Werbung

Optimal sanieren mit der WärmepumpeTeil 1: Je kälter, desto effizienter: Der Trick mit der niedrigen Vorlauftemperatur

Die Effizienz von Wärmepumpen ist maßgeblich von der im Heizsystem erforderlichen Heizsystemtemperatur abhängig, die wiederum vom Heizbedarf und den installierten Heizflächen bestimmt wird. Optimal arbeiten Wärmepumpen bei niedrigen Systemtemperaturen von 35°C, beispielsweise mit einer Fußbodenheizung. Aber auch bei höheren Temperaturen von bis zu 55°C können Wärmepumpen sinnvoll eingesetzt werden – allerdings sind dabei die Effizienzeinbußen unvermeidlich.

 

Bild 1 zeigt, wie die nach der VDI-Richtlinie 4650 Teil errechneten Jahresarbeitszahlen von Sole/Wasser- und Luft/Wasser-Wärmepumpen mit verschiedenen Leistungszahlen (COP) bei einer Steigerung der Vorlauftemperatur von 35 auf 55 °C sinken. Da eine höhere Jahresarbeitszahl eine höhere Effizienz und damit niedrigere Heizkosten und Umweltbelastung bedeutet, sollte immer eine möglichst niedrige Vorlauftemperatur das Ziel sein.
Die zentrale Größe ist dabei die maximal notwendige Systemtemperatur des Heizsys­tems. Von ihr hängen die Effizienz und damit die Energiekosten ab. Sinkt die Systemtemperatur um 1 K, steigt die Effizienz um 1,5 - 2,5 %. Die maximale Vorlauftemperatur von Wärmepumpen ist je nach Kältekreislauf auf 55 bis 70 °C begrenzt. Maximale Vorlauftemperaturen oberhalb von 55 °C sind aber in der Regel ineffizient und sollten vermieden werden.

Bild 1: Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpen in Abhängigkeit der Systemtemperatur, Wärmequelle und Leistungszahl, berechnet nach VDI 4650.

 

Wärmebedarf senken
Die Systemtemperatur der Heizung wird bei der Installation festgelegt; danach werden auch die Heizkörper ausgelegt. Ändert sich der Wärmebedarf, ändert sich bei gleichen Heizkörpern auch die Systemtemperatur. Daher sind nachträgliche Wärmeschutzmaßnahmen wie Isolierverglasung, Wärmedämmung der Fassade, der Kellerdecke und des Dachs sowie der Einsatz von kontrollierten Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung – die den Wärmebedarf des Gebäudes deutlich reduzieren – gut geeignet, um die Heizungsvorlauftemperatur zu senken und die Effizienz der Wärmepumpenanlage zu steigern. Bild 2 zeigt den Einfluss von Wärmedämmmaßnahmen auf die Systemtemperatur anhand eines Beispielgebäudes, dass vor der Sanierung einen Wärmebedarf von 150 W/m² und eine Standarddimensionierung 70/55°C (70 °C Vorlauftemperatur, 55°C Rücklauftemperatur) hat.

Bild 2: Sinkt der Wärmebedarf – wie etwa durch Wärmeschutzmaßnahmen – sinkt auch bei gleicher Heizkörperfläche die Systemtemperatur (Beispiel).

 

