Wärmepumpenanlagen

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Wärmepumpenanlagen

Wärmepumpenanlagen
Johannes Wegesin
Das kleine Helferlein für Einsteiger
Erläuterungen und Tipps im Umgang
mit Wärmepumpenanlagen
IMPRESSUM
Dieses Buch wurde mit fachlicher Unterstützung der REHAU AG + Co erarbeitet.
Wegesin, Johannes:
Wärmepumpenanlagen
Das kleine Helferlein für Einsteiger / Johannes Wegesin [REHAU].
REHAU AG + Co (Hrsg.): Erlangen, 2011
Erste Auflage, 2011
©2011 Alle Rechte bei REHAU AG + Co, Erlangen
Druck: bonitasprint gmbh, 92224 Amberg
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung
der REHAU AG + Co unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen.
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INHALTSVERZEICHNIS
1 . . . . .Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 . . . . .Funktionsprinzip Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 . . . . . Wasser-/Wasser- und Sole-/Wasserwärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 . . . . . Luft-/Wasserwärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 . . . . . Elektrische/Hydraulische Anschlüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
21
30
3 . . . . .COP und Co . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4 . . . . .Wärmequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1 . . . . . Grundwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 . . . . . Erdwärme/Sole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 . . . . Erdwärmesonden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 . . . . Erdwärmekollektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 . . . . Energiepfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 . . . . . Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
42
42
44
45
46
5 . . . . .Kühlen mit der Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.1 . . . . . Die Passive Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 . . . . . Die Aktive Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 . . . . . Aktive und Passive Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
51
52
6 . . . . .Auslegung von Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . 54
7 . . . . .Auslegung der Wärmequelle Erdreich . . . . . . . . . . 56
7.1 . . . . . Erdwärmekollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.2 . . . . . Erdwärmesonden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.3 . . . . . Bereitstellung der Sole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8 . . . . .Auslegung der Wärmequelle Luft . . . . . . . . . . . . 62
9 . . . . .Auslegung der Wärmequelle Grundwasser . . . . . . 64
10 . . . .Speichertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
10.1 . . . . Pufferspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
10.2 . . . . Trinkwarmwasserspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
11 . . . .Elektroheizstäbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
11.1 . . . . Einbau in den Pufferspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
11.2 . . . . Einbau in den Wärmepumpenvorlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
12 . . . .Wärmepumpenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7
1Einleitung
Die Verbrennung fossiler Energieträger wie Erdöl, Kohle oder
Gas zur Erzeugung von Heizwärme in Gebäuden ist zu Recht
in die heutige Kritik geraten. Zum einen werden die Anzahl der
Fundstätten und Ausschöpfungspotenziale geringer, zum anderen wird der Weltenergiebedarf weiter steigen. Das ist an der
zunehmenden Zahl der Weltbevölkerung und dem wachsenden
Bedarf in Ländern wie China und Indien ersichtlich. Aus dieser
Zwangssituation heraus hat sich ein übermäßiger Bedarf im
Gegensatz zur tatsächlichen Fördermöglichkeit entwickelt. Die
Förder-/Verbrauchsabhängigkeit ist in den stark ansteigenden
Energiepreisen deutlich ablesbar. Erdölexportierende Länder
wie Dubai haben sich bereits auf das Nachölzeitalter eingestellt und bereiten sich alternativ mit der Schaffung von Urlaubsparadiesen auf dieses neue Zeitalter vor. Ein Rohstoff wie Erdöl
oder Erdgas sollte zudem nicht einfach verbrannt werden, um
Wärme zu erzeugen, sondern der Herstellung von heute und
morgen wichtigen Produkten, z.B. aus der Medizin- und Kunststofftechnik, vorgezogen werden.
Als Antwort auf diese Situation ist in den letzten Jahren ein
„Zauberwort“ aufgetaucht, das bei Architekten, Handwerkern
und nicht zuletzt bei energiebewussten Verbrauchern in aller
Munde ist: Die Wärmepumpe. Sie soll uns den Weg in eine ökologisch bessere und saubere Welt zeigen und vor allem soll sie
dem Nutzer klare Vorteile bei der Schonung unserer Umweltressourcen bringen.
Die Wärmepumpe ist im Gegensatz zu den konventionellen
Wärmeerzeugern keine Verbrennungsmaschine. Deshalb ist sie
in Anlagenbauerkreisen, die mit den herkömmlichen Ressourcen
wie Öl oder Gas arbeiten, relativ unbekannt. Die Wärmepumpe
ist in der Lage, kostenlose Umweltenergie (regenerative Energien aus Grundwasser, Erdwärme oder der Luft) mit einem Anteil
von bis zu 75% der gesamt eingesetzten Energie zu nutzen. Die
restlichen ca. 25% müssen aus dem Stromnetz zugeführt werden. Diese Energie ist zum Temperaturhub auf ein höheres Ni4
Einleitung
1
veau erforderlich. Sie ist weiterhin in der Lage, Wärmeerzeuger
mit konventionell betriebenen fossilen Brennstoffen vollständig
zu ersetzen. Regenerative Energien stehen im Gegensatz zu
fossilen Energieträgern für das menschliche Ermessen in unbegrenzter Menge zur Verfügung und sind daher energetisch
interessant.
Bei genauer Betrachtung ist die Wärmepumpe kein Novum der
Technik, sondern eine Kraftmaschine, die bereits im Jahre 1870
von Carl von Linde erfunden wurde (Kühlschrank), als Heizungsbzw. Brauchwasserwärmepumpen in Deutschland in den 1970er Jahren auflebten, jedoch nach ruhmlosen Jahren wieder vom
Markt verschwanden. Doch warum nur? Mit dem Blickwinkel
jener Zeit ist die Frage einfach zu beantworten:
Bei Heizölpreisen von unter 10 Pfennig1) pro Liter war es für
Heizungsbauer sowie Gas- und Wasserinstallateure ein leichtes,
gegen mit (teurem) Strom betriebene Wärmepumpen zu argumentieren. Es war eine Zeit, in der die Energiequellen Öl und
Gas in schier unendlichen Mengen zur Verfügung standen. Es
war eine Zeit ohne Thermostatventile an den Heizkörpern (warum auch, wenn das Öl so preiswert war) und wenn die Raumtemperatur zu hoch war, wurden die Fenster geöffnet – bestenfalls die Heizungspumpe durch einen bimetallgesteuerten
Raumthermostaten abgestellt.
Mittlerweile hat (fast) jeder Heizungsbauer – und nicht nur
der – erkannt, dass die Wärmequellen Öl und Gas nicht mehr
lange die Rolle spielen können, die ihr einst zugedacht waren.
Ein Blick auf die Ölpreisentwicklung (Abb. 1-1) und die naturbedingt nachlassenden Ölfördermengen (Abb. 1-2) zeigt klar
und deutlich, dass diese Ressourcen jetzt in wirklich absehbarer
Zeit als unerschwingliche Güter gelten und für die Beheizung
von Gebäuden einfach nicht zukunftsorientiert eingesetzt werden können.
1)
Für jüngere Leser, die die Währungsreform von 2001 nicht bewusst erlebten:
1 Pfennig war der hundertste Teil der ruhmreichen Deutschen Mark, die dann im Verhältnis 1,956:1 dem EURO wich.
5
1Einleitung
Abb. 1-1: Ölpreisentwicklung, Quelle: Tecson
Abb. 1-2: Ölfördermengen, Quelle: Energy Watch Group
6
Einleitung
1
Ein weiterer Aspekt ist die Berücksichtigung, dass Öl und Gas
in überwiegend geopolitisch unsicheren Regionen gewonnen
wird. Die Bundesrepublik verfügt über eine äußerst geringe Anzahl an Primärenergiequellen und das macht uns politisch von
anderen Staaten abhängig.
Die zunehmende Abhängigkeit der westlichen von den erdölexportierenden Ländern wird immer größer. Diese Abhängigkeit
schürt bei den Verbrauchern Angst, und genau diese Angst gibt
ökologischen Heizsystemen, wie der Wärmepumpe, den nötigen
Auftrieb, den sie nun als preiswerte und zukunftssichere Alternative gegenüber konventionellen Heizsystemen verdient.
