Dimensionierung einer Wärmepumpe: Trinkwasser, Heizlast und Auslegung von Heizkörpern

Auswirkungen der Dimensionierung

Sowohl die Bestimmung der Heizlast (z.B. durch Berechnung mit pauschalen Annahmen) als auch die Auslegung der Wärmepumpe und die Wahl des Bivalenzpunktes (als Temperatur-Einschaltpunkt für einen zweiten Wärmeerzeuger, wie z.B. einen Heizstab) haben Auswirkungen auf die Dimensionierung.

Grundlage für die Dimensionierung von Wärmepumpen ist die erforderliche Heizleistung. Diese setzt sich aus den Leistungsanteilen zur Raumheizung (Heizlast) und zur Trinkwarmwasserbereitung zusammen.

Passende Dimensionierung der Wärmepumpe

Nachdem die Heizlast und der Trinkwarmwasserbedarf bestimmt ist, wird im nächsten Schritt die Anlage dimensioniert. Hierbei muss zwischen einer monovalenten, einer bivalenten oder einer monoenergetischen Auslegung gewählt werden. Bei der monovalenten Auslegung übernimmt die Wärmepumpe die gesamte Wärmebereitstellung ohne einen weiteren Wärmeerzeuger. Bei der bivalenten wird ein weiterer Wärmeerzeuger in die Auslegung eingeplant. Bei der monoenergetischen Auslegung handelt es sich bei diesem zweiten Wärmeerzeuger um einen elektrischen Heizstab. Im Folgenden wird näher auf die monoenergetische Auslegung eingegangen.

Der Großteil der Wärme sollte bei der monoenergetischen Auslegung von der Wärmepumpe bereitgestellt. Der elektrische Heizstab wird nur bei geringen Temperaturen zugeschaltet. Die Häufigkeit der verschiedenen Temperaturen und die resultierende Verteilung des Wärmebedarfs über der Außentemperatur geben dabei Aufschluss, bei welcher Temperatur der Einsatz des Heizstabs sinnvoll ist.

Die Temperaturverteilung für einen Beispielstandort über das Jahr ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Es wird deutlich, dass geringe Temperaturen selten vorkommen und Temperaturen oberhalb von 0 Grad Celsius den Großteil ausmachen. Die benötigte Heizleistung ist jedoch bei geringen Temperaturen deutlich größer, weshalb ein differenzierter Blick auf den benötigten Wärmebedarf je nach Außentemperatur nötig ist. Die folgende Abbildung zeigt die relative Häufigkeitsverteilung des Gesamtwärmebedarfs für jede Außentemperatur für ein Gebäude am Beispielstandort mit einer Heizgrenze von 15 Grad Celsius.

Ein Großteil des Bedarfs wird in der Übergangszeit benötigt, wenn die Außentemperaturen über 0 Grad Celsius liegen. Temperaturen von –10 Grad Celsius und weniger machen hingegen weniger als 1 Prozent des Wärmebedarfs aus.

Durch eine monoenergetische Auslegung mit Heizstabunterstützung wird der optimale Regelbereich der Wärmepumpe in den Bereich verschoben, in dem die meiste Wärmeenergie benötigt wird. Dadurch muss die Wärmepumpe weniger oft takten. Dabei sind die Leistungskennlinien der Wärmepumpe heranzuziehen, um den Modulationsbereich des Verdichters zu berücksichtigen. Vorteil ist dabei, dass die Wärmepumpe kleiner ausgelegt, somit Investitionskosten gespart werden können und der optimale Regel- und Leistungsbereich über das Jahr mehr genutzt werden kann. Wichtig ist die Festlegung des passenden Bivalenzpunktes, also die Außentemperatur, ab der der Heizstab unterstützt.

