Auslegung von Wärmepumpenanlagen
Das Gesamtsystem bestimmt die Effizienz
Vor dem Hintergrund hoch gedämmter Gebäudehüllen mit entsprechend geringem Heizwärmebedarf setzen sich zunehmend elektrobetriebene Wärmepumpen als zentrale Wärmeerzeuger durch. Um die höchst mögliche Effizienz dieser Systeme zu gewährleisten, muss aber bei der Auslegung die Anlagentechnik in ihrer Gesamtheit – also beginnend bei der Wärmegewinnung über die Wärmeerzeugung und Speicherung bis zur Wärmeübergabe und Warmwasserbereitung – differenziert betrachtet und dann entsprechend geregelt werden. Darauf zielt auch die neue VDI 4645 ab, die aktuell in Arbeit ist.
Die Effizienz von Wärmpumpen wird über die Leistungszahl und/oder die Jahresarbeitszahl verglichen. Die erste Größe beschreibt das theoretische Potential des Gerätes in einem definierten Arbeitspunkt, die zweite stellt den erwarteten (Wärme-)Nutzen ins Verhältnis zum erwarteten (Strom-)Aufwand: Effizienz versus Effektivität. Beide Werte hängen zwar im Wesentlichen vom Temperaturhub ab – mit entsprechenden Vorteilen für die Wasser/Wasser-, eingeschränkter die Sole/Wasser-Wärmepumpen. Mindestens genauso entscheidend für die Effizienz ist aber die Feinabstimmung des Gesamtsystems aus Wärmeerzeugung, Wärmeverteilung und Wärmenutzung, so das Fraunhofer ISE Freiburg nach entsprechenden Feldstudien: Vor allem auf Seiten der Wärmesenke besteht in der Auslegung erhebliches Optimierungspotenzial, das durch eine ganzheitliche Planung des Wärmesystems sowie durch ebenfalls verbrauchsreduzierende Installationen weiter gesteigert werden kann.
Dazu gehört neben Hocheffizienzpumpen oder abgestimmten Speichern auch die optimierte Positionierung von Temperaturfühlern, eine lückenlose Dämmung und nicht zuletzt – insbesondere im Bestand – die einwandfreie Funktionalität der hydraulischen Bauteile.
Wärmeübergabe optimieren
Die Optimierung der Wärmeübergabe ist als erster Schritt grundlegend notwendig, um unabhängig von der Wärmequelle den Temperaturhub zu reduzieren. Klassischerweise geschieht dies – auf Basis einer Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 – durch eine großflächige Wärmeübergabe an den Raum, also mit geringen Vorlauftemperaturen und damit über eine Flächenheizung. Diese ist raumbezogen auszulegen.
Wird die pauschale Gebäude-Heizlast nur um 15 % falsch eingeschätzt, kann es im Vergleich zur präzise raumbezogenen Berechnung der Heizlasten massive Differenzen geben. Sie betragen je nach Raum zwischen 25 und 60 % – zu Ungunsten der Schätzung! Das entspricht einer von 45 auf 55 °C gegenüber der Auslegung zu verschiebenden Vorlauftemperatur.
Im Bestand, wo Flächenheizsysteme eher die Ausnahme sind, kann der gewünschte Effekt alternativ teilweise über den Austausch konventioneller Heizkörper durch solche mit energetisch optimierter, serieller Zwangsdurchströmung erreicht werden. Der Heizenergiebedarf des so aufgebauten und patentierten Heizkörpers „therm-x2“ von Kermi (www.kermi.de) liegt beispielsweise um bis zu 11 % niedriger. Die Aufheizzeit des zwangsdurchströmten Flachheizkörpers verringert sich außerdem um ein Viertel, während sich der Anteil der Strahlungswärme gleichzeitig fast verdoppelt.
Präzise Grundlagenermittlung
Von entscheidender Bedeutung ist im Zusammenhang der Wärmeübertragung an den Raum aber ebenso die Frage, inwieweit die Flächenheizung respektive der Flachheizkörper verlustfrei direkt von der Wärmepumpe aus angefahren werden kann oder ob ein Pufferspeicher zwischengeschaltet werden sollte. Letzteres verbessert die Laufzeiten, weil es das unwirtschaftliche Takten der Wärmepumpe verhindert, bringt aber zwangsläufig gewisse Speicherverluste mit sich. In der Praxis lassen sich diese reduzieren, wenn die Speicher konstruktiv eine temperaturgenaue Einschichtung des Wärmepumpenvorlaufes mit einem Minimum an Verwirbelungen gewährleisten. Kermi erreicht die temperaturgenaue Einschichtung bei dem „x-buffer Schichtenpufferspeicher“ zum Beispiel über einen Einströmdämpfer. Dieser entzieht dem von der Wärmepumpe kommenden Lademassenstrom beim Heizbetrieb die Bewegungsenergie und sorgt gleichzeitig dafür, dass der Vorlauf zum Heiznetz praktisch die gleiche Temperatur aufweist, wie der Lademassenstrom von der Wärmepumpe. Ein zweiter Einströmdämpfer weiter oben im Speicher sichert auch bei Trinkwassererwärmung eine verwirbelungsarme Beladung.
