Wärmepumpen mit Tiefgang planen

15.12.2009 | Veröffentlicht in Ausgabe 12-2009

Öl und Gas werden immer teurer, weshalb die Nachfrage nach alternativen Heiztechniken kontinuierlich wächst. Finanzielle Anreize sorgen zusätzlich dafür, dass neben der Solartechnik auch die Heizkosten sparende Wärmepumpe seit einigen Jahren einen Boom mit beachtlichen Zuwachsraten erlebt. Mittlerweile liegt der Anteil von Erdwärmepumpen beim Neubau von Ein- und Zweifamilienhäusern hierzulande bei fast 10 %. Im Nachbarland Schweiz sind es sogar schon 40 %. Doch die Auslegung und Planung entsprechender Anlagen ist keineswegs trivial. Nachfolgende Produktübersicht zu Planungssoftware inklusive einer Anbieterübersicht sowie Literatur- und Linkliste helfen dabei weiter.

Ertragsprognosen der Hersteller und ausführenden Unternehmen führen nicht immer zum gewünschten Kostenspar-Effekt, da die Effizienz einer Wärmepumpen-Heizung von zahlreichen Faktoren abhängig ist. Neben den Rahmenbedingungen (Gebäudekonzept, Nutzungsprofil, Geologie etc.) müssen auch alle Systemkomponenten stimmen und aufeinander abgestimmt sein. Hinzu kommt, dass wie bei anderen regenerativen Energiesystemen auch die Leistung der Wärmequelle nicht konstant ist, sondern jahreszeitlich schwankt. Da sich auf der anderen Seite auch der Energiebedarf von Wohn- oder Bürogebäuden im Jahresverlauf ändert, müssen Wärmepumpen so ausgelegt werden, dass sie diesen wechselnden Bedingungen sowie den Anforderungen an den Ertrag, die Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und den Komfort genügen.

Was leistet Wärmepumpen-Software?

Zwar reichen für Standardfälle auch Erfahrungswerte oder die VDI 4650 zur überschlägigen Ermittlung von Ertragswerten wie der Arbeitszahl. Insbesondere Anlagen mit Warmwasserbereitung oder Systeme mit mehreren Wärmeerzeugern erfordern aufgrund zahlreicher Wechselwirkungen und der Temperaturabhängigkeiten zwischen Heizung und Wärmequelle einen hohen Rechenaufwand. Deshalb wurden Planungs- und Simulationsprogramme entwickelt, die den Rechenvorgang beschleunigen, Anlagen optimieren helfen, Planer und Fachbetriebe bei der Akquisition, Auslegung und Realisierung unterstützen.

Die Programme berechnen die für die BAFA-Förderung wichtige Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 [1] und teilweise auch zusätzlich durch eine Simulation, machen einen Betriebskostenvergleich mit anderen Energieträgern wie Öl, Gas, Pellets etc., ermitteln die jährlichen Kosten unter Berücksichtigung der Lebensdauer der Komponenten, der Zinsen und jährlicher Energiepreissteigerungen sowie den Stromverbrauch und die Stromkosten in den einzelnen Tarifen der verschiedenen Stromanbieter.

Ferner wird unterteilt nach Heizung und Warmwasser der Temperaturverlauf in der Wärmequelle berechnet, der durchschnittliche monatliche Wärmebedarf, die Vorlauftemperatur, die Heizleistung etc. Als Ergebnis erhält man eine technisch optimierte Wärmepumpen-Heizung mit aufeinander abgestimmten Komponenten. Darüber hinaus kann Wärmepumpen-Software auch die Investitionssicherheit steigern. Ab wann sich die Wärmepumpe rechnet, hängt nämlich von einigen Unwägbarkeiten ab etwa der Öl- und Gaspreisentwicklung. Der Einsatz von Wärmepumpen-Software im frühen Projektstadium kann dazu beitragen, Investitionsrisiken zu minimieren, Bauherren oder Investoren zu überzeugen und so Projekte schneller zu realisieren.

Weshalb werden Wärmepumpen-Anlagen simuliert?

