24. Januar 2022

Teil 2: Berechnung des Pufferspeichervolumens und Berücksichtigung von Schallemissionen

Im ersten Teil (in Ausgabe 16/2021), der dreiteiligen Artikelserie zur Planung von Luft/Wasser-Wärmepumpen, standen insbesondere erste Auswahlkriterien sowie die Berechnung der Heizlast, die Gebäudekühlung sowie der Trinkwarmwasserbedarf im Mittelpunkt des Beitrags. Der zweite Teil zeigt hier die Berechnung des Pufferspeichervolumens. Zudem steht die richtige Planung hinsichtlich der Schallemissionen im Fokus der Planungsaspekte.

Pufferspeicher können in einer Wärmepumpenanlage drei Aufgaben erfüllen:

• Speicher überbrücken eventuelle Sperrzeiten der Energieversorgungsunternehmen, um eine kontinuierliche Wärmelieferung zu gewährleisten.
• Speicher steigern die Mindestlaufzeiten der Wärmepumpe bei Anlagen mit geringem Wasserumlauf und verringern so das häufige „Takten“ der Wärmepumpe, das zu einer geringeren Lebensdauer des Kompressors führen könnte.
• Speicher garantieren die Mindestwasserumlaufmenge, wenn sie als Trennspeicher zum Einsatz kommen.

Der für den Wärmepumpenbetrieb notwendige Strom wird durch den Versorger oft zu Sonderkonditionen geliefert und über einen Zweitarifzähler abgerechnet. Im Gegenzug ist der Versorger dazu berechtigt die Wärmepumpe bis zu 3 mal 2 Stunden vom Netz zu trennen, um in Spitzenverbrauchszeiten Instabilitäten im Stromnetz zu vermeiden. Darüber hinaus ist das Anfahren einer Wärmepumpe auf drei Starts pro Stunde begrenzt. Außerdem schreiben die Hersteller i. d. R. eine Kompressor-Mindestlaufzeit vor, mit der ein übermäßiger Verschleiß des Kompressors verhindert werden kann. Insbesondere bei Radiatorheizungen ist deswegen eine Bevorratung von Wärmeenergie durch Pufferspeicher notwendig.

In der Vergangenheit wurden die Speicher häufig sehr groß dimensioniert, um jederzeit „auf der sicheren Seite“ zu sein.

Eine Gebäudeausführung ohne Keller und sparsam dimensionierte Haushaltsräume in Neubauten machen es jedoch notwendig, Pufferspeicher möglichst exakt auf den Bedarf hin auszulegen. Hierbei legt man nicht die Heizlast des Gebäudes nach DIN EN 12831 zugrunde, sondern nur die tatsächlichen Verluste. Die Heizlast nach DIN EN 12831 ist als Leistung des Wärmeerzeugers definiert, die benötigt wird, um das Gebäude mit Normaußentemperatur von z.B. – 10 °C auf eine Innentemperatur von 20 °C aufzuheizen. Die in einer Sperrzeit entstehenden Energieverluste sind aber i. d. R. geringer als bisher angenommen und der Pufferspeicher kann somit kleiner dimensioniert werden.

Um die zu speichernde Wärmemenge ermitteln zu können, muss die Leistung der Wärmepumpe bekannt sein. Bei Luft/ Wasser-Wärmepumpen muss die Leistung bei der jeweiligen Heizgrenztemperatur von 10 °C / 12 °C / 15 °C betrachtet werden. Für gewöhnlich erfolgt die Berechnung des Speichervolumens mithilfe einer Hersteller-Software. Zum besseren Verständnis werden hier zwei händische Möglichkeiten der Berechnung des Speichervolumens aufgezeigt: entweder basierend auf der Kompressormindestlaufzeit oder den Werten des Energieausweises.

Speicherermittlung nach Kompressormindestlaufzeit
Die Kompressormindestlaufzeit beträgt z. B. bei Vaillant Wärmepumpen 3 Min. Nachvollziehbar sind hierbei die Übergangszeiten kritisch. Deswegen wird die Leistung der Wärmepumpe in der Übergangszeit für die Berechnung genutzt. Folgende Werte werden vorgegeben:

• minimale Kompressor-Laufzeit 3 min.,
• für Auslegungsvorlauftemperaturen von 7 °C und 18 °C ist eine Temperaturentnahme von 5 K bzw. 15 K bei einem direkten oder einem gemischten Heizkreis möglich. Bei Auslegungsvorlauftemperaturen von 35 °C / 45 °C oder 55 °C ist eine Temperaturerhöhung von 20 K / 10 K bzw. 5 K zulässig.

Für die klassische Dimensionierung erfolgt ansonsten die Annahme eines Zeitraums von 10 bis 20 min. und einem Δ T = 10 K (resultierend aus 3 Starts der Wärmepumpe pro Stunde).

Für die Beispielrechnung werden folgende Daten vorausgesetzt: Außentemperatur: 12 °C, Heizleistung: 10 kW, Kälteleistung: 7 kW, Leistungsaufnahme: 3 kW, Vorlauftemperatur: 55 °C. Hieraus ergibt sich die Rechnung nach Bild 1. Das benötigte Pufferspeichervolumen, bezogen auf die Mindestkompressorlaufzeit bei der Wärmequelle Luft beträgt damit 86,0 l.

