Planungsgrundlagen Wärmepumpen

 

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      Planungsgrundlagen Wärmepumpen

 

 

Planungsgrundlagen Wärmepumpen

 

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Auslegung und Dimensionierung

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wärmepumpendimensionierung
Die Heizungswärmepumpe weist im Vergleich zu anderen Wärme erzeugern einen kleineren Einsatzbereich auf. Die Heiz- und Antriebsleistungen und damit auch der Nutzungsgrad der Wärmepumpe variieren je nach Wärmequelle und Wärmenutzungs temperaturen. Grundsätzlich gilt, je kleiner die Differenz zwischen Wärmenutzungs- und Wärmequellen temperatur ist, desto effizienter (bessere Leistungszahl) kann die Anlage betrieben werden. Deshalb verlangt die Wärmepumpe vom Planer/Installateur die Berücksichtigung von Randbedingungen. Die Anlage ist so auszulegen, dass die Einsatzgrenzen nicht überschritten werden.

Wassererwärmung
Die oft geforderten Warmwassertemperaturen von 55 – 60ºC liegen an der oberen Einsatzgrenze der Wärmepumpen. Grund sätzlich ist die Abdeckung des Warm wasserbedarfs mit der Wärmepumpe
möglich.

Es gilt zu beachten, dass diese Formeln auf Wohnbauten zugeschnitten sind, die mit einer üblichen Wärmedämmung und einer Heizkesselanlage mit einem Jahreswirkungsgrad zwischen 70 und 85% ausgerüstet sind. Bei bestehenden Kesseln mit extrem schlechten Wirkungsgraden (< 70%) kann die Berechnung zu
einer Überdimensionierung führen. In folgenden Fällen liefern die Formeln nur ungenaue Resultate, zusätzlich sind Abklärungen über allfällige Korrekturen nötig:

– Großer Warmwasserverbrauch (z. B. in Großküchen, Sportanlagen)
– Überdurchschnittliche Wärmegewinne durch Sonne (Passivsolarhäuser), Elektrogeräte usw.
– Zeitlich eingeschränkte Nutzung
– Temperaturabsenkung über das Wochenende
– Lüftungs- und Klimaanlagen
– Prozesswärme

 

Sanierung

Bei einer Sanierung kann die notwendige Heizleistung der Wärmepumpe am einfachsten auf der Basis des durchschnittlichen Jahres-Energieverbrauchs mehrerer Jahre bestimmt werden.

Mit Warmwasser(1)                       Ohne Warmwasser(2)           

QH =    Verbrauch(3)                     QH =    Verbrauch(3)           
                 300                                              265 (4)

QH = erforderlicher Heizleistungsbedarf bei Auslegetemperatur (kW)
1) = Warmwasserbereitung ganzjährig Kessel
2) = Warmwasserbereitung ganzjährig elektrisch
3) = in Liter Öl (1 kg Öl entspricht ca. 1,19 Liter)
                        (1 Betriebs-m3 Gas entspricht ca. 0,93 Liter Öl)
4) = Dimensionierungsfaktor

 

 

Auslegung und Dimensionierung

 

Neubauten

Berechnung der Wärmepumpen-Nennleistung nach DIN EN 12831

Ist der Heizenergiebedarf Qh nach DIN 4108-6 oder DIN EN 832 ermittelt worden, kann mit den dabei bestimmten Grundlagedaten (k-Werte und zugehörige Flächenauszüge sowie das beheizte Gebäudevolumen) der Heizleistungsbedarf Qh des Gebäudes einfach anhand der unten aufgeführten Formeln bestimmt
werden.

