Modernisieren mit Wärmepumpen

Wärmepumpenanlagen arbeiten vor allem dann effizient, wenn alle Komponenten wie z. B. Wärmequelle, Wärmepumpe, Heizflä- chen und auch das Nutzerverhalten optimal aufeinander abgestimmt sind. Durch eine sorgfältige Planung, korrekte Dimensionie- rung und regelmäßige Überprüfung des Systems können Fehlfunktionen, ein zu ho- her Stromverbrauch oder eine zu geringe Heizleistung vermieden werden. Um eine ausreichend hohe Effizienz zu gewährleis - ten, sollten die Vorlauftemperaturen im Auslegungsfall 55 °C möglichst nicht überschreiten. Je niedriger der Temperatur- hub, also die Differenz zwischen Quellen- und Senkentemperatur, desto höher die Anlageneffizienz.

WÄRMEQUELLEN- UND HEIZFLÄCHENTEMPERATUR

Neben möglichst hohen Quellentemperatu-

ren sind also möglichst geringe Temperatu- ren der Wärmesenken, also der Heiz- flächen, anzustreben. Diese müssen aber nicht unbedingt Flächenheizungen (Fußbo- den- bzw. Wand oder Deckenheizungen) sein. Bestandsgebäude haben oft ausrei- chend große Heizkörper, die mit niedrigen Vorlauftemperaturen betrieben werden können. Sollten einige Radiatoren zu klein sein, können diese gegen größere Heizkör- per oder ggf. auch Gebläsekonvektoren aus- getauscht werden.

Ob der Austausch eines oder mehrerer Heizkörper notwendig ist, kann rechne- risch oder über einen Test bestimmt wer- den. Für Erstere genügt für eine grobe Abschätzung die überschlägige Ermittlung der jeweiligen Raumheizlasten. Diese wer- den dann mit den Heizleistungen der vor- handenen Heizkörper bei verschiedenen Systemtemperaturen verglichen. Hierfür

gibt es Online-Tools an. Für einen Test soll- ten die Außentemperaturen möglichst in der Nähe der Norm-Außentemperatur lie- gen. Dann wird die Heizkurve auf eine ma- ximale Vorlauftemperatur von 55 °C oder auch weniger begrenzt. Wird es unter die- sen Bedingungen noch im gesamten Ge- bäude behaglich warm, sind die Heizflächen grundsätzlich für eine Wärme- pumpe geeignet. Eine genaue Berechnung der Heizlasten und eine Optimierung der Heizflächen ist dennoch empfehlenswert.

Eine Alternative kann auch der Einsatz ei- nes hybriden Systems sein, bei dem eine Gas- oder Ölheizung ab einer bestimmten Vorlauftemperatur die Spitzenlast abdeckt.

Im Falle einer Heizungsmodernisierung kann der bestehende Kessel diese Aufgabe so lange erfüllen, bis er durch weitere Sa- nierungsmaßnahmen überflüssig wird.

Gerade bei der Kombination mit weiteren Wärmeerzeugern ist die passende Hydrau- lik und regelungstechnische Einbindung entscheidend. Neben den Schemata im Leitfaden Hydraulik des BWP bieten die Hersteller eine Auswahl von verschiedenen hydraulischen Plänen an. Auch die VDI 4645 beinhaltet bewährte Standard- Hydrauliken für Neubau- und Bestandsge- bäude.

WÄRMEPUMPEN KOMBINIERT MIT FLÄCHENHEIZUNGEN

Ist im Bestandsgebäude eine Flächenhei- zung vorhanden, kann von günstigen Bedingungen für eine Wärmepumpe ausge- gangen werden. Bestehende Fußbodenhei- zungen sind üblicherweise nicht für einen Wärmepumpenbetrieb optimiert, sondern erfordern meist etwas höhere Vorlauftem- peraturen, die mit Öl- und Gasheizungen üblich waren. Wand- und Deckenheizungen sind im Bestand mit überschaubarem Auf- wand nachrüstbar. Sie haben gegenüber ei- ner Fußbodenheizung den Vorteil, dass sie

HEIZUNGSTECHNIK

Planung und Auslegung

20

Modernisieren mit Wärmepumpen

Planungs- und Ausführungsfehler beim Heizungstausch vermeiden

Wärmepumpen gelten als Hoffnungsträger im Rahmen der Energiewende, denn als Niedrigtemperatursystem heizen und kühlen sie effizient und CO₂-arm. Millionen von alten Heizungen müssen in den kommenden Jahren ausgetauscht werden, somit wird die Wärmepumpe auch in der Modernisierung eine wichtige Rolle spielen. Worauf insbesondere beim Heizungstausch geachtet werden sollte, wird hier näher betrachtet.

