21. Oktober 2020

Planungs- und Ausführungsfehler beim Heizungstausch vermeiden

Wärmepumpen gelten als Hoffnungsträger im Rahmen der Energiewende, denn als Niedrigtemperatursystem heizen und kühlen sie effizient und CO₂-arm. Millionen von alten Heizungen müssen in den kommenden Jahren ausgetauscht werden, somit wird die Wärmepumpe auch in der Modernisierung eine wichtige Rolle spielen. Worauf insbesondere beim Heizungstausch geachtet werden sollte, wird hier näher betrachtet.

Wärmepumpenanlagen arbeiten vor allem dann effizient, wenn alle Komponenten wie z. B. Wärmequelle, Wärmepumpe, Heizflächen und auch das Nutzerverhalten optimal aufeinander abgestimmt sind. Durch eine sorgfältige Planung, korrekte Dimensionierung und regelmäßige Überprüfung des Systems können Fehlfunktionen, ein zu hoher Stromverbrauch oder eine zu geringe Heizleistung vermieden werden. Um eine ausreichend hohe Effizienz zu gewährleis­ten, sollten die Vorlauftemperaturen im Auslegungsfall 55 °C möglichst nicht überschreiten. Je niedriger der Temperaturhub, also die Differenz zwischen Quellen- und Senkentemperatur, des­to höher die Anlageneffizienz.

Wärmequellen- und Heizflächentemperatur
Neben möglichst hohen Quellentemperaturen sind also möglichst geringe Temperaturen der Wärmesenken, also der Heizflächen, anzustreben. Diese müssen aber nicht unbedingt Flächenheizungen (Fußboden- bzw. Wand oder Deckenheizungen) sein. Bestandsgebäude haben oft ausreichend große Heizkörper, die mit niedrigen Vorlauftemperaturen betrieben werden können. Sollten einige Radiatoren zu klein sein, können diese gegen größere Heizkörper oder ggf. auch Gebläsekonvektoren ausgetauscht werden.

Ob der Austausch eines oder mehrerer Heizkörper notwendig ist, kann rechnerisch oder über einen Test bestimmt werden. Für Erstere genügt für eine grobe Abschätzung die überschlägige Ermittlung der jeweiligen Raumheizlasten. Diese werden dann mit den Heizleistungen der vorhandenen Heizkörper bei verschiedenen Systemtemperaturen verglichen. Hierfür bietet der Bundesverband Wärmepumpe (BWP) Online-Tools an. Für einen Test sollten die Außentemperaturen möglichst in der Nähe der Norm-Außentemperatur liegen. Dann wird die Heizkurve auf eine maximale Vorlauftemperatur von 55 °C oder auch weniger begrenzt. Wird es unter diesen Bedingungen noch im gesamten Gebäude behaglich warm, sind die Heizflächen grundsätzlich für eine Wärmepumpe geeignet. Eine genaue Berechnung der Heizlasten und eine Optimierung der Heizflächen ist dennoch empfehlenswert.

Eine Alternative kann auch der Einsatz eines hybriden Systems sein, bei dem eine Gas- oder Ölheizung ab einer bestimmten Vorlauftemperatur die Spitzenlast abdeckt. Im Falle einer Heizungsmodernisierung kann der bestehende Kessel diese Aufgabe so lange erfüllen, bis er durch weitere Sanierungsmaßnahmen überflüssig wird.

Gerade bei der Kombination mit weiteren Wärmeerzeugern ist die passende Hydraulik und regelungstechnische Einbindung entscheidend. Neben den Schemata im Leitfaden Hydraulik des BWP bieten die Hersteller eine Auswahl von verschiedenen hydraulischen Plänen an. Auch die VDI 4645 beinhaltet bewährte Standard-Hydrauliken für Neubau- und Bestandsgebäude.