Qt,a = Σ (ka · Aa) · (ti – ta)
Qt,u = Σ (ku · Au) · (ti – tu)
Qt,E = Σ (kE · AE) · (ti – tE)
Ql = 0.34 · n · V · (ti – ta)
Qh = Qt,a+Qt,u+Qt,E +Ql

Qh = Heizleistungsbedarf [W]
Qt,a = Transmissions-Wärmeleistungsbedarf gegen Außenluft [W]
Qt,u = Transmissions-Wärmeleistungsbedarf gegen unbeheizt [W]
Qt,E = Transmissions-Wärmeleistungsbedarf gegen Erdreich [W]
Ql = Lüftungs-Wärmeleistungsbedarf [W]
ka,u,E = Wärmedurchgangskoeffizient gegen außen, unbeheizt,
              Erdreich [W/m2K]
V = beheiztes Gebäudevolumen [m3]
Aa,u,E = Fläche des Bauteils [m2]
n = Luftwechselrate (DIN EN 12831)
ti = Raumlufttemperatur [°C]*
ta = maßgebende Außenlufttemperatur [°C]*
tu = Temp. Raum unbeheizt*
tE = Temp. Erdreich*

* Es sind Temperaturen gemäß DIN EN 12831 einzusetzen.

 

Die Wärmepumpe muss 100% der erforderlichen Heizleistung bei tiefsten Außentemperaturen und maximalen Vorlauftemperaturen erbringen.

 

Zuschläge – Sperrzeiten der Wärmepumpe

Die Sperrzeiten der Elektrizitätswerke sind mit Zuschlagsfaktoren zur Heizleistung der Wärmepumpe zu berücksichtigen

Qh= Qh * 24 / (24 – ts)

tS = Sperrzeiten EVU [h]

 

Berechnungsbeispiel

Objekt: EFH massiv, Energiebezugsfläche EBF 130 m2, beheiztes
Volumen 360 m3, Qh = 204 MJ/m2a, ohne
Wassererwärmung.

Flächen                                                                               k-Wert
– 110 m2 Dach                                                                   0.25 W/m2K
– 120 m2 Außenmauer                                                       0.30 W/m2K
– 30 m2 Fenster inkl. Rahmen                                            1.60 W/m2K
– 90 m2 Boden gegen unbeheizt                                        0.40 W/m2K
– 30 m2 Mauer gegen Erdreich                                           0.40 W/m2K

Auslegungstemperaturen gemäß DIN EN 12831
– Raumlufttemperatur                                                         ti = 20 °C
– Außenlufttemperatur                                                        ta = -8 °C
– Temp. Garage/Keller unbeheizt                                         tu= 5 °C
– Temperatur Erdreich                                                          tE= 0 °C
– Luftwechselrate                                                                 n = 0,5

Transmissions-Wärmeleistungsbedarf gegen Außenluft:
Qt,a = [(0.25 · 110) + (0.3 · 120) + (1.6 · 30)] · [20 – (-8)] = 3122 W

Transmissions-Wärmeleistungsbedarf gegen unbeheizt:
Qt,u = (0.4 · 90) · (20 – 5) = 540 W

Transmisions-Wärmeleistungsbedarf gegen Erdreich:
Qt,E = (0.4 · 30) · (20 – 0) = 240 W

Wärmeleistungsbedarf für die Lüftung:
Ql = (0.34 · 0.5 · 360) · [20 – (-8)] = 1713 W

Der gesamte Heizleistungsbedarf des Gebäudes errechnet sich wie folgt:
Qh = 3122 + 540 + 240 + 1713 = 5615 W

Die Zuschläge für Aufheizung und Verluste der Wärmever teilung
betragen 15% ; somit resultiert
als erforder liche Heizleistung der Wärmepumpe
QWP erf = 5615 W · 1,15 = 6460 W

Die spezifische Heizleistung errechnet sich wie folgt:

    6460W                    
    130 m2     = 50 W/m2                        

 

Wärmeleistung für die Wassererwärmung

Der Wasserverbrauch sowie die Wahl des Systems bestimmen die erforderlichen Zuschläge. Für ein EFH mit 2 bis 4 Personen kann mit einem Zuschlag von 750 Watt zur Nenn-Heizleistung der Wärmepumpe gerechnet werden.           

