20. Dezember 2021

Teil 1: Gebäudeanforderungen, Auswahlkriterien

Mittlerweile sind sie hinlänglich bekannt – die Vorzüge von Luft/Wasser-Wärmepumpen. Und spätestens mit der neuesten Produktgeneration weniger Hersteller hat dieser effiziente Wärmeerzeuger auch endgültig den Sprung in den Baubestand geschafft. In einer dreiteiligen Serie werden Praxistipps zur Planung sowie zu den Einsatzmöglichkeiten von Luft/Wasser-Wärmepumpen aufgezeigt.

Außenluft erfordert den geringsten Aufwand zur Erschließung einer Wärmequelle für eine Wärmepumpe 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 z. B. erdgekoppelte Systeme machen kann. Für die Planung einer Luft /Wasser-Wärmepumpe sollten daher insbesondere die nachfolgenden Aspekte berücksichtigt werden.

Beurteilung und Klassifizierung der Gebäudeart
Zunächst geht es 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 der Wärmepumpe teils deutlich beeinflussen können. Dazu zählen beispielsweise die Fragen:

• Ist das Objekt ungeschützt vor Wind – beispielsweise in exponierter Lage freistehend (Auswirkung auf den Wärmebedarf)?
• Ist die Nachbarbebauung eher weitläufig oder eng (Auswirkung auf die 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, z. B.:
• Werden bei einer wesentlichen Veränderung der Heizungs-, Warmwasser- oder Lüftungsanlage in einem Bestandsgebäude die Anforderungen des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) umgesetzt?
• Liegt die benötigte Vorlauftemperatur unter 55 °C (bei Norm-Außentemperatur)?

Wenn die letzte Frage mit einem „Ja“ beantwortet werden kann, dann sind keine zusätzlichen Maßnahmen erforderlich und es kann i. d. R. jede Wärmepumpe für Vorlauftemperaturen bis 55 °C eingesetzt werden. Liegt die notwendige Vorlauftemperatur nur in einigen Räumen über 55 °C bis 65 °C, dann empfiehlt es sich Maßnahmen zu ergreifen, um diese zu reduzieren. Hierfür ist beispielsweise zu prüfen, ob die Heizkörper in den betroffenen Räumen ausgetauscht werden können, um den Einsatz einer entsprechenden Wärmepumpe zu ermöglichen.

Sind Vorlauftemperaturen von 65 °C bis 75 °C erforderlich, muss meist das gesamte Heizungssystem umgestellt bzw. angepasst werden. Hierzu sollte auch die Gebäudestruktur betrachtet werden. Ggf. kann der Wärmebedarf des Gebäudes z. B. durch Fenstertausch, Reduzierung der Lüftungsverluste und Dämmung von Geschossdecken, Dachstuhl und/oder Fassaden verringert werden. Für den daraus resultierenden Wärmebedarf lässt sich ggf. eine kleinere Wärmepumpenleistung einsetzen. Gleichzeitig verbessert sich die Jahresarbeitszahl.

Wenn bei höheren notwendigen Vorlauftemperaturen keine Änderungen am Gebäude durchgeführt werden sollen und der Eigentümer dennoch eine Wärmepumpe einbauen lassen will, dann bietet sich ggf. eine Kombination aus Erneuerbarer Energie und fossilem Brennstoff an (Spitzenlastkessel). Die Wärmepumpe deckt dabei hauptsächlich den Heizwärmebedarf in den Übergangszeiten mit Außentemperaturen ≥ 0 °C ab (Grundlast). Der konventionelle Wärmeerzeuger wiederum stellt den Heizwärmebedarf bei niedrigen Außentemperaturen zur Verfügung. 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.

Heizlastberechnung
I. d. R. wird die Norm-Heizlast mit entsprechender Soft ware berechnet. Wärmepumpenhersteller bieten mitunter auch Berechnungsprogramme an, z. B. Vaillant seinen Fachpartnern Softwarelösung „planSOFT“, die eine vereinfachte Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 Beiblatt 2 ermöglicht. Seit der Novellierung der Heizlastnorm im April 2020 findet man Informationen zu möglichen, unterschiedlichen Verfahren der Heizlastermittlung auch in der DIN/TS 12831-1. Demnach kommt es im Bestand darauf an, welche Maßnahmen umgesetzt werden. Bei einer kompletten energetischen Sanierung sollte eine detaillierte raumweise Heizlastberechnung durchgeführt werden. Wenn ausschließlich der Wärmeerzeuger getauscht werden soll, kann die Heizlast über die Gebäudehüllfläche, wie auch über den Verbrauch ermittelt werden. Die Bedarfsermittlung über spezifische Wärmebedarfe (Bild 1) ergibt einen guten Anhaltswert, reicht aber zur Auslegung des Wärmeerzeugers nicht aus. Einen genaueren Wert liefert die Ermittlung des Wärmebedarfes eines Objektes anhand des mittleren Brennstoffverbrauchs der letzten fünf Jahre.

Gebäudekühlung
Eine Wärmepumpe kann mitunter auch für die Kühlung von Räumen verwendet werden und so den Wohnkomfort merklich steigern. Allgemein ist zu beachten, dass über Radiatorkreise nicht gekühlt werden sollte. Der Grund: Im Kühlbetrieb kann sich an Radiatoren und deren Zuleitungen Kondensat bilden. Dadurch besteht die Gefahr der Schimmelbildung. Zudem können Bauschäden entstehen. 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 Fußbodenheiz-/ und -kühlsystemen sollte die minimale Vorlauftemperatur nicht unter 18 °C gewählt werden. In der Praxis wird bei Wohnbauten im Kühlbetrieb von 18 bis 20 °C Vorlauftemperatur und 21 bis 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, kann die Sättigungslinie erreicht werden: Die relative Luftfeuchte liegt dann bei 100 %. Wird die Temperatur weiter gesenkt, kommt es zur Kondensation, der absolute Wassergehalt in der Luft sinkt.

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. So empfiehlt z. B. der Hersteller Vaillant für die Kühlfunktion eine Vorlauftemperatur von ca. 20 °C (Werkseinstellung). Bei einer Lufttemperatur von 25 °C und einer relativen Luftfeuchte von 70 % wird der Taupunkt erst bei einer Temperatur von 19 °C erreicht. Im Mittel stellt sich im Haus eine relative Luftfeuchte von 50 bis 55 % ein, sodass eine Taupunktunterschreitung nicht eintritt.

Trinkwarmwasserbedarf
In der Regel wird der Trinkwarmwasserbedarf ebenfalls mithilfe einer 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 Liter 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 Stunden für den Trinkwassererwärmer. Für die Speicherauslegung bis ca. 10 Personen wird dieser Wert verdoppelt. Somit erhält man das erforderliche Mindestspeichervolumen. Tabelle 1 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 Trinkwassererwärmern 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 z. B. ein bivalenter Speicher mit integriertem zweitem Wärmeüberträger verwendet werden. In der Umsetzung stehen verschiedene Möglichkeiten der Trinkwassererwärmung zur Verfügung:

Trinkwarmwasserspeicher mit Wärmepumpe und elektrischer Zusatzheizung
Die Wärmepumpe deckt den gesamten Warmwasserbedarf bis zum Erreichen einer maximalen Vorlauftemperatur. Der darüberhinausgehende Bedarf wird durch einen elektrischen Heizstab erfüllt, der im Speicher oder direkt in der Wärmepumpe eingebaut sein kann (Bilder 3 und 4). 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 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 (Bild 5).

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 (Bild 6).

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.

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

Bilder: Vaillant

www.vaillant.de