Wärmepumpen mit Flächenheizungen zum Heizen und Kühlen
Ist im Bestandsgebäude eine Flächenheizung vorhanden, kann von günstigen Bedingungen für eine Wärmepumpe ausgegangen werden. Bestehende Fußbodenheizungen sind üblicherweise nicht für einen Wärmepumpenbetrieb optimiert, sondern erfordern meist etwas höhere Vorlauftemperaturen, die mit Öl- und Gasheizungen üblich waren. Wand- und Deckenheizungen sind im Bestand mit überschaubarem Aufwand nachrüstbar. Sie haben gegenüber einer Fußbodenheizung den Vorteil, dass sie geringere Aufheizzeiten benötigen, und dass auf den Fußbodenbelag keine Rücksicht genommen werden muss. Wandheizungen schränken allerdings die Freiheit bei der Möbel­aufstellung und beim Aufhängen von Bildern etwas ein. Deckenheizungen haben im Heizfall eine gegenüber den anderen Systemen schlechtere Wärmeübertragung, eignen sich aber hervorragend für den Kühlfall. Für eine Kühlung oder Ankühlung sind Flächenheizungen gegenüber Heizkörpern klar im Vorteil. Bei Letzteren steht nur in Kombination mit Ventilatoren eine ausreichende Kühlleis­tung zur Verfügung.  Bei Auswahl und Dimensionierung der Heizflächen ist immer zu beachten, ob sie nur zum Heizen oder auch zum Kühlen verwendet werden sollen.

Anpassung der Volumenströme im Heizkreislauf zur Optimierung der Laufzeit der Wärmepumpe
Bei Öl- oder Gasheizungen sind Spreizungen von 15 – 20 K zwischen Vor- und Rücklauf durchaus üblich. Bei einer Wärmepumpe führt eine große Temperaturdifferenz jedoch zu Effizienzverlusten. Übliche Spreizungen liegen bei 5 – 7 K. Die geringeren Spreizungen erfordern zum Transport derselben Energiemengen höhere Volumenströme in den Heizungskreisläufen. Eine Überprüfung der Rohrdimensionierung, der hydraulische Abgleich des Rohrsystems und die Anpassung der Umwälzpumpe gehören bei der Umstellung auf ein Wärmepumpensystem in der Modernisierung daher zum Standardprogramm.

Mindestvolumen des hydraulischen Systems und Mindestvolumenstrom müssen ausreichend groß sein, um die Mindestlaufzeit der Wärmepumpe zu gewährleisten. Das übliche Mindestvolumen liegt bei etwa 3 bis 5 l je kW Heizleistung. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen sind deutlich größere Volumina notwendig, wenn damit auch der Verdampfer abgetaut werden muss.

Bezüglich der Mindestvolumenströme sind die Angaben des Herstellers zu beachten. Bei Anlagen ohne Pufferspeicher sollten geeignete Maßnahmen getroffen werden, um den Mindestvolumenstrom zu gewährleisten. Denkbar ist hier ein Heizkreis, der nicht über eine Raumtemperaturregelung gedrosselt, sondern direkt über den Wärmepumpenregler geregelt wird. Auch der Einsatz von Überströmventilen ist denkbar. Die Mindestlaufzeit ist nicht nur für einen effizienten Betrieb notwendig, sondern auch für die Schmierung des Verdichters, da es einige Minuten dauert, bis das im Kältemittel enthaltene Öl alle wichtigen Stellen im Kreislauf erreicht.

Beim Einsatz von Pufferspeichern können diese bei Anlagen bis 50 kW Wärmeleistung im Auslegungspunkt nach VDI 4645 überschlägig folgendermaßen dimensioniert werden: Für die Erhöhung der Laufzeit der Wärmepumpe im Teillastfall, die Verringerung der Schalthäufigkeit und die Pufferung von Wärme für den Abtauprozess gelten 20 l/kW Leistung im Auslegungspunkt, zur Überbrückung von Sperrdauern werden je kW Wärmepumpenleistung und Stunde Sperrdauer 30 bis 40 l Speichervolumen empfohlen.

Auch bei der Trinkwassererwärmung ist eine sorgfältige Abstimmung erforderlich. Wenn beispielsweise der Warmwasserspeicher eine zu kleine Wärmeübertragungsfläche hat und dadurch nicht genügend Wärme von der Wärmepumpe abnehmen kann, beginnt diese zu takten. Der Planer/ Installateur sollte darauf achten, dass pro kW Heizleistung der Wärmepumpe eine Wärmeübertragerfläche von mindestens 0,25 m² zur Verfügung steht.