Beim Heizungstausch ist der Einsatz einer Wärmepumpe in vielen Fällen eine Option.

geringere Aufheizzeiten benötigen, und dass auf den Fußbodenbelag keine Rück- sicht genommen werden muss. Wandhei- zungen schränken allerdings die Freiheit bei der Möbel aufstellung und beim Aufhängen von Bildern etwas ein.

Deckenheizungen haben im Heizfall eine gegenüber den anderen Systemen schlechtere Wärmeübertragung, eignen sich aber hervorragend für den Kühlfall.

Für eine Kühlung oder Ankühlung sind Flächenheizungen gegenüber Heizkörpern klar im Vorteil. Bei Letzteren steht nur in Kombination mit Ventilatoren eine ausreichende Kühlleis tung zur Verfügung.

Bei Auswahl und Dimensionierung der Heizflächen ist immer zu beachten, ob sie nur zum Heizen oder auch zum Kühlen verwendet werden sollen.

ANPASSUNG DER VOLUMENSTRÖME IM HEIZKREISLAUF ZUR OPTIMIERUNG DER LAUFZEIT DER WÄRMEPUMPE

Bei Öl- oder Gasheizungen sind Spreizun- gen von 15 – 20 K zwischen Vor- und Rücklauf durchaus üblich. Bei einer Wär- mepumpe führt eine große Temperatur- differenz jedoch zu Effizienzverlusten.

Übliche Spreizungen liegen bei 5 – 7 K. Die geringeren Spreizungen erfordern zum Transport derselben Energiemengen höhe- re Volumenströme in den Heizungskreis- läufen. Eine Überprüfung der Rohr- dimensionierung, der hydraulische Ab- gleich des Rohrsystems und die Anpassung der Umwälzpumpe gehören bei der Umstel- lung auf ein Wärmepumpensystem in der Modernisierung daher zum Standardpro- gramm.

Mindestvolumen des hydraulischen Sys- tems und Mindestvolumenstrom müssen ausreichend groß sein, um die Mindestlauf- zeit der Wärmepumpe zu gewährleisten.

Das übliche Mindestvolumen liegt bei etwa 3 bis 5 l je kW Heizleistung. Bei Luft/Was- ser-Wärmepumpen sind deutlich größere Volumina notwendig, wenn damit auch der Verdampfer abgetaut werden muss.

Bezüglich der Mindestvolumenströme sind die Angaben des Herstellers zu beachten.

Bei Anlagen ohne Pufferspeicher sollten ge- eignete Maßnahmen getroffen werden, um den Mindestvolumenstrom zu gewährleis- ten. Denkbar ist hier ein Heizkreis, der nicht über eine Raumtemperaturregelung gedrosselt, sondern direkt über den Wär- mepumpenregler geregelt wird. Auch der Einsatz von Überströmventilen ist denkbar.

Die Mindestlaufzeit ist nicht nur für einen effizienten Betrieb notwendig, sondern auch für die Schmierung des Verdichters, da es einige Minuten dauert, bis das im Kältemittel enthaltene Öl alle wichtigen Stellen im Kreislauf erreicht.

Beim Einsatz von Pufferspeichern können diese bei Anlagen bis 50 kW Wärmeleis- tung im Auslegungspunkt nach VDI 4645 überschlägig folgendermaßen dimensio- niert werden: Für die Erhöhung der Lauf- zeit der Wärmepumpe im Teillastfall, die Verringerung der Schalthäufigkeit und die Pufferung von Wärme für den Abtaupro- zess gelten 20 l/kW Leistung im Ausle- gungspunkt, zur Überbrückung von Sperrdauern werden je kW Wärmepum- penleistung und Stunde Sperrdauer 30 bis 40 l Speichervolumen empfohlen.

Auch bei der Trinkwassererwärmung ist ei- ne sorgfältige Abstimmung erforderlich.

Wenn beispielsweise der Warmwasserspei- cher eine zu kleine Wärmeübertragungsflä- che hat und dadurch nicht genügend Wärme von der Wärmepumpe abnehmen kann, beginnt diese zu takten. Der Planer/

Installateur sollte darauf achten, dass pro kW Heizleis- tung der Wärme-

pumpe eine

Wärmeübertrager- fläche von mindes- tens 0,25 m² zur Verfügung steht.