Wärmeüberträger vergrößern
In den 70er- und 80er-Jahren wurden standardmäßig Heizsysteme mit 70 °C im Vorlauf und 55 °C im Rücklauf eingesetzt. Für diese Temperaturen waren die Heizkörper damals häufig bereits überdimensioniert, weil diese in der Regel an die Fensterbreite angepasst wurden. Durch moderne Heizkörper kann bei gleichem Platzbedarf rund 50 % mehr Übertragungsfläche erzielt werden. Ausgehend von 70 °C im Vorlauf ist dabei z. B. eine Reduzierung um rund 10 °C auf eine maximale Vorlauftemperatur von 60 °C möglich. Durch zusätzliche Wärmedämmmaßnahmen kann die Vorlauftemperatur weiter gesenkt werden.
Bei Gebäuden der 90er-Jahre bis heute wurden ebenfalls häufig Anlagen mit Temperaturpaar 70/55 °C gebaut. Diese Gebäude haben meist einen relativ guten Wärmestandard, sodass eine Sanierung der Fassade nicht erforderlich ist. Dagegen kann eine dezentrale Wohnungslüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung die Heizlast und die maximale Vorlauftemperatur deutlich reduzieren, da in gut gedämmten Häusern die Lüftungswärmeverluste mehr als die Hälfte der Heizlast ausmachen.
Ansonsten ist beim Einsatz einer Wärmepumpe in der Regel eine Heizflächenvergrößerung erforderlich. War vorher bereits eine Niedertemperatur-Brennwertheizung mit 55/45-System eingebaut, kann diese ohne weitere Umbauten an der Heizungsanlage einfach durch eine Wärmepumpe ersetzt werden.
Flächenheizungen sind aufgrund ihrer systembedingt hohen Wärmeübertragungsfläche und geringen Vorlauftemperatur für Wärmepumpen prädestiniert. Allerdings gilt das nur dann uneingeschränkt, wenn das gesamte Gebäude über dieses Sys­tem beheizt wird. Bei Mischinstallationen – wenn also beispielsweise das Erdgeschoss mit einer Fußbodenheizung und die oberen Räume mit Heizkörpern beheizt werden – ist dagegen die höchste maximale Vorlauftemperatur für das gesamte System maßgeblich für die Auslegung der Wärmepumpe.

Bild 3: Beispiel einer Heizkurveneinstellung für Wärmepumpen. Die Einstellung erfolgt über den Fußpunkt bei 20°C und die Einstellung der Steilheit über die Heizkennlinien (rechte Y-Achse).

 

Raum für Raum
Um die Systemtemperatur zu reduzieren, muss aber nicht unbedingt jeder Heizkörper ausgetauscht werden – oft reicht es aus, wenn unterdimensionierte Heizflächen in einzelnen Räumen ersetzt werden. Dazu sollte man für jeden Raum die Heizleis­tung des Heizkörpers anhand der Fläche, des Typs und der entsprechenden Umrechnungstabellen bestimmen. Rechnet man die­se auf die gewünschte Systemtemperatur um und vergleicht sie mit der Raumheizlast, kann man oft einige wenige Heizkörper identifizieren, deren Austausch bereits eine für die Wärmepumpe gut nutzbare Systemtemperatur ermöglicht.
Umrechnungstabellen der Wärmeleis­tung und maximalen Vorlauftemperaturen werden für Heizkörper von deren Herstellern zur Verfügung gestellt. Beispiele sind auch in den Tabellen 1, 2 und 3 dargestellt.

Bild 4: Flachheizkörpertypen.

 

Gewusst wie: maximale Systemtemperatur
Die maximale Systemtemperatur der Heizungsanlage ist für Altbauten in der Regel nicht bekannt, da entweder detaillierte Unterlagen fehlen oder Sanierungsmaßnahmen durchgeführt werden, die wie oben beschrieben einen erheblichen Einfluss auf die Systemtemperatur haben.
Die maximale Vorlauftemperatur kann entweder praktisch oder theoretisch ermittelt werden. In der Praxis kann der Wert bei korrekter Einstellung einfach der Regelung entnommen werden. Häufig sind die Heizkurven jedoch zu hoch eingestellt und die gewünschte Raumtemperatur wird über ein Thermostatventil heruntergeregelt. Um im praktischen Betrieb die maximale Vorlauftemperatur zu ermitteln, stellt man eine niedrige maximale Vorlauftemperatur der Heizkurve in der Regelung ein und stellt die Heizkurve über die Heizperiode so lange hoch, bis die gewünschte Raumtemperatur erreicht wird. Der Thermostat im Führungsraum, häufig das Wohnzimmer, ist dabei auf die höchste Einstellung einzustellen. Dies erfordert jedoch einen hohen Zeitaufwand und eine gute Kenntnis der Heizkurve, die man der Montageanleitung des Heizgerätes entnehmen kann. Zudem ist es auf diese Weise nicht möglich, die Heizflächen einzelner Räume mit dem Ziel einer möglichst niedrigen maximalen Systemtemperatur zu optimieren.
Daher ist bei Sanierungsmaßnahmen in der Regel eine theoretische Bestimmung der maximalen Systemtemperatur erforderlich, die im Idealfall auf einer Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 basiert. Nach diesen Normen wird die Heizlast pro Raum bestimmt. Diese vergleicht man anschließend mit den Wärmeleistungen der Heizkörper in den entsprechenden Räumen.
Dazu muss man die Größe der Heizkörper sowie ihre Wärmeleistung für diese Größe kennen. Den Wärmeleistungstabellen der Hersteller kann man die Wärmeleistung für eine bestimmte Systemtemperatur entnehmen. Flachheizkörper werden in der Regel nach Typ-Bauweisen unterschieden (Bild 4).
So kann man zunächst bestimmen, welche maximale Systemtemperatur bei den bestehenden Heizkörpern erforderlich ist. Außerdem kann man daraus ableiten, in welchen Räumen der Tausch eines Heizkörpers sinnvoll ist. Wenn dadurch die maximale Systemtemperatur signifikant gesenkt werden kann, ist dies bei zumeist überschaubaren Investitionen eine sinnvolle Entscheidung bei Installation einer Wärmepumpe.

