Planung und Wärmepumpendimensionierung – nach VDI 4645
Planung und Wärmepumpendimensionierung – nach VDI 4645
Die VDI 4645 gibt hier eine Empfehlung zur Auslegung von elektrisch betriebenen Wärmepumpen unter Berücksichtigung des notwendigen Brauchwasseranteils. Nachfolgend wird die Vorgehensweise hierzu beschreiben und eine Hilfestellung zur Dimensionierung und damit einhergehenden Fragen geben.
Voruntersuchung und Grundlagenermittlung
Bei der Voruntersuchung werden die Gebäude- und Standortspezifischen Randbedingungen aufgenommen. Genehmigungsrechtliche Rahmenbedingungen wie z.B. das GEG, die TA-Lärm, die Trinkwasserverordnung sind unbedingt zu berücksichtigen. Im Neubau liegt die Gebäudeheizlastberechnung gem. DIN EN 12831-1 vor, diese ist die Basis der weiteren Vorgehensweise. Im Bestand sind meist weniger verlässliche Daten vorhanden, oft wurde das Gebäude auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten teilsaniert durch neue Fenster, Türen oder/und Dämmung. Hier empfiehlt sich für den ersten Schritt eine überschlägige Heizlastberechnung durchzuführen, diese ist aber vor Realisierung durch eine genaue Heizlastberechnung gem. DIN EN 12831-1 zu überprüfen und zu ersetzen.
Welche Möglichkeiten gibt es bei Bestandsgebäuden zur überschlägigen Heizlastberechnung?
Hier stehen in der Praxis unterschiedliche Ansätze zur Verfügung. Eine Möglichkeit besteht darin die Heizlast überschlägig über den Energieverbrauch der letzten Jahre zu ermitteln. Hier wird dringend eine Bezugsperiode von mindestens drei Jahren empfohlen, um einen Mittelwert zu bekommen. Bei Ein- und Zweifamilienhäusern hat bei 1.900 Vollnutzungsstunden und einen Kesseljahresnutzungsgrad von 75% und normalen Trinkwarmwasserverbrauch für Erdgas ein Divisor von 230 m³/ a kW und für Heizöl 250 l/ a kW Ansatz gefunden. Bei einem Jahresgasverbrauch von beispielweise 2.300 m³/h Gas pro Jahr ergibt sich eine überschlägige Heizlast von 10 kW.
Ist die Heizung ineffizient gelaufen, die Heizgrenztemperatur zu hoch eingestellt gewesen, kein hydraulischer Abgleich erfolgt, ecc., so hat dies alles Auswirkungen auf einen hohen Verbrauch der letzten Heizsaison. Dies birgt alles Optimierungspotential, genauso wie eine energetische Teilsanierung (Fenster, Türen, Dämmung), so dass die Ermittlung der Heizlast über den Verbrauch mit Vorsicht zu genießen ist.
Die Ermittlung gem. DIN EN 15378 mit einer Tabelle ist auch möglich.
Etwas genauer kann dies mit dem Onlinerechner vom Bundesverband Wärmepumpe durchgeführt werden. Abhängig vom Aufstellort sind die entsprechenden Klimadaten wie die Normaußentemperatur und die Jahresmitteltemperatur verfügbar. Bauliche Besonderheiten, wie Gebäudetyp (EFH, EFH freistehend, RMH, EFH in Siedlung) und Teilsanierungen (Dach-, Wanddämmung, Isolierverglasung) finden nach entsprechender Eingabe Berücksichtigung. Berechnung der Heizlast kann nach Baualtersklasse, nach Jahresverbrauch, nach Vollaststunden oder nach Hüllfläche ermittelt werden.
https://www.waermepumpe.de/normen-technik/heizlastrechner/
Die Heizlast ist bekannt und dann?
Nachdem die Heizlast über die DIN EN 12831-1 ermittelt wurde müssen wir uns über die Brauchwassererzeugung, eventuelle Sperrzeiten und sonstige Verbraucher Gedanken machen. Hier gibt die VDI 4645 eine klare Hilfestellung zur Dimensionierung.