DIMENSIONIERUNG DER WÄRMEPUMPE Für die Größenbe- stimmung einer Wärmepumpe ist ei- ne möglichst ge- naue Berechnung der Heizlast essenzi- ell. Dabei sollten auch die Leistung für die Trinkwasser- erwärmung und mögliche Sperrzei- ten des Energiever- sorgers beachtet werden. Neben ver- schiedenen Wärme- pumpen-Optimierun gs-Programmen und den von den Her- stellern selbst ent- wickelten

Berechnungs- angeboten stellt auch der BWP einen Heizlastrechner zur überschlä- gigen Ermittlung von Raum- und Gebäude- heizlasten zur Verfügung. Der Rechner ist geeignet für die Vorauswahl von Heiz- flächen bzw. Wärmepumpe in Gebäuden bis ca. Baujahr 1994. Die überschlägige Be- rechnung ersetzt jedoch keinesfalls die aus- führliche Heizlastberechnung nach den anerkannten Regeln der Technik, z. B. nach DIN EN 12831. Bei der Dimensionierung der Wärmepumpenanlage werden klimati- sche Verhältnisse, Gebäudedaten, Warm- wasserbedarf, Bodenwerte und viele weitere Faktoren berücksichtigt.

Eine sorgfältige Berechnung ist wichtig, um eine Überdimensionierung zu vermeiden.

Problematisch bei der Auswahl der Leis- tungsgröße einer Wärmepumpe kann zum Beispiel sein, dass im Betrieb einige Räume des Hauses nicht durchgehend beheizt werden. Auch das kann die Ursache für ei- ne Überdimensionierung sein. Zu großzü- gig dimensionierte Wärmepumpen haben oft schon nach kurzen Laufzeiten ihren Sollwert erreicht und schalten sich ab.

HEIZUNGSTECHNIK

Planung und Auslegung

Nachträglich kann dies leicht festgestellt werden, indem man überprüft, ob die Wär- mepumpe im Verhältnis zu ihren Betriebs- stunden eine hohe Anzahl an Starts hat.

BESONDERHEITEN BEI ERDGEKOPPELTEN SYSTEMEN

Sondenlängen und Kollektorfläche Bei erdgekoppelten Wärmepumpen müs- sen die Sondenlängen bzw. die Kollektorflä- che zur Wärmepumpe und zum Heizwärmebedarf des Gebäudes passen.

Sind die Sonden zu kurz oder die Fläche des Kollektors zu klein dimensioniert, so kann von ihnen nicht genügend Wärme er- schlossen werden. Eine zu hohe Entzugs- leistung des Bodens wirkt sich negativ auf die Anlageneffizienz aus. Die korrekte Aus- legung erfolgt bei kleineren Anlagen ent- weder vereinfacht nach VDI 4640 Blatt 2 oder durch fundierte Planung. Bei größeren Anlagen ist auch die Durchführung von Thermal Response Tests zu empfehlen, bei denen die Untergrundverhältnisse nicht nur abgeschätzt, sondern durch Messun- gen bestimmt werden.

Wärmeträgerflüssigkeit

Die Wärmeträgerflüssigkeit im Solekreis- lauf verhält sich durch den Zusatz von Gly- kol anders als „normales“ Heizungswasser.

Dies muss auch bei der Auswahl des Aus- dehnungsgefäßes berücksichtigt werden.

Eine falsche Dimensionierung kann zu starken Druckschwankungen im System führen. Eventuell kann Wärmeträgerflüs- sigkeit über das Sicherheitsventil entwei- chen, was zu Störabschaltungen führen kann. Es sollten also das korrekte Ausdeh- nungsvolumen ermittelt und folgende Punkte beachtet werden:

• Ausdehnungsgefäße für Heizungsanla- gen sind meist nicht geeignet; auf die Eignung für die notwendige Frostschutz- mittelkonzentration ist zu achten.

• Die Montage sollte am höchsten Punkt der Solevorlaufleitung erfolgen.

• Auch die Pumpe im Solekreislauf ist korrekt zu dimensionieren, um dem Erdreich die erforderliche Leistung ent- ziehen zu können und dabei einen zu hohen Pumpenstrombedarf zu vermei- den.

BESONDERHEITEN BEI LUFT/WASSER- WÄRMEPUMPE

Ein wichtiger Faktor bei Luft/Wasser-Wär-

HEIZUNGSTECHNIK

Planung und Auslegung

22

Beispiel für ein gängiges Hydraulik schema in der Modernisierung.