Speicherermittlung mittels Daten des Energieausweises
Ohne Kenntnis der Anlagendaten lässt sich auch mithilfe der Daten aus dem Energieausweis das erforderliche Pufferspeichervolumen bestimmen. Dafür werden folgende Daten benötigt:

• Spezifischer Transmissions-Wärmeverlust H’T: 0,4 W/m²· K,
• Wärmeübertragende Umfassungsfläche: 440,34 m²,
• Norm-Innentemperatur: 21 °C,
• Norm-Außentemperatur: – 10 °C,
• Spezifische Wärmekapazität (c) für Luft: 0,34 Wh/m3· K,
• Beheiztes Gebäudevolumen: 592,70 m3,
• Mindest-Luftwechsel: 0,5 h-1,
• Korrekturfaktor beheiztes Gebäudevolumen (Ve): bis 3 Vollgeschosse 0,76; mehr als 3 Vollgeschosse 0,8. Anzahl der Vollgeschosse: 3,
• Sperrzeit (2, 4 oder 6 h), diese wird aber nur zu einem Viertel berücksichtigt (= 0,5, 1 oder 1,5 h).

Aus diesen Angaben lässt sich die Energie berechnen, die dem Pufferspeicher während der Sperrzeit entzogen wird. Diese liegt in dem gewählten Beispiel bei 3,92 kWh, was zu einem notwendigen Speichervolumen von 337 l zur Überbrückung der Sperrzeit von 2 Stunden führt. Dazu ergibt sich die Berechnung nach Bild 2.

Aus der benötigten Energie von rund 3,9 kWh erfolgt die Berechnung des Puffervolumens. Die Temperaturdifferenz ergibt sich aus der VL-Temperatur des Heizsystems abzüglich der Pufferspeicher Min.-Temperatur. Dabei gelten folgende VL-Temperaturen und minimale Pufferspeichertemperaturen (VL/Puffer Min.):

Fußbodenheizung: 35 / 25 °C,

Plattenheizkörper: 50 / 30 °C,

Gliederheizkörper: 55 / 35 °C,

Gussheizkörper: 55 / 30 °C.

Die Berechnung des Puffervolumens erfolgte nach Gleichung in Bild 3.

Aufstellort
Die meisten verbauten Luft/Wasser-Wärmepumpen bestehen aus einem Innen- und einem Außengerät. Während das Innengerät im Bestand i. d. R. ohne Modifikationen den Platz des alten Wärmeerzeugers einnehmen kann bzw. im Neubau oft den gleichen Raum wie z. B. ein Gas-Brennwertgerät benötigt, ist das Außengerät eine Komponente, die neu eingeplant werden muss.

Bei der Aufstellung des Außengerätes müssen verschiedenste Kriterien berücksichtigt werden. Dazu zählen technisch orientierte Details wie die Verbindung zum Innengerät und die Schallemissionen aber auch die Tragfähigkeit des Bodens, die Ableitung des Kondensates und auch rein optische Argumente.

Zunächst benötigt die Außeneinheit ein ausreichend tragfähiges, frostsicheres und waagerechtes Fundament bzw. tragfähige Wandhalterung. Hierbei ist eventuell ein Leerrohr für den Kondensatablauf zu berücksichtigen. Die Kondensatableitung spielt eine wichtigere Rolle als oftmals angenommen, denn an einem Sommertag mit hoher Luftfeuchtigkeit können pro Stunde bis zu 20 l Kondensat entstehen. Zudem ist für den Wintereinsatz die sichere Kondensatableitung relevant, um z. B. Eisflächen im Umfeld des Außengerätes zu vermeiden. Das Kondensat muss vor der Ableitung nicht behandelt werden.

Die Geräteausblasseite darf nicht zum Gebäude positioniert werden. Außerdem sollte die Außeneinheit nicht unter laubabwerfenden Bäumen oder Orten positioniert werden, an denen ggf. Schneeverwehungen vorprogrammiert sind. Ebenso ungeeignet sind Stellen, an denen starke Winde auf den Luftauslass der Außeneinheit einwirken. Hierfür sollte auch die vorherrschende Windrichtung geprüft und das Außengerät möglichst quer zur Hauptwindrichtung aufgestellt werden.

Für den Anschluss der Außeneinheit ist die Leitungsführung zum Innengerät zu planen. Je nach Medium, das in den Verbindungsleitungen verwendet wird, müssen die Leitungen ggf. entsprechend den Wärmedämmvorschriften und nach den Hinweisen des Herstellers wärmegedämmt sein.