Die intelligente Speicher-Lösung als solche ist zugleich eng verknüpft mit der Frage der Trinkwassererwärmung. Soll die Wärmepumpe beide Funktionen (Heizwärme plus Trinkwassererwärmung) erfüllen, ist sie mit entsprechend größerer Heizleistung auszulegen.
Bei der Dimensionierung der Speicher sind darüber hinaus gegebenenfalls noch eventuelle Mindestlaufzeiten der Wärmepumpe, die möglicherweise bereitzustellende Abtauenergie bei Luft/Wasser-Wärmepumpen, und eventuelle Sperrfristen des Energieversorgers zu berücksichtigen. Zur Dimensionierung des Speichers wie auch zum notwendigen Zuschlag zur Leistung der Wärmepumpe wird es daher in der VDI 4645 geeignete Berechnungsverfahren geben.
Die präzise Grundlagenermittlung des Wärmebedarfs ist für die Auslegung von Wärmepumpenanlagen entscheidend, da jede spätere „Korrektur“ durch Erhöhung der Heizkurve automatisch mit erheblichen Effizienzeinbußen verbunden ist.
Alternativ: Wärmepumpe nur für Warmwasser
Um die schnell unwirtschaftliche Überdimensionierung der Wärmepumpe bei kombinierter Wärme-/Warmwasserbereitung zu vermeiden, bietet sich als Alternative die Installation einer gesonderten Trinkwasserwärmepumpe an. Besonders geeignet sind dabei speziell für solche Anwendungen optimierte Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Speicher als installationsfertige Einheit. Hoch effizient werden sie durch die Luft des Aufstellraumes oder die Abluft von KWL-Anlagen gespeist und reichen mit 150 bis 300 l Inhalt zur Versorgung von Ein- und Zweifamilienhäusern völlig aus.
Welches Konzept letztlich optimal geeignet ist, muss also im Einzelfall zwischen Nutzer/Auftraggeber und Planer und/oder ausführendem Fachhandwerker abgewogen werden, da speziell bei größeren oder öffentlich gewerblichen Objekten zudem Fragen der Trinkwasserhygiene und der „Gleichzeitigkeiten“ hineinspielen. Sie sind unter anderem in der VDI 6023 und den DVGW-Arbeitsblättern W 551 und W 553 (Trinkwasserhygiene) sowie in der EN 15450 (Zapfprofile) beschrieben.
Zwingend: Abgestimmte Steuerung
Komplett wird diese anlagentechnische Wärmeoptimierung im Heizungskeller letztlich aber erst durch eine Steuerung, die abgestimmt auf die temperaturentscheidenden Einflussgrößen das System aus Wärmeerzeugung, -speicherung und -übergabe an den Raum hoch effizient in einem sich permanent selbstoptimierenden Regelkreis fährt.
Bei konventionellen Regelungen erfolgt die Wärmebereitstellung allein über den Außentemperaturfühler. Sie ist damit zwar wetter-, aber nicht wirklich bedarfsgerecht. Deutlich effizienter ist die Kermi-Regelung „x-center x30“, die auf die aktuellen Referenzwerte der einzelnen Räume zurückgreift und auf der Grundlage einer hinterlegten Matrix die Vorlauftemperatur der Heizkreise auf den jeweils ungünstigsten Raumbedarf abstimmt. Wird dabei auch noch die Menge der im Speicher vorgehaltenen Wärmeenergie berücksichtigt, führt dies indirekt bis hin zu einer „Kesselbeeinflussung“, also ebenfalls optimierten Wärmepumpe-Laufzeiten. In der Summe bringt das eine zusätzliche Energieeinsparung von etwa 14 %, ermittelt durch eine Studie in Verbindung mit realem Betrieb einer Wärmepumpe an der TU Dresden.
Fazit
Angesichts immer besser gedämmter Objekte mit reduziertem Wärmebedarf, zudem der Forderung nach intensiverer Nutzung regenerativ erzeugten und damit volatilen Stroms werden Elektro-Wärmepumpen (Luft/Wasser bzw. Sole/Wasser) die markt-bestimmenden Wärmeerzeuger. Ihre Effizienz hängt aber entscheidend von einem ganzheitlichen Planungsansatz ab, bei dem sämtliche Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind – im Heizungskeller mit seiner Hydraulik genauso wie in der Wärmeübergabe. Ziel ist es dabei, den tatsächlichen Bedarf der Wärmeübergabe zu ermitteln, um einen möglichst niedrigen Temperaturhub zu erreichen. Wesentliche Einflussgrößen sind dabei die Wärmespeicherung und die Wärmeübertragung an den Raum. Im ersten Fall können konstruktiv entsprechend ausgelegte Pufferspeicher den energetischen Aufwand für die Bereitstellung der Wärme verringern. Im zweiten Fall sind es Wärmeverteilsysteme, die mit einer niedrigeren Vorlauftemperatur gefahren werden. Auf diese Systemkomponenten abgestimmte, spezielle Regelungen tragen zusätzlich zu einer Verringerung des Aufwandes bei der Wärmebereitstellung bei, beispielsweise durch eine direkte Beeinflussung der Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der jeweiligen Raumtemperatur.
