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.

Im ersten Teil des Artikels¹) wurden die im Entwurf der VDI 4645 beschriebenen Planungsschritte Grundlagenermittlung, Entwurf Anlagenkonzept, Detailplanung behandelt. Dabei kristallisierte sich heraus, dass die Bedeutung einer korrekten Heizlastberechnung und die sich darauf aufbauende Dimensionierung der Heizflächen inklusive der Wahl der erforderlichen Vorlauftemperatur besonders wichtig sind. Der zweite Teil des Artikels widmet sich der in der VDI 4645 beschriebenen Vorgehensweise bei der Wahl und Dimensionierung der wesentlichsten Komponenten der Heizungsanlage und den dort gegebenen Empfehlungen für hydraulische Schaltungen. Zusätzlich sind den Themen Inbetriebnahme und Unterweisung sowie Wartung und Inspektion gesonderte Kapitel mit Handlungsempfehlungen gewidmet.

Trinkwassererwärmung
Für die Berücksichtigung der Trinkwassererwärmung schlägt die VDI 4645 zwei alternative Vorgehensweisen vor: einmal ein vereinfachtes Verfahren für kleinere Anlagen wie Einfamilienhäuser und zum anderen eine ausführliche Ermittlung der Zapfprofile, wie sie z. B. in der EN 15450 dargestellt sind. Der Bedarfsermittlung folgt die Bestimmung des erforderlichen Speichervolumens. Zu beachten ist, dass Speicher- und andere Verluste, z. B. durch Zirkulation oder das Verhalten der Schichtung beim Nachladen bzw. Entladen, über zusätzliche Faktoren Berücksichtigung finden.
Für die gebräuchlichsten Arten der Trinkwassererwärmung ist die Vorgehensweise beschrieben. Dies ist zum einen die Speicherung von erwärmtem Trinkwasser (Bild 1) und zum anderen die Speicherung von Heizungswasser (Bild 2). Im Fall der Heizungswasserspeicherung wird das Trinkwasser während des Zapfvorgangs erwärmt (Frischwassersystem). Dies erfolgt entweder an zentraler Stelle – am Speicher – oder dezentral in der Nähe der einzelnen Warmwasserentnahmestellen. Ein ausführliches Rechenbeispiel in Anhang K2 der VDI 4645 baut darauf auf. Schluss­endlich kann mit den ermittelten Werten der für die Trinkwassererwärmung zu berücksichtigende Leistungsanteil der Wärmepumpe bestimmt werden. Auch hierfür bietet die VDI 4645 ein Verfahren an.

Auswahl der Wärmepumpe
Für die Dimensionierung der Wärmepumpe ist, wie beispielhaft Bild 3 zeigt,  die niedrigste Außentemperatur heranzuziehen. Bei monovalenter Betriebsweise (z. B. rein elektrisch) entspricht dieser der Norm-Außentemperatur. Bei bivalenter Betriebsweise (mit einem zweiten Heizkessel) ist die Festlegung eines Bivalenzpunktes erforderlich. Dieser wird je nach konkretem Anwendungsfall durch die Betriebsgrenzen der Wärmepumpe beeinflusst, z. B. durch die bei einer bestimmten Außentemperatur gerade noch erreichbare Heizleis­tung oder die vom Wärmeübergabesystem erforderliche und von der Wärmepumpe effizient erreichbare Vorlauftemperatur.
Je nach Betriebsweise (monovalent oder bivalent) zeigt Bild 4 die prinzipiellen Zusammenhänge und erleichtert das Verständnis für die unterschiedlichen Betriebsweisen. Die beiden Diagramme beziehen sich auf die Betriebsweise von Luft/Wasser-Wärmepumpen. Das Bild links zeigt den prinzipiellen Verlauf der Heizlast und der Heizleistung der Wärmepumpe in Abhängigkeit der Außentemperatur. Im rechten Bild hingegen sind die Laufzeit(-en) des oder der Wärmeerzeuger in Abhängigkeit von der Außentemperatur dargestellt.
Aus dem linken Teil des Bildes 4 ist ebenfalls ersichtlich, dass bei einer leis­tungsgeregelten Wärmepumpe die Heizleistung mit sinkender Außentemperatur ansteigt und sie idealerweise der Heizlast des zu versorgenden Gebäudes folgt. Mit steigenden Außentemperaturen sinkt die Leistung der Wärmepumpe. Jedoch wird ab einer bestimmten Außentemperatur die Grenze der Modulation erreicht: Die Leis­tung der Wärmepumpe steigt dann trotz Betriebs in ihrer niedrigsten Modulationsstufe infolge steigender Quellentemperatur wieder an.
Aus dem rechten Teil des Bildes 4 ist erkennbar, dass die Wärmepumpe so dimensioniert wurde, dass die gesamte Jahresheizarbeit gedeckt wird. Ein zweiter Wärmeerzeuger ist also nicht erforderlich.
Bild 5 zeigt die Zusammenhänge bei zwei Wärmeerzeugern/Wärmepumpen. Aus dem linken Teil ist ersichtlich, dass bei der verwendeten Wärmepumpe – fest eingestellte Leistung – bei der Wärmequelle Luft die Leistung mit sinkender Außentemperatur ebenfalls sinkt. Im Bivalenzpunkt B schneidet die Leistungskurve der Wärmepumpe die Kurve der Heizlast. Somit ist bei weiter fallenden Quellentemperaturen ein zweiter Wärmeerzeuger erforderlich. Sinkt die Außentemperatur weiter bis zum Abschaltpunkt A ab, übernimmt der zweite Wärmeerzeuger die gesamte Versorgung. Diese Vorgehensweise macht bei folgenden Situationen Sinn:

• wenn die Wärmepumpe keine niedrigeren Quellentemperaturen als die am Abschaltpunkt A zulässt,
• wenn die Dimensionierung der Wärmeübergabe bei weiter fallenden Außentemperaturen höhere Vorlauftemperaturen erfordert als vom Kältekreis erbracht werden können,
• wenn der Betrieb der Wärmepumpe dann unwirtschaftlich wird.

