Differenzierte Auslegung von Wärmepumpen-Anlagen

Am Ende ist das Gesamtsystem entscheidend …

Elektrische Wärmepumpen sind gut für die Umwelt. Zum Glück werden sie beliebter und in immer mehr Gebäuden eingsetzt. Damit sie effizient arbeiten, muss allerdings bei der Auslegung der Anlage alles aufeinander abgestimmt sein. Der folgende Artikel beleuchtet die nötige Feinabstimmung näher. Damit steht dem umweltfreundlichen Heizen mit größter Effizienz nichts mehr im Weg!

Vor dem Hintergrund hoch gedämmter Gebäudehüllen mit entsprechend geringem Heizwärmebedarf setzen sich zunehmend elektrisch betriebene 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 BIM-Daten des Wärmespeichers
Quelle: Kermi GmbH
Die integrale Planung und Auslegung kompletter Wärmesysteme unterstützt Kermi nicht zuletzt durch die Bereitstellung der notwendigen Daten auch für BIM-Anwendungen.

Effizienz von Wärmepumpen

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-Wärmepumpen, eingeschränkter für die Sole/Wasser-Wärmepumpen.

Entscheidend für Effizienz ist auch das Gesamtsystem

Mindestens genauso entscheidend für die Effizienz ist aber die Feinabstimmung des Gesamtsystems aus Wärmeerzeugung, Wärmeverteilung und Wärmenutzung, so das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg, nach entsprechenden Feldstudien: Vor allem auf Seiten der Wärmesenke besteht in der Auslegung erhebliches Optimierungspotential, 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.

Heizkreisverteiler einer Fußbodenheizung.
Quelle: Kermi GmbH
Die Kombination von Wärmepumpen mit Fußbodenheizung gilt als Ideallösung. Für den Einsatz bei Renovierung und Sanierung entwickelt, bieten Systeme wie das Kermi- „x-net C13 Trockensystem“ – hier mit „x-net Wärmeleitblech Alu“ und spezieller Verteilerplatte – u. a. geringe Konstruktionshöhe und kurze Trockenzeiten.

Wird die pauschale Gebäude-Heizlast nur um 15 Prozent falsch eingeschätzt, kann es im Vergleich zur präzisen, raumbezogenen Berechnung der Heizlasten massive Differenzen geben. Sie betragen je nach Raum zwischen 25 und 60 Prozent – 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 Kermi-Heizkörpers „therm-x2“ liegt beispielsweise um bis zu elf Prozent niedriger. Die Aufheizzeit des zwangsdurchströmten Flachheizkörpers verringert sich außerdem um ein Viertel, während sich der Anteil der Strahlungswärme gleichzeitig fast verdoppelt.

Die „x-change WPS“-Sole/Wasser-Wärmepumpe und der Kermi-Heizkörper „therm-x2“,
Quelle: Kermi GmbH
Auch moderne Flachheizkörper lassen sich gut mit Niedertemperaturheizsystemen kombinieren. Im Bild: Die „x-change WPS“-Sole/Wasser-Wärmepumpe und der Kermi-Heizkörper „therm-x2“ mit energetisch optimierter, serieller Zwangsdurchströmung.

Schema der seriellen Zwangsdurchströmung des Heizkörpers.
Quelle: Kermi GmbH
Das Schema der seriellen Zwangsdurchströmung des Heizkörpers.

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 Vorlaufs der Wärmepumpe mit einem Minimum an Verwirbelungen gewährleisten.

Mittwoch, 14.09.2016

Von Harald Fonfara
Leiter Vorentwicklung und Patente, Kermi GmbH.