Mal eben die Leistung des Gaskessels prüfen und die Wärmepumpe mit genau der gleichen Leistung planen - das ist der sicherste Weg, um im Baubestand bei der Heizungssanierung einen unzufriedenen Kunden und eine unzuverlässige, ineffiziente Heizanlage zu hinterlassen. Denn da führt kein Weg dran vorbei: Die genaue Planung und bedarfsgerechte Auslegung einer Wärmepumpenanlage ist besonders wichtig.
Baubestand genau ansehen!
Erfahrene Fachhandwerker wissen mittlerweile, an welchen Stellen der Auslegung einer Wärmepumpenplanung genau hingeschaut werden muss und auf welche Hilfsmittel sie sich verlassen können. Dieser Artikel stellt den Baubestand in den Mittelpunkt, weil er die größeren Herausforderungen in puncto Planung einer Wärmepumpenanlage bereithält. Denn im Neubau sind die bautechnischen Daten sehr genau bekannt.
An einer Sache führt in der Auslegung der Wärmepumpe im Bestand kein Weg vorbei: die genaue und sorgfältige Berechnung der Heizlast, die vom Standort des Hauses, der Normaußentemperatur und dem baulichen Wärmeschutz abhängig ist. Dafür ist eine fundierte Datenbasis erforderlich - und die setzt im Bestand eine genaue Prüfung der vorhandenen Gebäudesubstanz und den wahrscheinlich durchgeführten Sanierungsmaßnahmen im Laufe der Jahre voraus.
Kaum ein Gebäudeeigentümer wird diese Daten „mal eben“ an der Hand haben. Deswegen ist diese Tätigkeit unter Umständen zeitaufwendig. Doch aus Befragungen von Fachhandwerkern und Herstellern ist ein Fakt bekannt: Insbesondere Luft / Wasser-Wärmepumpen werden oft zu groß ausgelegt. In vielen Fällen wäre eine kleinere Leistungsgröße die bessere Wahl gewesen.
Bild: Vaillant
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Zu hohe Heizleistung ernsthaftes Problem
Dabei sind die Folgen der Überdimensionierung einer Luft/Wasser-Wärmepumpen nicht zu unterschätzen. Denn eine zu große Ausgangsleistung führt zu einem stärkeren Taktverhalten der Anlage, d. h. die Wärmepumpe schaltet sich im Betrieb viel öfter ein und aus, als dies eigentlich geplant ist. Die Folgen daraus sind nicht nur eine geringere Energieeffizienz, sondern auch eine verkürzte Lebensdauer der Heizanlage - insbesondere des Verdichters - und auch höhere Schallemissionen im Betrieb. Parallel steigen die Material- und Reparatur- sowie auch die Investitionskosten für die Wärmepumpenanlage, die größer ist als benötigt.
Die Gründe für eine Überdimensionierung sind dabei vielfältig. Zum einen ist es die denkbare Unsicherheit des ausführenden Fachhandwerkers, der auf keinen Fall von seinem Kunden nach getaner Arbeit Anrufe mit der Botschaft „Es wird nicht richtig warm“ erhalten will. Zum anderen können es die Wünsche des Kunden sein, auf jeden Fall eine „Nummer größer“ zu wählen, wenn das Ergebnis zwischen zwei Leistungsgrößen liegt.
Aber auch falsche Zahlen aus der Datenaufnahme und Beurteilung der Gebäudesubstanz können die Ursache dafür sein. Und letztendlich spielen sogar die Verfahren zur Heizlastberechnung eine gewichtige Rolle. Denn je nach gewähltem Verfahren können sich sehr unterschiedliche Werte ergeben, die in der Folge zu einer überdimensionierten Auslegung führen.
Überschlägige Heizlastermittlung: Mehrere Verfahren
Dazu ein Beispiel aus der Praxis beim gleichen Planungsobjekt im Bestand: Hier ergab die Heizlastberechnung über das spezifische Verfahren nach DIN 12831 / 2 eine Heizlast von 13,9 kW. Wurden die realen Verbrauchswerte der letzten Jahre herangezogen und die Heizlast über das Verbrauchsverfahren nach DIN 12831 / 2 berechnet, lag die Heizlast nur noch bei 11,7 kW. Eine Berechnung der Heizlast über das Hüllflächenverfahren mit Verbrauchsvalidierung ergab schließlich eine Heizlast von 8,1 bis 8,5 kW.
