IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 22/2002, Seite 44 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Die Wärmepumpe - kein Hexenwerk

Dipl.-Ing. Uwe Marx* - Dr.-Ing. Rainer Lang* - Teil 2

Die Wärmepumpe erlebt einen neuen Boom - zu Recht. Schließlich genügen sie heute allen Ansprüchen an eine moderne Heizungsanlage. Nachdem die Autoren im ersten Teil allgemeine Grundsätze behandelt haben, beschreiben sie in dem vorliegenden zweiten Teil die Wärmequellen, aus denen eine Wärmepumpe die Energie bezieht. Außerdem geht es um Vermarktungsstrategien.

Bemessung und Errichtung der Wärmequellenanlage

Wärmequellenanlagen sollten grundsätzlich großzügig bemessen werden, eine Unterdimensionierung führt zu schlechten Arbeitszahlen und damit zu einem hohen Energieverbrauch. Außerdem werden unterdimensionierte Kollektoren und Sonden während der Sommermonate möglicherweise nicht vollständig regeneriert. Dies kann zu einem Ausfall der Anlage führen.

Für die Auslegung kleiner Anlagen ist die Bemessung nach der benötigten Leistung in der Regel hinreichend genau. Die zuverlässigere Methode ist die Bestimmung nach der benötigten Wärmemenge, sie wird im Neubau bestimmt nach DIN EN 832. In der Modernisierung ist die Auswertung alter Energierechnungen ein einfaches, aber sehr zuverlässiges Mittel zur Bestimmung der benötigten Wärmemenge.

Anlagen zur Erdwärmenutzung

Der Wärmeträger in Erdwärmeanlagen ist Wasser, dem ein Frostschutzmittel zugesetzt wird. Meist wird der Frostschutz bis -15C durch Beimischen von Ethylenglykol oder Propylenglykol eingestellt. Wegen seiner geringeren Druckverluste sollte bevorzugt Ethylenglykol verwendet werden. Häufig wird von der unteren Wasserbehörde jedoch der Einsatz lebensmittelechter Frostschutzmittel gefordert, hier kommt dann Propylenglykol zum Einsatz. Vereinzelt kann auch Ethanol verwendet werden. Von salzigen Solen (meist Calciumchlorid) ist aufgrund der hohen Korrosivität dringend abzuraten.

Vor dem Befüllen der Anlage mit Sole müssen Wasser und Frostschutzmittel sorgfältig gemischt werden. Eine Vermischung von Glykol und Wasser in der Anlage selber findet nicht mehr statt. Daher muss bei schlechter Vormischung mit einem Einfrieren und damit einem Anlagenausfall gerechnet werden.

Im Gegensatz zur Heizungsanlage sollte ein Abgleich der Soleanlagen durch Drosseln vermieden werden. Zusätzliche Druckverluste haben hier unverhältnismäßig hohe Pumpenleistungen zur Folge. Eine Soleanlage aus mehreren Sonden oder Erdbohrungen wird symmetrisch gebaut und nach Tichelmann verschaltet, damit ist ein hydraulischer Abgleich durch Strangregulierventile nicht mehr erforderlich.

Für die soleführenden Leitungen werden bevorzugt Rohre aus HD-PE eingesetzt. Übliche Rohrweiten sind DN 25, DN 32 und DN 40. Rohre mit 32 mm Durchmesser bilden zumeist einen guten Kompromiss zwischen niedrigem Druckverlust und geringer Füllmenge. In Flächenkollektoren werden Rohre der Druckklasse PN 6 eingesetzt, für Erdwärmesonden kommen auch PN 10 oder PN 16 zum Einsatz.

Bild 1: Der Verteiler aus HDPE für die Soleanlage ist mit Kugelhähnen zur Absperrung einzelner Stränge ausgestattet. Dies ist wichtig zum Spülen oder Entlüften der Anlage.

Die Ausrüstung einer Mehrkreisanlage mit Strangabsperrventilen ist empfehlenswert. So kann im Falle einer Störung jeder einzelne Anlagenteil stillgelegt oder gespült werden (Bild 1). Die Entlüftung der Anlage ist durch stetige Steigung sicherzustellen. Luftsäcke sind in jedem Fall zu vermeiden, sie werden im Parallelbetrieb von zwei oder mehr Kreisen nach aller Erfahrung nicht freigespült. Die Blockade eines Teils der Quellenanlage führt unweigerlich zu einer Überlastung der Restanlage und damit schlimmstenfalls zu einem Ausfall der Anlage.

