Hocheffizienzpumpen entsteht, wenn die Durchmesser der Rohrleitungen zu klein sind. In diesem Fall wird die Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf zu groß. Gleiches gilt, wenn der Wärmetauscher im Warmwasserspeicher zu klein ist: Die Energie kann nicht in ausreichendem Maße übertragen werden. Beides führt zu einer Hochdruckstörung, die Wärmepumpe schaltet ab.

Schallemissionen bedenken

Immer wieder können außenstehende Luft-Wasser-Wärmepumpen bei unsachgemäßer Planung zum Zankapfel zwischen Nachbarn werden. Der Grund: zu hoher Schalldruck. Um dieses Problem erst gar nicht entstehen zu lassen, empfiehlt sich auch hier eine sorgfältige Planung, idealerweise unter Zuhilfenahme eines Schallrechners. Die zulässigen Schallemissionen sind in der Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm, kurz TA Lärm, geregelt. Vor Installation der Wärmepumpe ist beim zuständigen Bauamt zu klären, welches Baugebiet nach der TA Lärm vorliegt. Daran orientiert sich die maximal zulässige Schallbelastung. Entscheidend, neben den Schallemissionen der Wärmepumpe, sind die Konfiguration von Gebäuden und Wärmepumpe – zum Beispiel auch ob Wandmontage oder freistehend – sowie die Abstände zu den nächstliegenden Fenstern. Dabei sind natürlich nicht nur die Abstände zum Nachbarn zu beachten, sondern auch die zum Besitzer der Wärmepumpe. Schließlich will auch er sich nicht durch seine neue Heizung gestört fühlen. Anhand der Konfiguration, der Abstände zu den Fenstern und der Vorgaben der TA Lärm berechnet der Schallrechner, wo welche Wärmepumpe problemlos betrieben werden kann.

Wärmequelle richtig berechnen

Bei Solewärmepumpen, die ihre Energie über einen in die Erde eingelassenen Flächenkollektor beziehen, ist darauf zu achten, dass die Wärmequelle nicht zu klein dimensioniert ist. Im Wesentlichen spielen hier zwei Parameter eine Rolle: zum einen das Verhältnis zwischen Wärmepumpenleistung und Größe des Kollektors, zum anderen die Beschaffenheit des Erdreichs, in dem sich der Kollektor befindet. Diesem Erdreich entzieht die Anlage Wärmeenergie, was die umgebende Erde logischerweise abkühlt. Ist der Kollektor richtig dimensioniert und das Erdreich gut wärmeleitfähig, kann sich der Boden ausreichend regenerieren. Entzieht der Kollektor mehr Energie als nachströmt, kann das gegen Ende der Heizperiode – oder gar schon früher – dazu führen, dass die Wärmepumpe nicht genügend Energie bekommt. Die Heizlastberechnung und die daraus folgende Auslegung der Wärmepumpe zeigt, wie viel Watt an Energie für den reibungslosen Betrieb erforderlich sind. Es ist anzuraten, mit diesem Wert einen Geologen zurate zu ziehen. Er kann berechnen, wie viel Watt sich pro Quadratmeter Kollektorfläche dem Erdreich entziehen lassen, ohne dass es die angesprochenen „Ermüdungsprobleme“ bekommt.

Für den Betrieb von Wasser-Wasser-Wärmepumpen ist die Wasserqualität wichtig. Diese Geräte nutzen Grund- oder Brunnenwasser als Energiequelle. Zeichnet sich dieses Wasser durch wenig Sauerstoff, einen niedrigen pH-Wert und eine hohe Konzentration an Eisenhydroxid und Manganoxid aus, kann es verockern: Eisenhydroxid fällt als weiche, braune Masse aus und lagert sich ab. Die Rohrleitungen verstopfen, die Wärmequelle ist nicht mehr nutzbar, die Wärmepumpe geht auf Störung. Auch hier sollte vorab ein Geologe beziehungsweise ein Wasserprüflabor eingeschaltet werden. Sie können die Eisen- und Manganwerte bestimmen. Die für einen reibungslosen Betrieb maximal zulässigen Werte stehen in der Betriebsanleitung der Wärmepumpe.

Schließlich ist vor allem bei Geräten mit integrierter Umwälzpumpe zu beachten, dass der Druckverlust in den Rohrleitungen des Heizkreises oder der Wärmequelle die Leistungsfähigkeit der Pumpe nicht übersteigt. Zu klein gewählte Rohrquerschnitte oder zu lange Kreise führen zu einer Überschreitung der sogenannten freien Pressung. Die Wärmepumpe kann nicht mehr arbeiten. Wie hoch die freie Pressung der Pumpe ist, lässt sich dem technischen Datenblatt entnehmen. Sie ist mit dem Druckverlust im Heizkreis abzugleichen und muss auf jeden Fall größer sein.

Richtig dimensioniert und installiert sind Wärmepumpen ausgesprochen zuverlässige, wartungsarme, umweltfreundliche und wirtschaftliche Heizsysteme. Es lohnt sich also, bei den Vorarbeiten sorgfältig vorzugehen.

Sebastian Fischer und Daniel Then sind Produktmanager Heiztechnik beim Wärmepumpenhersteller alpha innotec mit Sitz in Kasendorf, info@alpha-innotec.de, 0 92 28/99 06-0.