An dieser Stelle wird nachvollziehbar, wie extrem eine Wärmepumpe mit 13,9 kW Heizleistung in einem Gebäude das tatsächlich nur 8,1 kW Heizleistung benötigt, überdimensioniert wäre. Die Quintessenz daraus: Es sollten in jedem Fall mehrere Verfahren der Heizlastberechnung durchgeführt werden, um ein wirklich valides Ergebnis zu erhalten.
Dazu ein weiteres Beispiel: Bei der Planung einer Heizungsanlage in einem Bestandsgebäude wurde die Heizlast früher oft auch überschlägig ermittelt. Denn je älter ein Gebäude ist, umso seltener sind alte Berechnungen der Heizlast oder Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte in (W/(m² * K) vorhanden. Dafür liegen jedoch durchweg Verbrauchsdaten für das jeweilige Objekt vor, die zur Ermittlung des Wärmebedarfs herangezogen werden können. Doch auch bereits aufgrund des Alters eines Gebäudes gibt es Eckdaten, die es erlauben, den Wärmebedarf überschlägig zu ermitteln. In der Regel sind dies spezifische Bedarfe bezogen auf 1 m² zu beheizende Fläche, also W/m² oder auf das zu beheizende Raumvolumen, sprich W/m³.
In Abbildung 1 sind typische Wärmebedarfe pro m² zu beheizender Fläche bei unterschiedlichen Baujahren laut den jeweils geltenden Bauvorschriften erfasst. Dementsprechend stellt sich ein Beispiel zur überschlägigen Berechnung des Heizwärmebedarfs Q anhand des spezifischen Wärmebedarfs bei folgendem Beispielobjekt dar: Bestand, Baujahr 1990, Wärmedämmung vorhanden (70 W/m²), beheizte Fläche 150 m². Q = 70 W/m² * 150 m² = 10.500 W. Q ist also 10,5 kW.
Bild: Vaillant
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Berechnung nach Öl- oder Gasverbrauch
Dieses überschlägige Berechnungsverfahren ersetzt keinesfalls die ausführliche Wärmebedarfsrechnung, gibt aber einen ersten Hinweis auf die ungefähre Größenordnung und hilft dabei, vorhandene Berechnungen auf ihre Plausibilität hin zu prüfen. Genauer stellt sich dagegen bereits die Ermittlung des Wärmebedarfs eines Objektes anhand der verbrauchten Menge an Öl oder Gas anhand des mittleren Brennstoffverbrauchs der letzten fünf Jahre dar. Dabei muss jeweils unbedingt geprüft werden, ob der Warmwasserbedarf bereits in diesen Verbrauchsdaten enthalten ist.
Die Art des bereits installierten Heizgerätes als Brennwert- oder Heizwertanlage spielt ebenfalls eine Rolle. Hier ist ein Faktor fG = 1,0 für Brennwert- oder fG = 0,9 für Heizwertanlagen zu berücksichtigen. Um darüber hinaus die Verluste der Verbrennung zu erfassen, ist ein Faktor für die Energieeffizienz der bestehenden Altanlage zu berücksichtigen, der pauschal mit 0,9 angesetzt werden kann.
Die Daten für die überschlägige Berechnung des Heizwärmebedarfs Q anhand von Verbrauchsdaten sehen folgendermaßen aus: Bestand von 1990 mit einem Öl-Brennwertgerät, Wärmedämmung vorhanden (70 W/m²), beheizte Fläche 150 m², installierter Kessel mit 34 kW Leistung, durchschnittlicher Ölverbrauch 1900 l/a, Vollbenutzungsstunden bv 1800 h/a.
Für diese Formel werden die Vollbenutzungsstunden benötigt. Diese sind definiert als die Stundenanzahl, die der Kessel mit Nennwärmeleistung betrieben wurde, um den Jahresheizwärmebedarf zu decken. Dies ist nicht mit den Betriebsstunden zu verwechseln, die bei modulierenden Kesseln deutlich höher liegen können. Die Vollbenutzungsstunden können überschlägig berechnet werden, indem die genutzte Brennstoffmenge in kWh durch die Nennleistung des Heizkessels dividiert wird. Die Formel dazu lautet:
Q = (V(l) * Hi (kWh/l) * (a)) / ((a) * bv (h/a) * (l) * fG * fE
Q = (1 900 * 10) / 1 800 * 1,0 * 0,9 - Das Ergebnis daraus ist Q = 9,5 kW und zeigt, dass die installierte Leistung des Heizkessels dreimal größer ist als erforderlich. Dies veranschaulicht deutlich, wie wichtig es ist, beim Austausch von Wärmeerzeugern im Bestand und dem Einbau einer Wärmepumpenanlage sehr genau zu prüfen, welche Kesselleistung tatsächlich benötigt wird.
