IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 21/2002, Seite 38 ff.
HEIZUNGSTECHNIK
Die Wärmepumpe - kein Hexenwerk
Dipl.-Ing. Uwe Marx*
Dr.-Ing. Rainer Lang* Teil 1
Die Wärmepumpe erlebt einen neuen Boom - zu Recht. Nach der Überwindung der großen Schwierigkeiten in den siebziger und achtziger Jahren sind die Wärmepumpenheizungen inzwischen zu robusten Systemen herangereift, die allen Ansprüchen an modernen Heizkomfort gerecht werden. In zwei Beiträgen soll eine Übersicht über die wichtigsten Schritte zur Planung und Ausführung einer Wärmepumpenanlage geliefert werden.
Geräte- und Anlagentechnik
Ein Heizsystem mit Wärmepumpe besteht neben dem Gerät selber noch aus der Wärmenutzungsanlage und Wärmequellenanlage. Durch die optimale Abstimmung dieser drei Komponenten ist ein zufriedenstellender Anlagenbetrieb mit hohen Nutzungsgraden sichergestellt.
Die Wärmepumpe
Das Arbeitsprinzip einer Wärmepumpe findet sich in jedem Haushaltskühlschrank wieder: In einem geschlossenen Kreislauf wird einer Wärmequelle auf niedrigem Temperaturniveau Energie entzogen und an eine Wärmesenke auf hohem Temperaturniveau wieder abgegeben. Eine solche Kältemaschine pumpt also "kalte" Energie auf ein höheres Temperaturniveau. Für diesen Prozess ist Antriebsenergie erforderlich (Bild 1).
In dem erwähnten geschlossenen Kreislauf befindet sich ein Kältemittel. Der Arbeitsprozess, den dieses Kältemittel durchläuft, umfasst vier Schritte: Im ersten Schritt wird der Kältemitteldampf auf ein hohes Druck- und Temperaturniveau gebracht. Hierzu wird dem Verdichter elektrischer Strom als Antriebsenergie zugeführt. Im zweiten Schritt wird dieser Heißdampf abgekühlt und verflüssigt - hier kann dem Kondensator Wärme auf hohem Temperaturniveau entzogen werden. Im dritten Schritt wird das Kältemittel auf ein niedriges Druckniveau entspannt - im Expansionsventil wird das Kältemittel teilweise verdampft und kühlt dabei unter Umgebungstemperatur ab. Im vierten Schritt wird das Kältemittel bei geringem Druck und niedriger Temperatur verdampft. Der Wärmepumpe wird an dieser Stelle kostenlose Energie aus der Umwelt zugeführt. Der Arbeitsprozess beginnt nun erneut bei Schritt eins, dem Verdichten des Kältemitteldampfes.
| Bild 1: Der Kreisprozess einer Wärmepumpe: Im ersten Schritt wird der Kältemitteldampf im Verdichter auf ein hohes Druck- und Temperaturniveau gebracht. Anschließend wird dieser Heißdampf durch Abgabe von Nutzwärme im Kondensator verflüssigt. Im dritten Schritt wird das Kältemittel im Expansionsventil auf ein niedriges Druckniveau entspannt. Im vierten und letzten Schritt wird das Kältemittel bei geringem Druck und niedriger Temperatur durch Aufnahme von Wärme aus der Umwelt verdampft. |
Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird mit der Leistungszahl (e) ausgedrückt:
Der mittlere Wirkungsgrad einer Wärmepumpe in einer Heizperiode (entsprechend dem Nutzungsgrad einer Feuerstätte) ist die Jahresarbeitszahl (ba):
In Abhängigkeit von der Auslegung und den Einsatzbedingungen liegen die Leistungszahlen moderner Wärmepumpen zwischen 2 und 6. Der benötigte Strom zum Antrieb des Kompressors wird in Kraftwerken mit einem Wirkungsgrad von etwa 35% erzeugt. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von ba = 4 besitzt damit einen primärenergetischen Wirkungsgrad von 140%.