Wir, die heutige Generation, müssen den Sprung ins Nachölzeitalter durch konsequenten Einsatz erneuerbarer Energien vorantreiben. Nur auf diese Weise können wir für unsere Nachfolger
eine gesicherte Zukunft schaffen, die heute noch bekannte
Energieträger ersetzen kann und dazu beiträgt, die Umwelt zu
entlasten.
Dieses Buch soll einen Einblick in die Wärmepumpentechnik
vermitteln mit dem Ziel, durch praktische Tipps und Hinweise
diejenigen zu unterstützen, die vor der Aufgabe stehen, ihrem
Auftraggeber eine sinnvolle Alternative in der Gebäudeheizung
durch den Einsatz von regenerativen Energien zu bieten.
Hinweis zum Inhalt dieses Buches:
Alle nachfolgenden Fotos, Grafiken, Tabellen und Anlagenprinzipien sind dem
REHAU Wärmepumpenprogramm bzw. dem REHAU Energiekomfort-System entnommen.
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2
Funktionsprinzip Wärmepumpe
Warum ist eine Wärmepumpe, obwohl sie ausschließlich mit elektrischem Strom als Antriebsenergie arbeitet, energetisch effizient?
Antwort:
Weil sie in der Tat in der Lage ist, bis zu 3/4 der an das Heizsystem abzugebenden Wärme aus der Umwelt zu entnehmen.
Was ist der Trick?
Ganz einfach: Das Bertelsmann-Lexikon1 gibt zum Begriff
„Wärmepumpe“ folgende Definition:
„i. w. S. eine Anlage, in der mechan. Arbeit zur Erzeugung einer
Temperaturdifferenz oder zum „Pumpen“ von Wärmemengen
aus einem Wärmespeicher tieferer Temperatur in einen anderen
mit höherer Temperatur verwendet wird, wie in einer Kühlmaschine; i. e. S. eine Anlage, deren Zweck die Heizung des höher
temperierten Niveaus ist, im Gegensatz zur Kühlmaschine, bei
der es auf die Temperaturerniedrigung des tieferen Niveaus
ankommt. Der Arbeitsvorgang der W. ist (idealisiert) ein umgekehrt laufender Carnotscher Kreisprozess. Dem tiefer temperierten Wärmeträger wird Wärme entzogen, indem eine Flüssigkeit
verdampft oder ein Gas von hohem auf niederen Druck entspannt wird; bei der höheren Temperatur erfolgt mit mechan.
Arbeitsaufwand u. unter Abgabe von Wärme eine Verdichtung
des Arbeitsmediums. Als Arbeitsmedien dienen leicht verdampfbare Flüssigkeiten, die unter 0 °C in den gasförmigen Zustand
übergehen.“
Alles klar? Wohl kaum, aber immerhin sind Anhaltspunkte gegeben, auf denen man eine recht simple Erklärung für die Funktion einer Wärmepumpe aufbauen kann.
1) Bertelsmann Lexikothek Verlag GmbH (Hrsg.):
Bertelsmann Lexikothek, Gütersloh 1988 D
8
2
Wir haben es hier also mit einer elektrisch angetriebenen Kraftmaschine zu tun, die mit Hilfe von Arbeitsmitteln (in der Technik
spricht man von Kältemitteln) Wärme auf einer Seite entzieht
und Wärme auf der anderen Seite mit erhöhtem Niveau abgibt. Nachstehendes Modell soll die Arbeitsweise verdeutlichen
(Abb. 2-1):
Verdichter
Verdampfer
Kondensator
verdichten
verdampfen
verflüssigen
entspannen
Expansionsventil
Wichtig bei diesem Vorgang ist die Erkenntnis, dass bei Aggregatzustandsänderungen (hier: des Kältemittels) vom flüssigen
in den dampfförmigen Zustand und umgekehrt eine Unmenge
an Energie benötigt bzw. abgegeben wird.
Abb. 2-1:
Funktionsprinzip
Wärmepumpe
Reinstoffe (z.B. Wasser) können in drei Aggregatzuständen vorkommen:
-Fest
(Eis)
-Flüssig
(Wasser)
-Dampfförmig (Wasserdampf)
9
2
Am Beispiel des Mediums Wasser, das uns am besten bekannt
ist, sieht das folgendermaßen aus:
Temperatur in °C
100
0
419
Erwärmung
Abb. 2-2:
Phasenwechsel am
Beispiel Wasser
10
2676
Verdampfen
Energie in KJ/kg
Überhitzter Dampf
In der Technik ist die Nutzung von Energie am Umwandlungspunkt des Aggregatzustandes am effektivsten bzw. möglich
bei dem Übergang vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand und umgekehrt. Aus diesem Grund ist es ausreichend,
diese Zustandsänderung am Beispiel Wasser zu betrachten.
Bei der Erwärmung von 1 kg Wasser um 1 K (bei Temperaturdifferenzen spricht man in der Technik von Kelvin) ist die
spezifische Wärmemenge (c) von 1,163 Wh erforderlich.
Für die Erwärmung von 1 kg Wasser von 0 °C bis zum Verdampfungspunkt von 100 °C ist demnach eine Wärmemenge
(Q = m ∙ c ∙ Δt) von 116,3 Wh erforderlich. Und jetzt kommt der
Hammer: Um Wasser mit einer Temperatur von 100 °C in Dampf
von 100 °C zu verwandeln (die Temperatur bleibt während dieser
Zustandsänderung konstant 100 °C, bis alles Wasser restlos in
Dampf umgewandelt ist) ist eine Wärmemenge von 627 Wh/kg
erforderlich. Die dazu erforderliche Wärmemenge beträgt somit
2
627 Wh. Das ist eine Energiemenge, die ca. 6 mal größer ist als
die, die für die Erwärmung des Wassers von 0 °C auf 100 °C
aufgewendet wurde. Die gleiche Wärmemenge wird vom
Medium wieder abgegeben, wenn es vom dampfförmigen in
den flüssigen Zustand zurückkehrt. In der Wärmepumpentechnik wird deshalb die enorme Wärmemenge genutzt, die bei der
Aggregatzustandsänderung eines Mediums (hier: Kältemittel)
benötigt bzw. abgegeben wird. Zum Verdampfen wird Wärmeenergie benötigt bzw. aufgenommen (in der Praxis der Umwelt
entzogen) und auf der anderen Seite (Heizungssystem) wird
Wärmeenergie beim Kondensieren abgegeben.
Nun könnte man prinzipiell Wasser als Kältemittel verwenden
– wenn das Temperaturniveau am Umwandlungspunkt zur eingesetzten Wärmequelle (hier: Grundwasser, Erdwärme, Luft)
passen würde. Denn es gibt keine praktisch verwendbare Wärmequelle (außer in Island, dort wird das aus der Erde austretende bis zu 90 °C heiße Thermalwasser direkt zur Wärmeerzeugung verwendet), die Wasser bei 100 °C verdampfen lassen
würde.
Der Trick liegt also darin, ein Medium zu verwenden, das bei
Wärmequellentemperaturen von:
-- Grundwasser: +7 bis +25 °C
-- Sole:
-5 bis +25 °C
-- Luft:
-18 bis +38 °C
verdampfen kann und auf diese Weise der Wärmequelle während der Aggregatzustandsänderung die dazu benötigte Wärmemenge entzieht. Diese aufgenommene Energie wird im
weiteren Prozess der Wärmesenkenseite (Heizung) wiederum
zugeführt. Solche Arbeitsmittel sind z.B. R 407 C oder
R 134a. Allerdings kann das Kältemittel dabei maximal das
Temperaturniveau der Wärmequelle annehmen. Also im Bereich
von -18 °C bis + 30 °C, was für die Übertragung auf Heizungs11
2
wasser und vor allem an Trinkwarmwasser zu niedrig ist. An
dieser Stelle müssen wir innehalten, um uns über die Begriffe
„Wärme“ und „Temperatur“ Klarheit zu verschaffen.
Wärme ist eine Form der Energie und wird in Wattstunden (Wh),
Joule (J) oder Kalorien (cal) gemessen. (Darum müssen einige
Menschen aufpassen, dass sie über die Nahrung nicht allzu viele Kalorien aufnehmen und auf diese Weise übermäßig Energie
tanken.)
