TGA Management

TGA Ausgabe 12-2018
Wärmepumpen-Planungssoftware

Exakter auslegen, einfacher optimieren


1 Die Nachfrage nach Elektrowärmepumpen steigt, …

1  Die Nachfrage nach Elektrowärmepumpen steigt, …

Wärmepumpen-Planungsprogramme versprechen präzisere JAZ-Werte, verlässlichere Ertragsvorhersagen und einfachere Wirtschaftlichkeitsvergleiche, auch bei komplexen Anlagen. Bei der Programmauswahl sollte man auf die Unterschiede achten.

Kompakt informieren

Wärmepumpen-Betriebsdaten müssen möglichst genau in ihrer zeitlichen Abhängigkeit berechnet werden, damit sie den Anforderungen an den Wärmeertrag und den Komfort zu jedem Zeitpunkt im Jahresverlauf genügen.

Wärmepumpen-Simulationsprogramme liefern nicht nur präzisere Prognosen zur Jahresarbeitszahl (JAZ), zur Wirtschaftlichkeit und zu den Betriebskosten einfacher Standardanlagen.

Sie ermöglichen auch die Planung und Optimierung komplexer Systeme, etwa Kombinationen mit anderen Energiegewinnungssystemen oder die Eigenstromnutzung über PV- oder BHKW-Anlagen.

Allerdings wird dies teilweise nur über Umwege unterstützt. Ausbaufähig sind die Programme auch hinsichtlich der Abbildung von Batteriespeichern, ausgefeilten Anlagenkombinationen und Regelungstechniken.

Da sich gleich mehrere technische Parameter von Wärmepumpen-Heizanlagen gegenseitig beeinflussen, lassen sich Prognosen über den Ertrag, das Betriebsverhalten und die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen-Heizungsanlagen mit vertretbarem Aufwand nur per Simulation hinreichend genau berechnen. Spezielle Planungs- und Simulationsprogramme für Fachplaner und Energieberater ermöglichen die Optimierung der Anlagenkonfiguration und Anlagenhydraulik, eine realistische Berechnung der Betriebskosten mit oftmals höherer Jahresarbeitszahl (JAZ) und damit günstigeren Förderkonditionen.

Simulationen liefern höhere JAZ

Ertragsprognosen der Wärmepumpen-Hersteller oder nach Regelwerken ermittelte Prognosen ausführender Unternehmen decken sich in der Praxis selten mit den tatsächlichen Erträgen. Das liegt unter anderem daran, dass das Betriebsverhalten und die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpen-Heizung von verschiedenen Faktoren abhängen.

Neben den Gebäude-, Lage- oder Klimadaten müssen auch Wechselwirkungen berücksichtigt werden, weil sich die Wärmepumpen-Parameter, Quellentemperaturen und die Temperaturanforderungen der Heizung gegenseitig beeinflussen. Zudem unterliegt die Leistung der jeweiligen Wärmequelle ebenso jahreszeitlichen Schwankungen, wie der Heiz- und Warmwasserbedarf der Bewohner.

Wärmepumpen-Betriebsdaten müssen folglich möglichst präzise in ihrer zeitlichen Abhängigkeit berechnet werden, damit sie den Anforderungen an den Wärmeertrag und den Komfort zu jedem Zeitpunkt im Jahresverlauf genügen. Zwar reicht für eine Basis- oder Innovationsförderung über das vom BAFA administrierte Marktanreizprogramm eine nach VDI 4650 Blatt 1 [2] berechnete Mindestjahresarbeitszahl als Fördervoraussetzung. Dabei werden jedoch nur fundamentale Daten der Wärmepumpe, der Heizwassertemperaturen oder der Umwälzpumpen-Leistung berücksichtigt. Andere Einflussgrößen, etwa die Temperaturen des Erdreichs, werden lediglich geschätzt.

Simulationsrechnungen ermöglichen demgegenüber eine präzisere Auslegung, eine Optimierung der Anlagenkonfiguration sowie realistischere Betriebskosten- und Amortisierungsprognosen. Im Vergleich zu den mit pauschalen Aufschlägen rechnenden Normverfahren lassen sich zudem höhere, für Fördermittel günstigere Jahresarbeitszahlen und damit vorteilhaftere Förderkonditionen erzielen. Auch wenn sich die Ergebnisse manchmal nur geringfügig unterscheiden, können sie dennoch den Ausschlag darüber geben, ob eine bestimmte Innovationsförderung erreicht wird oder nicht.

Einfacher berechnen und optimieren

Einen hohen Rechenaufwand verursachen aufgrund der Wechselwirkungen und Temperaturabhängigkeiten insbesondere Anlagen mit einem hohen Anteil für die Trinkwassererwärmung und Systeme mit mehreren Wärmeerzeugern. So hängt der jeweilige Stromverbrauch einer Wärmepumpenheizung von den Temperaturen im Heizungskreislauf und der Wärmequelle ab.