Eine weitere Möglichkeit ist es, nach der Berechnung gemäß des spezifischen Wärmebedarfs zur Validierung den bisherigen Verbrauch zugrunde zu legen. Hier ist jedoch die Nutzung des Objektes zu berücksichtigen: Wird ein Einfamilienhaus nicht mehr von allen Familienmitgliedern bewohnt, wird es oft auch nur noch partiell beheizt. Auch der Warmwasserbedarf ist entsprechend geringer. Das würde in der Berechnung eine zu geringe Anlagenleistung zur Folge haben, weil sich die Wohnsituation im Laufe der Lebenszeit der Wärmepumpe ändert - so z. B. wenn das Haus an eine junge Familie verkauft wird.
Bild: Vaillant
Keine Angst vor dem Heizstab!
Hinsichtlich der Auslegung fällt darüber hinaus in der Praxis oft auf, dass man sich bemüht, in jedem Fall auf den Einsatz eines Elektro-Heizstabes zu verzichten. Auch dadurch gerät dann manche Wärmepumpe hinsichtlich ihrer Leistung zu groß. Der Elektroheizstab hilft jedoch bei richtiger Auslegung ausschließlich zur Abdeckung von Spitzenlasten an den kältesten Tagen des Jahres. Somit ist es möglich, dass die Wärmepumpen kleiner ausgelegt werden und an den weniger sehr kalten Tagen noch modulierend und damit hoch effizient arbeiten kann.
Dabei beschreibt der Leistungsanteil welchen Anteil die Wärmepumpe an der Heizlast beim Erreichen der Normaußentemperatur hat. Beispiel: Am kältesten zu erwartenden Tag des Jahres (Normaußentemperatur) erbringt die Wärmepumpe z. B. 65 Prozent der Leistung im Wärmepumpenbetrieb. Die restlichen 35 Prozent liefert der elektrische Heizstab.
Da die Normaußentemperatur nur sehr selten erreicht wird, ist die zu erbringende Leistung des Heizsystems an den meisten Tagen des Jahres deutlich niedriger und auf den elektrischen Heizstab kann verzichtet werden. Somit deckt die Wärmepumpen bei 65 Prozent Leistungsanteil immer noch 99 Prozent des gesamten Heizwärmebedarfs eines Jahres im Wärmepumpenbetrieb und nur 1 Prozent wird vom Zusatzheizstab gedeckt. Der Deckungsanteil liegt bei 99 Prozent.
Schritt für Schritt zur optimalen Auslegung
Erst mit diesem Grundverständnis sollten dann die Möglichkeiten aktueller Auslegungs-Software genutzt werden, mit denen der Zeitbedarf für die Auslegung einer Wärmepumpenanlage deutlich verringert werden kann. Besonders häufig verwendet werden hierbei Schnellauslegungstools der Hersteller von Wärmepumpen, die spezifisch und schnell selbst individuelle Auslegungstätigkeiten automatisieren können. Die wichtigste Voraussetzung dafür: Es handelt sich in erster Linie nicht um ein Ausfüllen von Tabellen, sondern um ein vor allen Dingen grafisches Tool, in dem aufwändige Algorithmen im Hintergrund die Ergebnisse aus den zur Verfügung gestellten Daten liefern.
Typisches Beispiel dafür ist das Wärmepumpen-Schnellauslegungstool von Vaillant. Die Bedienung des Tools an sich ist in jeder Form grafisch aufgebaut, sodass die Eingabe der benötigten Daten ohne großen Zeitaufwand zügig umgesetzt werden kann. Das Ergebnis ist in jedem Fall die konkrete Empfehlung für ein Wärmepumpensystem inklusive des bzw. der benötigten Speicher etc. Kann oder soll kein monovalenter bzw. monoenergetischer Wärmepumpen-Betrieb erfolgen, beispielsweise wenn bereits ein Gasheizgerät installiert ist, das auch weiterhin arbeiten soll, kann das ebenfalls in den Daten eingepflegt werden.
Durch die Verknüpfung und Integration verschiedener Berechnungen in einem Tool lassen sich alle anlagenspezifischen Werte und Auslegungen in kürzester Zeit berechnen. Die Wärmepumpen-Schnellauslegung deckt den gesamten Planungsbedarf von der überschlägigen Heizlast über die Wärmepumpenauswahl und Speicherberechnung bis hin zu Energieverbräuchen und Einstellwerten ab. Ergänzt wird das durch individuelle Installationshinweise in Kurzform. Dies vermindert Installationsfehler.