 

Auslegung und Dimensionierung

Gebäudetyp                                              W/m2
Neubau nach EnEV 2002                        45 – 60
Neubau nach WSchV 95                         50 – 60
Gebäude vor 1995
errichtet mit normaler WD                     70 – 90
Altbau ohne bes. WD                              120
Hinweis:
Die spezifische Heizleistung kann nur als grobes
Kontrollinstrument eingesetzt werden. Die Dimensionierung
sollte prinzipiell nach den vorgangig
beschriebenen Methoden erfolgen.

Wassererwärmung
Die oft geforderten Warmwassertemperaturen von 55–60 ºC liegt an der oberen Einsatzgrenze der Wärmepumpen. Grund sätzlich ist die Abdeckung des Warmwasserbedarfs mit der Wärmepumpe
möglich. Die Anwendung mit einem Kombispeicher (Heizungsspeicher mit integriertem Boiler) bietet eine gute Lösung: Das Warmwasser wird mit der WP vorgewärmt. Eine allfällige Temperaturanhebung kann direkt elektrisch oder mittels Sonnenkollektor-Unterstützung erfolgen. Deshalb ist zu prüfen, ob das Warmwasser permanent oder nur zeitweise auf diesem Temperaturniveau gehalten werden muss. Bei der Anwendung eines
Warmwasserbeistellspeichers ist auf eine genügend große Wärmetauscherfläche zu achten. Dabei müssen Wassermenge, Temperaturdifferenz sowie Leistung der Wärmepumpe berücksichtigt werden.

Erforderliche Wärmetauscherfläche:
Um die Heizleistung der Wärmepumpe an das Brauchwarmwasser abgeben zu können, ist eine große Wärmetauscherfläche im Speicher erforderlich.
Folgende Faustwerte sind dabei zu beachten:
– erforderliche WT-Fläche: 0,3 m2 je kW Heizleistung

Bewilligung Elektrizitätswerk
Jeder Anschluss einer Elektrowärmepumpe benötigt eine Bewilligung des zuständigen Elektrizitätswerkes. Für die Eingabe müssen die elektrischen Wärmepumpendaten bekannt sein.

Auswahl der Wärmequelle
Außer bei der Außenluft bedarf die Nutzung sämtlicher natürlichen Wärmequellen einer Bewilligung durch die zuständige Wasserbehörde (in der Regel Landratsamt).
– Erdregister benötigen große Flächen (30 – 60 m2/kWth Heizleistung)
– Erdwärmesonden (ca. 15 m/kWth) können 100 – 300 m gebohrt werden
– Bei Grundwasser sind 150 – 200 Liter/h/kWth erforderlich

Pufferspeicher
Bei jeder Speichereinbauart ist sicherzustellen, dass die gesamte Leistung der Wärmepumpe stets abgenommen wird. Die Einbindung eines technischen Speichers oder Wärmespeichers ist generell zu empfehlen. Er sorgt für folgende optimale Betriebsbedingungen wie:
– Leistungsüberschüsse der Wärmepumpe werden aufgenommen
– die Schalthäufigkeit der Maschine wird reduziert (Anforderungen der EW max. 3 pro Stunde)
– längere Lebensdauer des Verdichters
– Überbrückung der EVU-Sperrzeiten
– ermöglicht mehrere Heizkreisanschlüsse

Auf einen Pufferspeicher sollte nur dann verzichtet werden:
– Heizwasservolumen größer als 25 Liter pro kW
Heizleistung oder gute Speicherfähigkeit des
Wärmeabgabesystems (Fußbodenheizung mit
Auslegung < 40 ºC)
– keine Thermostatventile

Speichergröße:
– Speicher im Rücklauf:
Speichergröße = 25l / kW Heizleistung
– Einsatz als Trennspeicher:
Speichergröße = 50l / kW Heizleistung

 

 

Einsatzbereich Sole-Wasser

 

Erdwärmesonde
Standard-Bezugspunkt für die Berechnung der Erdsondenlänge
ist die Kälteleistung bei B0/W35. Die notwendige Sondenlänge
kann wie folgt ermittelt werden:

Sondenlänge [m] = Kälteleistung [W] / 50 [W/m]

Bei einer ganzjährigen Brauchwassererwärmung ist die Sondenlänge um 15% zu erhöhen.

