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4.3  Auslegung von Wärmepumpenanlagen

Im Unterschied zu Öl- oder Gasheizungen gibt es einige Besonderheiten bei der Planung von Wärmepumpenanlagen zu beachten, Praxis-Erfahrungen sollten vorhanden sein. Häufige Anfängerfehler sind mangelhafte Entlüftung der Anlage. Auf der Heizungsseite führt dies zu Hochdruckstörungen und auf der Wärmequellenseite zu Niederdruckstörungen oder im Extremfall zum Einfrieren des Verdampfers. Bei der Brauchwassererwärmung ist auf gute Schichtung zu achten, wenn das Brauchwasser über externe Wärmeaustauscher erhitzt wird. Bei innenliegenden Rohrwärmetauschern ist auf genügend große Heizfläche (Übertragungsleistung) zu achten.

Während bei herkömmlicher Heiztechnik eine Überdimensionierung des Wärmeerzeugers kaum vom Nutzer bemerkt wird und die Investitionskosten nur vergleichsweise geringfügig höher sind, schlägt dies bei einer Wärmepumpenanlage schon deutlich zu Buche.

Hinzu kommt noch die Tatsache, daß die von der Wärmepumpe erzeugte Wärmeenergie auch ständig abgeführt werden muß.

Während bei einem Ölheizkessel bei geringerer Wärmeabnahme die Vorlauftemperatur steigt, ist dies bei der Wärmepumpe nur in Grenzen möglich (je nach Kältemittel 55 bis 65°C), da gleichzeitig bzw. vorauseilend, der Druck im Kältemittelkreis stark ansteigt und der Verdichter durch die Sicherheitseinrichtungen abgeschaltet wird.

Um die Wärmeenergie vollständig abzuführen, ist ein bestimmter Mindestdurchsatz des Heizwassers zu garantieren. Die erzielbare Vorlauftemperatur ist bei der Auswahl und Dimensionierung des Verteilsystems zu beachten.

Eine Reduzierung der Kondensationstemperatur um 1 K bewirkt, je nach Verdichter und Kältemittel, eine Steigerung der Leistungszahl um bis zu 3,5 %. Noch wichtiger ist ein hoher Volumenstrom auf der Seite des Verdampfers (Wärmequelle). Hier wirkt sich eine Verringerung der Temperaturspreizung positiv auf die Erhöhung der Verdampfungstemperatur aus.

Ein Anstieg der Verdampfungstemperatur um 1 K bewirkt, je nach Verdichter und Kältemittel, eine Steigerung der Leistungszahl um bis zu 2,5 % und eine Erhöhung der Heizleistung um ca. 3%.
Das ist auch der Grund dafür, daß der Auslegung der Wärmequelle eine enorme Bedeutung zu kommt.

Ein großes Interesse der Energieversorger (EVU) an der Verbreitung von Wärmepumpen liegt darin begründet, daß der Strombezug während der Spitzenbelastungszeit unterbrochen werden kann und somit die Kraftwerksauslastung (Lastverteilung) günstiger gestaltet werden kann. Die Dauer der Unterbrechung kann täglich bis zu 3 x 2 Stunden betragen. Damit während dieser Zeit die Raumtemperatur nicht unverhältnismäßig stark absinkt, muß Wärmeenergie zuvor gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben werden können.

Wenn dies durch die Gebäudemasse, vorzugsweise Heizestrich der Fußbodenheizung, nicht ausreichend ist, muß dafür ein größerer Pufferspeicher verwendet werden.

Die Größe des Speichers ist wiederum abhängig von der Dauer der Sperrzeit, dem Normwärmebedarf des Gebäudes und der Speicherfähigkeit (Schwere) des Gebäudes.

Zur Ermittlung der notwendigen Heizleistung einer Wärmepumpe ist zunächst der Wärmebedarf des Gebäudes nach DIN 4701 zu ermitteln. Bei monovalent betriebenen Wärmepumpen müssen dann noch weitere Zuschläge berücksichtigt werden.

Da die Energie zur Aufheizung des Puffers zusätzlich zur Versorgung des Heizsystems im Auslegungsfall (bei -12°C bis -16°C, je nach Region) bereitgestellt werden muß, ist der Zuschlagfaktor für die Bestimmung der Heizleistung wie folgt zu ermitteln:

Formel 1

F = 1 + Summe der Sperrzeiten / 24h

Beispiel 1

Die gewählte Wärmepumpe muß bei der benötigten Vorlauftemperatur des Verteilsystems mindestens 9 kW Heizleistung besitzen. Bei zusätzlicher Warmwasserbereitung oder anderer Verbraucher muß ein entsprechender Zuschlag Berücksichtigung finden.

Als Richtwert für die Warmwasserbereitung wird mit einem weiteren Zuschlag von 175 bis 200 W pro Person gerechnet, der der ermittelten notwendigen Heizleistung noch hinzuzurechnen ist.
Der Zuschlag für die Brauchwassererwärmung kann u.U. dann entfallen, wenn ein Brauchwasserspeicher zur Anwendung kommt, der in Zeiten der Absenkung (z.B. Nachts) aufgeheizt wird.
Langjährige Erfahrungen des Autors sprechen jedoch für den Brauchwasserzuschlag, weshalb dieser auch im Programm mit 200 W/P Berücksichtigung findet.