Dabei kann Energie in verschiedenen Formen auftreten: Elektrische Energie, chemische Energie, Gravitationsenergie und Bewegungsenergie (kinetische Energie genannt).
Diese Energien lassen sich mit den nötigen technischen Geräten
ineinander umwandeln. Zum Beispiel chemische Energie einer
Batterie in elektrische. Kinetische Energie des Windes über ein
Windrad angetriebenen Generator in elektrische Energie. Gravitationsenergie können wir in elektrische Energie umwandeln,
indem wir einen Wasserfall über eine Turbine führen. Die Temperatur ist dagegen ein menschlicher Begriff, wie stark Energie in
einem Körper konzentriert ist. Menschlich deshalb, weil wir uns
untereinander über einen Wert für die Temperatur von Gegenständen austauschen müssen. Wissenschaftler haben deshalb in
der Vergangenheit darüber nachgedacht, wie eine solche Temperaturskala aufgebaut werden kann. So hat z.B. Anders Celsius
festgelegt, dass bei dem Schmelzen von Eis die Temperatur Null
Grad und beim zweiten Umwandlungspunkt, dem Siedepunkt,
die Temperatur Hundert Grad betragen soll. Daraufhin teilte er
diesen Bereich in hundertstel Grade ein und schon war die uns
geläufige Gradeinteilung in Celsius geschaffen. Nun ist es aber
nicht so, dass bei 0 °C keine Wärme (Energie) mehr vorhanden
wäre. Auch auf der Temperaturskala von Daniel Gabriel Fahrenheit (32 Grad Fahrenheit entspricht 0 °C) enthält ein Körper
bei 0 ° Fahrenheit Wärme. Es galt also einen Punkt Null zu finden, an dem wirklich keine Wärme mehr vorhanden ist. Hier trat
12
2
William Thomson (der spätere Lord Kelvin) auf den Plan. Dieser erkannte, dass Energie eine mehr oder weniger starke
Bewegung von Molekülen eines Körpers darstellt. Sprich: Enthält ein Körper viel Energie, schwingen die darin enthaltenen
Moleküle weiter aus; bei Körpern mit weniger Energieinhalt
schwingen die Moleküle weniger. Das ist auch der Grund,
warum sich Körper bei Temperaturerhöhung ausdehnen.
Es muss also einen Punkt geben, bei dem die Moleküle sich
nicht mehr bewegen und dementsprechend der Energieinhalt
gleich Null ist. Kelvin bezeichnete diesen Punkt als absoluten
Nullpunkt und markierte damit den Anfangspunkt seiner
Temperaturskala mit 0 K. Bei dieser Verfahrensweise stellte
sich heraus, dass der Nullpunkt um 273 Grad unterhalb der
Schmelztemperatur von Eis lag. Indem er die Hundertgradeinteilung von Celsius beibehielt lag somit der Siedepunkt von
Wasser bei 373 Kelvin, die Körpertemperatur des Menschen
(37 °C) bei 310 Kelvin.
Ein Beispiel soll den vorgenannten Zusammenhang verdeutlichen:
Der Energieinhalt (oder die Wärme) einer mit warmen Wasser
gefüllten Badewanne von 150 Litern Inhalt und einer Wassertemperatur von 40 °C ist wesentlich größer als der Inhalt
eines Grogglases mit einem Inhalt von 0,25 Litern und einer
Temperatur von 80 °C. Über die physikalische Beziehung
Q = m ∙ c ∙ t (m = Masse, c = spezifische Wärmekapazität von
Wasser, t = Temperatur) lässt sich dies nachweisen.
Die vor beschriebene Badewannenfüllung enthält eine Wärmemenge von (150 l x vereinfacht 1 Wh/kg ∙ K ∙ 40 °C) 6.000 Wh,
während der Wärmeinhalt des Grogglases 20 Wh beträgt.
Energie bzw. Wärme ist demnach im Wesentlichen abhängig
von der Masse des betrachteten Mediums. Da eine Wärmepumpe aufgrund der Nutzung von Umweltenergie auf einem niedrigen Temperaturniveau arbeitet, muss sie demnach mit großen
Massen der verfügbaren Energieart versorgt werden.
13
2
Zurück zum Funktionsprinzip der Wärmepumpe. Im Folgenden
sieht der Arbeitskreislauf einer Wärmepumpe so aus:
Ein Kältemittel mit geringer Siedetemperatur wird mittels eines
Wärmetauschers über eine Wärmequelle (Wasser, Sole, Luft) geführt. Die höhere Temperatur der Wärmequelle veranlasst das
Kältemittel zu verdampfen. Dabei benötigt das Kältemittel die
immense Verdampfungswärme, die es der Wärmequelle entzieht. Ein Kompressor verdichtet das Kältemittel anschließend
auf ein höheres Temperaturniveau. Dabei steigt neben dem
Druck auch die Temperatur. Am besten zu bemerken bei der Betätigung der Fahrradluftpumpe: Der Kompressionsbereich wird
spürbar warm. In einem weiteren Wärmetauscher (Kondensator)
kühlt sich das jetzt heiße Kältemittel an der Wärmesenke (Fußbodenheizung, Heizkörper) ab und kondensiert dabei. Während
es kondensiert (die Temperatur bleibt bei diesem Vorgang bei
Reinstoffen konstant), gibt es die zuvor aufgenommene Wärmemenge in Form von Kondensationswärme an das Heizungswasser über den Wärmetauscher (Kondensator) ab. Nach Verlassen
des Kondensators (wir sind immer noch im Hochdruckbereich
des Kältemittels) wird das Kältemittel in einem Expansionsventil
entspannt, verliert so an Druck und Temperatur (Niederdruckbereich) und verflüssigt sich zum größten Teil. Der Kreislauf beginnt von vorn.
Eines ist jetzt klar: Das Arbeitsmittel hat eine so geringe Verdampfungstemperatur, das es bei Kontakt mit der Wärmequelle
verdampfen und bei Kontakt mit der Wärmesenke kondensieren muss. Die Temperatur der Wärmequelle muss demnach
größer als die Verdampfungstemperatur des Kältemittels, die
Temperatur des Kältemittels am Kondensationspunkt (nach der
Komprimierung durch den Verdichter) größer als die der Wärmesenke (Heizung) sein. Das heißt: Je geringer der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke
ist, desto weniger Arbeitshub muss der Kompressor verrichten,
was die Betriebskosten minimiert.
14
2
Und weiterhin ist klar: Um die große Kondensationswärme über den Wärmetauscher aufnehmen zu können, muss
der
der Heizungsanlage so groß sein
. Wasservolumenstrom
.
(Q = m ∙ c ∙ Δt), dass dadurch das Δt einen Wert von nur
5 - 7 K einnimmt. Somit kann die Wärmepumpe auf die zurückströmende Rücklauftemperatur maximal eine Temperaturerhöhung im Vorlauf von 5 - 7 K aufbauen. Das unterscheidet
die Wärmepumpe von mit herkömmlich fossilen Brennstoffen
betriebenen Wärmeerzeugern, die durch die Verbrennung hohe
Arbeitstemperaturen (ca. 1000 °C) erzielen und mit geringeren
Volumenströmen und einer Temperaturspreizung von 10 - 20 K
arbeiten.
Bei der Auswahl der Rohrdimensionen ist die geringe Temperaturspreizung zwischen Vor. und. Rücklauf von 5 - 7 K zu
beachten. Aus der Beziehung Q = m ∙ c ∙ Δt ergeben sich aus
den resultierenden Massenströmen größere Nennweiten der
Rohre und Anlagenkomponenten. Die Mindestvolumenströme auf der Wärmequellen- und der Wärmesenkenseite sind
daher unbedingt zu beachten (siehe Herstellerangaben) und
einzuhalten.
TIPP!
Die niedrigste Arbeitstemperatur auf Wärmesenkenseite
kann mit einer gut ausgelegten Flächenheizung (35 °C Vorlauftemperatur) realisiert werden. Dabei kommen Fußboden-,
Wand- oder Deckenheizungssysteme zum Einsatz. Hochtemperatursysteme wie Heizkörperheizungen (45 - 70 °C
Vorlauftemperatur) sind daher für die Wärmepumpe weniger
geeignet. Der Einsatz ist im Einzelfall zu prüfen.
TIPP!