Zuschlag zur Sondenlänge bei Brauchwassererwärmung mit WP = +15% (jedoch mindestens 20 m)

Die Wärmepumpe soll nicht wesentlich länger als 1800 Std. pro Jahr betrieben werden. Ist die Betriebszeit höher, muss die Erdwärmesonde größer ausgelegt werden.

max. 1800 – 2000 Betriebsstunden pro Jahr

Erdkollektor
Standard-Bezugspunkt für die Berechnung der Erdkollektorfläche
ist die Kälteleistung bei B0/W35.
Die Wärmepumpe soll nicht wesentlich länger als 1800 Std. pro
Jahr betrieben werden. Ist die Betriebszeit höher, muss der Erdkollektor
größer ausgelegt werden.

max. 1800 – 2000 Betriebsstunden pro Jahr

Weitere Punkte sind bei der Dimensionierung von Erdkollektoren zu beachten:
– Abstand Kollektorrohre a= 0,5 – 1,0m
– Mindesteinbautiefe 1,2 – 1,5 m
– Entzugsbelastung Erdreich qE:
– trockener, nichtbindiger Boden      10 W/m2
– bindiger feuchter Boden                 25 W/m2
– wassergesättigter Sand/Kies          40 W/m2
– Max. 100 m Rohrlänge je Kollektorkreis

Die erforderliche Rohrlänge des Erdkollektors ergibt sich damit wie folgt:
Rohrlänge = Kälteleistung [W]/qE [W/m2] / a [m]
Anzahl Kollektorkreise = Rohrlänge [m] / 100 [m]

Genehmigung
Erdsonden/Grundwasserfassungen
Die notwendigen Genehmigungsverfahren für Erdsonden und Grundwasserbrunnen werden in der Regel als Dienstleistung von der beauftragten Bohrfirma durchgeführt.

Sollte die beauftragte Bohrfirma das notwendige Genehmigungsverfahren nicht durchführen, muss ein externes Geologie-Büro beauftragt werden.

Sole-Wärmeträger
Der Solekreislauf erfordert den Einsatz von umweltfreundlichem Frostschutzmittel (z. B. Antifrogen N). Die Konzentration von 20 – 30 Vol.% ist einzuhalten und periodisch zu überwachen. Das Befüllen der Erdwärmsonde hat nach der Richtlinie T3 der AWP zu erfolgen. Wird einem System nachträglich Frostschutz beige geben,
besteht keine Gewährleistung für eine einwandfreie Vermischung mit dem Wasser. Vor dem Einfüllen der Wärmeträgerflüssigkeit ist das Rohrleitungssystem zu spülen. Die EWS darf dabei nie mit Luft leergeblasen werden. Sie muss immer mit Flüssigkeit gefüllt sein. Verunreinigungen können zu Zersetzungs erscheinungen
im Wärmeträgermedium führen. Dadurch ent steht Schlamm oder die Verunreinigung selber kann zu Störungen am Wärmetauscher und anderen Komponenten führen.

Verbindungsleitungen Wärmequelle
Die Materialverträglichkeit der Leitungen mit dem Frostschutzmittel ist zu prüfen (keine verzinkten Leitungen). Verbindungsleitungen sind so kurz wie möglich zu halten. In warmen Räumen bildet sich Schwitzwasser an den Leitungen und Armaturen. Dies muss mit dampfdichtem Isolationsmaterial verhindert oder über eine Tropfrinne abgeleitet werden. Die Installation muss gegen Korrosion geschützt sein (Materialwahl). Um Leckagen  feststellen zu können, muss zur Überwachung ein Druckwächter im Solekreis lauf eingebaut sein. Jede Erdwärmesonde muss ab Verteiler einzeln absperrbar sein.

