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Auslegung

Auslegung und Dimensionierung von WärmepumpenWärmepumpen für Mehrfamilienhäuser

 

Auslegung der Wärmepumpenanlage


Eine genaue Auslegung und Dimensionierung der benötigten Leistung ist wichtig für einen effizienten und langlebigen Betrieb der Wärmepumpe. Eine Über- oder Unterdimensionierung führt häufig zu Betriebsstörungen und/oder zu hohen
Heizkosten. Grundsätzlich muss die Auslegung anhand der Allgemeinen Regeln der Technik erfolgen. Die Leistungsermittlung einer Wärmepumpenanlage basiert, wie auch bei anderen Wärmeerzeugern, auf einer Heizleistungsberechnung gem.
EN 12831. Diese ist sowohl für die Neuerrichtung von Gebäuden als auch für eine Modernisierung vorzunehmen. Die Auswahl einer Wärmepumpe anhand von Verbrauchswerten oder bestehender Wärmeerzeugerleistung ist nicht bzw. nur
eingeschränkt möglich.

Die benötigte Wärmepumpenleistung QWP wird anhand folgender Werte ermittelt:

  • Heizwärmebedarf des Gebäudes Qh (nach EN 12831)
  • Leistungsbedarf für Trinkwarmwasser QTW
  • Leistungsbedarf für Sonderanwendungen QS
  • Leistungsfaktor zur Überbrückung von Sperrzeiten f(Sperr)

 

Die Wärmepumpenleistung QWP wird wie folgt berechnet:

Berechnung der Wärmepumpenleistung

 

Heizwärmebedarf Qh des Gebäudes

Die Berechnung des Heizwärmebedarfes Qh hat nach den geltenden Normen und Richtlinien zu erfolgen. Für Ein- und
Zweifamilienhäuser kann dieser überschlägig nach der zu beheizenden Wohnfläche A und dem Spezifischen Heizwärmebedarf
qh ermittelt werden: 

Heizwärmebedarf eines Gebäudes

Wenn im Rahmen einer Modernisierung der bestehende Heizkessel gegen eine Wärmepumpe eingetauscht werden soll, so muss neben dem Heizwärmebedarf des Gebäudes zwingend die tatsächlich benötigte maximale Vorlauftemperatur
ermittelt werden, um ggf. weitere Sanierungsmaßnahmen vornehmen zu können.

 

Leistungsbedarf für Trinkwassererwärmung QTW

Der Leistungsbedarf für die Trinkwassererwärmung ist stark vom individuellen Nutzerverhalten und den Komfortansprüchen abhängig. Weiterhin ist der Bedarf auch nicht gleichmäßig über den gesamten Tag verteilt, sondern durch sogenannte
Spitzen (beispielsweise morgens und abends) geprägt. Ein großer Anteil des Trinkwasserbedarfs hat eine Temperatur von ca. 40 °C und nur ein geringer Anteil von 50 °C.
Die Dimensionierung des Systems muss anhand des maximalen täglichen Trinkwarmwasserbedarfs sowie des individuellen Nutzerverhaltens vorgenommen werden.

Nachfolgende Tabelle zeigt Richtwerte für unterschiedliche Trinkwarmwasserbedarfe:

Warmwasserbedarf Wärmepumpe

Anhand des entsprechenden Trinkwarmwasserbedarfs kann vereinfacht die zusätzliche Leistung für die Wärmepumpe als auch das entsprechende Speichervolumen für Ein- und Zweifamilienhäuser bestimmt werden. Für eine detaillierte Planung
sind regionale wie nationale Richtlinien und Normen (wie zum Beispiel die DIN EN 15450) zu berücksichtigen.

Auslegung Trinkwasserspeicher

Hinweis: Der zusätzliche Leistungsbedarf für die Trinkwassererwärmung muss nur berücksichtigt werden, wenn dieser ca. 15 % oder mehr der gesamten Heizlast des Gebäudes entspricht.

LEISTUNGSBEDARF FÜR TRINKWARMWASSER QTW
Pauschal kann mit 0,2 kW pro Person bei mittlerem Trinkwasserkomfort gerechnet werden.

Hinweis: Falls Zirkulationsleitungen vorgesehen sind, müssen diese in der Ermittlung der Gesamtleistung berücksichtigt werden.

 

Leistungsbedarf für Sonderanwendungen Qs


Unter Sonderanwendungen fallen zusätzliche Leistungsbedarfe wie zum Beispiel Schwimmbäder, Lüftungs- oder Befeuchtungsanlagen. Diese haben einen erheblichen Einfluss und sind durch eine Wärmebedarfsberechnung zu ermitteln.