Aufgrund der oben angeführten Abhängigkeiten ist erkennbar, dass die Wärmequelle Grundwasser am effektivsten ist,
da die Grundwassertemperatur über das Jahresmittel gesehen am höchsten und zudem konstant mit ca. 10 - 15 °C ist.
Ebenso verlässlich ist die Wärmequelle Erdreich, da in einer
Tiefe von ab einem Meter immer die Temperatur größer 0 °C
TIPP!
15
2
ist. Durch Regeneration des Erdreichs durch Regen und Sonneneinstrahlung wird die Wärmequellentemperatur weiter
erhöht und wirkt dadurch wie ein Akku, der im Winterbetrieb
entladen werden kann.
Die Wärmequelle Luft wird bei abnehmender Lufttemperatur im Winter ineffektiver, da die Wärmeleistung der Wärmepumpe durch erhöhte Kompressorleistung abnimmt und die
benötigte Heizlast des Gebäudes allein durch die Wärmepumpe nicht mehr gedeckt werden kann. Es ist deshalb ein
zweiter Wärmeerzeuger (Öl-, Gas- oder Feststoffkessel) oder
ein Elektroheizstab erforderlich. In diesem Fall spricht man
vom Bivalenzbetrieb bzw. monoenergetischer Betriebsweise.
Obwohl Luft als Wärmequelle aufgrund der schwankenden
Außentemperaturen nicht so effektiv wie Grundwasser und
Erdwärme ist, wird sie dennoch häufig eingesetzt, weil sie
überall verfügbar und in der Erschließung praktisch kostenlos ist.
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Verdichter
Verdampfer
Verdichter
Verdampfer
verdampfen
Kondensator
verdichten
verdichten
verdampfen verflüssigen
entspannen
2
Kondensator
verflüssigen
entspannen
Expansionsventil Expansionsventil
2.1 Wasser-/Wasser- und Sole-/Wasserwärmepumpen
Wasser-/Wasser- und Sole-/Wasserwärmepumpen sind prinzipiell baugleich. Verdampfer (Wärmeaufnahme) und Kondensator
(Wärmeabgabe) bestehen aus Edelstahl-Plattenwärmetauschern. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch den unterschiedlichen Aufbau und die Anbindung der Wärmequellen.
Diese Wärmepumpen sind ausschließlich für eine Aufstellung
innerhalb von Gebäuden geeignet.
Abb. 2-3:
Wasser-/Wasserwärmepumpe
und Sole-/Wasserwärmepumpe
17
2
8
min. 0,5 m
7
6
4
5
3
9
M17
min. 0,5 m
M2
min. 0,5 m
1
2
min. 15 m
Abb. 2-4:
Schematische Darstellung des
Grundwasseranschlusses einer
Wasser-/Wasserwärmepumpe
18
Legende:
1
Förder-/ Entnahmebrunnen
2Schluckbrunnen/Sickerschacht
3
Filter (Maschenweite min. 0,3 mm/
max. 0,6 mm)
4
Wasserzähler (falls vorgeschrieben, sonst Passstück vorsehen)
5Drosselventil
6Thermometer
7
Wasserdruckschalter (Montage am Sicherheitswärmetauscherset)
8Sicherheitswärmetauscherset
9Spülleitung
M2 Grundwasserpumpe
M17Wärmequellenpumpe
TIPP !
Die Mindestvolumenströme auf der Wärmequellenseite sind
unbedingt einzuhalten und bei der Dimensionierung der
Rohrleitungen zu berücksichtigen (Temperaturspreizung zwischen Ein- und Austritt Grundwasser: 3 - 5 K).
TIPP !
Der Mindestvolumenstrom im Grundwasserkreis ist in Abhängigkeit der Wärmepumpenleistung den Herstellerunterlagen zu entnehmen oder anhand der Entzugsleistung und der
Temperaturspreizung zwischen Ein- und Austritt zu berechnen.
2
In einem Grundwasserkreis ist unbedingt ein Wasserdruckschalter (Zubehör) einzubauen. Dieser schaltet die Wärmepumpe bei unzureichender Wasserzufuhr aus und verhindert
so ein Einfrieren des Verdampfers.
TIPP!
Bei der ersten Aufheizung des Gebäudes (Bauaustrocknung)
kann die Heizlast wesentlich größer sein als berechnet.
Wärmepumpenanlagen mit Erdkollektoren oder Erdwärmesonden sind in der Regel nicht für diesen zusätzlichen Leistungsbedarf ausgelegt. Wird dennoch eine Bauaustrocknung
mit der Wärmepumpe allein durchgeführt, können aufgrund
der Überbelastung der Wärmequelle (Vereisung des Erdreichs) irreparable Schäden an den Sonden oder Erdkollektoren auftreten. Es ist jeweils zu prüfen, ob ein weiterer
Wärmeerzeuger (Heizstab oder mobiles Heizgerät) eingesetzt
werden muss.
TIPP!
Die Temperaturen der Wärmequellen liegen im Allgemeinen
unterhalb der Taupunkttemperatur der Raumluft. Damit der
Wasserdampf in der Luft nicht an den kalten Rohren kondensiert, sind diese mit einer dampfdiffusionsdichten Isolierung
zu versehen. Das gilt gleichermaßen für Armaturen, Absperrorgane sowie für die Wärmequellenpumpe. Geeignete Dämmungen bestehen z.B. aus synthetischem Kautschukmaterial
und sind mit einem Spezialkleber untereinander diffusionsdicht zu verbinden. Neben Dämmschläuchen für Rohre ist
der Dämmstoff für die Isolierung von Pumpen und Armaturen
auch als Plattenmaterial erhältlich.
TIPP!
Der Solekreis muss über eine sicherheitstechnische Ausrüstung, bestehend aus Sicherheitsventil, Ausdehnungsgefäß,
Manometer und Entlüfter verfügen. Verwenden Sie vorzugsweise vorkonfektionierte Sole-Anschlusssets.
TIPP!
Der Mindestvolumenstrom im Solekreis ist in Abhängigkeit
der Wärmepumpenleistung den Herstellerunterlagen zu ent-
TIPP!
19
2
nehmen oder anhand der Entzugsleistung und der Temperaturspreizung zwischen Ein- und Austritt zu berechnen. Auf
Basis des Volumenstroms kann mit Hilfe von Druckverlusttabellen die entsprechende Rohrdimension ermittelt werden.
Die spezifische Wärmekapazität von Glykol-/Wassergemischen ist abhängig von der Konzentration des Glykols und
variiert dementsprechend. Mit steigendem Glykolgehalt sinkt
die spezifische Wärmekapazität, wobei der Druckverlust im
Rohrsystem steigt. Darum ist die Einstellung der Frostschutzgrenze auf maximal -15 °C zu begrenzen.
20
2.2Luft-/Wasserwärmepumpen
Bei der Luft-/Wasserwärmepumpe besteht der Verdampfer aus
einem Lamellen-Wärmetauscherregister, der die Wärmemenge
aus der Luft an den Kältekreislauf übergibt. Aufgrund der geringen spezifischen Wärmekapazität der Wärmequelle Luft sind die
Luftvolumenströme relativ hoch und es wird deshalb eine große
Tauscherfläche am Verdampfer der Wärmepumpe benötigt. Bei
einer Heizleistung von beispielsweise 10 KW ist ein Luftvolumenstrom von ca. 4.000 m³/h erforderlich. Die Abmessung des
Heizregisters (Verdampfer) beträgt dabei ca. 1.000 x 800 mm.
2
Abb. 2-5:
Luft-/Wasserwärmepumpe mit
Wetterschutzgitter,
Außenaufstellung
Abb. 2-6:
Luft-/Wasserwärmepumpe mit
Schalldämmhauben, Außenaufstellung
Der Luftvolumenstrom wird durch einen Ventilator über das
Wärmetauscherregister des Verdampfers geleitet. Die hohe
Laufgeschwindigkeit des Ventilators und die dadurch hervorgerufene Luftbewegung erzeugt Strömungsgeräusche. Diese sind
bei der Wahl des Aufstellungsortes zu berücksichtigen.
21
2
Verdichter
Verdampfer
Verdampfer
verdampfen
Kondensator
verdichten
verdichten
verdampfen verflüssigen
entspannen
Abb. 2-7:
Wärmetauscherregister einer Luft-/
Wasserwärmepumpe
TIPP !