Da sich beide im Jahresverlauf ändern, muss man für jeden einzelnen Zeitabschnitt die Heizwassertemperatur in Abhängigkeit der Außentemperatur am jeweiligen Standort berechnen. Simulationsprogramme ermitteln diese Werte automatisch in zeitlicher Abhängigkeit und in der gewünschten zeitlichen Auflösung. Auf Basis dieser Simulationen ist eine näher an die Realität heranreichende Vorhersage möglich.

Außerdem kann man gegenüber Kunden die Folgen eines veränderten Nutzungsprofils für die Jahresarbeitszahl und Wirtschaftlichkeit einer Anlage anhand von Grafiken anschaulich darstellen: Steigen der Warmwasserverbrauch oder werden höhere Raumtemperaturen eingestellt, sinkt der Wirkungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Anlagenprojekte lassen sich auch einfacher optimieren, indem man diese mit variierten Randbedingungen durchrechnet. So können Projekte hinsichtlich der Komponenten Quelle, Quellengröße, Speicherkonzept, Wärmepumpe, Betriebsweise etc. variiert werden.

Werden die Alternativen nacheinander berechnet und als kommentierte Anlagenkonfiguration hinterlegt, erleichtert das Systemvergleiche und das Auffinden der jeweiligen Konfiguration.

Auch Auslegungsfehler lassen sich vermeiden. Ein häufiger Fehler ist beispielsweise, dass Sonden nur nach der Größe der Wärmepumpe (Leistung in kW) ausgelegt werden, nicht jedoch nach dem benötigten Wärmeentzug (Energie in kWh). Mit Simulationsprogrammen wie etwa WP-OPT lassen sich beide Randbedingungen prüfen. Besonders wichtig ist diese Funktion, wenn eine ältere Wärmepumpe durch eine technisch bessere ersetzt wird, wodurch dem Erdreich mehr Energie entzogen wird.

Eigenstromnutzung berechnen

Wärmepumpen eignen sich in idealerweise für Kombinationen mit anderen Technologien zur Energiegewinnung. Weil sie für ihren Betrieb Strom benötigen, liegt die Kombination mit Photovoltaik- und BHKW-Anlagen nahe. Der selbst erzeugte Strom kann unmittelbar für den Betrieb der Wärmepumpe genutzt werden und trägt dazu bei, dass sich die Gesamtanlage schneller rechnet.

Hinzu kommt, dass sich die Verbindung aus Wärmepumpe und Photovoltaik positiv auf den Jahresprimärenergie-Bedarf eines Wohngebäudes auswirkt, da nach der Energieeinsparverordnung (ab EnEV 2009) selbst erzeugter Strom auf der Basis monatlicher Erträge für die Referenzklimazone Potsdam in bestimmten Grenzen rechnerisch vom Endenergiebedarf eines Gebäudes abgezogen werden kann. Die Gleichzeitigkeit von Ertrag und Verbrauch soll im neuen Gebäudeenergiegesetz (GEG) noch stärker abgebildet werden.

Eine Wärmepumpe benötigt allerdings vor allem in der Heizperiode zwischen Oktober und April den meisten Strom. In dieser Zeit liefert eine PV-Anlage aber nur etwa 30 bis 35 % ihres Jahresertrags. Umgekehrt ist der PV-Stromertrag im Sommer am höchsten – just dann, wenn der Stromverbrauch der Wärmepumpe eher gering ist. Zum Einsatz kommen deshalb smarte Anlagenkombinationen und Regelungstechniken. Auf die Besonderheiten dieser Systeme gehen Wärmepumpen-Simulationsprogramme zwar in der Regel nicht ein, auch weil sich der Markt derzeit noch entwickelt.

Welchen Stromertrag die PV-Anlage einbringt, lässt sich über einen integrierten PV-Rechner oder eine Schnittstelle zu einem externen Programm in Abhängigkeit von Standort, Ausrichtung und Dachneigung aber relativ präzise ermitteln. Die Software berücksichtigt den zeitlichen Verlauf der PV-Stromerzeugung und gibt an, wie viel selbst erzeugter Strom für Warmwasser und Heizung genutzt, respektive Überschüsse an Elektrospeicher abgegeben werden können. Beim Wirtschaftlichkeitsvergleich kann selbst erzeugter BHKW-Strom als Gewinn einbezogen werden.

Welche Programme bietet der Markt …

Wärmepumpen-Planungsprogramme werden maßgeschneidert für die jeweiligen Zielgruppen angeboten: Bauherren und Hauseigentümer können über Online-Wärmepumpenplaner oder JAZ-Rechner eine Anlage überschlägig auslegen, respektive Fördermöglichkeiten ausloten.

