Gebäude beurteilen, Bedarfe berechnen

01.02.2022 | Veröffentlicht in Ausgabe 02-2022

Die Planung einer Wärmepumpenanlage sollte grundsätzlich in mehreren Schritten koordiniert und sorgfältig umgesetzt werden. - © Bild: Vaillant — © Bild: Vaillant

Die Planung einer Wärmepumpenanlage sollte grundsätzlich in mehreren Schritten koordiniert und sorgfältig umgesetzt werden.

Spätestens mit den aktuellen Produkten der Hersteller von Luft/Wasser-Wärmepumpen haben diese effektiven Wärmeerzeuger endgültig den Sprung in den Gebäudebestand geschafft. In dieser dreiteiligen Artikelserie gibt es Praxistipps zur Planung (Teil 1) und zum wichtigen Aspekt der Schallemissionen (Teil 2). Außerdem wird anhand von vier maßgeblichen Technologien die Vielfalt der Luft/Wasser-Wärmepumpen aufgezeigt (Teil 3).

Eine Wärmepumpe ist prinzipiell ein „Transportgerät“, das kostenfrei zur Verfügung stehende Umweltwärme auf ein höheres Temperaturniveau bringt. Sie entzieht der Umgebung – Erdreich, Wasser (z. B. Grundwasser) und Luft – gespeicherte Umweltwärme und gibt diese zusätzlich zur Antriebsenergie in Form von Wärme an den Heiz- und Warmwasserkreislauf ab.

Wärme kann nicht von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergehen. Sie fließt immer von einem Körper hoher Temperatur zu einem Körper mit niedrigerer Temperatur. Daher muss die Wärmepumpe die aufgenommene Wärmeenergie aus der Umgebung unter Einsatz von Strom für den Antriebsmotor – auf ein zum Heizen und Warmwasserbereiten notwendiges Temperaturniveau bringen. Das in einer Luft/Wasser-Wärmepumpe eingesetzte Kältemittel muss also in jedem Fall eine geringere Temperatur als die Außenluft haben. So kann auch bei frostigen Außentemperaturen noch Wärmeenergie aus der Außenluft geholt werden.

Außenluft erfordert den geringsten Aufwand zur Erschließung einer Wärmequelle und kann nahezu überall genutzt werden. Die Umgebungsluft unterliegt jedoch jahreszeitlich bedingt hohen Temperaturschwankungen. So liegt die Temperatur dieser Wärmequelle im Winter (also zu Zeiten des größten Heizbedarfs) recht niedrig, was die Luft/Wasser-Wärmepumpe weniger effizient als erdgekoppelte Systeme machen kann.

In welchen Schritten sollte die Planung einer Luft / Wasser-Wärmepumpe ablaufen?

**Bei der Beurteilung und Klassifizierung der Gebäudeart können Randbedingungen des Gebäudes und seiner Lage die Auswahl und Dimensionierung einer Wärmepumpe deutlich beeinflussen.**

**Für gewöhnlich wird die Norm-Heizlast mit einer entsprechenden Software wie z. B. planSOFT berechnet.**

**Die Ermittlung der Heizlast berücksichtigt Aspekte wie Wärmeverteilung, Systemtrennung, Systemtemperaturen und eventuelle weitere Wärmeerzeuger.**

Beurteilung und Klassifizierung der Gebäudeart

Zunächst geht es natürlich um die Frage Neu- oder Bestandsbau sowie die Gebäudeart Ein- oder Mehrfamilienhaus – ggf. mit integrierter Gewerbe- oder Büroeinheit. Die mit der Auswahl der bestmöglichen Wärmequelle verbundene Planung soll für diesen Beitrag entfallen, da eine Konzentration auf Luft / Wasser-Wärmepumpen erfolgt.

In puncto Auslegung der Wärmepumpe sollten auch Randbedingungen des Gebäudes und seiner Lage berücksichtigt werden, die eine Auswahl und Dimensionierung der Wärmepumpe teils deutlich beeinflussen können. Dazu zählen beispielsweise die Fragen:

Ist das Objekt ungeschützt vor Wind – beispielsweise in exponierter Lage freistehend? (Wärmebedarf);

Ist die Nachbarbebauung eher weitläufig oder eng? (Schallemissionen);

Wie ist die Zuwegung des Grundstückes (Transport Wärmepumpe und Pufferspeicher mit LKW).

Die Planung einer Luft / Wasser-Wärmepumpe im Bestand erfordert zahlreiche weitere Fragen, wie z. B.:

Werden bei einer wesentlichen Veränderung der Heizungs-, Warmwasser- oder Lüftungsanlage in einem Bestandsgebäude die Anforderungen des GebäudeEnergieGesetz (GEG) umgesetzt?