Wer sich für eine moderne Erdwärmepumpen-Heizung interessiert und bereit ist, das 2- bis 3-Fache gegenüber einer konventionellen Öl- oder Gasheizung zu investieren, will möglichst präzise wissen, wie groß die Betriebskosteneinsparung ausfällt. Weil die Leistungsdaten von Wärmepumpenheizungen aber sehr temperaturabhängig sind und weil es diverse Wechselwirkungen gibt, erfordern verlässliche Prognosen einen großen Rechenaufwand: So hängt der jeweilige Stromverbrauch einer Wärmepumpenheizung von den Temperaturen im Heizungskreislauf und der Wärmequelle ab. Da sich beide im Jahresverlauf ändern, müsste man die Heizwassertemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur am jeweiligen Standort und für den jeweiligen Zeitabschnitt berechnen, was rechenaufwendig ist. Simulationsprogramme ermitteln diese Werte automatisch in zeitlicher Abhängigkeit.

Auf Basis dieser Simulationen ist eine näher an die Realität heranreichende Voraussage möglich. Außerdem kann man Bauherren die Folgen eines veränderten Nutzungsprofils plausibler erklären, wenn z.B. ein höherer Warmwasserverbrauch oder höhere Raumtemperaturen notwendig werden.

Das Programm berechnet ausgehend von den Monats-Durchschnittstemperaturen am Gebäudestandort und dem Wärmebedarf des Hauses die benötigten Wärmemengen und momentanen Heizwassertemperaturen. Die Warmwasserbereitung wird je nach Speichertyp und Temperaturanforderungen ebenfalls in die Berechnung einbezogen. Entsprechend der technischen Parameter der Wärmepumpe wird mit Beginn der Heizperiode die Abkühlung der Wärmequelle durch den Wärmeentzug berechnet. Bei Soleanlagen wird der Wärmeübergang entsprechend der strömungstechnischen Eigenschaften sowie der Beschaffenheit von Frostschutzmittel, Absorberrohr und Erdreich einbezogen. Entsprechend den aktuellen Temperaturen von Heizwasser und Wärmequelle ergeben sich die Laufzeiten und der Stromverbrauch der Wärmepumpe. Diese Werte werden aufsummiert und zur Berechnung der Jahresarbeitszahl bzw. der Betriebskosten verwendet.

Welche Parameter werden berücksichtigt?

Für eine korrekte Berechnung des Gesamtsystems Wärmepumpen-Heizung müssen zahlreiche Parameter berücksichtigt werden: Die Art der Wärmequelle (Horizontalabsorber, Erdsonden, Wasser, Luft oder Kombinationen), die Absorberfläche und -länge, die Anzahl und Tiefe der Erdsonden, geologische Verhältnisse (Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte), der Feuchtegehalt des Erdreichs sowie die durch die Kälteleistung der Wärmepumpe bedingte Temperaturabsenkung, um eine mögliche Bodenvereisung im Vorfeld auszuschließen.

Auch die Warmwasserbereitung hat einen Einfluss: die Art des Speichers (Schichtung, Größe), der durchschnittliche Tages-Warmwasserbedarf, technische Wärmepumpendaten, die elektrische Leistungsaufnahme, die thermische Leistung und Kälteleistung in Abhängigkeit von der Quellen- und der Heizwassertemperatur, die Betriebsweise (mono-/bivalent, mono-/bienergetisch) sowie die Temperaturdifferenz am Verdampfer und Verflüssiger. Ferner sind natürlich die Gebäudedaten wie Heizlast bzw. Wärmebedarf inklusive solarer und interner Gewinne oder die gewünschte Raumtemperatur zu berücksichtigen.

Relevant sind auch die klimatischen Verhältnisse, die Tarife des Energieversorgers (Sperrzeiten, Hoch- und Niedertarifzeiten usw.), die Wärmeverteilung im Gebäude (Fußboden-, Wandheizung, Heizkörper) und viele weitere Parameter. Sind einzelne Parameter nicht bekannt, können teilweise vorgeschlagene Pauschalwerte übernommen werden. Eine vom Nutzer erweiterbare Datenbank mit Klimadaten aus Deutschland und den europäischen Nachbarländern, Bodenarten, dem Bodentemperatur-Jahresverlauf, aktuellen Wärmepumpen etc. sorgt für sofortige Einsetzbarkeit und Flexibilität der Software.

