Planung von Wärmepumpenanlagen

Derzeit erarbeitet der VDI (Verein Deutscher Ingenieure) eine Richtlinie, die Wärmepumpen zum Gegenstand hat. Gegen Ende dieses Jahres – so die Planungen – soll die VDI 4645 im Entwurf erscheinen. Der Arbeitskreis verfolgt das Ziel, die im Markt vorhandenen Unsicherheiten bei der Planung und Ausführung von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen zu beseitigen. Denn ganz gleich, ob es sich um einen Neubau oder eine Modernisierung handelt: Die ökonomischen und ökologischen Vorteile einer Wärmeerzeugung mit Wärmepumpe gegenüber Anlagen mit fossilen Brennstoffen kommen nur dann zum Tragen, wenn die Anlagen sorgfältig geplant und installiert wurden und anschließend auch richtig betrieben werden.

Planung ist wichtig
In einer Reihe von Studien wird immer wieder darauf hingewiesen, dass bezüglich der Gesamtsystemeffizienz von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen als Wärmeerzeuger noch „reichlich Luft nach oben“ vorhanden ist. An dieser Stelle sei verwiesen auf den Wärmepumpen-Monitor des Fraunhofer ISE1) mit der Kernaussage „Eine direkte Korrelation (... der Arbeitszahlen) zum Temperaturhub ließ sich nur schwer darstellen, was ein deutlicher Hinweis darauf ist, dass weitere Effekte diesen physikalischen Zusammenhang überlagern.“ Und diese „weiteren Effekte“ sind offensichtlich Planung, Ausführung und Betrieb der Anlagen zuzurechnen. Denn alle verbauten Geräte und Komponenten entsprachen dem jeweiligen Serienstand.
Diese Erkenntnis des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE kann auch so interpretiert werden: Die ermittelten Jahresarbeitszahlen waren nicht geeignet, die Anlagen mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe sauber von denen mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe zu unterscheiden. Hier besteht im Markt Handlungsbedarf, denn genau diese Unterscheidung müsste möglich sein.
Unter Führung der VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt arbeitet eine Gruppe von Fachleuten aus Industrie und Lehre unter Leitung von Dr.-Ing. Peter Göricke an einer VDI-Richtlinie, die alle relevanten Schritte bei Planung und Installation einer Heizungsanlage mit einer Wärmepumpe als Wärmeerzeuger betrachtet (VDI 4645). Der gesamte Planungsprozess, beginnend bei den notwendigen Voruntersuchungen und den erforderlichen Genehmigungen, über alle Schritte einer Grundlagenermittlung und über die Detailplanung bis hin zur Inbetriebnahme der Anlage und Unterweisung des Nutzers wird übersichtlich und klar gegliedert beschrieben. Besonderen Raum nehmen im Richtlinientext Hinweise zum Zusammenspiel aller Komponenten der Gesamtanlage mit der Wärmepumpe als Wärmeerzeuger ein – immer mit Blick auf die besonderen Funktionsanforderungen einer Wärmepumpe. Ergänzt wird der Textteil durch einen umfangreichen Anhang mit Checklisten, Auslegungshinweisen und -beispielen, Vorschlägen zur Anlagenoptimierung, Ablaufdiagrammen zu den Planungsschritten, hydraulischen Schaltungen mit Hinweisen zu Einsatzfällen sowie eine Reihe von Beispielrechnungen.

