Wärmepumpe

Allgemeines

Es gibt verschiedene Arten der Energiequellen die mittels einer Wärmepumpe erschlossen werden können.

Kenndaten der Wärmepumpe

Leider hat man sich auf der Herstellerseite nicht auf einheitliche Angaben in den Datenblättern geeinigt, so daß es schwer ist verschiedene Modelle zu vergleichen.

Heizkreisgrenztemperatur

Gemäß VDI 4650 wird für die Heizkreisgrenztemperatur für bestehende Gebäude 15°C empfohlen. Die Heizkreisgrenztemperatur ist die Temperatur, ab der die Heizung abschaltet. Für kernsanierte Effizienzhäuser wird 12° empfohlen, für Häuser nach Passivhaustandard 10°C.

Normaußentemperatur

Die Normaußentemperatur kennzeichnet die kleinste anzunehmende Außentemperatur. Sie wird anhand der Klimazonen in Deutschland festgelegt. Für unsere Region (Flörsheim am Main) gilt eine Normaußentemperatur von -10°C.

Bivalenzpunkt

Der Bivalenzpunkt ist die Temperatur ab der die Wärmepumpe alleine zur Deckung des Heizwärmebedarfs genügt. Unterhalb dieses Punkts wird entweder der zweite Wärmeerzeuger (z.B. Heizstab) zugeschaltet (bivalent-parallel ) oder auf den zweiten Wärmeerzeuger (z.B. Gas-Brennwertkessel) umgeschaltet (bivalent-alternativ). Es ist nicht sinnvoll, die Wärmepumpe so auszulegen dass diese alleinig die Wärmeversorgung bis zur Normaußentemperatur übernimmt. In diesem Fall wird die Wärmepumpe dann bei den am meisten vorherrschenden Temperaturbedingungen vermutlich den Regelbereich verlassen und "takten", d.h. Ein- und Ausschalten. Auch wäre die Wärmepumpe unnötig groß und teuer nur um an wenigen Tage mit Normaußentemperatur die Wärmeversorgung alleinig zu meistern. Eine gute Wahl für den Bivalenzpunkt sind -7°C bis -3°C.

grafische Auslegung, Quelle: Wolf CHA-16 für 45°C Vorlauftemperatur

Die Normaußentemperatur wird auf der horizontalen Achse (1) gesucht und mit einer senkrechten Linie markiert (4). In waagrechter Richtung wird der Schnittpunkt mit der roten Linie der maximalen Kompressordrehzahl (3) zur linken Achse (2) gezeichnet (8). Das ist die maximale Leistung der Wärmepumpe bei dieser Normaußentemperatur. Ausgehend von der Heizkreisgrenztemperatur (hier: 15°C) wird eine Linie zur notwendigen Spitzenleistung der Wärmepumpe (5) gezogen. Im Beispiel sind es 17 kW. Diese Linie kennzeichnet den Wärmebedarf des Gebäudes (6). Der Schnittpunkt mit der roten Linie (3) ergibt den Punkt bei dem die Wärmepumpe allein den Wärmebedarf des Gebäudes deckt. Dies ist der Bivalenzpunkt (7) der an der horizontalen Achse (1) abgelesen werden kann. Zwischen Bivalenzpunkt und Normaußentemperatur muss der zweite Wärmeerzeuger unterstützend eingreifen. Im Falle eines Heizstabes ist die Differenz zwischen der benötigten Leistung (5) und der Spitzenleistung der Wärmepumpe (8) die erforderliche Leistung des Heizstabes (9). Der schraffierte Anteil wird dann mit dem zweiten Wärmeerzeuger geleistet.

berechnete Jahresarbeitszahl (SCOP)

Die berechnete Jahresarbeitszahl (SCOP) wird aus den Leistungszahlen COP unter Festlegung standardisierter Randbedingungen berechnet. Es gibt unterschiedliche Verfahren (z.B. VDI 4650 Blatt 1 oder DIN EN 14825).

$SCOP={\frac {(COP_{-7}*24)+(COP_{2}*320)+(COP_{7}*326)+(COP_{12}*169)}{839}}$

Berechnung nach VDI 4650 Blatt 1 für Luft-Wasser Wärmepumpe (Normaußentemperatur = -12°C):

INFORMATION

Die Berechnung erfolgt nur näherungsweise und ersetzt nicht eine genaue Berechnung. Ein weiterer Rechner findet sich auch beim Bundesverband Wärmepumpen e.V.

jahreszeitbedingte Raumheizungseffizienz η_s

Die jahreszeitbedingte Raumheizungseffizienz η_s kann aus der berechnete Jahresarbeitszahl (SCOP) berechnet werden.

Die jahreszeitbedingte Raumheizungseffizienz η_s (s steht für "seasonal") läßt sich aus dem SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) errechnen. Der SCOP wird dazu einfach mit 40 multipliziert. Die 40 steht für einen Wirkungsgrad zur Stromerzeugung in der EU von 40 %.

Für eine Förderung gilt beispielsweise für eine Luft-Wasser Wärmepumpe ein ETA_s bei 35°C Vorlauftemperatur von mindestens 145% und ein ETA_s bei 55°C von mindestens 125%. Dies entspricht einem SCOP (35°C) von mindestens 3,625 bzw. einem SCOP (55°C) von 3,125.

Die Jahresarbeitszahl muss mindestens 3,0 betragen, wenn die Wärmepumpe gefördert werden soll.

Anlagentechnik

Pufferspeicher

Der Betrieb einer Wärmepumpe ohne Pufferspeicher ist zwar möglich, aber aus vielen Gründen störanfällig und nicht zu empfehlen. Die Größe des Pufferspeichers mindestens 20l/kW Leistung im Auslegungspunkt betragen.

Ist mit einer Reduzierung der Leistung bzw. Sperrdauer zu rechnen, sind je kW Wärmepumpenleistung und je Stunde Sperrdauer 30l bis 40l Speichervolumen erforderlich.

INFORMATION

Für eine Wärmepumpe mit 5 kW Leistung sind somit mindestens 100l Speichervolumen zu empfehlen

INFORMATION

Bei einer mit Wärmepumpe betriebenen Heizkörperheizung ist, wenn nicht aus anderen Gründen ohnehin erforderlich, ein Pufferspeicher sinnvoll