Alle Verbindungsstellen im Erdreich sind als Muffenschweißverbindung auszuführen und zu überprüfen. Absperreinrichtungen und lösbare Verbindungen werden, sofern erforderlich, im Heizungskeller oder in einem begehbaren Installationsschacht untergebracht. Der Abstand von kaltgehenden Leitungen zu Versorgungs- und Entsorgungsleitungen muss mindestens 70 cm betragen. Soleleitungen müssen innerhalb von Gebäuden gegen Schwitzwasserbildung isoliert werden.

Flächenkollektoren

Der Flächenkollektor ist eine kostengünstige Wärmequelle für eine Wärmepumpe (Bilder 2 und 3). Durch ihren hohen Platzbedarf sind diese Anlagen im Neubau leider oftmals nicht unterzubringen. Die Baukosten sind in hohem Maß von den örtlichen Gegebenheiten abhängig, sie betragen zwischen 100 und 300 EURO je KW installierter Heizleistung.

Bild 2: Der Flächenkollektor für eine Heizungswärmepumpe umfasst etwa das zwei- bis dreifache der beheizten Wohn-Nutzfläche. Die Solerohre werden in 1,2 - 1,5 m Tiefe verlegt, am höchsten Punkt befindet sich ein Installationsschacht mit Entlüftungsmöglichkeiten.

 

Bild 3: Bau eines Flächenkollektors - hier die paarweise Verlegung von Rohren in einem schmalen Graben.

Der Einbau eines Flächenkollektors hat eine geringfügige Einschränkung der Bodennutzung zur Folge: eine Überbauung oder Versiegelung der Kollektorfläche ist nicht möglich, das Pflanzen tiefwurzelnder Gehölze sollte ebenfalls unterbleiben.

Der Flächenkollektor besteht aus Rohrmäandern von max. 200 m Länge. Sie werden frostfrei, in einer Verlegetiefe von 1,2 bis 1,5 m eingebracht. Die spezifischen Entzugsleistungen und die Verlegeabstände sind Tabelle 1 zu entnehmen:

A = a

A = benötigte Kollektorfläche

= benötigte Heizleistung

a = spezifische Kollektorfläche

l = + V

l = gesamte Rohrlänge

b = Verlegeabstand

V = Länge der Verteilungsleitung

Diese vereinfachte Auslegung nach VDI 4640 Blatt 2 ist zulässig für Anlagen bis max. 20 kW Heizleistung unter den folgenden Voraussetzungen:

Bei abweichenden Betriebsbedingungen ist eine Betrachtung der spezifischen Entzugsarbeit unverzichtbar. Sie sollte zwischen 50 und 70 kWh/(m2 a) betragen. Fragen zur detaillierten Anlagenplanung beantworten die Gerätehersteller.

Die Entlüftung des Rohrnetzes muss zuverlässig gewährleistet sein. Bereits in der Planung müssen daher die Geländekonturen berücksichtigt werden. An der höchsten Stelle des Kollektors sind Verteiler oder Sammler und eine Entlüftungsmöglichkeit vorzusehen.

Bild 4: Die Bohrtiefe einer Erdsonde beträgt meist 10 bis 15 m je kW benötigtem Wärmebedarf des Gebäudes. Die Bohrungen sind meist 40 bis 100 m tief, mehrere Sonden können kombiniert werden, um eine geringere Bohrtiefe zu erreichen.

Sonden

Erdsonden sollten von einem erfahrenen Bohrunternehmer erstellt werden (Bilder 4 und 5). Er führt die Erdarbeiten aus, bringt die bereits gefüllte Sonde ein und verfüllt das Bohrloch fachgerecht. Mit dem Bohrunternehmer wird die Kälteleistung der Wärmepumpe oder die benötigte Wärmemenge vereinbart.

Bereits vor Beginn der Planung muss sichergestellt sein, dass ein ausreichender Arbeitsraum von wenigstens 100 m2 mit einer Mindestbreite von 5 m zur Verfügung steht. Er wird benötigt für das Bohrgerät, das Gestänge, die Spülgrube und den Aushub.