Die Speichergröße kann überschläglich mit den folgenden Formeln ermittelt werden:

Formel 2

W = m * c * (T2 - T1)

und

Formel 3

W = P * t

Dabei bedeuten:

Beispiel 2

Ein Speicher mit 1200 l Wasserinhalt reicht aus, um den Wärmebedarf des Gebäudes im berechneten Auslegungsfall für 2 Stunden zu decken.
Da neben dem Pufferspeicher noch weitere Temperaturspeicher vorhanden sind, kann der Pufferspeicher entsprechend kleiner dimensioniert werden. Die Berücksichigung dieser zusätzlichen Speichermassen, wie z.B. Betonestrich bei Fußbodenheizungen, erfolgt mit Minderungsfaktoren.
Die Berechnung des Speicherinhalts wird vom Programm auf Grundlage der im "Buderus Handbuch für Heizungstechnik" (ISBN 3-410-13214-7, Beuth Verlag GmbH, 1994) veröffentlichten Formeln vorgenommen. Aus rechtlichen Gründen wird hier auf Zitate verzichtet, wir empfehlen aber zur Kontrolle der berechneten Ergebnisse sowie zum besseren Verständnis, dieses Handbuch als Arbeitsgrundlage zu verwenden.

Formel 5

Volumen (in Liter) = (10 bis 15) x Nennheizleistung der Wärmepumpe (in kW)

Für die Größenbestimmung der Wärmequelle ist zunächst die erforderliche Kälteleistung (Verdampferleistung Q0) der Wärmepumpe zu ermitteln. Falls diese nicht bekannt ist, kann sie aus den Herstellerangaben wie folgt berechnet werden:

Die Wärmequellenleistung muß mindestens so groß wie die Kälteleistung der Wärmepumpe sein. Bei Nutzung von Grundwasser als Wärmequelle ist der erforderliche Volumenstrom des Wassers zu ermitteln. Da Grundwasser in der Regel mit ca. 10°C zur Verfügung steht, kann wieder mit der Formel 2 gerechnet werden.

Beispiel 3

Bei Nutzung des Erdbodens als Wärmequelle ist die "spezifische Entzugsleistung" von entscheidender Bedeutung. Die für das Verlegen von Erdkollektoren erforderliche Geländefläche wird nach Formel 6 ermittelt.

Formel 6

Kollektorfläche A (m²) = Verdampferleistung Q0 (kW) / spez. Entzugsleistung qE (W/m²)

Die spezifische Entzugsleistung qE ist für unterschiedliche Bodenverhältnisse verschieden. Als Richtwert können folgende Werte angenommen werden:

Entsprechend den Ausführungen nach VDI 4640 gilt diese vereinfachte Berechnungsmethode nur für einfache Fälle, wie Beheizung von Einfamilienhäusern, wenn die Betriebsstunden von 1.800 h/a nicht überschritten werden und nur Wärmeentzug vorliegt (kein Wärmeeintrag z.B. durch Gebäudekühlung oder Solaranlagen). Bei Regenerierung der Wärmequelle können die Jahresbetriebsstunden entsprechend verlängert werden.
Bei längeren Laufzeiten ist die spezifische jährliche Entzugsarbeit des Kollektors zu berücksichtigen. Sie sollte zwischen 50 und 70 kWh/m² a liegen. Die Kontrolle dieser Werte erfolgt nach folgender Formel:

Formel 7

A = Q0m * t / QE

Dabei bedeuten:

Wenn der Jahres-Heizbedarf QH bekannt ist, z.B. aus dem Wärmeschutznachweis, kann die mittlere Kälteleistung Q0m nach folgender Beziehung näherungsweise ermittelt werden:

Formel 8 (in Abwandlung der Formel 5)

Q0 = QH * (AZ-1) / AZ

Durch Einsetzen in die Formel 7 ergibt sich folgender Ausdruck:

Formel 9

A = QH * (AZ-1) * t / (QE * AZ)

Beispiel 4

Um diese benötigte Fläche möglichst gut auszunutzen, ist der Verlegeabstand der PE-Rohre zwischen 60 und 80 cm zu wählen. Aus schon erwähnten Gründen sollte möglichst viel Rohr zur Verbesserung des Wärmeübergangswiderstandes (Wärmefluß vom Boden auf die Sole) eingesetzt werden. Es ist empfehlenswert, die ermittelte notwendige Entzugsfläche möglichst noch zu vergrößern.
Weitere Wärmequellen sind Außenluft (auch Abluft), Gewässer (fließend, ruhend, Abwässer), Abwärme.
Absorber können als flach verlegte Erdkollektoren, Erdsonden, Grabenkollektoren oder Massivabsorber ausgeführt werden.
Die Auslegung von Erdsonden ist wesentlich komplizierter als die Dimensionierung anderer Wärmequellen, da hierbei oft wesentliche Ausgangsdaten fehlen (z.B. spez. Entzugsleistung, Wärmeleitfähigkeit, Strömungsrichtung des Grundwassers u.s.w.).

Die spezifische Entzugsleistung (in W/m) kann mit Hilfe der VDI 4640 Bl. 2 ermittelt werden. (Aus rechtlichen Gründen können wir entsprechende Tabellen nicht veröffentlichen.)

Die anteilige Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe für die Wärmequelle, resultierend aus dem Druckverlust des Verdampfers der Wärmepumpe und dem Volumenstrom, kann ermittelt werden nach:

Formel 10

PUPQuelle = VWPQuelle * DpQuelle / hUPQuelle

Dabei bedeuten:


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