Ein Beispiel
Als Beispiel soll die Heizflächenbetrachtung für ein bestehendes Gebäude mit folgenden Parametern dienen:
• Doppelhaushälfte, Baujahr 1995,
• Norm-Gebäudeheizlast 8,3 kW,
• Untergeschoss ausschließlich Fußbodenheizung,
• Obergeschoss nur Flachheizkörper (Typ 11/ 22),
• Bad und WC werden jeweils mit Fußbodenheizung und Heizkörpern beheizt.

Die Heizlasten, Heizflächen und deren Wärmeleistungen sind in Tabelle 1 (im Anhang als PDF) je Raum aufgeschlüsselt. Unkritisch sind die Räume Wohnen, Küche, WC, Flur und Bad, in denen eine Fußbodenheizung installiert ist (Vorlauftemperatur 35 °C). Die Schlafräume Eltern, Kind 1 und Kind 2 erfordern dagegen bei den bestehenden Heizkörpern eine maximale Vorlauftemperatur von 70 °C. Um die­se auf 55 °C zu senken, damit eine Wärmepumpe effizient eingesetzt werden kann, benötigen die Räume Eltern und Kind 2 aufgrund ihrer größeren Heizlast gleich große, aber effizientere Heizkörper (Typ 33), im Raum Kind 2 reicht es aus, wenn ein größerer Heizkörper desselben Typs 22 installiert wird. Tabelle 2 (im Anhang als PDF) zeigt, bei welchen Heizkörpertypen ein Austausch ratsam ist.
Aus wirtschaftlichen Gründen ist eine weitere Vergrößerung der Heizflächen sinnvoll, um die maximalen Vorlauftemperaturen auf dann lediglich 45 °C abzusenken. Im Vergleich zur weniger umfangreichen Heizkörperanpassung fallen dafür Mehrinvestitionen an, während sich die jährlichen Energiekosten durch die verbesserte Effizienz der Wärmepumpenanlage verringern (Tabelle 3, im Anhang als PDF). Überschaubare, zusätzliche Investitionen rentieren sich bereits nach einigen Jahren.

Fazit
Entscheidend für effiziente Wärmepumpen in der Praxis sind möglichst niedrige Systemtemperaturen. Im Altbau lässt sich mit der richtigen Planung die Systemtemperatur in den meisten Fällen bereits durch den Austausch einiger weniger Heizkörper beträchtlich senken. Darüber hinaus sollte auch geprüft werden, ob eine Verstärkung der Fassadenwärmedämmung sinnvoll ist.
Im zweiten Teil der Reihe gibt es praktische Tipps zur Auswahl der Wärmequelle, zur benötigten Wärmepumpenleistung sowie zu besonders im Altbau interessanten bivalenten Wärmepumpen.

www.waermepumpe.de

 


Artikel teilen:
Weitere Tags zu diesem Thema: