Der Umstieg auf eine Heizungs-Wärmepumpe ist eine Investition für einen langen Zeitraum. Ändert sich das Gebäude, ändern sich auch die Betriebsbedingungen. Das sollte man bei der Auslegung im Blick haben.
Der Umstieg auf eine Wärmepumpen-Heizung erfolgt im kleinen Leistungsbereich überwiegend auf Luft/Wasser-Wärmepumpen mit nur einem Verdichter. Dieser kann zwar in einem weiten Bereich seine Leistung anpassen, da sich aber auch die Außenluft- und Vorlauftemperatur sowie die Heizlast ändern, ist der tatsächliche Modulationsbereich entlang der Gebäudekennlinie limitiert.
Der Anteil im Verdichterbetrieb an der Heizlast und der Anteil der Heizarbeit unterhalb der minimalen Leistung müssen für optimale Gesamtkosten und einen langlebigen Betrieb austariert werden. Eine zusätzliche Herausforderung ist die Auslegung unter Berücksichtigung späterer energetischer Sanierungsmaßnahmen.
JV
[1] zeigt die Gebäudekennlinien – vor einer Sanierung mit einer Norm-Heizlast von 10 kW und nach einer energetischen Sanierung mit einer um 30 % gesunkenen Heizlast von 7 kW.
[2] verdeutlicht, dass die notwendige Vorlauftemperatur dadurch nur überschaubar sinkt und sich der Unterschied bei steigender Außenlufttemperatur verkleinert. Der wesentliche Vorteil entsteht nicht durch die abgesenkte Heizkurve, sondern zunächst durch einen geringen Wärmebereitstellungsbedarf. Die maximale Absenkung gelingt zudem nur, wenn die Heizleistung an jedem Raum gleichmäßig sinkt.
Was sich alles verschiebt / ändert
[3] Die exemplarisch gewählte Wärmepumpe deckt bei Norm-Auslegungstemperatur (−10 °C) 55 % der Heizlast. Es ergibt sich ein Bivalenzpunkt von 0,1 °C. Nach der energetischen Sanierung würde er auf −6,3 °C sinken.
[4] zeigt an den Summenkurven für die Heizarbeit bzw. Heizstunden, dass sie unterhalb vom Bivalenzpunkt vor der Sanierung bei etwa 25 % bzw. 14 % liegen. Nach der Sanierung wären es 3 bzw. 1,5 %.
[5] zeigt die kombinierten COP-Verläufe für Verdichter und Heizstab bei monoenergetisch bivalent parallelem Betrieb. Die Knickpunkte korrespondieren mit den Bivalenzpunkten. Im realen Betrieb verschieben sich die Punkte nach links, weil die Außenlufttemperatur nur am Verdampfer anliegt. Die Vorlauftemperatur (Heizkurve) und die Heizlast reagieren aber gedämpft auf die Witterung.
[6] Maßgebend sind jedoch die Schnittpunkte der Gebäudekennlinie mit der minimalen WP-Leistung – darunter muss der Wärmeerzeuger „takten“. Jeder Neustart wirkt sich negativ auf die Energieeffizienz aus und erhöht den Verschleiß. Mit einem Pufferspeicher lässt sich zwar die Laufzeit pro Verdichterstart verlängern, die Grundproblematik jedoch nur abmildern. Über einem niedrigen Taktpunkt (dann ohne Vereisung) können Wärmepumpen mehrere Tage durchgehend laufen.
- Bei der 55-%-Auslegung ergibt sich vor der Sanierung ein Taktpunkt von 8,5 °C, in den Taktbetrieb fallen dann etwa 10 % der Heizarbeit und 24 % der Heizstunden.
- Nach der Sanierung sinkt der Taktpunkt „optisch unscheinbar“ auf 5,0 °C. Allerdings liegen nun bereits rund 25 % der Heizarbeit und 46 % der Heizstunden im Taktbetrieb.
- Mit der Sanierung hat sich die Heizlast um 30 % verringert und der Fußpunkt der Gebäudekennlinie nach links verschoben – woraus eine insgesamt um 38 % verringerte Heizarbeit resultiert. Dennoch ist die Heizarbeit im Taktbetrieb um über 50 % gestiegen.
Schlussfolgerungen und Hinweise
Eine sorgfältige (knappe) Wärmepumpen-Auslegung mit Weitblick zahlt sich also mehrfach aus. In der Praxis wird man bei einer eingeschränkten Geräteauswahl zunächst eine Zielgröße für die Lastdeckung festlegen, und dann anhand der Kennlinien die tatsächliche Lastabdeckung ermitteln. Zu beachten dabei ist, dass die maßgebliche Wärmepumpenkennlinie in keinem Herstellerkatalog zu finden ist, sie setzt sich aus einzelnen Punkten mit der Vorlauftemperatur entsprechend der Heizkurve zusammen.
Eingangs findet sich die Abgrenzung „Luft/Wasser-Wärmepumpen mit nur einem Verdichter“. Ein größerer Leistungsbedarf wird häufig über die Kaskadierung von Wärmepumpen mit dann weitem Modulationsbereich realisiert. Dann ist eine monovalente Auslegung für den Betrieb unkritisch und ermöglicht eine Fahrweise optimiert nach Energieeffizienz, Schallpegel und Lebensdauer. ■
Quelle: eigene Überlegungen und Berechnungen; Modellierung der Wärmepumpen-Kennlinien anhand realer Wärmepumpendaten / jv
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