Was bietet der Markt?

Trotz hoher Wachstumsraten im Wärmepumpenmarkt lassen sich die Anbieter von Wärmepumpensoftware für Planer an den Fingern einer Hand abzählen, was wohl historisch bedingt ist. Bis vor kurzem noch haben Wärmepumpen ein Nischendasein geführt. Zwar gab es nach der ersten Ölpreiskrise schon einmal einen Absatzzuwachs, der jedoch aufgrund wieder sinkender Ölpreise und technischer Probleme wieder abflachte. Softwarehersteller konnten sich aufgrund dieser wechselhaften Marktsituation kaum etablieren und so kam es, dass sich hierzulande letztendlich nur ein Anbieter (WPsoft) auf diesen Bereich spezialisiert hat. Von dem herstellerneutralen Programm WP-OPT dieses Herstellers werden zusätzlich Firmenversionen offeriert, die eine Auslegung mit den Komponenten eines Herstellers ermöglichen (IDM, Junkers, Nibe, Vaillant, Viessmann etc.). Inzwischen bietet auch der Softwarehersteller Hottgenroth/ETU eine Auslegungs- und Simulationssoftware zur Planung und Optimierung von Wärmepumpenheizungen.

Alle anderen Anbieter/Programme berücksichtigen entweder nur Anlagendetails wie die Sondenauslegung (z.B. EED) oder es handelt sich um Gebäudesimulations-Programme (z.B. DK-Integral, POLYSUN oder TRNSPILE), welche Wärmepumpen als einen Baustein im Gesamtsystem Gebäude betrachten. Diese deutlich komplexeren Lösungen setzen einen höheren Eingabeaufwand voraus und haben vor allem bei Sonderprojekten ihre Berechtigung etwa bei Büro- oder Industriegebäuden mit hohen solaren bzw. internen Gewinnen aus Beleuchtungs- und/oder PC-/Maschinen-Abwärme.

Neben Planer-Versionen werden auch (Online-) Auslegungshilfen von Wärmepumpenherstellern offeriert. Sie leiten den Anwender Schritt für Schritt durch die Anlagendefinition und Parameterauswahl, erläutern Abfragen in Wort und Bild, machen den Vorgang damit auch für Bauherren verständlich und nachvollziehbar. Nach der Eingabe der Haus-, Warmwasser-, Tarif-, und Wärmequellendaten schlägt das Programm die geeigneten Wärmepumpen aus dem Herstellerprogramm vor und gibt den dazu passenden Speicher gleich mit an. Stehen mehrere Varianten zur Auswahl, können diese schnell durchgerechnet werden, um die unter energetischen oder ökonomischen Gesichtspunkten beste Lösung zu bestimmen.

Für eine Grobauslegung und -kalkulation der Betriebswerte genügen auch diese einfachen Werkzeuge. Weichen Anlagen jedoch vom Standard ab und will man bei seiner Auswahl auch andere Wärmepumpenhersteller berücksichtigen, sind herstellerneutrale Planerlösungen sinnvoller. Die Preise dafür liegen zwischen 400 und 1000 Euro, Auslegungshilfen von Wärmepumpen-Herstellern sind in der Regel kostenlos.

Fazit: Kontrolle ist besser!

Natürlich lassen sich einfache Anlagen für Ein- oder Mehrfamilienhäuser auch aufgrund von Erfahrungswerten planen. Schneller, sicherer und genauer in der Aussage ist jedoch Simulationssoftware. Bei bivalenten Systemen, komplexen Rahmenbedingungen oder Sonderprojekten ist sie unerlässlich. Ob das Ergebnis später der Realität entspricht, hängt auch davon ab, wie präzise Anlage und Rahmenbedingungen erfasst wurden. Ist der Input falsch oder ungenau (Energiebedarf, Nutzungsprofil, Anlagendaten etc.), liefern Simulationsprogramme Fehlprognosen. Deshalb sollte das Ergebnis kritisch hinterfragt und möglichst anhand vergleichbarer Anlagen überprüft werden. Ganz wichtig ist auch eine frühzeitige interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Geologe, Architekt, Fachingenieur und den ausführenden Unternehmen. -