In dem rechten Teil von Bild 5 sind die aus dem Zusammenspiel der beiden Wärmeerzeuger resultierenden Laufzeiten in Abhängigkeit von der Außentemperatur aufgetragen. Eine Tabelle im Anhang G der VDI 4645 gibt Aufschluss über die aus den gewählten Parametern resultierenden Deckungsanteile der Wärmepumpe und des zweiten Wärmeerzeugers an der Jahresheizarbeit.

Wärmespeicher
Für die Bestimmung der Speichervolumina beschreibt die VDI-Richtlinie die Vorgehensweise und berücksichtigt dabei die Mindestlaufzeit der Wärmepumpe und die bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe erforderliche Abtauung. Darüber hinaus werden für einen monovalenten Betrieb abhängig von den vorliegenden Randbedingungen Dimensionierungsempfehlungen für Wärmespeicher gegeben. Gründe für einen Wärmespeicher können neben der Sicherung der Mindestlaufzeit und der Bereitstellung der Abtauenergie beispielsweise Vorgaben des Nutzers zur Überbrückung von Sperrdauern des Energieversorgers sein. Im Anhang der Richtlinie wird für die genannten Fälle das Vorgehen anhand eines Beispiels erläutert.

Inbetriebnahme und Unterweisung
Das Kapitel „Inbetriebnahme/Unterweisung“ der VDI-Richtlinie 4645 beschreibt ausführlich die erforderlichen Schritte, um die Betriebssicherheit der Gesamtanlage zu gewährleisten. Es geht auf die elektrische Sicherheit nach VDE 0100-600 ein, befasst sich mit der Befüllung der Heizungsanlage und dem hydraulischen Abgleich, gibt Empfehlungen für die Regler­einstellungen bei Inbetriebnahme und Tipps für die Systemoptimierung nach ersten Betriebserfahrungen (meist nach der ersten Heizperiode). Ein Unterkapitel ist der Dokumentation der Anlage und der Unterweisung des Nutzers gewidmet. Schließlich ist jede Anlage nur so gut, wie sie nach ihrer Errichtung auch betrieben wird.

Inspektion und Wartung
In diesem Kapitel des VDI-Blattes werden die wesentlichen Tätigkeiten aufgeführt, die im Rahmen einer Inspektion bzw. Wartung an einer Wärmepumpenanlage sinnvoll sind, getrennt nach Komponenten, Funktionen und Sicherheitsüberprüfungen. Dem Richtlinientext folgt ein umfänglicher Anhang, in dem folgende Themen behandelt werden:

• Auflistung relevanter Gesetze und Normen,
• Auslegungsbeispiele für Flächenheizungs- und Heizkörpersysteme inkl. Optimierungsschritten,
• Checklisten und Ablaufpläne zur Unterstützung der Planung,
• Typische hydraulische (Grund-) Schaltungen für Wärmepumpenanlagen,
• Berechnungsbeispiele für die Effizienzbewertung,
• Hinweise für die Berechnung der Inves­titions-, Betriebs- und Verbrauchskos­ten,
• Vorlage für ein der F-Gase-Verordnung entsprechendes Anlagenbuch,
• Zapfprofile für die ausführliche Ermittlung des Energiebedarfs zur Trinkwassererwärmung,
• Berechnungsbeispiel zur Auswahl der Wärmepumpe und zur Dimensionierung von Wärmepumpe und Speicher.

Hydraulische Schaltungen

• Breiten Raum nehmen in der Richtlinie Empfehlungen zu hydraulischen Schaltungen ein. Diese sind kategorisiert nach folgenden Randbedingungen bzw. Nutzeranforderungen:
• Art der Wärmequelle,
• Art des Heizsystems,
• ggf. vorhandene Erfordernis des Kühlbetriebs,
• Betriebsweise der Wärmepumpe,
• Art des Pufferspeichers,
• Art der Trinkwassererwärmung.

Jede der Schaltungen ist mit einer Tabelle versehen, die deren Zuordnung zu den o. g. Randbedingungen und Nutzeranforderungen enthält. Sie sind jeweils ergänzt um eine knappe Funktionsbeschreibung sowie Planungs- bzw. Installationshinweise. Zur Verdeutlichung sind in den Bildern 6 und 7 beispielhaft zwei Schaltungen angeführt. Details sind jeweils dem Tabellenvorspann bzw. dem Textteil zu entnehmen.

Zusammenfassung
Die Verantwortlichen beabsichtigen mit der VDI-Richtlinie 4645 ein Werk zu schaffen, das den Prozess für die Erstellung einer Wärmepumpenanlage umfänglich und ganzheitlich beschreibt. Ausgehend von der Manöverkritik des Fraunhofer ISE²), die zu Beginn des ersten Teiles zitiert wurde, soll die Richtlinie zur Verbesserung des Vorgehens bei Planung und Installation von Wärmepumpen beitragen. Im Idealfall wird beim nächsten Wärmepumpenmonitor des ISE oder einer anderen Institution ein besseres Ergebnis erreicht.

¹) Teil 1: IKZ-HAUSTECHNIK 14/2015

²) Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE


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