22
Verdichter
Kondensator
verflüssigen
entspannen
Expansionsventil Expansionsventil
Für die Luft-/Wasserwärmepumpe gibt es verschiedene Möglichkeiten der Aufstellung, Innen- und Außenaufstellung (siehe auch Kapitel 4.3).
Der Regler sowie die elektrischen Anschlüsse sämtlicher Fühler
und Aktoren sind in einem Schaltschrank untergebracht. Dieser ist immer im Gebäude anzubringen. Bei der Planung ist die
Führung der Stromleitungen zwischen Elektroverteilung und
Schaltschrank sowie zwischen Schaltschrank und Wärmepumpe
zu beachten (siehe Abb. 2-16).
2
Abb. 2-8:
Schaltschrank
23
2
Innenaufstellung:
Bei der Innenaufstellung sind für die Leitung der Luftzufuhr und
der Ableitung des genutzten Luftstromes Durchbrüche durch die
Außenhülle des Gebäudes vorzusehen. Dabei dürfen sich die
Volumenströme für die Zu- und Abluft nicht beeinflussen, d.h.
die abgekühlte (energieärmere) Abluft darf nicht über einen
Kurzschluss erneut angesaugt werden. Aus diesem Grund bietet
sich eine Aufstellung der Wärmepumpe im Gebäudeeck an. Die
Luft wird auf einer Gebäudeseite angesaugt und über die 90°
versetzte Gebäudeseite ausgeblasen.
Abb. 2-9:
Eckaufstellung
24
2
Weitere Möglichkeiten der Luftführung sind mit Luftkanälen
oder flexiblen Schläuchen realisierbar.
Abb. 2-10:
Kanalaufstellung
Abb. 2-11:
Schlauchaufstellung
25
2
TIPP !
Abb. 2-12:
Innenaufstellung
einer Luft-/Wasserwärmepumpe
26
Die Wangen der Mauerdurchbrüche diffusionsdicht isolieren,
damit einerseits Schallübertragungen vermieden werden und
andererseits auftretendes Kondenswasser nicht in die Gebäudestruktur eindringen kann. Daher sind die Durchbrüche
um die Isolierungsstärke größer auszuführen. Die Lage und
Abmessungen der Durchbrüche sind den Herstellerunterlagen zu entnehmen.
Legende:
1Wärmepumpe
2Reglerschaltkasten
3Stromverteilung
4 REHAU Systemspeicher
5 Hauptstrom Wärmepumpe
6 Hauptstrom Elektroheizstab
7Steuerstrom
8Verbindungsleitungen
9 Heizungsleitungen, gedämmt
Während des Betriebs von Luft-/Wasserwärmepumpen entsteht Kondenswasser, das durch die Abkühlung der Zuluft
zwangsweise entsteht. Dieses wird in der Wärmepumpe in
der Wanne unterhalb des Verdampfers gesammelt und über
eine Kondensatablaufleitung abgeführt. Aus diesem Grund
ist für eine ausreichende Abführung des Kondensatwassers
ein Abflussanschluss mit Siphon vorzusehen, der an eine Kanalisation angeschlossen wird.
Außenaufstellung:
Bei der Außenaufstellung sind Vorkehrungen für die Führung
von Heizungs- und Elektroleitungen zu treffen. Die Leitungen
werden vom Gebäude bis zum Aufstellungsort durch das Erdreich geführt. Dabei ist zu beachten, dass die Heizungsleitungen gut isoliert sind, um Wärmeverluste zu vermeiden. Hilfreich
sind hierbei vorkonfektionierte Rohrleitungen, die werkseitig als
Duorohre in einem Schutzrohr mit Wärmedämmung versehen
sind. Vorteilhaft für den Einsatz als Heizungsrohre sind hier PEX-Rohre, weil diese flexibel in der Verlegung sind und zudem
passende Hauseinführungen mit Abdichtungen gegen drückendes und nichtdrückendes Grundwasser erhältlich sind.
2
TIPP!
Abb. 2-13:
Vorkonfektionierte
Duorohre
RAUVITHERM
27
2
Für die Außenaufstellung ist in der Regel ein Fundament für die
Wärmepumpe zu erstellen. Dieses sollte für das Gewicht der
Wärmepumpe geeignet und waagerecht ausgerichtet sein.
28
TIPP !
Das Fundament sollte die gleichen Maße haben wie die
Außenmaße der Wärmepumpe, da in diesem Fall alle Anschlussleitungen (Elektro-/Kondensatablauf-/Wärmeleitungen) außerhalb des Fundaments frei in das Erdreich eingeführt werden können.
TIPP !
Während des Betriebs von Luft-/Wasserwärmepumpen entsteht Kondenswasser, das durch die Abkühlung der Zuluft
zwangsweise entsteht. Dieses wird in der Wärmepumpe in
der Wanne unterhalb des Verdampfers gesammelt und über
eine Kondensatablaufleitung abgeführt. Aus diesem Grund
ist für eine ausreichende Abführung des Kondensatwassers
ein Abflussanschluss vorzusehen, der entweder an eine Kanalisation oder an eine Versickerung im Erdreich angeschlossen wird.
TIPP !
Luft-/Wasserwärmepumpen verursachen Geräusche, die vornehmlich durch die Rotation des Ventilators entstehen. Wählen Sie für den Aufstellungsort eine Lage, die Belästigungen
zum Nachbargrundstück nicht begünstigt. Meiden Sie daher
die Nähe von Terrassen und Schlafzimmerfenstern. Weitere
wirksame Maßnahmen sind die Verwendung von Schalldämmhauben und die Reduzierung der Ventilatordrehzahl
während des Nachtbetriebes.
Legende:
1 Wärmepumpe auf Fundament
2Reglerschaltkasten
3Stromverteilung
4 REHAU Systemspeicher
5 Hauptstrom Wärmepumpe
6 Hauptstrom Elektroheizstab
7Steuerstrom
8Verbindungsleitungen
9 Heizungsleitungen, gedämmt
10Abdeckkasten (Zubehör)
11Frostgrenze beachten!
2
Abb. 2-14:
Außenaufstellung
einer Luft-/Wasserwärmepumpe
29
2
2.3Elektrische/Hydraulische Anschlüsse
Im Gegensatz zu konventionellen Wärmeerzeugern (Öl-/Gas-/
Feststoffkessel) teilt sich die Energiezufuhr in zwei Bereiche auf:
-- Energiezufuhr aus einer Wärmequelle (Grundwasser, Erdwärme oder Luft) mit einem Anteil bis zu 75 %
-- Energiezufuhr über das Stromnetz für den Betrieb des
Kompressors mit einem Anteil von ca. 25 %
Energiezufuhr der Wärmequelle:
Bei Luft-/Wasserwärmepumpen ist der Anschluss für die Energiezufuhr der Wärmequelle bereits werkseitig durch den Einbau
eines Ventilators, der die Außenluft über den Verdampfer fördert, vorinstalliert.
Bei Grundwasser- und Solewärmepumpen befindet sich ein Vorund Rücklaufanschluss für die Anbindung der Wärmequelle am
Gerät. Die Anschlussdimension variiert in Abhängigkeit von der
Entzugsleistung.
Die Anschlüsse für Vor- und Rücklauf der Wärmesenke bzw. des
Pufferspeichers befinden sich ebenfalls am Wärmepumpengerät.
Da die Wärmepumpe durch einen Kompressor angetrieben wird,
unterliegt sie durch die mechanische Antriebskraft wahrnehmbaren Vibrationen. Damit diese Schwingungen nicht auf das
Gebäude übertragen werden, sind die Wärmepumpen durch
gummigelagerte Füße zum Aufstellungsraum entkoppelt. Damit diese Schwingungen nicht auf die Rohrsysteme übertragen
werden können, sind sämtliche Rohranschlüsse (Wärmequelle,
Wärmesenke) mit flexiblen Leitungen (Zubehör) auszuführen.
Energiezufuhr über das Stromnetz:
Die Antriebsenergie für den Kompressor erfolgt mit Hilfe
elektrischer Energie. Da Wärmepumpen einen vergünstigten
Tarif nutzen, ist für die Bereitstellung ein separater Stromzähler vorzusehen. Als Gegenleistung für den günstigen Stromtarif
30
2
behält sich das Energieversorgungsunternehmen (EVU) vor, die
Stromversorgung der 400 V-Spannung in Spitzenzeiten zum
Lastausgleich abschalten zu können. Die Abschaltung kann bis
zu dreimal am Tag für maximal jeweils zwei Stunden erfolgen.
Man bezeichnet dies als Sperrzeit für die Wärmepumpe. Während dieser Zeit muss der Pufferspeicher oder die Speicherfähigkeit einer Flächenheizung die Wärmeversorgung sicherstellen.
Die Abschaltzyklen sind jedoch regional sehr unterschiedlich.
Die Versorgung von Aktoren wie Umwälzpumpen, Regler, Umschaltventile und Mischer erfolgt über den Strom-Normaltarif
(230 V). Sie sind von einer Abschaltung des Energieversorgers nicht betroffen und können so ihre Funktionen aufrecht
erhalten. Die Anbindung der elektrischen Stromversorgung ist
nachstehend am Beispiel einer Luft-/Wasserwärmepumpe beschrieben.
Abb. 2-15:
Elektrischer Anschluss Luft-/Wasserwärmepumpe
Zwischen Regelschaltkasten und Spannungsversorgung / Fühlern / Antrieben:
Name
Verbindung
Kabeltyp
Hauptstrom Wärmepumpe (3 x 400 V/50 Hz)
Netz zu Reglerschaltkasten
x)
Hauptstrom Elektroheizstab (3 x 400 V/50 Hz)
x)
Steuerstrom (1 x 230 V/50 Hz)
x)
Fühlerleitungen
Reglerschaltkasten zu Fühler
2 x 2 x 0,8 mm²
Steuerstromkabel (230 V)
Reglerschaltkasten zu Aktoren
(z.B. Pumpen, Ventile)
x)
Zwischen Regelschaltkasten und Wärmepumpe:
Stromversorgung Verdichter (3 x 400 V/50 Hz)
x)
Stromversorgung Ventilator (3 x 400 V/50 Hz)
x)
Stromversorgung Elektroheizstab (3 x 400 V/50 Hz) Reglerschaltkasten
zu Wärmepumpe
Steuerstrom (1x230 V/50 Hz)
x)
18 x 1,0 mm² (18G1)
Sensoren (24 V)
7 x 1,0 mm² (7G1)
Fühler (0 - 10 V)
12 x 0,75 mm² (12G0,75)
x) Nach Leitungslänge und Stromaufnahme zu definieren.
31
2
Hydraulische Anschlüsse
Eine komfortable und wirtschaftliche Form der Bereitstellung
von Heizungs- und Trinkwarmwasser wird mit einem Systemspeicher erreicht, der Heizungswasser in zwei getrennten Bereichen (Trennspeicher) puffern kann:
-- In einem oberen Bereich zur Pufferung von Heizungswasser für die Trinkwarmwasserbereitung mit einem höheren
Temperaturniveau
-- In einem unteren Bereich zur Pufferung von Heizungswasser mit einem niedrigen Temperaturniveau zur Versorgung
der Heizkreise
Pufferbereich für
Trinkwarmwasserbereitung
50 °C
Trennplatte
Pufferbereich für
Heizung 30 - 40 °C
Abb. 2-16:
Systemspeicher mit
Trennplatte
32
2
Dazu muss der Wärmepumpenvor- und -rücklauf jeweils aufgeteilt und gezielt in die betreffenden Bereiche oberhalb und
unterhalb der Trennplatte eingespeist werden. Zur Umschaltung
der Volumenströme in den oberen oder unteren Bereich werden 3-Wege-Umschaltventile eingesetzt (Aufbau und Funktion
siehe nachfolgendes Beispiel). Die hydraulische Verschaltung
der Wärmepumpe mit dem Systemspeicher kann der Abb. 2-17
entnommen werden.
A
AB
B
A
AB
B
Abb. 2-17:
Hydraulischer Anschluss Wärmepumpe an Systemspeicher
33
2
Der Anschluss der Heizkreise sowie einer Frischwasserstation
zur Bereitung von Trinkwarmwasser ist der nachfolgenden Abb.
2-18 zu entnehmen.
A
AB
B
Abb. 2-18:
Hydraulischer Anschluss Heizkreise
und Frischwasserstation
34
Beispiel eines Anlagenschemas für Heizungs- und Trinkwarmwasserbereitung
Im vorliegenden Beispiel ist ein Systemspeicher mit Schichttrennplatte eingebunden, der im oberen Speicherbereich das
Heizungswasser für die Trinkwarmwasserbereitung mit einem
höherem Temperaturniveau (50 °C) bereithält. Das Trinkwarmwasser wird über eine Frischwasserstation (Aufbau und Funktion siehe Kapitel 10.) aufbereitet. Im unteren Speicherbereich
wird unterhalb der Schichttrennplatte ein Volumen für die Versorgung der Wärmesenke mit einem niedrigeren Temperaturniveau gepuffert. Für eine effiziente Bewirtschaftung dieser einzelnen Bereiche wird über 3-Wege-Umschaltventile (Abb. 2-20)
eine gezielte Aufteilung des Wärmepumpenvor- und -rücklaufs
für die beiden Bereiche durchgeführt:
2
-- Trinkwarmwasserbereitung: Vorlauf in Anschluss I,
Rücklauf aus Anschluss III
-- Heizungswasserbereitung: Vorlauf in Anschluss II,
Rücklauf aus Anschluss IV
Die Anbindung des Heizungsvorlaufes für den/die Heizkreis/e
erfolgt vorzugsweise vor dem Speicheranschluss, damit die
Wärmepumpe mit voller Leistung in die Heizkreise einspeisen
oder bei abnehmender Leistung der Heizkreise (Schließen des
Mischers) den Puffer bewirtschaften kann ohne dabei in eine
Hochdruckstörung zu laufen. Die Anbindung des Heizungsrücklaufs erfolgt im unteren Bereich des Heizungspuffers. Durch die
Anbindung an den Heizungspuffer ist zudem eine hydraulische
Entkopplung (Weiche) des Wärmepumpenkreises zum Heizkreis
gegeben.
Abb. 2-19:
Beispiel eines
Anlagenschemas
M
I
A
AB
M
B
II
III
A
RL_____K
TWZ
TWW
AB
M
TWK
V
B
IV
35
2
Abb. 2-20:
3-Wege-Umschaltventil
TIPP !
36
Ein 3-Wege-Umschaltventil verfügt über drei Anschlusstore mit
der Bezeichnung A, B und AB. Das Tor AB ist stets in geöffneter
Stellung und wird an den Vor- und Rücklauf der Wärmepumpe angeschlossen, so dass eine Freigabe des Volumenstromes
entweder über das Tor A oder das Tor B erfolgt. Die Ansteuerung des Stellmotors erfolgt über die Wärmepumpenregelung.
Grundsätzlich hat die Bewirtschaftung des Trinkwarmwasserbereichs den Vorrang vor dem Heizbetrieb, was durch die
Brauchwasservorrangschaltung in der Wärmepumpenregelung
übernommen wird. Während der Trinkwarmwasserbewirtschaftung wird der Mischer der Heizkreise geschlossen und
die Heizungsumwälzpumpe(n) abgestellt. Der Status wird im
Hauptmenü der Wärmepumpenregelung angezeigt.
Bei der Montage und bei der Inbetriebnahme unbedingt
auf den richtigen Einbau der Ventile (Tor A für Trinkwarmwasserbereitung, Tor B für Heizungsbewirtschaftung) achten
und den Wirksinn der Stellantriebe prüfen. Falsch betriebene
3-Wege-Umschaltventile sorgen für eine Fehlbewirtschaftung des Systemspeichers und mindern die Leistung und damit die Jahresarbeitszahl (JAZ) der gesamten Anlage.
COP und Co
3
Bei konventionellen Wärmeerzeugern mit Beheizung durch fossile Energieträger wird der .Wirkungsgrad (Eta) durch das .Verhältnis von abgegebener (Q ab) zu zugeführter Leistung (Q zu)
beschrieben:
.
.
Eta = Q ab / Q zu
Dabei ist die abgegebene Wärmeleistung
diejenige, die ins
.
Heizungssystem .eingespeist wird (Q ab) und die zugeführte
Wärmeleistung (Q zu) die Wärmemenge pro Zeit darstellt, die
dem Wärmeerzeuger in Form des fossilen Energieträgers zuteil kommt. Dies wird durch den Heizwert oder Brennwert des
fossilen Energieträgers ausgedrückt. Dadurch ist erkenntlich,
dass der Wirkungsgrad immer kleiner als 1 bzw. 100 % ist.
Ausgenommen bei der Brennwerttechnik, weil hier die latente
(verborgene) Wärmeleistung aus dem Abgas zusätzlich genutzt
wird und auf Basis des Heizwertes (ohne latente Wärmenutzung
aus dem Abgas) gegenübergestellt wird.
So werden bei Nutzung des Heizwertes Wirkungsgrade bis ca.
90 - 96 % und bei Brennwerttechnik Wirkungsgrade bis 106 %
bei modernen Wärmeerzeugern erzielt.
Die Wirkungsgrade von Wärmepumpen werden anders dargestellt, da sie keine Verbrennungsmaschinen sind und die Wärme
aus der Umwelt nutzen. Die Wirkungsgrade sind demnach nicht
direkt mit denen der konventionellen Wärmeerzeuger vergleichbar.
In der Wärmepumpentechnik wird der Wirkungsgrad durch die
Jahresarbeitszahl (JAZ) dargestellt, welche das Verhältnis der
erzeugten, dem Heizungssystem zur Verfügung gestellten, zur
eingesetzten elektrischen Energie (Kompressor, Umwälzpumpen
und Regelungstechnik) entspricht. Da die Wärmepumpe in der
Tat etwa 75 % der erzeugten Wärme aus der Umwelt entnehmen kann und die restlichen ca. 25 % mit Hilfe von elektrischer
37
3
COP und Co
Antriebsenergie zustande kommen, ist die Jahresarbeitszahl
größer als 1. Je nach Qualität der Wärmequelle können Jahresarbeitszahlen zwischen 3-5 erreicht werden.
So bedeutet z.B. eine Jahresarbeitszahl von 4,0:
Die abgegebene Wärmemenge der Wärmepumpe ist vier mal
größer als die eingesetzte Antriebsarbeit für den Kompressor,
Pumpen und Regelungstechnik.
Aus diesem Zusammenhang ist ersichtlich, dass die Jahresarbeitszahl, wie der Name es schon sagt, üblicherweise über
einen Zeitraum von einem Jahr gemessen und dann gemittelt
werden muss. Dazu sind folgende Messinstrumente erforderlich:
-- Stromzähler für Kompressor-, Pumpen- und Regelungstechnik
-- Wärmemengenzähler im Rücklauf der Wärmepumpe mit
Fühler im Wärmepumpenvorlauf
Für den Vergleich der Leistungszahlen von Wärmepumpen
unterschiedlicher Hersteller kann der COP (Coefficient of performance) herangezogen werden. Dieser wird auf einem
Prüfstand ermittelt und gibt im Gegensatz zur JAZ (gemessene
Energiemengen) einen augenblicklichen Leistungswert (Energie
pro Zeit) der Maschine wieder. Demnach ist der COP die Momentaufnahme der dem Heizsystem zugeführten Wärmeleistung zu der eingesetzten elektrischen Leistung. Dabei ist die
Art und Temperatur der Wärmequelle sowie der Wärmesenke
entscheidend und vom Hersteller anzugeben.
Beispiel:
COP bei B 0 °C / W 35 °C = 4,4
Die Art der Wärmequelle mit dazugehöriger Temperatur wird
zuerst angegeben, darauf folgt die Wassertemperaturangabe
(W) auf der Wärmesenkenseite.
38
COP und Co
3
Dabei haben die vorangesetzten Buchstaben folgende Bedeutungen für die Darstellung des Wärmeträgermediums:
Sole
Wasser
Luft
Abkürzung: Abkürzung: Abkürzung: B
W
A
(Brine)
(Water)
(AIR)
In diesem Beispiel handelt es sich um die Wärmequelle Sole mit
einer Temperatur von 0 °C und die Wärmesenke Wasser (Fußbodenheizung) mit einer Temperatur von 35 °C im Vorlauf. Die Wärmepumpe gibt unter diesen Bedingungen eine Heizleistung von
17,1 KW ab. Somit ist die aufgewendete elektrische Leistung:
17,1 KW : 4,4 = 3,9 KW
Sprich: Es werden 3,9 KW Leistung in Form von elektrischer Antriebsleistung aufgewendet, 13,2 KW der Umwelt entnommen,
um 17,1 KW dem Heizungssystem zuführen zu können.
COPs werden nach den europäischen Normen EN 255 oder
EN 14511 ermittelt, die jedoch unterschiedliche Prüfbedingungen vorgeben. Bei einem Vergleich von Wärmepumpen
unterschiedlicher Hersteller unbedingt darauf achten, dass
die Werte den gleichen Normen entsprechen. Die EN 255 ist
mittlerweile ungültig und durch die EN 14511 ersetzt.
TIPP!
COPs von Wärmepumpen geben Aufschluss über die Effizienz
des Aggregates selbst, nicht jedoch über die der Gesamtanlage, weil hier viele Randbedingungen wie Anlagenaufbau,
Vorlauftemperaturen, hydraulischer Abgleich, Rohrauswahl
und Pumpenwahl Einfluss nehmen. Die Effizienz einer Wärmepumpenanlage kann also nur über die real gemessenen
Werte der Jahresarbeitszahl (JAZ) ermittelt werden. Daher
ist die Einstellung von notwendigen Parametern wie z.B. der
Heizkurve bei der Inbetriebnahme und während des späteren
Betriebs sehr wichtig.
TIPP!
39
3
COP und Co
TIPP !
40
Werden Fördergelder im Rahmen des Marktanreizprogramms der Bundesregierung, z.B. über das Bundesamt für
Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (Bafa), beantragt, so ist der
Einbau eines separaten Stromzählers sowie eines Wärmemengenzählers erforderlich, um die Jahresarbeitszahl (JAZ)
nachzuweisen. Der Nachweis der JAZ im Vorfeld des Antrags
durch Berechnung nach VDI 4650-1 ersetzt diese Verpflichtung nicht, zumal diese Werte aufgrund der Randbedingungen praktisch nicht übereinstimmen. Beachten Sie hierzu die
aktuellen Fördermaßnahmen unter www.bafa.de.
wärmequellen
4
Grundwasser ist die effektivste Wärmequelle, da die Temperaturen über das Jahresmittel mit ca. 10 - 15 °C bei dieser Wärmequelle am höchsten sind. Es werden zwei Bohrungen für den
sogenannten Saugbrunnen und den Schluckbrunnen benötigt,
wobei die Zubringerpumpe in der Regel am Grund des Saugbrunnens angebracht ist und den Grundwasservolumenstrom
zum Verdampfer der Wärmepumpe transportiert. Dem Grundwasser wird über den Kältekreis die benötigte Wärmemenge
entnommen. Das so abgekühlte Grundwasser wird dann über
den Schluckbrunnen dem Erdreich wieder zugeführt.
Abb. 4-1:
Saug- und Schluckbrunnen
4.1Grundwasser
41
4wärmequellen
TIPP !
Grundsätzlich sollte die Übertragung der Energie der Wärmequelle nicht direkt auf den Verdampfer der Wärmepumpe
erfolgen, da bei schlechter Wasserqualität eine dauerhafte
Schädigung des Verdampfer-Wärmetauschers nicht auszuschließen ist. Ein Sicherheits-Wärmetauscherset mit einem
vorgeschalteten Wärmetauscher kann hier zwischengeschaltet werden und über einen separaten Solekreis die Entzugsleistung vom Grundwasser auf den Verdampfer erfolgen.
TIPP !
Der Grundwasservolumenstrom muss entsprechend der Entzugsleistung eingestellt werden können. Darum ist ein Regulierventil mit Wasserzähler unerlässlich.
TIPP !
Die Strömungsrichtung des Grundwassers ist zu beachten.