Zum besseren Verständnis werden wir die folgenden Schritte an einem Praxisbeispiel durchgehen:
Gegeben ist ein Mehrfamilienhaus mit sechs Wohneinheiten. Drei Wohneinheiten sind für eine Familie, einschließlich Duschen (100 l bei 60°C/Tag), die anderen drei Wohneinheiten für eine Familie, einschließlich Baden und Duschen (200 l bei 60°C/Tag) ausgelegt. Jede Wohneinheit verfügt über eine normale sanitäre Ausstattung. Die Heizlast wurde mit 15 kW ermittelt, Aufstellort ist 76131 in Karlsruhe/Rheinstetten. Im Gebäude ist nur Fußbodenheizung verbaut, die Vorlauftemperatur im Auslegungspunkt beträgt 35°C. Mit dem EVU wurde ein Wärmepumpentarif abgeschlossen und maximal 2 h Sperrdauer am Tag vereinbart. Der Gebäudeeigentümer wünscht eine monovalente Betriebsweise. Monovalent bedeutet, dass die Wärmepumpe der alleinige Wärmeerzeuger ist und die volle Heizleistung bei der entsprechenden Normaußentemperatur erbringt.
Temperaturprofil
Über die frei verfügbare Klimakarte vom Bundesverband Wärmepumpe bekommen wir über Eingabe der PLZ notwendige Informationen wie die Jahresmitteltemperatur (11°C), die Norm-Außentemperatur (-10,1°C), die Klimazone und die Häufigkeit der Außentemperatur in 1 K Schritten. Streicht man mit dem Cursor über einen Temperaturpunkt, so wird die Stundenhäufigkeit, welche auch auf der y-Achse abgebildet ist, genau angezeigt. Zwei Abbildungen mit unterschiedlichen Informationen sind verfügbar:
Dichtefunktion der Außentemperatur:
Für jede Außentemperatur wird die Häufigkeit angezeigt, wie viele Stunden im Jahr im Mittel diese auftritt, siehe Bild 1. Obwohl die Normaußentemperatur bei -10,1°C liegt, treten auch Außentemperaturen bis -18°C auf. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass mehr als 100.000 Messungen über einen Zeitraum von über 15 Jahren zugrunde gelegt sind. Die Außentemperatur -10°C tritt im Mittel 5,6 h pro Jahr auf.
Bild 1: Dichtefunktion der Außentemperatur für 76131 Karlsruhe / Rheinstetten (Quelle: BWP)
Verteilungsfunktion der Außentemperatur:
Hier werden die Stunden auf kumuliert. Das bedeutet, wird mit dem Cursor ein Temperaturpunkt berührt, wird die zugehörige Häufigkeit angezeigt, wie oft diese Temperatur und geringere Temperaturen im Jahresmittel auftreten, siehe Bild 2. Die Verteilungsfunktion beschreibt, für wie viele Stunden im Jahr im Mittel mindestens ein bestimmtes Temperaturniveau erreicht wird. Auch bei diesem Datensatz sind mehr als 100.000 Messungen über einen Zeitraum von über 15 Jahren zugrunde gelegt sind. Bei -10°C Außentemperatur werden 19,9 h pro Jahr angezeigt. Werden aus der Dichtefunktion die Häufigkeiten der Außentemperaturen von -30°C bis einschließlich -10°C addiert, so ist das Ergebnis 19,9 h pro Jahr.
Bild 2: Verteilungsfunktion der Außentemperatur für 76131 Karlsruhe / Rheinstetten (Quelle: BWP)
Anhand dieser Informationen kann schon ziemlich genau abgeschätzt werden, ob eine Luftwärmepumpe tendenziell höhere oder niedrigere Jahresarbeitszahlen erreichen wird. Besonders wichtig sind diese Daten zur Dimensionierung der Wärmepumpe und Ermittlung eines geeigneten Bivalenzpunktes, falls gewünscht.
Nun ermitteln wir den Heizwärmebedarf QH, AP, dies ist die Energiemenge für die Raumheizung über 24 h.
QH, AP = 15 kW x 24 h = 360 kWh
Trinkwarmwasserbedarf nach bekannten Zapfprofilen
Jetzt widmen wir uns dem Trinkwasserbedarf. Hierfür bietet die VDI 4645 zwei Lösungen an:
Vereinfachtes Verfahren zur Ermittlung der Trinkwassererwärmung:
Nur anwendbar im Ein- oder Zweifamilienhaus bei einer Belegung von maximal 10 Personen und mit normaler sanitärer Ausstattung (bei zu erwartenden erhöhten Trinkwarmwasserbedarf ist das ausführliche Verfahren zu verwenden). Werden alle Vorgaben erfüllt, kann pro Person ein Tagesbedarf von 25 l mit 60°C angesetzt werden, dies entspricht einer Wärmemenge von 1,45 kWh. Dieser Wert wird mit dem Faktor 2 multipliziert, um überschlägig die Speicher- und Verteilverluste sowie die üblichen Lastprofile zu berücksichtigen.