Bild: Vaillant
Auch in der Software: zwei Berechnungsverfahren zur Heizlast
Der Weg durch das Tool beginnt mit der Eingabe der Postleitzahl des Objektes als Grundlage für die Berechnung der Normaußentemperatur sowie die Kennzeichnung nach Neubau oder Bestand. Weil insbesondere im Baubestand die tatsächliche Heizlast des Gebäudes unbekannt ist, stehen anschließend zwei Berechnungsverfahren zur Verfügung. Mit einer groben Schätzung geschieht dies über das spezifische Verfahren und die Angabe der Wohnfläche sowie einfache Daten zum Gebäude (freistehend / teilsaniert etc.).
Genauer funktioniert die Angabe der Verbräuche aus den letzten drei Jahren nach kWh Gas oder Litern Heizöl. Daneben stehen auch Punkte zur Abdeckung der BAFA-Forderungen zur Wahl, die dann wiederum bestimmte Mindestanforderungen zugrunde legen. Wählt der Anwender eine Vorlauftemperatur größer 55 °C, wird automatisch die Betriebsart bivalent alternativ gewählt. Dies vermeidet bereits in der Auslegung Anlagen mit einer zu geringen Effizienz im Betrieb. Derartige Plausibilitäten werden im Tool automatisch geprüft und dadurch Auslegungsfehler vermieden.
Mono- oder bivalent?
Besonders wichtig ist anschließend die in der Regel frei wählbare Angabe der Betriebsweise der Wärmepumpenanlage – z. B. mono- oder bivalent. Erfahrungsgemäß ist die Entscheidung und die Frage der Betriebsweise immer wieder ein entscheidender Fallstrick. Deswegen hat Vaillant bei derartigen Fragen stets einfache, weiterführende Informationen hinterlegt, die Erklärungen über die Auswirkung der Entscheidung geben. Gleichzeitig gibt es konkrete Erläuterungen, was z. B. genau am Bivalenzpunkt passiert etc. Die Einstellungen an der Wärmepumpenanlage dazu sind für die spätere Effizienz entscheidend. Deswegen gibt es abschließend hierzu im Ergebnisprotokoll klare Empfehlungen.
Das benötigte Warmwasservolumen wird nicht über hinterlegte Zapfprofile oder ähnliches ermittelt, sondern über die Anzahl der Personen sowie die Anzahl und den Wasserverbrauch der Badewannen bzw. Duschen. Der Durchfluss der Duschen wird so einfach wie möglich in Kategorien wie beispielsweise „Regendusche“ eingeteilt. Sollte die benötigte Warmwasserleistung größer als der Heizbedarf sein, wird diese als Grundlage anschließender Berechnungen verwendet.
Dann wird die gewünschte Wärmequelle der Wärmepumpe fest ausgelegt und der Pufferspeicherbedarf berechnet. Hierbei besteht die Auswahlmöglichkeit zwischen verschiedenen Speichertypen. Die Entscheidungen für den Speicher korrespondieren dabei immer mit den vorher festgelegten Werten. Fehler in der Auslegung der Gesamtanlage sind dadurch ausgeschlossen. Dabei ist jeweils nach persönlicher Einschätzung für Experten ggf. die Auswahl eines größeren oder kleineren Speichers möglich – der aber immer noch zur Leistung der Wärmepumpenanlage passt.
Quintessenz: Derartige Softwarepakete schaffen nicht nur Sicherheit für den Fachhandwerker, sondern bringen auch eine klare Zeitersparnis im Vergleich zur Notwendigkeit, alleine die erforderliche Heizlast über mindestens zwei Verfahren gleichzeitig zu berechnen.
Fazit
Insbesondere Luft / Wasser-Wärmepumpen werden im Baubestand oftmals mit einer zu hohen Leistung ausgelegt. Die Gründe dafür sind vielfältig und reichen vom Sicherheitsempfinden bis hin zu verschiedenen Ergebnissen der unterschiedlichen Methoden der Heizlastberechnung. Mit dem Grundverständnis der verschiedenen Verfahren der Heizlastberechnung ausgestattet, lassen sich mittlerweile jedoch differenzierte Schnellauslegungstools für Wärmepumpen einsetzen, die Fehler in der Planung und Auslegung ausschließen. ■
Bild: Schellhorn