Dimensionierung der Wärmepumpe
Für die Größenbestimmung einer Wärmepumpe ist eine möglichst genaue Berechnung der Heizlast essenziell. Dabei sollten auch die Leistung für die Trinkwassererwärmung und mögliche Sperrzeiten des Energieversorgers beachtet werden. Neben verschiedenen Wärmepumpen-Optimierungs-Programmen und den von den Herstellern selbst entwickelten Berechnungsangeboten stellt auch der BWP einen Heizlastrechner zur überschlägigen Ermittlung von Raum- und Gebäudeheizlasten zur Verfügung. Der Rechner ist geeignet für die Vorauswahl von Heizflächen bzw. Wärmepumpe in Gebäuden bis ca. Baujahr 1994. Die überschlägige Berechnung ersetzt jedoch keinesfalls die ausführliche Heizlastberechnung nach den anerkannten Regeln der Technik, z. B. nach DIN EN 12831. Bei der Dimensionierung der Wärmepumpenanlage werden klimatische Verhältnisse, Gebäudedaten, Warmwasserbedarf, Bodenwerte und viele weitere Faktoren berücksichtigt.

Eine sorgfältige Berechnung ist wichtig, um eine Überdimensionierung zu vermeiden. Problematisch bei der Auswahl der Leistungsgröße einer Wärmepumpe kann zum Beispiel sein, dass im Betrieb einige Räume des Hauses nicht durchgehend beheizt werden. Auch das kann die Ursache für eine Überdimensionierung sein. Zu großzügig dimensionierte Wärmepumpen haben oft schon nach kurzen Laufzeiten ihren Sollwert erreicht und schalten sich ab. Nachträglich kann dies leicht festgestellt werden, indem man überprüft, ob die Wärmepumpe im Verhältnis zu ihren Betriebsstunden eine hohe Anzahl an Starts hat.

Besonderheiten bei erdgekoppelten Systemen
Sondenlängen und Kollektorfläche
Bei erdgekoppelten Wärmepumpen müssen die Sondenlängen bzw. die Kollektorfläche zur Wärmepumpe und zum Heizwärmebedarf des Gebäudes passen. Sind die Sonden zu kurz oder die Fläche des Kollektors zu klein dimensioniert, so kann von ihnen nicht genügend Wärme erschlossen werden. Eine zu hohe Entzugsleistung des Bodens wirkt sich negativ auf die Anlageneffizienz aus. Die korrekte Auslegung erfolgt bei kleineren Anlagen entweder vereinfacht nach VDI 4640 Blatt 2 oder durch fundierte Planung. Bei größeren Anlagen ist auch die Durchführung von Thermal Response Tests zu empfehlen, bei denen die Untergrundverhältnisse nicht nur abgeschätzt, sondern durch Messungen bestimmt werden.

Wärmeträgerflüssigkeit
Die Wärmeträgerflüssigkeit im Solekreislauf verhält sich durch den Zusatz von Glykol anders als „normales“ Heizungswasser. Dies muss auch bei der Auswahl des Ausdehnungsgefäßes berücksichtigt werden. Eine falsche Dimensionierung kann zu starken Druckschwankungen im System führen. Eventuell kann Wärmeträgerflüssigkeit über das Sicherheitsventil entweichen, was zu Störabschaltungen führen kann. Es sollten also das korrekte Ausdehnungsvolumen ermittelt und folgende Punkte beachtet werden:
Ausdehnungsgefäße für Heizungsanlagen sind meist nicht geeignet; auf die Eignung für die notwendige Frostschutzmittelkonzentration ist zu achten.
Die Montage sollte am höchsten Punkt der Solevorlaufleitung erfolgen.
Auch die Pumpe im Solekreislauf ist korrekt zu dimensionieren, um dem Erdreich die erforderliche Leistung entziehen zu können und dabei einen zu hohen Pumpenstrombedarf zu vermeiden.

Besonderheiten bei Luft/Wasser-Wärmepumpen
Ein wichtiger Faktor bei Luft/Wasser-Wärmepumpen ist deren Aufstellort. Zu beachten sind hierbei zunächst die örtlichen Bauvorschriften bzgl. der Grenzabstände. Des Weiteren ist bei der Außenaufstellung wichtig, dass anfallendes Kondensat problemlos abgeführt wird, z. B. versickern kann. Der Aufstellort sollte so gewählt werden, dass die Wärmepumpe vor Schmutz und Schneeaufbau geschützt ist, und durch die Anordnung der Ausblasrichtung sollte die Vereisung von Wegen vermieden werden.