| Bild 2: Wärmeerzeugung mit der Wärmepumpe - die wichtigsten Systeme im Überblick: Anlagen zur Erwärmung von Heizungswasser werden anhand ihrer Energiequellen unterschieden in Sole/Wasser-, Wasser/Wasser- und Luft/Wasser-Wärmepumpen. |
Wärmequellenanlagen
Die wichtigste Wärmequelle in Deutschland ist das Erdreich. Der Wärmeentzug erfolgt überwiegend durch Erdsonden oder Flächenkollektoren. Darüber hinaus werden auch raumsparende Bauformen wie der Grabenkollektoren eingesetzt. Dem Erdreich wird während der Heizperiode die Energie entzogen, die zur Verdampfung des Kältemittels erforderlich ist. In den Sommermonaten regeneriert sich die Kollektoranlage durch Temperaturausgleich mit dem umliegenden Erdreich (Sonde) oder Sonneneinstrahlung und Sickerwasser (Flächenkollektor). Im Jahresmittel liegt die Temperatur einer Erdwärmeanlage bei etwa 0°C (Bild 2).
Die Wärmequelle mit der höchsten Entzugsleistung ist das Grundwasser - es liefert ganzjährig Wärme bei etwa +10°C. Der Bau der benötigten Brunnenanlage muss durch die untere Wasserbehörde genehmigt werden.
Auch Außenluft ist als Wärmequelle für Wärmepumpen geeignet, sie steht fast überall zur Verfügung. Allerdings ist das mittlere Temperaturniveau dieser Wärmequelle mit etwa -5°C sehr niedrig. Luft-Wasser-Wärmepumpen werden daher in der Regel bivalent mit einem zusätzlichen Wärmeerzeuger betrieben.
Als weitere Energiequellen sei auf Oberflächenwasser, Massivabsorber, Energiekegel, Abluft oder Prozesswärme verwiesen, die in diesem Beitrag jedoch nicht näher behandelt werden.
Wärmenutzungsanlagen
Wie eben erwähnt, muss die Wärmepumpe die Energie der "kalten" Wärmequelle auf ein hohes und damit nutzbares Temperaturniveau befördern. Für diesen "Temperaturhub" ist Antriebsenergie erforderlich, der Energiebedarf steigt mit dem Temperaturhub an. Geringe Verbrauchskosten stellen sich folglich nur in Niedertemperatur-Heizsystemen ein. Die Fußbodenheizung wird den Anforderungen einer Wärmepumpe besonders gut gerecht. Sie ermöglicht extrem niedrige Vorlauftemperaturen. Darüber hinaus ist eine im Estrich verlegte Fußbodenheizung sehr träge, womit sich automatisch lange Betriebsphasen einstellen. Mit hohen Laufzeiten sind weniger Verdichterstarts verbunden, dies hat geringe Verbrauchskosten zur Folge.
Die maximal mögliche Vorlauftemperatur der meisten Heizungs-Wärmepumpen beträgt 55°C. Damit sind diese Wärmepumpen zur Brauchwasserbereitung bis 50°C sehr gut geeignet. Brauchwassertemperaturen von mehr als 50°C können durch Nachheizen erreicht werden, beispielsweise mit Hilfe eines elektrischen Heizflansches. Eine Alternative hierzu ist die direkte Brauchwasserbereitung mit einer separaten Wärmepumpe. Diese Geräte erreichen max. Speichertemperaturen von 65°C. Sie werden häufig steckerfertig ausgeliefert. Die Größe ist mit ca. 250 l für ein Einfamilienhaus völlig ausreichend (Bild 3).
| Bild 3: Steckerfertige Brauchwasser-Wärmepumpen (Luft/Wasser) heizen das Brauchwasser mit dem Kompressor auf max. 65°C auf. Eine Führung der Zu- oder Abluft für den Verdampfer in Kanälen ist möglich. |
Vorplanung von Projekten mit Wärmepumpen
Für die Erstellung einer funktionierenden Wärmepumpenanlage ist eine sorgfältige Planung unerlässlich. Im Vorfeld sollten die wichtigsten Bedingungen für den Bau und Betrieb einer Wärmepumpenanlage geklärt sein:
- Untere Wasserbehörden: Genehmigung zum Bau der Quellenanlage
- EVU: Anschlussbedingungen und Konditionen
- Bund/Land/Kommune: Förderung beantragen
Achtung: Vor Beginn der Arbeiten muss der Bewilligungsbescheid erteilt sein!
