Optimal sanieren mit der Wärmepumpe Teil 2: Je wärmer, desto effizienter: Die optimale Wärmequelle

Auswahl der Wärmequelle und Aufstellort
Die Auswahl der Wärmequelle für eine Wärmepumpe hängt entscheidend von den Bedingungen vor Ort ab. Bei einem Neubauvorhaben ist der Garten normalerweise noch nicht angelegt und Baumaßnahmen – wie sie für einen Erdwärmekollektor, eine Erdwärmesonde oder eine Brunnenanlage anfallen – sind problemlos möglich. Anders liegt der Fall bei bestehenden Gebäuden, hier wurden oft Jahre in den Garten inves­tiert. Das sollte bei der Auswahl einer erdgekoppelten Wärmepumpe berücksichtigt werden.
Bei erdgekoppelten Systemen ist zwar der Aufwand für die Wärmequellenerschließung höher als bei Luft-/Wasser-Wärmepumpen, aber die konstanteren und in der Heizperiode deutlich höheren Quellentemperaturen führen zu effizienteren Anlagen mit geringeren Energiekosten. Das fällt bei der größeren Heizlast im Altbau besonders stark ins Gewicht. Daher sollten auch in der Sanierung erdgekoppelte Lösungen in Betracht gezogen werden.
Allerdings kommen Erdwärmekollektoren im Altbau selten infrage: Der wegen der höheren Heizleistung benötigte große Flächenbedarf lässt sich häufig nicht mit einem bereits angelegten Garten vereinbaren. Damit stehen für die Sanierung neben den Luft-/Wasser-Wärmepumpen in der Regel zwei erdgekoppelte Systeme zur Auswahl: vertikale Erdsonden und Wasser-/Wasser-Wärmepumpen.

Bild 2: Eine Erdwärmesonde ist eine sehr effiziente Wärmequelle, wenn sie richtig dimensioniert ist.

Standort und Auslegung einer Erdwärmesonde
Um den Garten nicht in Mitleidenschaft zu ziehen, kann bei geeigneten Bedingungen die Bohrung einer Erdsonde zum Beispiel in der Garageneinfahrt erfolgen. Allerdings darf für diese Lösung die Gebäudeheizlast und damit auch die Jahresheizarbeit nur so hoch sein, dass sich die erforderlichen Sonden in der Garageneinfahrt unterbringen lassen. Die benötigte Sondenlänge – und indirekt damit auch die benötigte Anzahl von Sonden – wird nach VDI 4640 ermittelt. Zur groben Abschätzung kann man bei 1500 bis 2000 Betriebsstunden von ca. 40 – 50 W/m Sonde ausgehen. Zur genauen Berechnung sollte ein Geothermie-Planungsbüro oder ein qualifiziertes Erdwärmesonden-Bohrunternehmen hinzugezogen werden.

Bei der Bohrung auf Qualität setzen
Wichtig ist, bei der Auslegung der Wärmequelle nicht am falschen Ende zu sparen. Schließlich ist die eingebrachte Bohrung unzugänglich – weder die Länge der Sondenbohrung noch Qualitätsmängel können später einfach nachgebessert werden. Sicherheit bei der Auswahl eines qualifizierten Bohrunternehmens bietet die W120-Zertifizierung des DVGW. Ein qualifiziertes Bohr­unternehmen kann auf Basis der Heizlastberechnung auch bei der Frage der Sondenauslegung beraten.

Bild 3: Wasser-/Wasser-Wärmepumpen nutzen Grundwasser, die effizienteste Wärmequelle.