Quellen/Literaturhinweise/Infos*

[1] Hönig, Ch.: Jahresarbeitszahlen garantieren?, TGA-Fachplaner, Heft 10/08, Seite 6467

[2] Quaschning, V.: Renaissance der Wärmepumpe, Sonne Wind & Wärme, Heft 9/06, Seite 2831

[3] Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle: Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt ( http://www.bafa.de )

[4] Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz EEWärmeG), Bundesgesetzblatt Jahrgang 2008 Teil I, Nr. 36

[5] Steffl. J./Heller W.: Wärmepumpen die sparsame und ökologische Heizungsalternative, Teil 1: Grundlagen, Teil 2: Planung, IHKS-Fachjournal 2006/2007

[6] VDI 4650-1 Berechnung von Wärmepumpen Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresaufwandszahlen von Wärmepumpenanlagen, Beuth-Verlag

http://www.fws.ch Fördergemeinschaft Wärmepumpen

http://www.geothermie.de Bundesverband Geothermie

https://www.waermepumpe.de/ Bundesverband Wärmepumpe (BWP)

* Auswahl, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, Stand: 11/09

Praxisstimme

Erdwärmesystemtechnik Frost

Im sächsischen Hartha betreibt Dipl.-Ing. Gangolf Frost VDI ein Ingenieurbüro für Erdwärmesystemtechnik (http://www.erdwaermesystemtechnik.eu). Zum Leistungsumfang gehören neben der Energieberatung die Erarbeitung von Energieeinsparungskonzepten, die Planung von WärmepumpenKomplettsystemen im Neubaubereich, von Groß-Wärmepumpenanlagen bis 1400 kW Heizleistung, die Dimensionierung wärmepumpentauglicher Fußboden- und Wandheizungen sowie kombinierter Heiz- und Kühldecken. Zu den Spezialgebieten des Büros zählen die Dimensionierung thermisch aktiver Bauteile (Betonkernaktivierung), die Fachplanung von Systemen zur Nutzung von Prozessabwärme sowie die Planung von Wärmepumpensystemen in der Tierzucht in Verbindung mit korrosionsbeständigen Wärmerückgewinnungssystemen. Eingesetzt werden die Systeme WP-OPT und der Earth Energie Designer (EED) zur Optimierung von Erdsonden. Die KK-Redaktion befragte Dipl.-Ing. Frost nach seinen Erfahrungen:

KK:Weshalb setzen Sie Wärmepumpen-Planungssoftware ein?

Frost:Jedes Wärmepumpensystem im Leistungsbereich 2 bis 100 kW sollte meiner Ansicht nach grundsätzlich mit Software-Werkzeugen geplant und simuliert werden. Die Alternative ist eine nicht fundierte Abschätzung von Wärmepumpen-Betriebskenngrößen mit den entsprechenden Ungenauigkeiten. WP-OPT stellt aus meiner Sicht die gegenwärtig umfangreichste und komfortabelste Simulationssoftware für Wärmepumpen-Komplettsysteme dar.

KK:Welche Vorteile bietet der Software-Einsatz?

Frost: Die Vorteile gegenüber konventioneller Planung liegen in einer Simulation mit hoher Übereinstimmung der in der Praxis zu erreichenden Parameter. Wichtig ist auch, dass die Jahresarbeitszahl nicht nur nach VDI 4650 berechnet wird, sondern zusätzlich per Simulation. Gerade bei Warmwasserbereitung und nicht-monovalentem Betrieb gibt es da teilweise große Ergebnisunterschiede. Hocheffiziente Wärmepumpen-Komplettsysteme sind ohne den Einsatz von Software meiner Meinung nach nicht planbar.

KK: Wo sehen Sie noch Nachholbedarf?

Frost: In die bestehende Software WP-OPT sollte die Simulation von Wärmepumpen-Kaskaden, also der Einsatz verschiedener Wärmepumpen in einem Projekt, eingearbeitet werden. Bisher können nur mehrere gleichartige Wärmepumpen für die Heizung und eine andere für die Warmwasserbereitung in einem Projekt berechnet werden. Nach meinen Informationen ist diese Funktion aber in Vorbereitung.