Energieversorgung
Viele EVUs bieten Sondertarife für Wärmepumpenanlagen an, einige Unternehmen fördern auch die Baumaßnahme mit einem Zuschuss. Häufig sind die Sonderkonditionen für Wärmepumpen mit Sperrungen während der Spitzenlastzeiten verbunden. Diese Sperrzeiten können durch Vorheizen des Systems oder durch Laden eines hinreichend bemessenen Speichers überwunden werden. Die maximal zulässige Anzahl der Verdichterstarts ist auf drei Anläufe pro Stunde begrenzt.
Die vollständigen und verbindlichen Bedingungen zum Anschluss einer Wärmepumpe teilt das zuständige EVU mit. Die Energieversorger beraten das Fachhandwerk meist auch im Umgang mit den örtlichen Behörden.
Genehmigungsverfahren
Zur Nutzung des Grundwassers und für den Bau einer Tiefenbohrung ist die Genehmigung der unteren Wasserbehörde erforderlich. Einzureichen sind: Übersichts- und Lageplan, Unterlagen zur Auslegung und Ausführung der Anlage, Leistungsdaten der Wärmepumpe und das EG-Sicherheitsdatenblatt des verwendeten Frostschutzmittels. Der Kontakt zur genehmigenden Behörde sollte bereits vor Beginn der Anlagenplanung erfolgen. Hier können rechtzeitig Antragsfristen und Bearbeitungszeiten mit dem Terminplan des Bauvorhabens abgestimmt werden. Der Fachhandwerker erfährt bereits vor Beginn seiner konkreten Planung, mit welchen Auflagen der Bau einer Wärmepumpe in seinem Objekt verbunden ist.
Sonden zur Nutzung der Erdwärme werden in Deutschland in der Regel nur bis zu einer Tiefe von 99 m eingebracht. Bohrungen ab 100 m Tiefe fallen unter das Bergrecht, dieses Genehmigungsverfahren ist mit erheblichem Aufwand verbunden.
Auslegung und Installation der Wärmepumpe
Die vereinfachte Auslegung kleiner Anlagen kann anhand des Wärmebedarfs für Wohngebäude erfolgen, z.B. nach DIN 4701. Für den Modernisierungsfall bieten die Hersteller vereinfachte Berechnungsverfahren zur Ermittlung der benötigten Heizleistung an.
Sole-Wasser-Anlagen, die den Verdampfer mit Erdwärme betreiben, werden für ca. 80 % der ermittelten Heizleistung ausgelegt. Zur Deckung von Spitzenlasten kann die Wärmepumpe mit einer elektrischen Zusatzheizung ausgerüstet werden, die im Bedarfsfall automatisch zugeschaltet wird.
Wasser-Wasser-Wärmepumpen werden in der Regel monovalent ausgelegt. Durch die hohe Temperatur des Grundwassers als Wärmequelle für den Verdampfer ist eine Beschränkung der Wärmepumpe auf den Teillastbetrieb nicht erforderlich.
Luft-Wasser-Wärmepumpen werden meist für 50 % der Spitzenlast ausgelegt. Diese bivalenten Anlagen umfassen zusätzlich einen konventionellen Wärmeerzeuger, der entweder als Nachheizer (bivalent parallel) oder im Wechsel mit der Wärmepumpe (bivalent alternativ) betrieben wird.
Der elektrische Anschluss der Wärmepumpe muss durch einen Elektro-Fachbetrieb erfolgen, auf die korrekte Richtung des Drehfeldes ist zu achten (Bild 4).
| Bild 4: Installierte Heizungs-Wärmepumpe (rechts) mit nebengestelltem Brauchwasserspeicher. Der Aufstellraum sollte trocken und frostfrei sein, er kann ansonsten in beliebiger Weise genutzt werden. |
Die Wärmepumpe enthält zumeist einen werkseitig eingebauten Regler. Geräte ohne Einbauregler müssen unbedingt mit einem Regelgerät nach den Empfehlungen des Herstellers ausgerüstet werden. Handelsübliche Heizungsregler sind für den Betrieb von Wärmepumpen grundsätzlich nicht geeignet.
Im Rahmen der Inbetriebnahme wird die erste Reglerparametrierung vorgenommen. Hier sollte eine Einstellung gewählt werden, die lange Betriebszeiten ermöglicht. Komforteinbußen können dann während des Einfahrbetriebes korrigiert werden. Die Anpassung von Regler und Anlage wird erfahrungsgemäß mindestens eine Heizperiode in Anspruch nehmen. Die Bewohner von Neubauten sollten außerdem darauf hingewiesen werden, dass der Stromverbrauch der Wärmepumpe in den ersten zwei Jahren deutlich über den Erwartungen liegen kann, bedingt durch die Austrocknung des Baukörpers.