Wasser stillt hohen Wärmedurst
Für Wasser-/Wasser-Wärmepumpen braucht man Grundwasservorkommen in ausreichender Menge und entsprechender Wasserqualität. Hier muss vor allem der Eisen- und Mangangehalt stimmen, damit die Wärmepumpe dauerhaft und ohne Störung ihren Dienst verrichtet. Daher sollte auf jeden Fall bereits in einem frühen Planungsstadium eine Wasseranalyse durchgeführt werden – etwa durch einen auf Wärmepumpen spezialisierten Brunnenbohrer.
Eine Wasser-/Wasser-Wärmepumpe erfordert eine etwas aufwendigere Planung und fortlaufende Inspektionen. Dieser zusätzliche Aufwand ist aber gerade bei einem größeren Wärmebedarf in der Regel durch die hohe Wärmequellentemperatur und damit die höhere Effizienz der Anlage schnell aufgewogen – wenn geeignetes Grundwasser vorhanden ist. Damit ist dieser Typ Wärmepumpe besonders für Altbauten mit einer höheren Heizlast zu empfehlen. Gebohrt werden müssen dafür nur zwei Brunnen – ein Saug- und ein Schluckbrunnen. Dadurch hat man einen geringeren Platzbedarf als bei einem evtl. ausgedehnten Sondenfeld.
Es empfiehlt sich, einen Zwischenkreiswärmetauscher einzubauen, der die Wärmepumpe vom Grundwassersystem trennt. Dieser schützt die Wärmepumpe, falls sich die Grundwasserqualität verschlechtert.

Bild 4: Bei einer außen aufgestellten Wärmepumpe sollte die Platzierung sorgfältig gewählt werden.

Genehmigungen nicht vergessen
Für Erdwärmesondenbohrungen und die Nutzung von Grundwasser als Wärmequelle ist eine Genehmigung der unteren Wasserbehörde erforderlich. Hier kann es Auflagen, in Trinkwasserschutzgebieten sogar generelle Verbote geben. Auch diese Bedingungen müssen bei der Auswahl der optimalen Wärmequelle berücksichtigt werden.

Luft: Streitpunkt Aufstellungsort
Luft-/Wasser-Wärmepumpen können mit geringem Aufwand sowohl im Hausinneren oder auch im Freien aufgestellt werden. Allerdings arbeiten sie in der Heizperiode weniger effizient als erdgekoppelte Systeme, was höhere Energiekosten zur Folge hat. Bei Altbauten sollte man daher bei einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe neben der üblichen monoenergetischen Betriebsweise mit einer elektrischen Zusatzheizung auch einen bivalenten Betrieb überlegen.
Bei innen aufgestellten Luft-/Wasser-Wärmepumpen wird über zwei Luftkanäle oder -schläuche die Außenluft zu- und abgeführt. Dafür sind zwei Mauerdurchbrüche erforderlich, die bei einer 20-kW-Wärmepumpe etwa einen Durchmesser von 80 cm haben.
Bei außen aufgestellten Wärmepumpen muss man den Heizungsvor- und -rücklauf, einen Kondensatablauf sowie die elektrischen Verbindungsleitungen über zwei schmale Gräben mit jeweils ca. 15 cm Durchmesser ins Haus führen.
Allerdings ist besonders bei außen aufgestellten Wärmepumpen der Aufstellort sorgfältig auszuwählen, da sich Nachbarn eventuell durch das Surren der Ventilatoren gestört fühlen könnten. Ein ausreichender Abstand zur Grundstücksgrenze sollte daher abhängig vom Wärmepumpen-Modell gewählt werden.
Bei innen aufgestellten Wärmepumpen sollten die Luftauslässe und -einlässe nicht auf Ruheräume ausgerichtet sein, da die große bewegte Luftmenge Geräusche verursacht. Außerdem sollten die Luftöffnungen über Eck liegen, um zu vermeiden, dass die bereits von der Wärmepumpe abgekühlte Abluft direkt wieder als Wärmequelle angesaugt wird.

Bild 5: Innen aufgestellte Luft-/Wasser-Wärmepumpe.