Wahl der Wärmequelle
Aber wo liegen die „Fettnäpfchen“ und „Fallstricke“ bei Wärmepumpenanlagen? Die der Dimensionierung einer Wärmepumpenanlage stets vorausgehende Grundlagenermittlung wird in ihrer Bedeutung häufig unterschätzt. Das beginnt schon bei der Bestandsaufnahme: Ist beispielsweise das Grundstück zu klein oder der Boden trocken-kiesig, scheiden Erdkollektor, Erdkörbe usw. aus. Mit solcherart Energiequelle hätte der spätere Nutzer wenig Freude, weil die Entzugsleistung nur selten oder gar nie erreicht würde. Das hätte entsprechende Folgen auf den Stromverbrauch. Die gleiche Aussage gilt für zu knapp dimensionierte Erdsonden, die zwar günstiger in der Anschaffung sind, aber später dem Nutzer teuer zu stehen kommen.
Je nach favorisierter Wärmequelle (Erdwärmesonde, Erdwärmekollektor, Grundwasser, Außenluft, usw.) sind in der VDI 4645 deren jeweilige Besonderheiten aufgelistet. Für die genaue Dimensionierung der Wärmequellen Erdwärme und Grundwasser wird auf die Blätter 1 und 2 der VDI 4640 verwiesen. Für die Wärmequelle Außenluft sind zahlreiche Anforderungen formuliert, die für einen sicheren Betrieb unerlässlich sind, z. B. bei der Innenaufstellung die Dimensionierung der Luftkanäle oder die Lage der Ansaug- und Ausblasöffnung zueinander oder bei der Außenaufstellung bzw. einer Split-Installation die Problematik der Schallausbreitung im Gelände.
Ebenso wichtig wie die Wahl der richtigen Wärmequelle ist die Berechnung der Heizlast nach einem anerkannten Verfahren, z. B. nach der DIN EN 12831 – ganz gleich, ob ausführlich oder nach dem Kurzverfahren berechnet. Diese wiederum sind Basis für die Dimensionierung der Wärmeübergabe. Geschätzte Heizlasten beinhalten das Risiko der Fehldimensionierung sowohl der Wärmepumpe als auch der Wärmeübergabeeinrichtungen, mit allen fast immer negativen Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage.

Maßnahmen auf der Senkundärseite
Zur Erreichung einer hohen Effizienz der Wärmepumpe muss die Vorlauftemperatur im Heizbetrieb möglichst niedrig gehalten werden. Dies ist bei der Auslegung der Wärmeübergabesysteme zu beachten. Für Flächenheizungen werden in Abhängigkeit von der Raumzuordnung die Verlegeabstände empfohlen, die in Tabelle 1 zusammengefasst sind.
Bei korrekter Dimensionierung und Beachtung des Grundsatzes „für Wärmepumpen sind niedrige Vorlauftemperaturen von Vorteil“ spricht nichts gegen den Einsatz von Heizkörpern. Dies ist einerseits bei Modernisierungen im Bestand und andererseits bei Räumen mit besonderen Anforderungen an die Aufheizgeschwindigkeit bzw. zeitliche Nutzung von Bedeutung. Für den Einsatz von Heizkörpern in Verbindung mit Wärmepumpen hat Kermi bei allen mehrlagigen Flachheizkörpern eine serielle Durchströmung integriert („x2“-Technologie). Dabei durchströmt das Heizungswasser zunächst die Vorderseite, dann die Rückseite. Dies hat sich bei Wärmepumpenanwendungen mit ihren tendenziell niedrigeren Vorlauftemperaturen als besonders vorteilhaft erwiesen. Die VDI 4645 enthält im Anhang ein Rechenbeispiel für die Optimierung der Vorlauftemperatur bei der Dimensionierung der Wärmeübergabe.

Trinkwassererwärmung
Ein weiteres wichtiges Thema bei der Planung von Wärmepumpenanlagen ist die Art der Trinkwassererwärmung. Hygiene- und Komfortansprüche befinden sich im direkten Konflikt mit den Anforderungen an einen wirtschaftlichen Betrieb der Wärmepumpe. Prinzipiell stehen folgende Optionen zur Verfügung:

• Die Heizungswärmepumpe übernimmt auch die Trinkwassererwärmung. Sie muss deshalb über eine entsprechend größere Heizleistung verfügen.
  – Die Speicherung der Wärme für die Trinkwassererwärmung erfolgt entweder als warmes Trinkwasser im Warmwasserspeicher oder
  – die Wärme für die Trinkwassererwärmung wird als Heizungswasser gespeichert und bei Bedarf im Durchlaufprinzip entnommen (Frischwassersystem).
• Die Trinkwassererwärmung wird von einer gesonderten Trinkwasserwärmepumpe übernommen. Bei dieser Bauart bildet eine speziell für diese Anwendung optimierte Wärmepumpe meist direkt mit dem Trinkwarmwasserspeicher eine Einheit. Die Installation ist deshalb besonders einfach. Die Speicher sind mit 150 bis 300 l für die allermeisten Anwendungen im Ein- und Zweifamilienhaus ausreichend. Als Wärmequelle dient die Luft des Aufstellraums bzw. die Abluft von Wohnungslüftungsanlagen. Ebenso sind die Nutzung des Heizungsrücklaufs und die Nutzung von Außenluft möglich.