Für Installateure und Fachhandelspartner kostenfreie Berechnungs- und Auslegungsprogramme von Wärmepumpen-Herstellern bieten ähnliche Berechnungsfunktionen wie die im Folgenden genannten herstellerübergreifenden Simulationsprogramme.

Allerdings enthält die Datenbank nur Gerätedaten des jeweiligen Herstellers. Meist handelt es sich um eine Firmenversion des Simulationsprogramms WP-OPT von WPsoft, sodass die Funktionen und Bedienung mehr oder weniger identisch sind. Deshalb wurde in dieser Marktübersicht beispielhaft nur die herstellerspezifische Software plansoft von Vaillant berücksichtigt.

Für TGA-Planer und Energieberater sind herstellerübergreifende Simulationsprogramme das geeignete Planungs- und Optimierungswerkzeug. Sie berechnen die förderungsrelevante Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 Blatt 1 und per Simulationsrechnung, machen einen Betriebskostenvergleich mit anderen Energieträgern wie Öl, Gas, Pellets etc., ermitteln die jährlichen Investitionskosten unter Berücksichtigung der Lebensdauer der Komponenten, der Zinsen und jährlichen Energiepreissteigerungen sowie den Stromverbrauch und die Stromkosten in den einzelnen Tarifen der verschiedenen Stromanbieter.

Ferner wird – unterteilt nach Heizung und Warmwasser – der Temperaturverlauf in der Wärmequelle berechnet, der durchschnittliche monatliche Wärmebedarf, die Vorlauftemperatur, die Heizleistung etc. Die Einstiegspreise für herstellerunabhängige Wärmepumpen-Simulationsprogramme liegen bei 400 bis 500 Euro. Komplettversionen kosten teilweise deutlich mehr.

… und wie unterscheiden sie sich?

Unterschiede zeigen sich bereits bei den Wärmepumpen-Daten: Realistische Berechnungen bei kritischen Betriebsbedingungen sind nur mit exakten Daten möglich. Je mehr Betriebspunkte, Kenngrößen und Leistungsdaten berücksichtigt werden, desto genauer ist das Berechnungsergebnis.

Ebenso wichtig sind präzise Boden- und Klimadaten für den jeweiligen Standort in Deutschland, wobei erweiterte, respektive weltweite Standortdaten teilweise zusätzlich erworben werden müssen.

Während mit allen Programmen gängige Anlagentypen für Heizung oder Trinkwarmwasser geplant werden können, werden Betriebsweisen unterschiedlich berücksichtigt. Auch bei der Art und Qualität der Simulation gibt es Unterschiede: Zum Standard gehören die Simulation der Wärmepumpe, der Wärmequelle sowie der Gebäudenutzung. Kritische Betriebsbedingungen, etwa die Auskühlung des Erdreichs, lassen sich allerdings nur anhand zusätzlicher, detaillierter Simulationsrechnungen untersuchen.

Schemapläne, Eingabeassistenten oder Vorgabewerte vereinfachen die Eingabe und Auslegung, Plausibilitätskontrollen prüfen Eingabewerte auf Fehler und Unstimmigkeiten. Allerdings sollten Plausibilitätskontrollen auch eine gewisse Fehlertoleranz aufweisen und nur einen Hinweis anzeigen. Dadurch ist es beispielsweise im Rahmen von Gutachten möglich, die Folgen von Auslegungsfehlern zu quantifizieren – etwa eine schlechtere Jahresarbeitszahl, die aus einer unterdimensionierten Sonde und einer kälteren Quellentemperatur resultiert.

Zu den Ausgabedaten zählen die simulierte, respektive nach VDI 4650 Blatt 1 bzw. DIN EN 14 825 [3] berechnete Jahresarbeits-zahl, die Nutzenergie, der Stromverbrauch, die Betriebskosten und die Wirtschaftlichkeit. Darüber hinaus werden teilweise auch die Quellentemperatur (min./max.), die CO2-Einsparung, Laufzeiten, der Druckverlust etc. als Tabelle oder Grafik in der gewünschten zeitlichen Auflösung (Stunde, Tag, Woche, Monat, Jahr) ausgegeben.

Auch Schallemissionen von Luft/Wasser-Wärmepumpen und die Anforderung der TA Lärm werden von einigen Programmen überprüft (z. B. mit planSoft). Schnittstellen wie ASCII, RTF, DOC, XLS, PDF ermöglichen die Weiterbearbeitung und den digitalen Austausch von Text- und Bildinformationen.

Beim Support per Telefon, E-Mail oder Online-Fernwartung spielt dessen Qualität eine wichtige Rolle: Nur wenn die Hotline von Wärmepumpen-Experten betreut wird, können Fachfragen kompetent beantworten werden.