Auch im Bestand sind erdgekoppelte Wärmepumpen häufig realisierbar, da die Bohrung meist weniger Platz benötigt als angenommen.

mepumpen ist deren Aufstellort. Zu beach- ten sind hierbei zunächst die örtlichen Bau- vorschriften bzgl. der Grenzabstände. Des Weiteren ist bei der Außenaufstellung wich- tig, dass anfallendes Kondensat problemlos abgeführt wird, z. B. versickern kann. Der Aufstellort sollte so gewählt werden, dass die Wärmepumpe vor Schmutz und Schneeaufbau geschützt ist, und durch die Anordnung der Ausblasrichtung sollte die Vereisung von Wegen vermieden werden.

Entscheidend bei der Aufstellung ist die Beachtung des Schallschutzes. Dabei müs- sen vor allem die Anforderungen der Tech- nischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) eingehalten werden. Die darin vorgesehenen Regelungen haben das Ziel, die Nachbarschaft vor schädlichen Einflüs- sen zu schützen. Es werden je nach Ge- bietskategorie unterschiedliche Richtwerte für die maximalen Schallimmissionspegel an den maßgeblichen Immissionsorten (0,5 m vor dem geöffneten Fenster des am stärksten betroffenen schutzbedürftigen Raumes) angegeben. Die Richtwerte sollten nach Möglichkeit um 6 dB(A) unterschrit- ten werden, da weitere Schallquellen auf den Immissionsort einwirken können. Die VDI 4645 und der BWP-Leitfaden Schall geben hierzu ausführliche Erläuterungen.

Unter www.waermepumpe-austria.at/

schallrechner ist ein Tool zu finden, mit dem der Beurteilungspegel beziehungswei- se der notwendige Abstand zum maßgebli- chen Immissionsort ermittelt werden kann.

Grundsätzlich sollte ein größtmöglicher Ab- stand zu schutzbedürftigen Räumen ge-

wählt werden und die Ausblasrichtung von diesen abgewandt sein. Die Abschirmung durch das eigene Gebäude kann genutzt werden, Reflektionen an schallharten Flä- chen sollten möglichst vermieden werden.

Die Freiaufstellung ist der Aufstellung an einer Wand oder gar in einer Ecke vorzu- ziehen. Gegebenenfalls müssen ein leiseres Gerät gewählt oder weitere Schallschutz- maßnahmen (Dämmhaube, Schallschutz- wand etc.) vorgenommen werden.

Entscheidend für die Ermittlung des Beur- teilungspegels ist nicht der auf dem Ener- gylabel angegebene Schallleistungswert, da dieser u. U. deutlich unter dem tatsächli- chen Maximalpegel liegen kann. Im Schall- rechner des BWP sind deshalb für alle Geräte die tatsächlichen Maximalpegel im Tag- und im Nachtbetrieb angegeben. Bei sämtlichen Wärmepumpensystemen sollte zudem eine gute Schallentkopplung zum Gebäude vorgenommen werden, um Kör- perschallübertragungen vorzubeugen.

STROMVERSORGUNG DER WÄRMEPUMPE Heizungswärmepumpen benötigen einen Drehstromanschluss (400 V). Sollte dieser im Aufstellraum nicht zur Verfügung ste- hen, muss er von einer Elektrofachkraft nachgerüstet werden. Mit dem lokalen Stromversorger muss darüber hinaus abge- klärt werden, ob für die Wärmepumpe ein zweiter Stromzähler erforderlich ist. Da es für Wärmepumpenstrom meist einen güns- tigeren Tarif gibt, lohnt sich der Einbau in den meisten Fällen. Möglich sind auch Lö- sungen mit einem Zweitarifzähler für be-

stehende Systeme, wenn kein Platz für einen zweiten Stromzähler vorhanden ist.

Dieser Aspekt sollte platz- und kostenseitig eingeplant werden. Ein Vergleich der Stromtarife lohnt sich dabei immer.

Weitere Hinweise zur elektrischen Vertei- lung und Infrastruktur:

• Kann der zweite Zähler oder ein Zweita- rifzähler in den bestehenden Verteiler- schrank eingesetzt werden? Falls nicht, sollte ein separater Schaltschrank einge- plant werden.