Für die monoenergetische Auslegung von Wärmepumpen empfiehlt sich ein schrittweises Vorgehen: Zunächst sollte der Deckungsanteil des Heizstabs definiert werden, wobei ein Wert von unter 5 Prozent laut VDI 4645 empfohlen ist. Anschließend lässt sich daraus der Leistungsanteil der Wärmepumpe ableiten. Sobald der Deckungsanteil und der resultierende Leistungsanteil feststehen, kann die Wärmepumpe basierend auf diesem Anteil und der Heizlast ausgewählt werden. Der Bivalenzpunkt, ab dem der Heizstab zuschaltet, ergibt sich schließlich aus den Leistungskennlinien der Wärmepumpe. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht, welchen Einfluss die verschiedenen Parameter haben. Zu beachten ist dabei, dass jede Wärmepumpe andere Leistungskennlinien hat und die Auslegung immer abhängig vom Gerät erfolgen sollte. Die Temperatur, ab der eine Wärmepumpe taktet, variiert je nach Gerät und Auslegung.

Die Tabelle zeigt die Deckungsanteile in Abhängigkeit des Leistungsanteils bei bivalent parallelem Betrieb. Der Heizstab unterstützt dabei parallel zur Wärmepumpe unterhalb der Bivalenztemperatur. Grüne Bereiche werden dabei als Auslegungsgrundlage empfohlen, während orangene und rote Bereiche nicht empfohlen werden.

Monovalente Auslegung

Die folgende Abbildung zeigt eine monovalent ausgelegte Wärmepumpe am Standort Frankfurt mit Normaußentemperatur von –10 Grad Celsius. Die Wärmepumpe kann bei Normaußentemperatur den Wärmebedarf allein decken. Der Heizstab wird nicht genutzt.

Die Abbildung zeigt, dass ab einer Temperatur von ca. 4 Grad Celsius die Wärmepumpe nicht weiter modulieren kann und die Leistung durch Takten anpassen muss (abhängig von Modell und Leistungsbereich). Da ein Großteil der Wärme zwischen 2 und 8 Grad Celsius Außentemperatur bereitgestellt wird, kann das zu höheren Taktzahlen und Verschleiß des Verdichters und einer Verringerung der Lebensdauer führen.

Monoenergetische Auslegung

Die folgende Abbildung zeigt die monoenergetische Auslegung einer Wärmepumpe am Standort Frankfurt mit Normaußentemperatur von –10 Grad Celsius. In dem Fall wird ein Deckungsanteil der Wärmepumpe von 4 Prozent gewählt. Daraus ergibt sich der Leistungsanteil der Wärmepumpe bei Auslegungstemperatur von circa 50 Prozent. Die Leistungskennlinien der gewählten Wärmepumpe sind in der Abbildung dargestellt.

Aus der Grafik kann eine Bivalenztemperatur von 2,5 Grad Celsius abgeleitet werden. Die Wärmepumpe kann in diesem Beispiel ab einer Außentemperatur von circa 8 Grad Celsius nicht mehr die Verdichterleistung modulieren und muss sie durch Takten anpassen. Der Bereich ist deutlich kleiner als bei einer monovalenten Auslegung. Da es über das Jahr nur sehr wenige Tage mit Temperaturen von –5 Grad Celsius und kälter gibt, muss der Heizstab nur einen Anteil von circa 4 Prozent an der Wärmeversorgung decken. Die Heizkosten steigen dadurch nur geringfügig gegenüber einer monovalenten Auslegung. Durch den kleineren Taktbereich verringert sich der Verschleiß des Verdichters und die Lebensdauer der Wärmepumpe steigt. Die Investitionskosten verringern sich durch die geringere benötigte Leistung der Wärmepumpe.

Überprüfung der Heizkörper und Absenkung der Vorlauftemperatur

Für einen effizienten und wirtschaftlichen Betrieb von Wärmepumpen wird eine maximale Vorlauftemperatur für die Raumheizung von 55 Grad Celsius empfohlen. Um zu prüfen, ob die vorhandenen Heizkörper unter diesen Bedingungen die Wärmeleistung übertragen können, muss für jeden Raum die Heizleistung des oder der Radiatoren mit der raumweisen Heizlast abgeglichen werden. Kann ein Heizkörper die Heizlast nicht übertragen, empfiehlt sich ein Austausch oder Vergrößerung der Heizfläche.

Der gleiche Effekt lässt sich erzielen, wenn eine Flächenvergrößerung gewählt wird: Die Leistung wird durch die größere Übertragungsfläche erhöht und die Vorlauftemperatur kann reduziert werden. Die mögliche Reduzierung der Vorlauftemperatur und Einsparung ist in folgender Tabelle dargestellt.