Ausführliches Verfahren zur Ermittlung der Trinkwassererwärmung:
In Mehrfamilienhäusern oder bei einem erhöhtem Trinkwarmwasserbedarf ist das ausführliche Verfahren zu wählen. Hier wird anhand benötigter Wärmemengen die Berechnung durchgeführt. Im Anhang J der VDI 4645 sind durchschnittliche Zapfprofile hinterlegt. Eine gesonderte Berücksichtigung von Gleichzeitigkeitsfaktoren ist nicht mehr erforderlich.
In unserem Beispiel haben wir ein Mehrfamilienhaus mit 6 Wohneinheiten, entsprechend ist im Weiteren das ausführliche Verfahren anzuwenden. Wir entnehmen einerseits den Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung (TWE) für die „worst case“ Bezugsperiode QDPB sowie den täglichen Energiebedarf QDP. Hierbei ergeben sich folgende Werte:
Durchschnittliches Zapfprofil Familie (100 l bei 60°C):
QDPB = Energiebedarf für die TWE während der gewählten Bezugsperiode: 2,24 kWh von 20:30 – 21:30
QDP = Täglicher Energiebedarf für die TWE: 5,845 kWh
Durchschnittliches Zapfprofil dreiköpfige Familie (200 l bei 60°C):
QDPB = Energiebedarf für die TWE während der gewählten Bezugsperiode: 4,445 kWh von 20:30 – 21:30
QDP = Täglicher Energiebedarf für die TWE: 11,665 kWh
Multiplizieren wir die wie Werte für QDPB und QDP mit den entsprechenden Nutzereinheiten, bekommen wir folgende Ergebnisse:
QDPB = 2,24 kWh x 3 + 4,445 kWh x 3 = 20,055 kWh
QDP = 5,845 kWh x 3 + 11,665 kWh x 3 = 52,53 kWh
Es wird also für die Zeit von 20:30 – 21:30 Uhr 20,055 kWh Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung benötigt, für den ganzen Tag 52,53 kWh. Je nach Speichergüte sind gemäß Herstellerangaben Bereitschaftswärmeverluste hinzuzurechnen, in unserem Falle 2,47 kWh/24h, so dass die tägliche Energiemenge QDP, ges 55 kWh beträgt.
Wie groß ist der Speicher für den Trinkwarmwasserbedarf zu wählen?
Abhängig von der Art der Energiespeicherung für die Deckung des Trinkwarmwasserbedarfs wird die Speichergröße ermittelt. Wir unterscheiden zwischen der direkten Speicherung von Trinkwasser (Bild 3) oder die Speicherung von Heizungswasser zur Versorgung einer Frischwasserstation (Bild 4).
Bild 3: Hydraulikschema Speicherung von Trinkwarmwasser (Quelle: Windhager)
Bild 4: Hydraulikschema Speicherung von Heizungswasser für zentrale Trinkwasserstation (Quelle: Windhager)
Aus hygienischer Sicht ist die Speicherung von Heizungswasser zu bevorzugen. Wichtige Informationen für die technische Regeln für Trinkwasser-Installationen gibt die DIN 1988-200 sowie das Arbeitsblatt DVGW W 551.
Speicherung von Trinkwarmwasser
Als erstes betrachten wir das notwendige Speichervolumen VDPB für die Speicherung von Trinkwarmwasser. Hierzu benötigen wir den die Daten QDPB für die Bezugsperiode mit dem höchsten Energiebedarf. 10°C kaltes Frischwasser ist auf 60°C zu erwärmen, es ergibt sich somit eine Temperaturspreizung von 50 K. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist mit 4,19 kJ/kgK bzw. mit 1,163 Wh/kgK gegeben, somit ergibt sich eine erforderliches Speichervolumen von:
VDPB =20.055 Wh / ((1,163 Wh/kgK * (333,15-283,15) K) = 345 kg = 345 l
Weiter zu berücksichtigen sind die Verluste über eine Zirkulationsleitung QZirk (falls vorhanden) sowie der Speicherwirkungsgrad. Die Zirkulationsverluste können dem Energieausweis entnommen werden, in unserem Beispiel sind dies 4,8 kWh/24. Da wir die Berechnung für die Bezugsperiode von 20:30-21:30 Uhr durchführen, entspricht dies 0,2 kWh. Bei maximal 5 K Temperaturverlust im Rücklauf der Zirkulationsleitung (von 60 auf 55°C) kommen wir somit auf ca. 35 l erforderliche Trinkwarmwassermenge, um die Zirkulationsverluste zu kompensieren.