Bild 5: Bohrarbeiten zum Einbringen einer Erdsonde; für ein Einfamilienhaus sind ca. 100 bis 150 m2 Arbeitsraum und eine 2,5 m breite Zuwegung erforderlich.

Zur Kalkulation der Bohrkosten wird eine grobe Abschätzung der Entzugsleistung nach VDI 4640 Blatt 2 vorgenommen. Diese Vorgehensweise ist für Kleinanlagen bis ca. 20 kW Wärmeleistung völlig ausreichend. Die Gesamtlänge wird mit Hilfe der Entzugsleistungen aus Tabelle 2 bestimmt. Bei einer Gesamtlänge über 100 m werden mehrere gleich lange Sonden gebaut. Die Kosten einer Erdsonde mit Tiefenbohrung in der Bodenklasse 1 bis 4 betragen zur Zeit ca. 400 bis 600 EURO/kW Heizleistung.

L = l

L = gesamte Sondenlänge

= Heizleistung

l = spezifische Sondenlänge

Dieses vereinfachte Verfahren ist gültig unter den folgenden Voraussetzungen:

Bei abweichenden Betriebsbedingungen ist eine Betrachtung der spezifischen jährlichen Entzugsarbeit erforderlich. Sie sollte zwischen 100 und 150 kWh/(m a) liegen. Zur Zeit wird für NRW eine detaillierte geothermische Karte erarbeitet, mit deren Hilfe die genaue Auslegung von Erdwärmeanlagen deutlich vereinfacht wird. Sie soll ab Spätherbst 2002 zur Verfügung stehen. Bei der Detailplanung einer Wärmepumpenanlage mit Erdsonde helfen die Hersteller und die Bohrunternehmen weiter.

Grundwasser

Die Nutzung von Grundwasser ist bis zu einer Brunnentiefe von ca. 15 m wirtschaftlich sinnvoll. Die Baukosten der Brunnenanlage für ein Einfamilienhaus betragen bei normalen Bodenverhältnissen etwa 4.000 bis 6.000 EURO. Erforderlich sind ein Förderbrunnen und ein Schluckbrunnen in einem Abstand von mindestens 10 m (Bild 6). Letztgenannter dient zur Rückführung des abgekühlten Grundwassers in die Wasserschicht, aus der die Entnahme erfolgt ist. Der Wasserbedarf beträgt 240 l/h je kW Heizleistung bei einer Spreizung von 3 K.

Bild 6: Eine Brunnenanlage muss 240 l Wasser je kW benötigter Heizleistung fördern. Saug- und Schluckbrunnen werden in ca. 15 m Abstand eingebracht.

Vor der Projektierung einer Brunnenanlage sollte eine Wasserprobe entnommen werden. Die Probe wird von einem Labor untersucht und die Wasserqualität hinsichtlich der Eignung für Wärmepumpen beurteilt. Die Gerätehersteller helfen bei der Entnahme und der Analyse der Proben weiter. Ungeeignete Wasserqualitäten führen zu einer Verockerung des Schluckbrunnens oder zu Korrosionsschäden bzw. zur Verschmutzung des Verdampfers. In allen Fällen ist mit erheblichen Betriebsstörungen zu rechnen. Bei kritischen Wasserqualitäten ist der Einsatz einer Sole-Wasser-Maschine erforderlich. Der Solekreis wird dann nicht an eine Erdwärmeanlage angeschlossen, sondern durch einen Zwischenwärmetauscher mit dem Brunnenwasser beaufschlagt.

Die Brunnenschächte müssen licht- und luftdicht ausgeführt werden, dies verhindert Algenbildung und Verschlammung. Stark sedimenthaltige Wässer erfordern den Einbau eines Filters. Er muss regelmäßig überprüft und gereinigt werden. Nach Fertigstellung der Brunnenanlage sollten Förder- und Schluckbrunnen ca. 48 h gespült werden. Dies beugt späteren Verunreinigungen des Verdampfers vor.

Alle Brunnenwasser führenden Leitungen werden in frostfreier Tiefe mit Gefälle zum Brunnen verlegt. Die Rohrwerkstoffe müssen für Trinkwasseranwendung zugelassen und korrosionsbeständig sein, empfohlen werden Rohre aus HD-PE. Innerhalb des Gebäudes müssen Brunnenwasserleitungen gegen Schwitzwasser isoliert werden.

