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HEIZUNG: Regenerative Energien: Für eine optimale Anlageneffizienz


IKZ Haustechnik - epaper ⋅ Ausgabe 10/2019 vom 24.05.2019

Was es bei der Planung von Wärmepumpenanlagen zu beachten gilt


Im Gegensatz zu konventionellen Gas- und Ölheizungen, die viel verzeihen, führt eine falsche Dimensionierung bei Wärme pumpenanlagen oder -komponenten zu unzureichender Heizleistung oder sogar Fehlfunktionen. Die Wärmepumpe heizt auf niedrigem Temperatur-Niveau und damit besonders effizient, reagiert deshalb dafür aber sensibler auf Fehler. Der Beitrag zeigt, worauf Heizungsbauer und Planer achten sollten.

Artikelbild für den Artikel "HEIZUNG: Regenerative Energien: Für eine optimale Anlageneffizienz" aus der Ausgabe 10/2019 von IKZ Haustechnik. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: IKZ Haustechnik, Ausgabe 10/2019

Wenn die Wärmepumpe weder optisch noch lärm- oder effizienztechnisch negativ auff ällt, dann haben Planer und Installateur alles richtig ...

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Bild: BWP

Niedrige Vorlauft emperaturen bzw. ein geringer Temperaturhub sind eine Grundvoraussetzung effizienter Wärmepumpenheizungen. Neben möglichst hohen Quellentemperaturen sind also auch möglichst geringe Temperaturen der Wärmesenken, also der Heizflächen, günstig. Diese müssen aber nicht unbedingt Flächenheizungen sein. Bestandsgebäude haben oft ausreichend große Heizkörper. Sollten einige Radiatoren zu klein sein, können diese gegen größere Heizkörper oder ggf. auch Gebläsekonvektoren ausgetauscht werden.

Eine Alternative kann auch der Einsatz eines hybriden Systems sein, bei dem ein Gasoder Ölkessel ab einer bestimmten Vorlauft emperatur die Spitzenlast abdeckt. Dabei kann es sich entweder um einen bestehenden Kessel oder auch um ein sogenanntes Hybridgerät handeln, in dem die Wärmepumpe und der Kessel gemeinsam verbaut sind.

Gerade bei der Kombination mit weiteren Wärmeerzeugern ist die richtige Hydraulik und regelungstechnische Verschaltung wichtig. Neben den Schemata im Leitfaden Hydraulik des Bundesverbands Wärmepumpe (BWP) bieten die Hersteller eine Auswahl von verschiedenen hydraulischen Plänen an. Auch die VDI 4645 beinhaltet bewährte StandardHydrauliken.

Höhere Volumenströme erforderlich

Bei Öloder Gasheizungen sind Spreizungen von 15 – 20 Kelvin (K) zwischen Vorund Rücklauf durchaus üblich. Bei einer Wärmepumpe führt eine hohe Spreizung jedoch zu Effizienzverlusten. Übliche Spreizungen liegen hier bei 5 – 7 K. Die geringeren Spreizungen erfordern zum Transport derselben Energiemengen höhere Volumenströme in den Heizungskreisläufen. Eine Überprüfung der Rohrdimensionierung, der hydraulische Abgleich des Rohrsystems und die Anpassung der Umwälzpumpe gehören bei der Umstellung auf ein Wärmepumpensystem zwingend dazu.

Ausreichende Laufzeiten sicherstellen

Auch bei der Trinkwassererwärmung ist eine sorgfältige Abstimmung erforderlich. Wenn beispielsweise der Warmwasserspeicher eine zu kleine Wärmeübertragungsfläche hat und dadurch nicht genügend Wärme von der Wärmepumpe abnehmen kann, beginnt diese zu takten. Der Planer sollte darauf achten, dass pro kW Heizleistung der Wärmepumpe eine Wärmeübertragerfläche von mindestens 0,25 m2 zur Verfügung steht.