Entscheidend bei der Aufstellung ist die Beachtung des Schallschutzes. Dabei müssen vor allem die Anforderungen der Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) eingehalten werden. Die darin vorgesehenen Regelungen haben das Ziel, die Nachbarschaft vor schädlichen Einflüssen zu schützen. Es werden je nach Gebietskategorie unterschiedliche Richtwerte für die maximalen Schallimmissionspegel an den maßgeblichen Immissionsorten (0,5 m vor dem geöffneten Fenster des am stärksten betroffenen schutzbedürftigen Raumes) angegeben. Die Richtwerte sollten nach Möglichkeit um 6 dB(A) unterschritten werden, da weitere Schallquellen auf den Immissionsort einwirken können. Die VDI 4645 und der BWP-Leitfaden Schall geben hierzu ausführliche Erläuterungen.

Unter www.waermepumpe.de/schallrechner ist ein Tool zu finden, mit dem der Beurteilungspegel beziehungsweise der notwendige Abstand zum maßgeblichen Immissionsort ermittelt werden kann. Grundsätzlich sollte ein größtmöglicher Abstand zu schutzbedürftigen Räumen gewählt werden und die Ausblasrichtung von diesen abgewandt sein. Die Abschirmung durch das eigene Gebäude kann genutzt werden, Reflektionen an schallharten Flächen sollten möglichst vermieden werden. Die Freiaufstellung ist der Aufstellung an einer Wand oder gar in einer Ecke vorzuziehen. Gegebenenfalls müssen ein leiseres Gerät gewählt oder weitere Schallschutzmaßnahmen (Dämmhaube, Schallschutzwand etc.) vorgenommen werden. Entscheidend für die Ermittlung des Beurteilungspegels ist nicht der auf dem Energylabel angegebene Schallleistungswert, da dieser u. U. deutlich unter dem tatsächlichen Maximalpegel liegen kann. Im Schallrechner des BWP sind deshalb für alle Geräte die tatsächlichen Maximalpegel im Tag- und im Nachtbetrieb angegeben. Bei sämtlichen Wärmepumpensystemen sollte zudem eine gute Schallentkopplung zum Gebäude vorgenommen werden, um Körperschallübertragungen vorzubeugen.

Stromversorgung der Wärmepumpe
Heizungswärmepumpen benötigen einen Drehstromanschluss (400 V). Sollte dieser im Aufstellraum nicht zur Verfügung stehen, muss er von einer Elektrofachkraft nachgerüstet werden. Mit dem lokalen Stromversorger muss darüber hinaus abgeklärt werden, ob für die Wärmepumpe ein zweiter Stromzähler erforderlich ist. Da es für Wärmepumpenstrom meist einen günstigeren Tarif gibt, lohnt sich der Einbau in den meisten Fällen. Möglich sind auch Lösungen mit einem Zweitarifzähler für bestehende Systeme, wenn kein Platz für einen zweiten Stromzähler vorhanden ist. Dieser Aspekt sollte platz- und kostenseitig eingeplant werden. Ein Vergleich der Stromtarife lohnt sich dabei immer.

Weitere Hinweise zur elektrischen Verteilung und Infrastruktur:

• Kann der zweite Zähler oder ein Zweitarifzähler in den bestehenden Verteilerschrank eingesetzt werden? Falls nicht, sollte ein separater Schaltschrank eingeplant werden.
• Wichtig ist auch, dass ggf. genug Platz für das Tarifschaltgerät einkalkuliert wird und – sofern nötig – für den FI-Schutzschalter.
• Die Kabelführung zum Anschluss-
• kasten und ggf. zum Außengerät sowie zur Steuerung (Kabelkanal) sollte auch bei der Planung berücksichtigt werden.
• Unter Umständen ist eine Begleitheizung für den Kondensatablauf einzuplanen.

Fazit
Durch eine sorgfältige Planung der Anlage können spätere Effizienzverluste, Störungen und sonstige Unregelmäßigkeiten vermieden werden. Die VDI-Richtlinie 4645 liefert dazu eine genaue Anleitung und hilft mit Ablaufplänen, Checklis­ten und Beispielberechnungen – auch für den Heizungstausch mit Wärmepumpen. Außerdem bietet die Weiterbildung zum „Sachkundigen für Wärmepumpensys­teme“ Handwerkern und Planern, die sich mit Wärmepumpenanlagen beschäftigen, eine wertvolle Grundlage für die professionelle Installation von Wärmepumpensystemen.