VZirk =200 Wh / ((1,163 Wh/kgK * (333,15-328,15) K) = 34,39 kg = 35 l
Um nun das erforderliche Mindestspeichervolumen VSP, min zu ermitteln addieren wir die 345 l mit den 35 l und berücksichtigen einen Aufschlag für den Speicherwirkungsgrad fTWE mit 15%. Dieser Zuschlag wird für nicht nutzbares Speichervolumen aufgrund von Durchmischung angesetzt. Es wird ein Warmwasserspeicher mit mindestens 437 l benötigt.
VSP, min = (345 l + 35 l) * 1,15 = 437 l
Speicherung von Heizungswasser für zentrale oder dezentrale Frischwassersysteme
Die Logik ist wie die Speicherung von Trinkwarmwasser, jedoch finden Verluste für Zirkulation und Speicher keinen Ansatz, da diese bereits mit den für die Berechnung gewählten Temperaturen berücksichtigt wurden. Bei einer Frischwasserstation wird eine Rücklauftemperatur < 30°C auf der Heizungswasserseite empfohlen, um die Effizienz der Wärmepumpe zu steigern und das Speichervolumen zu verringern. Die Speichersolltemperatur beträgt 65°C, die Rücklauftemperatur von der Frischwasserstation beträgt 29°C. Über die Frischwasserstation wird eine Grädigkeit von ca. 5 K angenommen, somit können 60°C am Austritt Trinkwarmwasser sichergestellt werden. Genaue Auslegung ist Herstellerabhängig. Somit berechnen wir das notwendige Speichervolumen wie folgt:
VSP, min = 20.055 Wh / ((1,163 Wh/kgK * (338,15-302,15) K) = 479 kg = 479 l
Aufgrund der geringeren Spreizung des Heizungswassers (36 K zu 50 K) ergibt sich ein größeres notwendiges Mindestspeichervolumen. Je nach Präferenz der Art der Energieeinspeicherung sind nun die Speicher dimensioniert.
Dimensionierung der Wärmepumpe mit Berücksichtigung von Brauchwassererwärmung und Sperrzeiten
Anhand der berechneten Energiemengen für die Raumheizung und die Warmwassererzeugung wird die Wärmepumpe dimensioniert. Sind sonstige Verbraucher vorhanden, wie z.B. ein innenliegendes Schwimmbad, welches im Winter betrieben wird, wäre diese Energiemenge hinzuzurechnen, falls Erzeugung auch über die Wärmepumpe erfolgt. In unserem Fall gibt es keine weiteren Verbraucher. Die Sperrzeiten des EVU finden nun Berücksichtigung.
= (360 kWh + 55 kWh + 0 kWh) / (24 h – 2 h) = 18,86 kW
Unsere Berechnung ergibt, dass wir eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit 18,9 kW bei einer Normaußentemperatur von -10,1°C und 35°C Vorlauftemperatur benötigen, um die notwendige Leistung für Heizung und Brauchwasser zu erbringen.
Bei dem Hersteller unseres Vertrauens finden wir nun zwei Modelle. In diesem Diagramm konstruieren wir die Linien wie folgt:
a. Einzeichnen der Heizgrenztemperatur auf der x-Achse. Diese ist abhängig von der Qualität der Gebäudehülle. Im Altbau wird 15°C, bei EnEV Standard 12°C und bei Passivhäusern 10°C empfohlen. In unserem Beispiel beträgt die Heizgrenztemperatur 12°C.
b. Schnittpunkt ermitteln von Normaußentemperatur (-10,1°C) und berechneter, notwendiger Heizleistung der Wärmepumpe (18,86 kW).
c. Diese beiden Punkte werden durch eine Gerade miteinander verbunden, in Abhängigkeit von der Außentemperatur kann die entsprechende Gebäudeheizlast abgelesen werden, da sich diese ziemlich linear verhält.
d. Der Schnittpunkt mit der Kennlinie der Wärmepumpe ergibt den Bivalenzpunkt. Entspricht der Schnittpunkt der berechneten, notwendigen Heizleistung der Wärmepumpe, dann kann diese monovalent betrieben werden.