Liegt die benötigte Vorlauftemperatur unter 55 °C (bei Norm-Außentemperatur)? Dann sind keine zusätzlichen Maßnahmen erforderlich. Es kann jede Wärmepumpe für Vorlauftemperaturen bis 55 °C eingesetzt werden.

Liegt die notwendige Vorlauftemperatur nur in einigen Räumen über 55 °C sollten Maßnahmen ergriffen werden, um diese zu reduzieren. Hierfür müssen nur die Heizkörper in den betroffenen Räumen ausgetauscht werden, um den Einsatz einer Niedertemperatur-Wärmepumpe zu ermöglichen.

Werden in einigen Räumen Temperaturen zwischen 55 °C und 65 °C benötigt, müssen die Heizkörper in diesen Räumen ausgetauscht werden.

Sind Vorlauftemperaturen von 65 °C bis 75 °C erforderlich, muss das gesamte Heizungssystem umgestellt bzw. angepasst werden.

Der Wärmebedarf des Gebäudes kann z. B. durch Fenstertausch, Reduzierung der Lüftungsverluste und Dämmung von Geschossdecken, Dachstuhl und/oder Fassaden verringert werden. Für den daraus resultierenden Wärmebedarf kann eine kleinere Wärmepumpenleistung eingesetzt werden. Gleichzeitig verbessert sich die Jahresarbeitszahl.

Sollen bei höheren notwendigen Vorlauftemperaturen keine Änderungen am Gebäude durchgeführt werden und der Eigentümer möchte dennoch in jedem Fall eine Wärmepumpe einbauen lassen? Häufig ist der Energieträger Gas bereits im Einsatz und es kommt dann eine Kombination aus erneuerbarer Energie und fossilen Brennstoffen in Betracht.

Dieses Hybridsystem vereint die kostenlosen Umwelterträge einer Wärmepumpe mit einer Gasheizung. Dabei deckt die Wärmepumpe hauptsächlich den Heizwärmebedarf in den Übergangszeiten mit Außentemperaturen ≥ 0 °C ab (Grundlast). Die Gasheizung wiederum stellt den Heizwärmebedarf bei niedrigen Außentemperaturen zur Verfügung. Die Warmwasserbereitung erfolgt ausschließlich über das Gasgerät.

Durch die Kombination beider Technologien ergibt sich unter diesen objektspezifischen Voraussetzungen eine deutliche Energie- und Kostenersparnis gegenüber dem alleinigen Betrieb einer Wärmepumpe oder eines Gasgerätes.

**Übersicht typischer spezifischer Wärmebedarfe bei unterschiedlichen Baujahren pro m².**

Heizlastberechnung

In der Regel wird die Norm-Heizlast mit entsprechender Software berechnet. Vaillant stellt seinen Fachpartnern beispielsweise die Softwarelösung planSOFT bereit, die eine vereinfachte Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 Beiblatt 2 ermöglicht. Bei der Berechnung im Baubestand kann die Heizlast auch überschlägig ermittelt werden. Je älter ein Gebäude ist, umso seltener sind alte Berechnungen oder Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte in (W/(m² x K) vorhanden. Dafür liegen Verbrauchsdaten für das Objekt vor, die zur Ermittlung des Wärmebedarfes herangezogen werden können.

Bereits aufgrund des Alters gibt es Eckdaten, die es erlauben, den Wärmebedarf eines Gebäudes überschlägig zu ermitteln. In der Regel sind dies spezifische Bedarfe bezogen auf 1 m² zu beheizende Fläche (W/m²) oder auf das zu beheizende Raumvolumen (W/m³). Die Abbildung zeigt eine Übersicht typischer spezifischer Wärmebedarfe bei unterschiedlichen Baujahren.

Die Bedarfsermittlung über spezifische Wärmebedarfe ergibt einen guten Anhaltswert, reicht aber zur Auslegung des Wärmeerzeugers nicht aus. Einen genaueren Wert liefert die Ermittlung des Wärmebedarfes eines Objektes über die verbrauchte Menge Brennstoff, wie z. B. Öl oder Gas anhand des mittleren Brennstoffverbrauchs der letzten fünf Jahre. Hierfür wird die Formel Q = (V [l] * Hi [kWh/l] * [a]) / ([a] * bv [h/a] * [l]) * fG * fE verwendet. fG steht für das installierte Heizgerät. Hier ist ein Faktor fG = 1,0 für Brennwertanlagen oder fG = 0,9 für Heizwertanlagen zu berücksichtigen. Um auch die Verluste der Verbrennung zu erfassen, ist ein Faktor für die Energieeffizienz der bestehenden Altanlage einzuplanen. Hier kann pauschal fE = 0,9 angesetzt werden.