Autor: Alexander Sperr, Referenten für Normung & Technik beim Bundesverband Wärmepumpe (BWP)

Bilder: BWP

Infos zum Thema Trinkwarmwasser
Bei der Trinkwassererwärmung ist auf ausreichende Hygiene zu achten. Im Wesentlichen soll vermieden werden, dass Wasser über einen längeren Zeitraum bei Temperaturen aufbewahrt wird, welche das Wachstum von Legionellen fördern. Für einen effizienten Betrieb von Wärmepumpen sind niedrige Temperaturen notwendig, somit gibt es hier einen Konflikt. Die Trinkwasserverordnung unterscheidet zwischen Groß- und Kleinanlagen. Bei Ers­teren muss eine Beprobung und Untersuchung auf Legionellen in bestimmten Zeitabständen durchgeführt werden. Es handelt sich hierbei um Anlagen mit Speicherinhalten von mindestens 400 l oder einem Volumen > 3 l in mindestens einer Trinkwarmwasserleitung zwischen Abgang des Trinkwassererwärmers und Zapfstelle. Selbst bewohnte Gebäude ohne vermietete Anteile sind davon ausgenommen.

Einschlägige Regeln (DVGW-Arbeitsblatt W551 und DIN 1988-200) geben Hinweise zu den notwendigen Temperaturen. Das DVGW-Arbeitsblatt empfiehlt Temperaturen am Austritt des Trinkwassererwärmers von mindestens 60 °C, über die Leitungswege darf diese Temperatur um nicht mehr als 5 K absinken. Dies kann durch Zirkulationsleitungen oder eine Rohrbegleitheizung gelöst werden. Nach DIN 1988-200 darf die Mindestbevorratungstemperatur auf ≥ 50 °C abgesenkt werden, wenn ein Wasseraustausch von Speicher und Rohrleitungsvolumen innerhalb von 3 Tagen sichergestellt werden kann. Es muss allerdings die Möglichkeit bestehen, die Speichertemperatur auf ≥ 60 °C einzustellen. Der Betreiber ist für den bestimmungsgemäßen Betrieb (Wasserwechsel mindestens alle 3 Tage) verantwortlich.

Eine Lösung für hygienische Trinkwassererwärmung mit Wärmepumpe können Frischwasserstationen sein. Die Speicherung erwärmten Trinkwassers entfällt hier. Stattdessen wird warmes Heizungswasser in einem Pufferspeicher bevorratet. Die Trinkwassererwärmung kann dann wohnungsweise über einen Wärmeübertrager im Durchlaufprinzip erfolgen. Ggf. ist auch eine elektrische Nacherhitzung möglich, falls höhere Temperaturen gefordert sind.

Kühlen mit Wärmepumpe
Um eine Wärmepumpe mit Kühloption installieren zu können, sollte Folgendes beachtet werden:

• Möglichst genaue Kühllastberechnung (z. B. nach VDI 2078) durchführen,
• Abklärung, ob ggf. eine Ankühlung genügt,
• Auslegung der Heizflächen für Kühlung anpassen,
• Bei der gemeinsamen Nutzung zur Heizung und Kühlung auf die bei der Kühlung größeren erforderlichen Volumenströme achten,
• Kondensatvermeidung /abfuhr berücksichtigen,
• Ggf. Taupunktregelung vorsehen.

Hinweis der Redaktion
Das ist ein Artikel aus dem Sonderheft Wärmepumpen 2020. Die 68-seitige Publikation aus dem Strobel-Verlag informiert umfassend über den technischen Stand der Geräte, über Hybridheizungen, alternative Kältemittel und Hochtemperatur-Wärmepumpen. Vernetzung, die Kombination mit der Flächenheizung oder der hydraulische Abgleich sind weitere Schwerpunkte des Sonderheftes. Darüber hinaus werden zahlreiche Beispiele aus der Praxis vorgestellt.

Einzelexemplare der Publikation können zum Preis von 10,- Euro per E-Mail leserservice@strobelmediagroup.de angefordert werden.