Einige Hersteller bieten einen kostenlosen Inbetriebnahme-Service an. Diese Dienstleistung sollte unbedingt genutzt werden, sie ist häufig auch Voraussetzung für die Gewährung der Herstellergarantie. Über die gesetzliche Mindestgarantie von zwei Jahren hinaus bieten einige Hersteller eine erweiterte Gewährleistung von zehn Jahren auf den Kompressor.
Besonderheiten beim Bau der Heizungsanlage
Die Vorlauftemperatur der Heizungsanlage beeinflusst unmittelbar die Leistungszahl und damit den Energieverbrauch der Wärmepumpe. Niedertemperatur-Heizsysteme mit einer Auslegungstemperatur von 55/45°C können mit einer Wärmepumpe betrieben werden, anzustreben sind jedoch Vorlauftemperaturen unter 35°C.
Alle Einbauten, die zu einer Anhebung der Vorlauftemperatur führen, insbesondere Mischer oder Wärmetauscher zur Systemtrennung, sind in einer Wärmepumpenanlage verfehlt. In größeren Anlagen sollten Heizkreise mit unterschiedlichen Temperaturniveaus getrennt und von mehreren Wärmepumpen versorgt werden. Darüber hinaus ist eine ausreichend bemessene Umwälzpumpe vorzusehen. Die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf sollte 10 K nicht übersteigen, ideal ist eine Spreizung von 5-6 K bei Nennlast (Bild 5).
| Bild 5: Typische Heizkurven und Leistungszahlen von Wärmepumpen: Auslegungstemperaturen unter 35°C sind vorteilhaft, die Spreizung zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur liegt im Idealfall bei 5 bis 6 K. |
Im Ein- und Zweifamilienhaus werden die Bäder aufgrund der geringen verfügbaren Fläche durch den Fußboden meist nicht ausreichend beheizt. Eine Erhöhung der Vorlauftemperatur ist aus den oben genannten Gründen nicht ratsam. Eine Alternative ist die Installation eines zusätzlichen Heizkörpers, beispielsweise als elektrisch betriebener Handtuchtrockner. Die häufige Unterversorgung von Küchen und Wirtschaftsräumen kann meist toleriert werden, sie wird durch die hier reichlich anfallende Fremdwärme in der Regel aufgefangen.
Zur Überbrückung von Sperrzeiten und in Anlagen mit geringer thermischer Trägheit (Fußbodenheizung in Trockenbauweise, Radiatoren) ist der Einsatz eines Pufferspeichers erforderlich. Hier kann auch ein Doppelmantelspeicher zur Verlängerung der Laufzeit und zur Brauchwassererwärmung eingesetzt werden. Auch die Einbindung eines Trennspeichers hat in der Praxis sehr gute Ergebnisse gezeigt. Die Auslegung des Speichers erfolgt anhand der Ladeleistung, der Länge der Sperrzeiten und der gewünschten Mindestlaufzeiten nach Angabe der Hersteller (Bild 6).
| Bild 6: Doppelmantelspeicher zur Brauchwasserbereitung zeichnen sich durch besonders große Wärmetauscherflächen mit einer hohen Übertragungsleistung aus. An das Primärvolumen des Doppelmantelspeichers kann ein kleiner Radiatorkreis angeschlossen werden, beispielsweise zur Beheizung von Bädern oder Dachräumen. |
Die einzelnen Heizkreise sollten unbedingt mit einstellbaren Durchflussbegrenzern ausgestattet sein, damit kann die Anlage sehr genau hydraulisch abgeglichen werden. Der Abgleich führt zu einer deutlichen Reduzierung der Schaltungen von Einzelraumreglern und damit zu einer gleichmäßigen Leistungsabnahme der Heizungsanlage. Die EnEV fordert "selbsttätig wirkende Einrichtungen zur raumweisen Regelung der Raumtemperatur" auch für Fußbodenheizungen im Neubau.
Internetinformationen: |
B i l d e r : Vaillant GmbH, Remscheid
* Dipl.-Ing. Uwe Marx, Entwicklung Wärmepumpensysteme, Dr.-Ing. Rainer Lang, Leiter Entwicklung Wärmepumpensysteme; beide Vaillant GmbH
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