Leistungsfaktor zur Überbrückung von Sperrzeiten f(Sperr)


Einige Energieversorgungsunternehmen bieten spezielle Stromtarife für Wärmepumpen an. Im Gegenzug behält sich das Energieversorgungsunternehmen vor, die Stromversorgung für maximal 3 x 2 Stunden innerhalb von 24 Stunden zu unterbrechen.
Diese Unterbrechungen fallen häufig auf die Spitzenlastzeiten der Versorger: morgens, mittags und/oder abends. Die zu dieser Zeit fehlende Energiemenge kann über Pufferspeicher oder Speichermasse des Gebäudes ausgeglichen
werden. Damit nach der Sperrzeit ausreichend Energie zur Verfügung steht, muss diese in Form eines Sperrzeitenfaktors berücksichtigt werden.

Dieser kann wie folgt berechnet werden:

Berechnung von Sperrzeiten bei Wärmepumpen

 

Beispielrechnung und Systemauswahl


Beispiel:

  • Einfamilienhaus (Bj. 2010)
  • Normauslegungstemperatur -14 °C
  • Wohnfläche A = 200 m²
  • Personenanzahl = 4
  • Trinkwasserbedarf mittel ~ 55 [l/(Pers x Tag)]
  • Sonderanwendungen = keine
  • Sperrzeiten = 2 x 2 Stunden in 24 Stunden

Berechnung:

Beispielrechung: Auslegung einer Wärmepumpe

Die erforderliche Wärmepumpe muss am Auslegungspunkt 8,16 kW Heizleistung erbringen. Dies kann zur Folge haben, dass Luft/Wasser-Wärmepumpen nur für einen relativen kurzen Zeitraum innerhalb einer Heizperiode die benötigte maximale Heizleistung abgeben müssen. Den Rest der Heizperiode wird deutlich weniger Heizleistung benötigt. Dies führt bei Nicht-Inverter-Wärmepumpen und wärmerer Außentemperatur dazu, dass sie entweder zu viel Leistung oder im bivalenten Betrieb zu wenig Leistung abgeben. Ohne einen großzügig dimensionierten Pufferspeicher kann sich die Lebensdauer von Nicht-Inverter-Wärmepumpen, aufgrund von häufigen Taktverhalten, drastisch verkürzen.

Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Inverter- bzw. Zubadan-Technologie können in diesem Fall ihre Leistung reduzieren und an den Gebäudewärmebedarf anpassen. Sie sind damit deutlich effizienter als Nicht-Inverter-Wärmepumpen. Häufig werden Luft/Wasser-Wärmepumpen mit geringer Leistung aus Kostengründen bivalent monoenergetisch ausgelegt. Die fehlende Heizleistung wird dann durch einen Elektroheizstab zur Verfügung gestellt. Damit ergibt sich ein Bivalenzpunkt, der die Außentemperatur angibt, bei welcher der Elektroheizstab die Wärmepumpe unterstützt. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Zubadan-Technologie kann auf den Elektroheizstab verzichtet werden. Das nachfolgende Diagramm zeigt beispielhaft den Einsatz von zwei Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Power Inverter-Technologie (gelb) und Zubadan-Technologie (rot) in einem Gebäude mit 8 kW Heizwärmebedarf, Normauslegungstemperatur von -14 °C und einer Heizgrenztemperatur von 14 °C.

Bivalenztemperatur bei Zubadan und Power Inverter

 

Aus dem obigen Diagramm wird erkennbar, dass der Bivalenzpunkt für eine Power Inverter-Luft/Wasser-Wärmepumpe bei -10 °C Außentemperatur liegt. Mit der Zubadan-Technologie steht auch bei Normauslegungstemperatur von -14 °C Außentemperatur die volle Heizleistung zur Verfügung. Im Rahmen einer monoenergetischen Anlagenplanung sollten immer sowohl Investitions- als auch Betriebskosten in Betracht gezogen werden. Hier gibt die DIN 4701-10 genaue Informationen zur Aufteilung der Jahresheizarbeit auf Wärmepumpe und zusätzlichem Wärmeerzeuger. Es hat sich gezeigt, dass ein Wärmepumpenanteil von 98 % an der Jahresheizarbeit vertretbar ist, was einer Bivalenztemperatur von ca. -5 °C entspricht.
Neben einer monoenergetischen/bivalent-parallelen Betriebsweise besteht noch die Möglichkeit, mit der bivalent-alternativen Betriebsweise die gesamte Heizleistung bis zur Bivalenztemperatur von der Wärmepumpe und darüber hinaus vom
zusätzlichen Wärmeerzeuger erbringen zu lassen.