Die Temperatur des Brunnenwassers am Austritt des Verdampfers sollte +3C nicht unterschreiten. Bei der Inbetriebnahme einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe sollte unbedingt der Saugdruckwächter überprüft werden (anfahren!). Ein Versagen dieses Bauteils kann zum Einfrieren des Verdampfers führen, was in der Regel einen Kältemittelverlust und erhebliche Reparaturkosten zur Folge hat.

Hinweise für den Vertrieb

Wärmepumpen richtig verkaufen

Die Wärmepumpe ist keine gewöhnliche, allseits bekannte Heizung. Diese Art der Wärmeerzeugung muss dem Verbraucher daher nahe gebracht werden. Der Kunde muss das alternative System Wärmepumpe einschätzen können. Dazu ist die Ausarbeitung eines verbindlichen Angebotes über die Kosten der Anlage zu einem möglichst frühen Zeitpunkt erforderlich. Den vergleichsweise hohen Investitionskosten müssen die günstigen Verbrauchskosten gegenübergestellt werden. Die Benennung und der Besuch von Referenzobjekten ist ein hervorragendes Mittel, um die noch weit verbreitete Zurückhaltung vor dieser Technik abzubauen. Die Hersteller unterstützen selbstverständlich auch die Vertriebsaktivitäten des Fachhandwerks.

Alles aus einer Hand

Der Bau einer Wärmepumpen-Heizanlage schließt neben einer Vielzahl von Gewerken (SHK-Fachbetrieb, Elektro-Fachbetrieb, Brunnenbauer, Bohrunternehmer, Tiefbauer) auch Behörden, den Energieversorger und den Fördergeber mit ein. Nach aller Erfahrung sollte die Anlage aus der Hand eines Generalunternehmers stammen, der alle anderen Gewerke im Unterauftrag vergibt. Dieser Generalunternehmer holt alle erforderlichen Anträge ein und beantragt auch die Fördermittel für den Bauherren. Der Bauherr erhält damit die Gewährleistung für ein funktionierendes Gesamtsystem. Mit einer Vielzahl von Gewährleistungen für einzeln funktionsfähige, aber nicht aufeinander abgestimmten Teilsysteme wird sich kein Bauherr zufrieden geben - mit Recht.

Förderung

Wärmepumpenanlagen werden durch Bund, Länder und Kommunen gefördert. Die Förderung des Bundes beschränkt sich zur Zeit auf zinsvergünstigte Darlehen aus Mitteln der KfW. Die Förderung durch die Länder ist oft wesentlich attraktiver: Durch das REN-Programm in Nordrhein Westfalen beispielsweise kann der Bau von Erdsonden mit 30 Prozent der Gestellungskosten bis zu einem Höchstbetrag von 2.300 EURO gefördert werden.

Darüber hinaus fördern auch einige Energieversorgungsunternehmen die Nutzung regenerativer Energien. Einen guten Überblick über alle Fördermöglichkeiten verschafft der Informationsdienst BINE des fiz Karlsruhe (www.bine.info). Der Fachhandwerker sollte sich über die möglichen Förderungen in seiner Region stets aktuell informieren. So kann er die zufließenden Mittel in seiner Kostendarstellung berücksichtigen und seinen Kunden optimal beraten. Der Förderantrag muss rechtzeitig gestellt werden, der Antrag wird in der Regel nur bewilligt, wenn das Bauvorhaben noch nicht begonnen wurde.

Service

Die Wärmepumpe selber ist - ähnlich wie der Kühlschrank - ein wartungsfreies Gerät. Eine regelmäßige Reinigung und der Austausch von Verschleißteilen oder ein Ölwechsel sind nicht erforderlich. Dennoch ist eine jährliche Inspektion der Anlage zu empfehlen: Hier sollte der Allgemeinzustand der Anlage beurteilt werden, die Reglereinstellungen sind zu überprüfen und ggf. zu korrigieren. Die Kontrolle der Sole (Frostschutz und Korrosionsschutz) ist ebenfalls zu empfehlen. Details zur Wartung haustechnischer Anlagen sind im VDMA Einheitsblatt 24186 nachzulesen.