Die Bewilligung der Erdwärmenutzung muss mit dem zuständigen Amt, in der Regel der unteren Wasserbehörde, (Land ratsamt) abgeklärt werden.

 

Einsatzbereich Wasser-Wasser

Die Wasser-Wasserwärmepumpe wird in der Regel als mono-valente Heizung eingesetzt. Durch das hohe Temperaturniveau der Wasserquellen werden hohe Leistungszahlen erreicht. Die Nutzungsart dieser Wärmequelle ist abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Grund- bzw. Oberflächengewässers, der
Quellentemperatur sowie allfälligen behördlichen Vorschriften.

Direktnutzung
Das Temperaturniveau kann bei dieser Anwendung voll genutzt werden. Es wird nur bei Grundwasserfassungen (Filterbrunnen) angewendet. Es müssen aber Verunreinigungen, Verschlammung (Filter), Erosion und Korrosion im Verdampfer verhindert werden. Eine Indirektnutzung muss geplant werden, falls folgende Grenzwerte nicht eingehalten werden:
– pH-Wert >7
– Eisenoxidgehalt <0,15 mg/l
– Mangangehalt <0,1 mg/l
– keine festen Schwebstoffe
– Wasserquellentemperatur mindestens 8°C

Natürliche Wasserquellen können mit der Zeit ihre Qualität ändern. Auch durch eine einmalige Wasseranalyse kann auf die Dauer keine absolute Garantie gegeben werden. Es ist deshalb empfehlenswert, wenn keine langjährigen praktischen Erfahr ungen vorliegen, eine Indirektnutzung mit Zwischenkreislauf vorzusehen.

Proben über die Wasserqualität können über das jeweilige Landratsamt beim Wasserwirtschaftsamt durchgeführt werden.

Indirektnutzung
Die Nutzung von Oberflächengewässer (Fluss-, See- oder Bachwasser) lassen durch ihre relativ großen Temperaturschwankungen in der Regel keinen monovalenten Betrieb mit einer Direktnutzung zu. Der für die indirekte Nutzung benötigte Wärmetauscher im Zwischenkreislauf ist aus korrosionsbeständigem Material zu
wählen und muss problemlos zu reinigen sein. Es gilt zu beachten, dass die Zwischenkreislauftemperatur je nach Wärmequelle unter 0 ºC fallen kann (Frostschutz im Zwischenkreislauf). Deshalb ist die Konzentration des Wärmeträgers im Zwischenkreislauf auf die tiefstmögliche Verdampfungstemperatur auszulegen.

Verbindungsleitungen Wärmequelle
Die Erschließungsleitungen sind so kurz wie möglich zu halten. Leitungen und Armaturen müssen gegen Grundwasser resistent sein. In warmen Räumen bildet sich Schwitzwasser an den Leitungen und Armaturen. Dies muss mit dampfdichtem Isolations material verhindert oder über eine Tropfrinne abgeleitet werden. Verbindungsleitungen Wärmequelle Die Erschließungsleitungen sind so kurz wie möglich zu halten.
Leitungen und Armaturen müssen gegen Grundwasser resistent sein. In warmen Räumen bildet sich Schwitzwasser an den Leitungen und Armaturen. Dies muss mit dampfdichtem Isolationsmaterial
verhindert oder über eine Tropfrinne abgeleitet werden.