Die passende Wärmepumpenleistung
Steht die Art der Wärmepumpe und die Wärmequelle fest, ist die richtige Dimensionierung der Wärmepumpenleistung der nächs­te Schritt zur Planung eines effizienten Systems. Für die benötigte Leistung wird die Heizlast für das Gebäude nach DIN EN 12831 (s. den ersten Teil dieser Artikelreihe) zugrunde gelegt. Wenn z. B. eine nachträgliche Sanierung der Gebäudehülle geplant ist, sollte die Leistung der Wärmepumpe an die zukünftige Heizlast des Gebäudes angepasst werden. Dazu kommen ein Zuschlag für die Warmwasserbereitung von 0,2 kW pro Person und der Sperrzeitfaktor für die unterbrechbare Stromversorgung. Dieser Sperrzeitfaktor richtet sich nach den vertraglich vereinbarten Unterbrechungen des Wärmepumpen-Stromanbieters. Für das häufigste Sperrzeitenmodell mit maximal 3-mal täglich 2 Stunden Abschaltzeit kann ein Faktor f = 1,3 angenommen werden.
Eine monovalente Anlage deckt die gesamte Heizlast über die Heizleistung der Wärmepumpe ab, wie etwa bei entsprechend dimensionierten erdgekoppelten Wärmepumpen. In diesem Fall muss die Heizleistung der Gebäudeheizlast entsprechen.
Eine bivalente Wärmepumpe muss nur einen Teil der Jahresheizarbeit abdecken, der sinnvoller weise – um möglichst viel kos­tenlose Umweltwärme zu nutzen und damit Heizkosten zu sparen – bei über 90 % liegt. Daher kann sie niedriger dimensioniert werden, was Investitionskosten spart: Insbesondere bei erdgekoppelten Wärmepumpen wird ein doppelter Spareffekt erzielt: Die Wärmepumpe kann eine Nummer kleiner gewählt werden, außerdem kann auch die Wärmequelle etwas kleiner ausfallen. Wenn die Leistung der Wärmepumpe 80 % der Gebäudeheizlast erreicht, kann sie 95 - 98 % der Jahresheizarbeit leisten.

Bild 6: Monoenergetische Betriebsweise und Darstellung des Bivalenzpunktes.

Zweigleisig fahren: Bivalenter Betrieb
Bei der Sanierung von Öl- oder Gasheizungen wird oft die alte Heizung als zweiter Wärmeerzeuger weiter genutzt, zumal wenn der Öltank noch gut gefüllt ist. Die bivalente Betriebsweise im Zusammenspiel mit dem bestehenden Kessel kann eine wirtschaftlich sinnvolle Lösung sein, um Betriebskos­ten zu sparen. So könnte der Anlagenbesitzer je nach den aktuellen Energiepreisen den Wärmeerzeuger auswählen, der gerade am günstigsten heizt.
Eine bivalente Anlage mit einem zweiten fossilen Wärmeerzeuger benötigt Platz für den zweiten Wärmeerzeuger. Außerdem entstehen Kosten für die Emissionsmessung, den Schornsteinfeger, die Wartung sowie den Austausch bei Defekt des Brenners. Daher ist von Fall zu Fall abzuwägen, ob ein fossiler Zweitwärmeerzeuger so viel an laufenden Kosten spart, dass sich diese Lösung lohnt.
Luft-/Wasser-Wärmepumpen werden in der Regel für die bivalent-parallele Betriebsart dimensioniert, da die Effizienz der Wärmepumpe bei niedrigen Außentemperaturen sinkt. Ab einer bestimmten Temperatur kann dann der zweite Wärmeerzeuger zugeschaltet werden – ein Öl- oder Gas-Kessel bzw. in einem monoenergetischen Sys­tem der elektrische Heizstab.

Bild 7: Beispielauslegung eines Gebäudes mit 18 kW Heizlast bei –18°C Außentemperatur für eine monoenergetisch betriebene Luft-/Wasser-Wärmepumpe mit einem Bivalenzpunkt von –5°C.