**Generell kann eine Wärmepumpe auch für die Kühlung von Räumen verwendet werden. Dabei wird zwischen aktiver und passiver Kühlung unterschieden.**

**Auch der Warmwasserbedarf wird in der Regel mithilfe einer gängigen Branchen-Software wie z. B. planSoft berechnet. Für Wohngebäude erfolgt die Auslegung häufig nach DIN EN 15450.**

**Gängige Heizlastzuschläge für die Warmwasserbereitung.**

Kühllastberechnung

Generell kann eine Wärmepumpe auch für die Kühlung von Räumen verwendet werden und so den Wohnkomfort merklich steigern. Dabei wird zwischen aktiver und passiver Kühlung unterschieden. Bei der aktiven Kühlung ist der Verdichter der Wärmepumpe in Betrieb, die Außeneinheit der Luft/Wasser-Wärmepumpe dient dazu, nicht nur Energie aus der Umwelt aufzunehmen, sondern auch an sie abzugeben.

Bei der passiven Kühlung wird die niedrige Temperatur des Grundwassers oder des Erdreiches über einen Wärmeübertrager auf das Heizungssystem übertragen. Der Verdichter der Wärmepumpe ist während der Kühlfunktion nicht in Betrieb, die Wärmepumpe kühlt nur passiv. Dies ist jedoch mit einer Luft / Wasser-Wärmepumpe nicht möglich und damit für diesen Beitrag nicht relevant.

Generell ist zu beachten, dass mit Radiatorkreisen nicht gekühlt werden darf. Der Grund: Im Kühlbetrieb bilden sich an Radiator-Heizkörpern und deren Zuleitungen Kondensat. Dadurch kann es zu Schimmelbildung und Bauschäden kommen. Beim Einsatz von Flächensystemen zum Kühlen ist es wichtig, die Oberflächentemperaturen oder Wassertemperaturen zu begrenzen, um Kondensation zu vermeiden. Eine Möglichkeit besteht darin, eine Mindesttemperatur für die Vorlauftemperatur vorzusehen. Bei Fußbodenheizungssystemen sollte die minimale Vorlauftemperatur nicht unter 18 °C gewählt werden. In der Praxis wird bei Wohnbauten im Kühlbetrieb von 18 - 20 °C Vorlauftemperatur und 21 - 23 °C Rücklauftemperatur ausgegangen.

Grundsätzlich gilt, dass beim Kühlvorgang die Temperatur der Raumluft sinkt, der absolute Wassergehalt der Luft konstant bleibt und die relative Luftfeuchte steigt. Wird die Lufttemperatur weiter gesenkt, wird die Sättigungslinie erreicht: Die relative Luftfeuchte liegt bei 100 Prozent. Wird die Temperatur weiter gesenkt, kommt es zur Kondensation, der absolute Wassergehalt in der Luft sinkt.

Und wie gestaltet sich die eigentliche Kühllastberechnung? Aufgrund der natürlichen Begrenzung der Kühlleistung ist ein Fußbodensystem, anders als reine Split-Klimageräte, kaum in der Lage, die Raumtemperatur auf einen festen Wert zu regeln. Grundsätzlich muss aber auf jene Vorlauftemperatur geregelt werden, die das Risiko der Tauwasserbildung vermeidet. Vaillant empfiehlt für die Kühlfunktion eine Vorlauftemperatur von ca. 20 °C (Werkseinstellung). Bei einer Lufttemperatur von 25 °C und einer relativen Luftfeuchte von 70 Prozent wird der Taupunkt erst bei einer Temperatur von 19 °C erreicht. Im Mittel stellt sich im Haus eine relative Luftfeuchte von 50 - 55 Prozent ein, sodass eine Taupunktunterschreitung nicht eintritt.

**Beim Warmwasserspeicher mit Wärmepumpe und elektrischer Zusatzheizung kann z. B. ein elektrischer Heizstab im Warmwasserspeicher integriert sein.**

**Die elektrische Zusatzheizung kann auch in der Wärmepumpe integriert sein. Dadurch ist die elektrische Zusatzheizung auch im Heizbetrieb nutzbar.**

Durch einen externen Wärmeerzeuger, der in Reihe mit der Wärmepumpe geschaltet ist, werden Warmwassertemperaturen > 60 °C erzeugt. — Durch einen externen Wärmeerzeuger, der in Reihe mit der Wärmepumpe geschaltet ist, werden Warmwassertemperaturen
> 60 °C erzeugt.