• Wichtig ist auch, dass ggf. genug Platz für das Tarifschaltgerät einkalkuliert

HEIZUNGSTECHNIK

Planung und Auslegung

Um eine Wärmepumpe mit Kühloption installieren zu können, sollte Folgendes beachtet werden:

• Möglichst genaue Kühllastberechnung (z. B. nach VDI 2078) durchführen,

• Abklärung, ob ggf. eine Ankühlung genügt,

• Auslegung der Heizflächen für Küh- lung anpassen,

• Bei der gemeinsamen Nutzung zur Heizung und Kühlung auf die bei der Kühlung größeren erforderlichen Vo- lumenströme achten,

• Kondensatvermeidung/abfuhr berück- sichtigen,

• Ggf. Taupunktregelung vorsehen.

Kühlen mit Wärmepumpe

wird und – sofern nötig – für den FI- Schutzschalter.

• Die Kabelführung zum Anschlusskasten und ggf. zum Außengerät sowie zur Steuerung (Kabelkanal) sollte auch bei der Planung berücksichtigt werden.

Unter Umständen ist eine Begleitheizung für den Kondensatablauf einzuplanen.

FAZIT

Durch eine sorgfältige Planung der Anlage können spätere Effizienzverluste, Störun- gen und sonstige Unregelmäßigkeiten ver- mieden werden. Die VDI-Richtlinie 4645 liefert dazu eine genaue Anleitung und hilft mit Ablaufplänen, Checklis ten und Beispielberechnungen – auch für den Heizungstausch mit Wärmepumpen.

Außerdem bietet die Weiterbildung zum

„Sachkundigen für Wärmepumpensys - teme“ Handwerkern und Planern, die sich mit Wärmepumpenanlagen beschäftigen, eine wertvolle Grundlage für die professionelle Installation von Wärme- pumpensystemen.

Autor: Alexander Sperr, Referenten für Normung & Technik beim Bundesverband Wärmepumpe (BWP)

Bilder: BWP

HEIZUNGSTECHNIK

Planung und Auslegung

24

Moderne Luftwärmepumpen lassen sich meist so integrieren, dass Schall und Optik kein Problem darstellen.

Bei der Trinkwassererwärmung ist auf aus- reichende Hygiene zu achten. Im Wesentli- chen soll vermieden werden, dass Wasser über einen längeren Zeitraum bei Tempera- turen aufbewahrt wird, welche das Wachs- tum von Legionellen fördern. Für einen effizienten Betrieb von Wärmepumpen sind niedrige Temperaturen notwendig, somit gibt es hier einen Konflikt. Die Trinkwasser- verordnung unterscheidet zwischen Groß- und Kleinanlagen. Bei Ers teren muss eine Beprobung und Untersuchung auf Legionellen in bestimmten Zeitabständen durchgeführt werden. Es handelt sich hierbei um Anlagen mit Speicherinhalten von mindestens 400 l oder einem Volumen

> 3 l in mindestens einer Trinkwarm- wasserleitung zwischen Abgang des

Trinkwassererwärmers und Zapfstelle. Selbst bewohnte Gebäude ohne vermietete Anteile sind davon ausgenommen.

Einschlägige Regeln geben Hinweise zu den notwendigen Temperaturen. Das DVGW-Ar- beitsblatt empfiehlt Temperaturen am Aus- tritt des Trinkwassererwärmers von mindestens 60 °C, über die Leitungswege darf diese Temperatur um nicht mehr als 5 K absinken. Dies kann durch Zirkulationslei- tungen oder eine Rohrbegleitheizung gelöst werden. Nach DIN 1988-200 darf die Min- destbevorratungs- temperatur auf ≥ 50 °C abgesenkt werden, wenn ein Wasseraus- tausch von Speicher und Rohrleitungsvolu- men innerhalb von 3 Tagen sichergestellt werden kann. Es muss allerdings die Mög- lichkeit bestehen, die Speichertemperatur

auf ≥ 60 °C einzustellen. Der Betreiber ist für den bestimmungsgemäßen Betrieb (Wasser- wechsel mindestens alle 3 Tage) verantwort- lich.

Eine Lösung für hygienische Trinkwasser-er- wärmung mit Wärmepumpe können Frisch- wasserstationen sein. Die Speicherung erwärmten Trinkwassers entfällt hier. Statt- dessen wird warmes Heizungswasser in ei- nem Pufferspeicher bevorratet. Die Trinkwassererwärmung kann dann woh- nungsweise über einen Wärme-übertrager im Durchlaufprinzip erfolgen. Ggf. ist auch eine elektrische Nacherhitzung möglich, falls höhere Temperaturen gefordert sind.

Infos zum Thema Trinkwarmwasser