Auf den Punkt
Der Bivalenzpunkt gibt an, bei welcher Außentemperatur die Zusatzheizung einschaltet. Er hat großen Einfluss auf die Auslegung der Wärmepumpe, aber auch darauf, wie groß der Anteil der genutzten kostenlosen Umweltenergie ist. Bei einer bivalenten Luft-/Wasser-Wärmepumpe sollte der Bivalenzpunkt so gewählt werden, dass eine optimale Effizienz der Anlage gewährleistet wird. Wird eine bestimmte Außentemperatur (z. B. -5 °C) unterschritten, schaltet sich die Zusatzheizung ein. Beide Wärmeerzeuger arbeiten dann parallel. Diese Betriebsart ist geeignet für alle Niedertemperatur-Heizungen bis zur maximalen Vorlauftemperatur der Wärmepumpe.
In Bild 7 ist ein Beispiel für die Auslegung einer bivalenten Wärmepumpe und die Bestimmung des Bivalenzpunktes dargestellt. Zunächst wird die Gebäudeheizlast nach DIN EN 12831 in das Leistungsdiagramm der Luft-/Wasser-Wärmepumpe eingezeichnet. Hier soll die Heizlast 18 kW bei der (standortabhängigen) Normaußentemperatur von -18 °C betragen. Dieser definierte Punkt wird mit dem Punkt aus den Koordinaten 15 °C/0 kW Heizleistung verbunden. Daraus entsteht eine diagonal von links oben nach rechts unten verlaufende Linie, die die vereinfachte Gebäude-Heizlastkurve darstellt.
Im Diagramm trägt man nun die Heizleistungskurven der zur Auswahl stehenden Wärmepumpen ein. Das können verschiedene Modelle sein oder verschiedene Leistungen derselben Wärmepumpe bei unterschiedlichen Vorlauftemperaturen. Im Beispiel (Bild 7) sind drei Modelle mit jeweils drei Vorlauftemperaturen abgetragen. Diese Heizleistungskurven werden vom Hersteller zur Verfügung gestellt.
Wo die vereinfachte Gebäude-Heizlastkurve die Heizleistungskurve schneidet, liegt der Bivalenzpunkt. Bei einer bivalenten Anlage ist ein energetisch sinnvoller Bivalenzpunkt zu wählen, ab dem der 2. Wärmeerzeuger die Heizleistung der Wärmepumpe unterstützt. Liegt dieser zwischen –3 °C und –7 °C, deckt die Zusatzheizung maximal 5 % des Gesamt-Wärmebedarfs ab. Zwischen -2 °C und +6 °C liegt der Anteil der Zusatzheizung bei 5 bis 10 %. Ein höherer Bivalenzpunkt ist in der Regel nicht zu empfehlen.
Bild 7 zeigt ein Beispiel, bei dem die Gebäude-Heizlastkurve die Leistungskurven der Wärmepumpe 3 bei ‑5 °C, Wärmepumpe 2 bei –2 °C und Wärmepumpe 1 bei +2 °C schneidet. Für einen möglichst großen Anteil kostenloser Umweltwärme wäre also Modell 3 zu empfehlen, während 2 und 1 immer noch 90 – 95 % der Wärme beisteuern.

Fazit
Höhere Wärmequellentemperaturen verbessern die Effizienz der Wärmepumpe. Daher sollten erdgekoppelte Systeme auch im Altbau in Erwägung gezogen werden. Wegen dem einfachen Einbau bieten sich aber gerade in der Sanierung auch Luft-/Wasser-Wärmepumpen an. Bei bivalenten Anlagen kann häufig der bestehende Wärmeerzeuger weiter verwendet werden. Außerdem kann dann die Wärmepumpe und auch die Wärmequelle kleiner ausgelegt werden. Hier sollte der Bivalenzpunkt so gewählt werden, dass die Wärmepumpe den größten Teil der Jahresheizarbeit leistet. So nutzt man möglichst viel der kostenlosen Erd- und Umweltwärme.

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