Ebenso benötigt das Heizungssystem sowohl ein Mindestvolumen als auch einen notwendigen Mindestvolumenstrom. Beide müssen ausreichend groß sein, um die Mindestlaufzeit der Wärmepumpe zu gewährleisten. Das übliche Mindestvolumen liegt bei etwa 3 bis 5 l je kW Heizleistung. Bei Luft/WasserWärmepumpen sind deutlich größere Volumina notwendig, wenn damit der Verdampfer abgetaut werden muss. Bezüglich der Mindestvolumenströme sind die Angaben des Herstellers zu beachten. Bei Anlagen ohne Pufferspeicher sollten geeignete Maßnahmen getroffen werden, um den Mindestvolumenstrom zu gewährleisten. Denkbar ist hier ein Heizkreis, der nicht über eine Raumtemperaturregelung gedrosselt, sondern direkt über den Wärmepumpenregler geregelt wird. Auch der Einsatz von Überströmventilen ist denkbar. Die Mindestlaufzeit ist nicht nur für einen effizienten Betrieb notwendig, sondern auch für die Schmierung des Verdichters, da es einige Minuten dauert, bis das im Kältemittel enthaltene Öl alle wichtigen Stellen im Kreislauf erreicht. Beim Einsatz von Pufferspeichern können diese bei Anlagen bis 50 kW Wärmeleistung im Auslegungspunkt nach VDI 4645 überschlägig folgendermaßen dimensioniert werden:
• für die Erhöhung der Laufzeit der Wärmepumpe im Teillastfall, die Verringerung der Schalthäufigkeit und die Pufferung von Wärme für den Abtauprozess mit 20 l/kW Leistung im Auslegungspunkt,
• zur Überbrückung von Sperrdauern werden je kW Wärmepumpenleistung und Stunde Sperrdauer 30 bis 40 l Speichervolumen empfohlen.

Erdgekoppelte Systeme

Sondenlängen und Kollektorfläche

Bei erdgekoppelten Wärmepumpen müssen die Sondenlängen bzw. die Kollektorfläche zur Wärmepumpe und zum Heizwärmebedarf des Gebäudes passen. Sind die Sonden zu kurz oder die Fläche des Kollektors zu klein dimensioniert, so kann von ihnen nicht genügend Wärme erschlossen werden. Eine zu hohe Entzugsleistung des Bodens wirkt sich negativ auf die Anlageneffizienz aus. Die korrekte Auslegung erfolgt bei kleineren Anlagen entweder vereinfacht nach VDI 4640 Blatt 2 oder durch fundierte Planung eines spezialisierten Planungsbüros. Bei größeren Anlagen ist auch die Durchführung von Thermal Response Tests zu empfehlen, bei denen die Untergrundverhältnisse nicht nur abgeschätzt, sondern durch Messungen bestimmt werden.

Es gibt zahlreiche Einflussgrößen auf die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe und nicht alle davon sind auf die Qualität der Installation zurückzuführen. Das ändert aber an der Bedeutung einer korrekten Planung und Installation nichts.


Bild: BWP

Wärmeträgerflüssigkeit

Die Wärmeträgerflüssigkeit im Solekreislauf verhält sich durch den Zusatz von Glykol anders als „normales“ Heizungswasser. Dies muss auch bei der Auswahl des Ausdehnungsgefäßes berücksichtigt werden. Eine falsche Dimensionierung kann zu starken Druckschwankungen im System führen. Eventuell kann Wärmeträgerflüssigkeit über das Sicherheitsventil entweichen, was zu Störabschaltungen führen kann. Es sollten also das korrekte Ausdehnungsvolumen ermittelt und folgende Punkte beachtet werden:

Wenn der Warmwasserspeicher eine zu kleine Wärmeübertragungsfläche hat und dadurch nicht genügend Wärme von der Wärmepumpe abnehmen kann, beginnt diese zu takten.


Bild: Glen Dimplex / BWP

Die VDI-Richtlinie 4645 beinhaltet Standard-Hydrauliken zu Wärmepumpen-Anlagen.


Bild: BWP

• Ausdehnungsgefäße für Heizungsanlagen sind meist nicht geeignet, auf die Eignung für die notwendige Frostschutzmittelkonzentration ist zu achten.
• Die Montage sollte am höchsten Punkt der Solevorlaufleitung erfolgen.
• Auch die Pumpe im Solekreislauf ist korrekt zu dimensionieren, um dem Erdreich die erforderliche Leistung entziehen zu können und dabei zu hohen Pumpenstrombedarf zu vermeiden.

Die Installation einer Luft/Wasser-Wärmepumpe ist nicht nur verbunden mit der Frage nach technischer Effizienz. Die Frage des richtigen Aufstellorts aus Schallschutzgründen ist genauso wichtig.