Die Arbeiten am kältetechnischen Teil einer Wärmepumpe sollten generell nur vom Werkskundendienst oder einem Kältefachbetrieb durchgeführt werden. Der Umgang mit Kältemitteln setzt neben der erforderlichen Sachkenntnis auch in erheblichem Umfang Spezialwerkzeug voraus, das im SHK-Fachbetrieb in der Regel nicht zur Verfügung steht.

Bild 7: Fernüberwachung einer Wärmepumpenanlage mit einem Modem: Im Programmfenster können die Betriebsdaten der Wärmepumpe abgefragt und ggf. auch verändert werden.

Einige Hersteller bieten eine Diagnose-Software zur Fernsteuerung und Fernüberwachung an. Mit Hilfe einer seriellen Direktverbindung oder über ein Modem können alle Parameter verstellt werden. Betriebsdaten werden in Echtzeit ausgelesen und können in einer Datenbank gespeichert werden. So kann die Anpassung der Anlage, beispielsweise während der Bauaustrocknung, ohne eine Begehung der Baustelle erfolgen (Bild 7).

Zusammenfassung und Ausblick

Der Bau von Wärmepumpen-Heizsystemen stellt spezielle, aber beherrschbare Anforderungen an den Planer und an das ausführende Handwerk. Bei sorgfältiger Gestaltung der Anlage erhält der Kunde eine Haustechnik, die verbrauchsgünstig und robust zu seiner vollsten Zufriedenheit arbeitet. Die Hersteller von Wärmepumpen sind jederzeit und gerne zur Unterstützung des Fachhandwerks bereit. Der Beitrag sollte zeigen, dass der Bau von Wärmepumpenanlagen mit dieser Unterstützung zu einem Geschäftserfolg werden kann.

In Zukunft wird die Gebäudekühlung immer mehr an Bedeutung gewinnen. Hier bieten insbesondere die erdreichgekoppelten Systeme sehr günstige Möglichkeiten in der Kombination mit einer Lüftungsanlage. Zunächst kann eine sehr verbrauchsgünstige passive Kühlung erreicht werden, indem der Zuluft-Wärmetauscher mit Sole aus dem Erdreich beaufschlagt wird. Reicht dies nicht aus, so wird die Wärmepumpe zur aktiven Kühlung eingeschaltet - die Wärme des Verflüssigers wird zur Speicherladung genutzt (Bild 8).

Bild 8: Wärmepumpen bieten die Möglichkeit zur preiswerten Kühlung mit Sole (natural cooling), besonders interessant in Verbindung mit einer Lüftungsanlage.

Eine interessante Technik für den Einsatz im Neubau- und Modernisierungsgeschäft sind gasbetriebene Sorptionswärmepumpen. Zur Zeit werden solche Geräte bei einigen Herstellern entwickelt, mit einer Markteinführung ist innerhalb der nächsten drei Jahre zu rechnen.

 

Internetinformationen:
www.vaillant.de
www.waermepumpe.de
www.waermepumpe-bwp.de
www.izw-online.de
www.bine.info


*) Dipl.-Ing. Uwe Marx, Entwicklung Wärmepumpensysteme, Dr.-Ing. Rainer Lang, Leiter Entwicklung Wärmepumpensysteme; beide Vaillant GmbH


B i l d e r :   Vaillant GmbH, Remscheid


L i t e r a t u r :

[1] Kruse/Heidelck: "Heizen mit Wärmepumpen", TÜV-Verlag Köln, 2. Auflage 1999.

[2] Ogorek: "Arbeitsordner Wärmepumpe", 3. überarbeitete Neuauflage ab Oktober 2002, Bundesverband Wärmepumpen (BWP) e.V., München.

[3] RWE Energie AG: "Bau-Handbuch", 12. Auflage 1998, VWEW-Verlag Frankfurt.

[4] DIN EN 832: "Berechnung des Heizenergiebedarfs...".

[5] DIN EN 1264 Bl. 1-4: "Fußboden-Heizung, Systeme und Komponenten...".

[6] DIN 4701: "Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs...".

[7] VDI 2067 Bl. 6: "Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen...".

[8] VDI 4640 Blatt 1 u. 2: "Thermische Nutzung des Untergrundes...".

[9] VDMA 24186 Teil 31: "Leistungsprogramm für die Wartung... Wärmepumpen...".


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