Wärmequellenfassung
Das entzogene Grundwasser ist dem gleichen Vorkommen in der Fliessrichtung wieder abzugegeben (Distanz >15 m). Die minimal vorgeschriebene Rückgabetemperatur darf +4 ºC nicht unterschreiten. Die Größe des Brunnens wird für einen bestimmten Fördervolumenstrom dimensioniert. Wird dieser überschritten, besteht die Gefahr, dass der Kiesfilter um den Grundwasserbrunnen zerstört wird. Nur fachmännisch erstellte Brunnen
garantieren einen einwandfreien Betrieb. Der Wärmeentzug aus Oberflächengewässer ist grundsätzlich auf zwei Arten möglich:
– Register im Fließgewässer
– Filterbrunnen für die indirekte Nutzung von Oberflächengewässer

Der Vorteil der Filterbrunnenlösung ist die praktisch verschmutzungsfreie Wasserentnahme. Ein monovalenter Betrieb ist häufig möglich und anzustreben. Ansonsten ist der bivalent parallele Betrieb sehr sinnvoll. Die erforderliche Leistung der Zusatzheizung muss nur ca. 10 – 20% des Jahresheizbedarfs abdecken.

 

 

Einsatzbereich Luft-Wasser

Die Luft-Wasserwärmepumpen können als monovalente oder bivalente Heizungen eingesetzt werden. Durch die schwankende Außenlufttemperatur ist auch ihre Leistungszahl und ihre Heizleistung sehr variabel. Für einen wirtschaftlichen Betrieb ist des halb immer die Einbindung eines Pufferspeichers notwendig.

Monoenergetischer Betrieb
Wird die maximale Heizleistung einer Wärmepumpenanlage nur während kurzer Zeit unterschritten, kann bei Einfamilienhäuser die eingebaute elektrische Zusatzheizung im Parallelbetrieb zur Spitzenlastabdeckung eingesetzt werden (elektrische Gesamtleistung <10 kW). Die Auslegung der Spitzendeckung erfolgt auf
den Pnt-Wert entsprechend L2/W35. Zudem sollte an sehr kalten Tagen auf die Nachtabsenkung verzichtet werden, damit keine Schnellaufheizung erforderlich ist; bei jeder Wärmepumpenanlage empfehlenswert.

Luftführung
Bei der Platzierung einer Luft-Wasser Wärmepumpe sind folgende Punkte zu berücksichtigen:
– schalltechnische Abklärungen (gegenüber Wohnräumen, Nachbarn usw.) unabhängig davon, ob es um eine Innen- oder Außenaufstellung handelt. Die Lärmschutzverordnungen sowie die örtlichen Vorschriften sind unbedingt zu beachten.
– Die Luftansaug- und Ausblasöffnung sind vor Schnee, Laub und Staubpartikeln zu schützen, eine Behinderung durch Pflanzen ist zu vermeiden.
– Verhinderung einer Kurzschlusswirkung der Ansaug- und Ausblasöffnung.
– Um Körperschallübertragungen zu vermeiden, sind die Luftkanalanschlüsse der Maschine mit elastischen Manschetten zu versehen.
– beim Luftkanaleinbau direkten Kontakt zur Mauer (bei Wanddurchführungen usw.) vermeiden.
– Luftschacht evtl. mit Schallauskleidung versehen.

Kondensatwasserableitung
Luft enthält Feuchtigkeit, die unter einer Temperatur von ca.+7 ºC an der Verdampferoberfläche vereist. Bei Bedarf wird somit die auto matische Abtauvorgang eingeleitet. Das bei diesem Vorgang anfallende Kondenswasser muss frostfrei und sicher ab geleitet werden (evtl. Ablauf beheizen). Um einen einwandfreien Abfluss zu gewährleisten, muss die Wärmepumpe auf einer waagrechten, ebenen Fläche stehen. Das Ablaufrohr (bei der Innenaufstellung inkl. Siphon ø min. 50 mm /bei der Außenaufstellung ø min. 100 mm) muss mit genügend Gefälle direkt in den Abwasserkanal geführt werden.