Bild 5 zeigt je ein Diagramm mit 18 kW und einmal mit 13 kW bei Normaußentemperatur. Die größere Wärmepumpe ermöglicht fast den vom Bauherrn gewünschten monovalenten Betrieb, die kleinere Wärmepupe kann monoenergetisch betrieben werden. Bis zum Bivalenzpunkt von -5°C Außentemperatur erbringt die Wärmepumpe die notwendige Heizlast, dann kommt der Heizstab unterstützend hinzu. Welche Wärmepumpe soll nun eingesetzt werden? Beide Wärmepumpen erfüllen die Vorgaben. Da jedoch Außentemperaturen < -5°C durchschnittlich nur 101,9 h (Klimakarte BWP) im Jahr auftreten, wird die kleinere Wärmepumpe empfohlen. Die fehlenden 5,9 kW werden durch einen Heizstab (stufig 2/4/6 kW) mit 6 kW Leistung zur Verfügung gestellt, Betriebsweise ist entsprechend monoenergetisch. Die Wahl der 13 kW Wärmepumpe hat neben den geringeren Investitionskosten auch einen besseren Teillastregelbereich bei höheren Außentemperaturen zur Folge, die deutlich häufiger vorkommen als die tiefen Temperaturen. Vorteil bei der größeren Wärmepumpe, wenn diese mit Inverter betrieben wird, ist die größere Wärmetauscherfläche und somit im oberen Teillastbereich und tieferen Außentemperaturen eine etwas höhere Effizienz. Ein genauer Vergleich kann nur durch die Auslegungsprogramme der Hersteller erfolgen.
Bild 5: Leistungsdiagramme Wärmepumpen mit Bivalenzpunkt (Novelan)
Für den monoenergetischen Betrieb wird der Deckungsanteil berechnet, siehe Tabelle III-1. Der Leistungsanteil beträgt ca. 69% (13/18,9 kW), somit ergibt sich bei der Wärmequelle Luft ein Leistungsanteil von ca. 99%.
Wie hoch sind die jährlichen Stromkosten für den Heizstab?
Ab Außentemperaturen unter -5°C kann die Wärmepumpe allein die notwendige Heizlast nicht mehr erzeugen. Die Leistung, welche der E-Heizstab erbringen muß, kann bei jeder Außentemperatur ganz einfach abgelesen werden. Und zwar wird die senkrechte Strecke zwischen der konstruierten Kennlinie der Gebäudeheizlast auf die Kennlinie der Wärmepumpe ermittelt, dies kann dann auf der y-Achse in kW abgelesen werden. Bei -7.5°C sind dies 17 kW – 14 kW = 3 kW, bei -10,1°C sind dies 18,9 kW – 13 kW = 5,9 kW. Über die Klimakarte BWP kann dann die Häufigkeit ermittelt werden und schon ist die notwendige Energiemenge für den Heizstab bekannt. Überschlägig sind ca. 250 kWh für den Elektroheizstab pro Jahr zu berücksichtigen, bei 0,30 €/kWh entspricht dies 75 €. Würde diese Energiemenge durch eine Wärmepumpe mit einer durchschnittlichen Effizienz von 2,5 (bei Außentemperaturen < -5°C) erzeugt werden, sind hierfür 100 kWh elektrisch anzusetzen. Entsprechend ergeben sich „wirkliche“ Mehrkosten durch den monoenergetischen Betrieb im Gegensatz zu dem monovalenten Betrieb von 45 €/a ((250 kWh-100 kWh) x 0,30 €/kWh) in diesem Außentemperaturbereich.
Wasservolumen für Mindestlaufzeit und Abtauprozess
Mit Wahl der Wärmepumpe werden noch die notwendigen Volumina für die Mindestlaufzeit der Wärmepumpe berechnet. Für Fixed-Speed Wärmepumpen sind die vom Hersteller empfohlenen Mindestlaufzeiten (3 bis 10 Minuten) zu berücksichtigen, bei Inverter Wärmepumpen ist die Mindestleistung zu beachten. Um die notwendige Energie für den Abtauprozess zur Verfügung zu stellen, ist dies rechnerisch zu überprüfen. Ist die hydraulische Ausführung mit einem Parallelpufferspeicher, wird dies in der Regel problemlos erfüllt.