Schallemissionen
Der Aufstellort ist im Hinblick auf möglichst geringe Schallemissionen sorgfältig auszuwählen. Generell wird der Schall bei Luft/Wasser-Wärmepumpen durch zwei Komponenten erzeugt – den Verdichter und den Ventilator. Gleichzeitig können beide Bauteile das Gehäuse zu Schwingungen oder „Klappergeräuschen“ anregen. „Hier hilft ein kurzer Blick auf den Aufbau und die Struktur des Gehäuses“, so Sebastian Albert, Leiter Produkt- und Dienstleistungs-Management bei Vaillant Deutschland. „Handelt es sich um dünnste, einfache Bleche, die lediglich mit wenigen Schrauben befestigt sind, reicht bereits ein prüfender Handgriff, ob sich das Gehäuse leicht in Schwingungen versetzen lässt.“ Zudem kann der installierende Fachhandwerker einige Maßnahmen durchführen, um die Schallemissionen zu minimieren. Das beginnt mit dem Aufstellungsort und geht über die Montagefläche bis hin zu den Rohrleitungen.

Um Körperschallübertragung im Gebäude zu vermeiden, sind Wärmepumpen möglichst gut vom Baukörper zu entkoppeln. Auf Leichtbauböden oder einer Holzdecke sollten Wärmepumpen generell nicht aufgestellt werden. Auch herkömmliche bzw. vorhandene Kesselpodeste sind aufgrund ihrer Resonanzwirkung ungeeignet. Eine gute Schalldämmung wird mithilfe einer Beton-Fundamentplatte mit unterlegter Gummimatte erreicht. Bei schwimmendem Estrich sollten Estrich und Trittschalldämmung um die Wärmepumpe herum ausgespart werden. In extrem schallharten Räumen, die z. B. komplett gefliest sind, kann das Anbringen von schallabsorbierenden Materialien die Schallübertragung verhindern.

Außerhalb des Gebäudes breiten sich die Schallemissionen von Wärmepumpen in erster Linie durch die Atmosphäre aus. Es sollte in jedem Fall vermieden werden, dass das Ausblasen der Luftunmittelbar zum Nachbargebäude hin erfolgt. Außengeräte von Luft/Wasser-Wärmepumpen sollten nicht in direkter Nähe zu schallsensiblen Räumen wie Schlaf- oder Wohnzimmer installiert werden.

Darüber hinaus ist insbesondere auf Schallreflexionen zu achten. Denn hierdurch kann der Schalldruckpegel spürbar erhöht werden. Das beginnt bereits bei ungünstigen Bodenflächen wie Beton-, Pflaster- oder Asphaltflächen. Besonders die Zahl der direkt benachbarten senkrechten Flächen erhöht den Schalldruckpegel gegenüber der Freiaufstellung stark. Der Richtfaktor wächst dabei sogar exponentiell – von der Frei- über die Wand- bis hin zur Eckaufstellung.

Durch bewachsene Oberflächen wie Rasen oder Buschflächen kann der Schalldruckpegel dagegen deutlich verringert werden. Auch bauliche Hindernisse wie Zäune, Mauern oder Palisaden können die direkte Schallausbreitung verringern. Vor Ort sollte in jedem Fall eine kurze Überprüfung des vorab ausgewählten Standortes des Außengerätes einer Luft/Wasser-Wärmepumpe durchgeführt werden. Der maßgebliche Schallemissionsort befindet sich jeweils 0,5 m vor der Mitte des geöffneten Fensters des vom Geräusch am stärksten betroffenen schutzbedürftigem Raum. Ein Hinweis aus der Praxis zum Thema der psychoakustischen Schallwahrnehmung: Außengeräte, die man sieht, werden als lauter wahrgenommen, als solche, die man nicht sieht. Wenn möglich, sollten deswegen z. B. Büsche als Sichtschutz genutzt werden.

Einbindung von Anlagenperipherie
Für eine Luft/Wasser-Wärmepumpenanlage bieten sich ggf. sinnvolle Peripherieanlagen an. Dazu zählen in erster Linie Photovoltaikmodule und ein Batteriespeicher. Hauseigentümer favorisieren diese Anlagenkombination für eine größere Unabhängigkeit vom Energieversorger und vom Strommarkt. Wenn der Fachhandwerker dann im ersten Gespräch sogar direkt überschlägig kalkulieren kann, wie viel Module eingesetzt werden könnten, welchen Ertrag sie bringen und was die Anlage kosten würde, ist die Bereitschaft des Endkunden umso größer neben der Wärmepumpe auch auf eine eigene Stromproduktion zu setzen.

Unterstützung bietet hier z. B. das Tool „Schnellauslegung PV“ von Vaillant. Die Software dient u.a. dazu das erste Interesse des Kunden mit überzeugenden Fakten aufrecht zu erhalten. Dazu werden Fragen zur Durchführbarkeit, zum Ertrag und den Kosten einer PV-Anlage beantwortet. Eine Schnellauslegung unterstützt diese Beratungsphase.

Ausblick
In dritten und letzten Teil unserer Serie zur Planung und zu Technologien von Luft/Wasser-Wärmepumpen in einer der kommenden IKZ-HAUSTECHNIK-Ausgaben dreht sich alles um die unterschiedlichen Wärmepumpenmodelle und ihre jeweiligen Vorzüge im Objekt.

Bilder: Vaillant

www.vaillant.de