Bild: BWP

Aufstellort von Luftwärmepumpen

Ein wichtiger Faktor bei Luft/WasserWärmepumpen ist deren Aufstellort. Zu beachten sind hierbei zunächst die örtlichen Bauvorschriften bzgl. der Grenzabstände. Des Weiteren ist bei der Außenaufstellung wichtig, dass anfallendes Kondensat problemlos abgeführt wird, z. B. versickern kann. Der Aufstellort sollte so gewählt werden, dass die Wärmepumpe vor Schmutz und Schneeaufbau geschützt ist, und durch die Anordnung der Ausblasrichtung sollte die Vereisung von Wegen vermieden werden.

Ganz entscheidend bei der Aufstellung ist die Beachtung des Schallschutzes. Dabei müssen vor allem die Anforderungen der Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) eingehalten werden. Die darin vorgesehenen Regelungen haben das Ziel, die Nachbarschaft vor schädlichen Einflüssen zu schützen. Es werden je nach Gebietskategorie unterschiedliche Richtwerte für die maximalen Schallimmissionspegel angegeben, die an den maßgeblichen Immissionsorten (0,5 m vor dem geöffneten Fenster des am stärksten betroffenen schutzbedürftigen Raumes) auftreten dürfen. Die Richtwerte sollten nach Möglichkeit um 6 dB(A) unterschritten werden, da weitere Schallquellen auf den Immissionsort einwirken können. Die VDI 4645 und der BWP-Leitfaden Schall geben hierzu ausführliche Erläuterungen.

Unter www.waermepumpe.de/schallrechner ist ein Tool zu finden, mit dem der Beurteilungspegel beziehungsweise der notwendige Abstand zum maßgeblichen Immissionsort ermittelt werden kann. Grundsätzlich sollte ein größtmöglicher Abstand zu schutzbedürftigen Räumen gewählt werden und die Ausblasrichtung von diesen abgewandt sein. Die Abschirmung durch das eigene Gebäude kann genutzt werden, Reflektionen an schallharten Flächen sollten möglichst vermieden werden. Die Freiaufstellung ist der Aufstellung an einer Wand oder gar in einer Ecke vorzuziehen. Gegebenenfalls müssen ein leiseres Gerät gewählt oder weitere Schallschutzmaßnahmen (Dämmhaube, Schallschutzwand etc.) vorgenommen werden. Entscheidend für die Ermittlung des Beurteilungspegels ist nicht der auf dem Ener gylabel angegebene Schallleistungswert, da dieser u. U. deutlich unter dem tatsächlichen Maximalpegel liegen kann. Im Schallrechner des BWP sind deshalb für alle Geräte die tatsächlichen Maximalpegel im Tagund im Nachtbetrieb angegeben. Bei sämtlichen Wärmepumpensystemen sollte zudem eine gute Schallentkopplung zum Gebäude vorgenommen werden, um Körperschallübertragungen vorzubeugen.

Fazit

Durch eine sorgfältige Planung der Anlage können spätere Effizienzverluste, Störungen und sonstige Unregelmäßigkeiten vermieden werden. Die VDI-Richtlinie 4645 liefert dazu eine genaue Anleitung und hilft mit Ablaufplänen, Checklisten und Beispielberechnungen. Außerdem bietet die Weiterbildung zum „Sachkundigen für Wärmepumpensysteme“ Handwerkern und Planern, die sich mit Wärmepumpenanlagen beschäftigen, eine wertvolle Grundlage für die professionelle Installation von Wärmepumpensystemen.

Autor: Alexander Sperr, Referent für Normung & Technik beim Bundesverband Wärmepumpe (BWP)

Noch kein Ausbildungsschwerpunkt

Zur Verbesserung der Qualität der Wärmepumpenanlagen in der Praxis wurde die VDI-Richtlinie 4645 und ein zugehöriges Schulungskonzept erarbeitet. In der Richtlinie ist ausführlich beschrieben, worauf bei Wärmepumpenanlagen besonders zu achten ist. Seit Mitte 2018 werden Schulungen auf Grundlage der VDI 4645 angeboten. Sie werden von zertifizierten VDI-Schulungspartnern durchgeführt (z. B. Handwerkskammern).