Wartungsverträge halten WP-Planungsprogramme auf aktuellem Stand, allerdings sind die laufenden jährlichen Kosten teilweise sehr unterschiedlich. Bei den Preisangaben sollte man darauf achten, ob es sich um eine Einstiegs- oder Komplettversion handelt.

Simulationen erfordern korrekte Daten

Simulationen liefern nur dann realistische Ergebnisse, wenn auch die Eingabewerte stimmen. Das beginnt bereits mit der exakten Bestimmung des Wärmebedarfs. So kann aus einer ungenau ermittelten Heizlast oder einem abweichenden Nutzungsprofil eine ganze Reihe an Folgeabhängigkeiten entstehen, die sich negativ auf die Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Behaglichkeit einer Wärmepumpenheizung auswirken. Mit Wärmepumpen-Planungssoftware kann man daraus resultierendem Ärger vorbeugen und dem Kunden die Konsequenzen schon in früher Planungsphase aufzeigen. Marian Behaneck

Weitere Programme (Auswahl)

Aquarea Designer www.panasonic.de

JAZ-Rechner www.waermepumpe.de

Junkers Bosch Jahresarbeitszahlen-Rechner www.junkers.com

Nibe DIM www.nibe.de

Novelan Konzept www.novelan.com

Terra-OPT www.idm-energie.at

Vito-WP www.viessmann.de

Wärmepumpen-Navigator www.stiebel-eltron.de

Literatur

 [1] Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt, Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle. Download im Menüpunkt Energie / Heizen mit Erneuerbaren Energien auf www.bafa.de

 [2] VDI 4650 Blatt 1 Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen – Elektrowärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung. Berlin: Beuth Verlag, Dezember 2016

 [3] DIN EN 14 825 Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern zur Raumbeheizung und -kühlung – Prüfung und Leistungsbemessung unter Teillastbedingungen und Berechnung der saisonalen Arbeitszahl. Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2016

 [4] Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG), Download: www.bit.ly/eewaermeg_volltext

 [5] Bonin, J.: Handbuch Wärmepumpen – Planung und Projektierung, Beuth Praxis. Berlin: Beuth Verlag, 2016

 [6] Theiß, E.: Ein starkes Team ‑ Die Autarkie machts: Wirtschaftliche Eigenstrom- und Wärmenutzung mit solarstrombetriebener Wärmepumpe. Arnsberg: Strobel Verlag, IKZ Energy 12-2013

 [7] Schellhorn, M.: Alle Basisdaten sorgfältig ermitteln. Stuttgart: Gentner Verlag, SBZ 9-2018,   821547

 [8] Schellhorn, M.: Technikpartnerschaften erweitern das Anwendungsspektrum. Stuttgart: Gentner Verlag, SBZ 12-2018,   831065

 [9]  www.energie-experten.org Rubrik Heizung, Wärmepumpe

[10]  www.fws.ch Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz

[11]  www.geothermie.de Bundesverband Geothermie www.waermepumpe.de Bundesverband Wärmepumpe (BWP)

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Exakter auslegen, einfacher optimieren
  2. Teil: Neue VDI 4650 Blatt 1
  • 2  … setzt aber insbesondere bei komplexen Anlagen oder in Kombination mit der Eigenstromnutzung Fachwissen und eine exakte, rechnergestützte Planung voraus.

  • 3  Das Planungssoftware-Angebot reicht von Auslegungsprogrammen, die nur das Produktangebot eines Herstellers berücksichtigen …

  • 4  … über produkt- und herstellerübergreifende Planungs- und Simulationsprogramme, …

  • 5  … bis hin zu umfassenden Anlagen-Simulationsprogrammen für komplexe Hybridanlagen und Anlagen besonderer Nutzung.

  • 6  Da sowohl die Wärmequellen-Temperatur als auch der Wärmebedarf und andere Parameter jahreszeitlichen Schwankungen unterliegen, ist der Planungsaufwand hoch.

  • 7  Zu den wichtigsten Ergebniswerten zählen die Jahresarbeitszahl, die Nutzenergie, der Stromverbrauch, Verluste, Betriebskosten und Wirtschaftlichkeit.

  • 8   Diagramme bilden alle relevanten Parameter in der gewünschten zeitlichen Auflösung ab.

  • 9  Auch komplexere Anlagenkombinationen mit Erdsonden und PVT-Kollektoren lassen sich per Schemaplan modular zusammenstellen und anschließend simulieren.

  • 10  Hilfreich ist auch eine Variantenbildung, mit der unterschiedliche Anlagenkonzepte mit wenig Aufwand miteinander verglichen werden können.

  • 11  Kritische Betriebsbedingungen, insbesondere an der Wärmequelle, sollten anhand zusätzlicher, detaillierter Simulationsrechnungen untersucht werden.

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