Hier muss der Planer bzw. Handwerksunternehmer in Abstimmung mit dem Nutzer oder Auftraggeber abwägen, welches Konzept am besten den heutigen und ggf. auch künftigen Nutzeranforderungen gerecht wird. Sowohl für die Dimensionierung der Speicher als auch die Festlegung des für die Trinkwassererwärmung erforderlichen Zuschlages zur Leistung der Wärmepumpe werden in der VDI 4645 Berechnungsverfahren aufgezeigt. Im Zusammenhang mit der Dimensionierung von Speichern in Wärmepumpenanlagen ist in der VDI-Richtlinie auch die mögliche Einbindung von Solarenergie beschrieben.

Erstellung des Anlagenkonzeptes
Sind alle Informationen zusammengetragen, kann ein Anlagenkonzept erstellt werden:

• Je nach Randbedingungen ist nunmehr möglich, ein oder mehrere Anlagenkonzepte inklusive ihrer hydraulischen Schaltungen zu betrachten.
• Gegebenenfalls sind mehrere mögliche Konzepte bzgl. ihrer energetischen Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu vergleichen.
• Für Förderanträge oder Nutzervorgaben können energetische und ökologische Bewertungen des festgelegten Wärmepumpensystems erfolgen.
• Ebenso ist nunmehr eine Kostenschätzung möglich.
• Schlussendlich kann in Abstimmung mit dem Kunden das geplante Wärmepumpensystem festgelegt werden.
• Damit wird die Erstellung der Genehmigungsanträge möglich und
• die Basis für die Detailplanung geschaffen.

Die Detailplanung folgt den Schritten der Grundlagenermittlung. Allerdings sind die dort zulässigen vereinfachten Verfahren, beispielsweise bei der Annahme der Entzugsleis-
tung von Wärmequellen im Erdreich oder bei der Berechnung der Raumheizlast, nicht mehr anwendbar. Für die möglichen Folgen von geschätzten Raumheizlasten sind vom Autor vor einiger Zeit beispielhaft die Raumheizlasten an einem älteren, aber von den Eigentümern nach und nach energetisch verbesserten Zweifamilienhaus (Baujahr 1984, beheizte Gebäudefläche 316 m2) berechnet worden. Die Ergebnisse verdeutlichen das oben beschriebene Problem der „geschätzten“ Raumheizlasten:

• Abschätzung der Gebäude-Heizlast gemäß DIN EN 15378. Ergebnis: Heizlast ca. 14 kW. Die Nachrechnung mit einer zertifizierten Software ergab als Ergebnis ca. 12 kW. Beide Heizlasten liegen dicht beieinander.
• Bezogen auf die beheizte Fläche im Gebäude bedeutet dies ca. 37 W/m2.
• Wird nun, wie leider immer wieder praktiziert, dieser Wert pauschal auf alle Räume angewendet, ergäbe sich beispielsweise:
  – Für eines der beiden Badezimmer des Hauses (9,5 m2) eine Heizlast von ca. 350 W. Tatsächlich wirft die raumweise Berechnung einen Wert von 550 W aus. Dies sind 57 % mehr.
  – Für eines der beiden Wohnzimmer des Hauses (25 m2) ergäbe das eine Heizlast von ca. 925 W. Tatsächlich ergibt die raumweise Berechnung einen Wert von 1235 W. Dies sind 33 % mehr.
  – Für eine der beiden Küchen des Hauses (16 m2) ergäbe die pauschale Anwendung von 37 W/m2 eine Heizlast von ca. 590 W. Tatsächlich ergibt die raumweise Berechnung wegen der Lage im Dachgeschoss einen Wert von 1190 W. Dies sind sogar 100 % mehr.
  – Und bei einem der Kinderzimmer des Hauses läge die berechnete Heizlast bei ca. 30 W/m2 statt der pauschal angesetzten 37 W/m2. Da liegt der pauschale Ansatz ca. 23 % drüber.
• Die Heizflächenauslegung mit pauschal 37 W/m2 würde unweigerlich dazu führen, dass der Endnutzer eine Heizkurve wählen müsste, deren Vorlauftemperatur im Auslegungsfall ca. 55 °C statt 45 °C beträgt. Die erwartete Jahresarbeitszahl SCOP der Anlage würde deutlich schlechter ausfallen als geplant und erhofft. Die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe gegenüber anderen Energieträgern wäre nicht mehr gegeben – von der Erreichung geplanter Energieziele ganz zu schweigen.
• Aber nicht nur die Heizflächen wären falsch dimensioniert. Auch der hydraulische Abgleich würde auf Basis fal­scher Annahmen nicht das leisten, wozu er gedacht ist.
• Dies würde prinzipiell auch gelten, wenn statt mit Heizkörpern alle Räume nachträglich mit einer Fußbodenheizung ausgestattet worden wären. Eine fehlerhafte Dimensionierung auf Basis der zu niedrig angenommenen Heizlasten würde auch in diesem Falle eine Erhöhung der Vorlauftemperatur erfordern.

Wie das Beispiel zeigt, sind überschlägig berechnete Heizlasten und danach dimensionierte Heizflächen problematisch. Anders als bei Wärmeerzeugern mit Verbrennungstechnik ist bei Wärmepumpen eine spätere „Korrektur“ mittels Erhöhung der Heizkurve mit erheblichen Effizienzeinbußen verbunden.
Einige ergänzende Informationen zum hier aufgeführten Beispielgebäude:

• Vor der Modernisierung der Heizungsanlage wurde das Haus mit Elektro-Nachtspeicheröfen beheizt.
• An die Stellen der Nachtspeicheröfen wurden gemäß errechneter Heizlast korrekt dimensionierte „therm-x2“-Flachheizkörper mit auf die Heizleistung voreingestellten Ventilen positioniert (Kermi).
• Die Auslegungsvorlauftemperatur wurde mit 45 °C bestimmt.
• Um einen möglichst kontinuierlichen Betrieb der Wärmepumpe zu gewährleisten, sind Wärmeabnahme und Wärmeerzeugung über einen Kombi-Pufferspeicher mit 1000 l Inhalt hydraulisch getrennt („x-buffer“ von Kermi).
• Die Trinkwassererwärmung erfolgt mittels Frischwasserstation über den Kombispeicher.
• Die Wärmeerzeugung übernimmt eine Sole/Wasser-Wärmepumpe („x-change WPS 20“, Kermi), als Wärmequelle dienen 2 Erdsonden zu je 99 m.
• Die jährlichen Heizkosten liegen inkl. Trinkwassererwärmung bei ca. 1000 Euro.

Im nächsten Teil werden die Wahl und Dimensionierung der Komponenten behandelt. Des Weiteren wird auf die Besonderheiten der verschiedenen möglichen hydraulischen Schaltungen eingegan-
gen.

¹) Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
www.wp-monitor.ise.fraunhofer.de

Literatur:
[1] VDI 4640 Blatt 1: Thermische Nutzung des Untergrunds – Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte
[2] VDI 4640 Blatt 2: Thermische Nutzung des Untergrunds – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen
[3] DIN EN 12831: Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast
[4] DIN EN 15378: Heizungssysteme in Gebäuden – Inspektion von Kesseln und Heizungssystemen. Anm.: Im Anhang der Norm finden sich Grafiken, mit denen über die beheizte Fläche und die Baualtersklasse des Gebäudes die Heizlast abgeschätzt werden kann.

Autor: Dipl.-Ing. Harald Fonfara, Leiter Vorentwicklung und Patente der Business-Unit Heiztechnik, AFG Arbonia-Forster-Holding AG (c/o Kermi GmbH, Plattling)

Bilder: Kermi

www.kermi.de