Warmwasserbedarf

In der Regel wird der Warmwasserbedarf mithilfe einer gängigen Software wie planSOFT von Vaillant ermittelt. Unabhängig davon gibt es in der Praxis verschiedene Ansätze für die Trinkwasserbedarfsermittlung. Für Wohngebäude erfolgt die Auslegung häufig nach DIN EN 15450. Eine gute Alternative, um auf die erforderliche Warmwassermenge zu gelangen, ohne eigene Zapfprofile zu erstellen oder die DIN EN 15450 zu verwenden, bietet das „vereinfachte Verfahren“.

Bei dem Bau eines Wohnhauses geht man von einem maximalen Warmwasserbedarf von ca. 25 l pro Person und Tag mit ca. 60 °C aus. Dies entspricht einer zusätzlichen Heizlast von ca. 0,20 kW pro Person bei einer Aufheizzeit von 8 h für den Warmwasserspeicher. Für die Speicherauslegung bis etwa zehn Personen wird dieser Wert verdoppelt. Somit erhält man das erforderliche Mindestspeichervolumen. Die Abbildung zeigt die gängigen Heizlastzuschläge für die Warmwasserbereitung. Wenn der tatsächliche Warmwasserbedarf die angegebenen Werte übersteigt — z. B. bei besonders hohen Komfortansprüchen — muss der erforderliche höhere Leistungszuschlag separat berechnet werden. Eine einfachere Variante zur Ermittlung der Heizleistung zur Warmwasserbereitung ist, die Personenanzahl mit 250 W zu multiplizieren.

Neben wärmepumpenspezifisch gestalteten indirekten Warmwasserspeichern gibt es weitere Anlagenkombinationen, die spezielle Anforderungen wie Tages- und Spitzenverbrauch, Verteilsystem oder Platzbedarf berücksichtigen. Die angebotenen Systeme für die Trinkwassererwärmung gewährleisten die besonderen Anforderungen zur sicheren und effizienten Bereitstellung von warmem Wasser mithilfe einer Wärmepumpe. Viele Systeme lassen sich außerdem mit einem weiteren regenerativen Energieträger kombinieren. Zur Nutzung von Solarthermie kann zum Beispiel ein bivalenter Speicher mit integriertem zweitem Wärmeüberträger verwendet werden.

In der Umsetzung stehen verschiedene Möglichkeiten der Warmwasserbereitung zur Verfügung:

Warmwasserspeicher mit Wärmepumpe und elektrischer Zusatzheizung: Die Wärmepumpe deckt den gesamten Warmwasserbedarf bis zum Erreichen einer maximalen Vorlauftemperatur. Der darüber hinaus gehende Bedarf wird durch einen elektrischen Heizstab erfüllt, der im Speicher oder direkt in der Wärmepumpe eingebaut sein kann. Je nach Positionierung des Heizstabes kann dieser auch die Heizfunktion unterstützen. Diese einfache Lösung kann eine ggf. notwendige oder gewünschte Warmwassertemperatur höher als 60 °C durch den Einsatz des zusätzlichen Elektro-Heizstabs erreichen.

Trinkwarmwasserspeicher mit externem Wärmeerzeuger (Vorlauftemperaturanhebung): Die Wärmepumpe übernimmt die Grundlast der Trinkwassererwärmung und kann im effizienten Bereich arbeiten. Für Warmwassertemperaturen > 60 °C ist eine Erhöhung der Vorlauftemperatur erforderlich. Hierzu wird von einem externen Wärmeerzeuger, der in Reihe mit der Wärmepumpe geschaltet wird, zusätzliche Wärmeenergie in das System gebracht.

Bivalenter Speicher mit zusätzlichem Wärmeerzeuger: Bivalente Speicher sind mit zwei Rohrschlangen ausgestattet. Beispielsweise wird der obere Bereich des Warmwasserspeichers von der Wärmepumpe beheizt, während über den Wärmeüberträger der Solaranlage oder eines Gas-Heizgerätes der gesamte Speicher im unteren Bereich erwärmt werden kann.

Trinkwasserstation: Die Wärmepumpe versorgt einen Pufferspeicher mit Wärmeenergie. Aus dem Pufferspeicher wird das Heizungswasser in eine Trinkwasserstation gebracht, in der im Durchlaufprinzip Trinkwasser erwärmt wird.

Im zweiten Teil der Serie zur Planung von Luft/Wasser-Wärmepumpen stehen die Berechnung von Pufferspeichern und die Planung hinsichtlich der Schallemissionen im Fokus.

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