So muss der Saugbrunnen in Fließrichtung des Grundwassers
mit einem Mindestabstand von 15 m vor dem Schluckbrunnen angeordnet werden, um einen Kurzschluss der Wärmeaufnahme-/-abgabe zu vermeiden.
4.2Erdwärme/Sole
Bei der Nutzung von Erdwärme stehen mehrere Varianten zur
Auswahl:
4.2.1Erdwärmesonden
Erdwärmesonden sind Rohre, in der Regel aus polymeren Werkstoffen, die durch Bohrungen senkrecht in das Erdreich eingebracht werden (siehe Abb. 4-2). Je nach Entzugsleistung sind
ein oder mehrere Erdsonden erforderlich, die, da oberflächennah, bis zu einer Tiefe von bis ca. 150 m eingebracht werden
können. Das mit einem Glykol/Wassergemisch gefüllte Rohr
führt also senkrecht ins Erdreich und wird am Fuß der Sonde
um 180° umgelenkt, um senkrecht aufzusteigen und die aufgenommene Erdwärme der Wärmepumpenanlage zuzuführen.
42
wärmequellen
4
Je nach Bodenqualität sind hier unterschiedliche Entzugsleistungen zu erwarten, etwa 20 - 50 W/m Sondenlänge. Erdwärmesonden benötigen den geringsten Platzbedarf, vorausgesetzt
eine entsprechende Bodenqualität und die Zugänglichkeit für
Bohrgeräte sind vorhanden.
Abb. 4-2:
Erdwärmesonden
43
4wärmequellen
4.2.2 Erdwärmekollektor
Abb. 4-3:
Erdwärmekollektor
TIPP !
44
Eine Alternative zu den Erdwärmesonden ist ein Kollektorfeld,
das in ca. 1,20 - 1,50 m Tiefe durch erdverlegte Rohre eingebracht wird (Abb. 4-3). Der Abstand der Rohre beträgt ca. 50
- 80 cm. Für einen hydraulischen Abgleich der einzelnen Stränge werden diese an einen Verteiler, vorzugsweise in einem im
Erdreich eingebrachten Schacht, angeschlossen. Vom Verteiler
erfolgt die Einführung des Vor- und Rücklaufes in das Gebäude
vorzugsweise mit erdverlegten und vorisolierten Kunststoffrohren. Erdkollektoren können je nach Bodenqualität eine Entzugsleistung von 20 - 40 W/m² Boden/Erdreich erzielen.
Erdwärmekollektoren können, wie Fußbodenheizungsrohre,
vom Ersteller der Wärmepumpenanlage (Installateur) installiert werden, weil dazu kein aufwändiges Know-how sowie
Bohrgeräte erforderlich sind.
wärmequellen
Für die Verwendung von Sonden- und Kollektorrohren steht
PE- und PE-X-Rohrmaterial zur Verfügung. Vernetztes PERohr (PE-X) ist resistent gegenüber Kerbeinwirkung und
darum ohne Sandeinbettung verlegbar. Der Mehrpreis gegenüber PE-Rohrleitungen wird durch Verwendung des Aushubmaterials ohne zusätzliche Sandeinbettung in der Regel
wettgemacht.
4
TIPP!
4.2.3 Energiepfähle
Alternativ zu Erdwärmesonden und Kollektoren lassen sich solegefüllte Rohre in Baufundamente unterbringen (siehe Abb. 4-4).
Die Rohre werden vor Ort in die Bewährung eingebracht.
Abb. 4-4:
Energiepfähle
45
4wärmequellen
4.3 Luft
Abb. 4-5:
Wärmequelle Luft
Luft steht praktisch überall zur Verfügung, benötigt keine aufwändigen Bereitstellungsarbeiten und ist darum wohl die
meistgenutzte Wärmequelle. Doch aufgemerkt: Mit fallender
Außenlufttemperatur fällt auch die Leistung einer Luft-/Wasserwärmepumpe. Mit abnehmender Lufttemperatur ist der Energieinhalt der Luft geringer und somit die Entzugsleistung für
eine ausreichende Versorgung der Heizlast eines Gebäudes evtl.
nicht mehr ausreichend. Aus diesem Grund ist eine Zusatzheizung in Form eines Elektroheizstabes (oder im Sanierungsfall
eines bestehenden Öl-, Gas- oder Feststoffkessels) unbedingt
erforderlich.
Der Elektroheizstab kann dabei sowohl als Rohrheizstab in den
Vorlauf der Wärmepumpe oder direkt in den Systemspeicher der
Anlage im Trinkwarmwasser- oder/und Heizungsbereich installiert werden. Der Vorteil eines Rohrheizstabes im Vorlauf einer
Wärmepumpenanlage liegt darin, dass er sowohl die Versor-
46
wärmequellen
4
gung der Heizwärme als auch die Bewirtschaftung des Trinkwarmwasserbereiches übernehmen kann.
Ab einer Außentemperatur von unter +7 °C kommt es bei anhaltendem Wärmeentzug aufgrund des Feuchtegehaltes der
Luft zu Vereisungen am Verdampfer der Wärmepumpe. Die Eisbildung behindert den Wärmeaustausch und verringert so die
Wärmeleistung. In diesem Fall muss die Luft-/Wasserwärmepumpe in der Lage sein, einen Abtauvorgang am Verdampfer
vornehmen zu können. Über ein Vier-Wege-Umschaltventil im
Kältekreis wird der Kältekreislauf dann automatisch umgekehrt
gefahren. So gelangt der heiße Kältemitteldampf vom Kompressor nicht zum Kondensator (wie im Heizbetrieb), sondern zum
Verdampfer, wo nun die Wärme zum nötigen Abtauvorgang abgegeben wird. Dabei wird dem Kondensator auf der anderen
Seite Wärme entzogen, die von einem Pufferspeicher bereitgestellt werden muss. Aus diesem Grund ist der Betrieb einer Luft-/
Wasserwärmepumpe ohne einen Heizungspufferspeicher nicht
möglich. Die Temperaturverhältnisse der zuströmenden Außenluft sowie des Verdampferpaketes wird von der Wärmepumpenregelung erfasst, die dann bei Bedarf den Abtauvorgang
bedarfsgerecht automatisch einleitet.
Bei einer Erstinbetriebnahme im Winter hat der Pufferspeicher oftmals nicht die ausreichende Temperatur für einen
Abtauvorgang. In diesem Fall kann der Abtauvorgang nicht
gestartet werden. Die Wärmepumpe geht nicht in Betrieb. Es
muss die Möglichkeit gegeben sein, mittels des elektrischen
Heizstabes eine Aufheizung des Pufferspeichers zu ermöglichen, damit die Wärmepumpenanlage in Betrieb gehen kann.
Dies ist z.B. mit dem Notbetrieb im Reglerprogramm durchführbar.
TIPP!
47
4wärmequellen
Aufgrund dieser Abhängigkeiten ist der Vorteil der Wärmequellen Grundwasser und Erdreich ersichtlich. Jedoch können mit
einer gut ausgelegten Luft-/Wasserwärmepumpe gute Jahresarbeitszahlen erzielt werden, da sie in den Übergangszeiten
(das sind die häufigsten Arbeitszeiten) durchaus wirtschaftlich
arbeiten kann.
Bei einer Luft-/Wasserwärmepumpe sind drei Arten der
Aufstellung möglich:
-- Innenaufstellung der Wärmepumpe
(komplette Wärmepumpe innerhalb des Gebäudes)
-- Außenaufstellung der Wärmepumpe
(komplette Wärmepumpe außerhalb des Gebäudes)
-- Split-Aufstellung
(Verdampfer im Außenteil, Kondensator im Gebäude)
Wenn Platzbedarf oder Zugänglichkeit für Erdwärmesonden
oder Erdwärmekollektoren sowie Grundwasserbrunnen nicht
vorhanden sind, ist die Entscheidung für eine Luft-/Wasserwärmepumpe gefallen. In diesem Fall ist die weitere Entscheidung
für eine Außen- oder Innenaufstellung zu treffen.
Vorteile Innenaufstellung:
-- Frostfreie Aufstellung
-- Keine Geräuschbelästigung von Nachbarn
-- Kein Fundament erforderlich
-- Kurze Leitungslängen (Vor-/Rücklauf, Elektroleitungen)
-- Geringe Wärmeverluste
Vorteile Außenaufstellung:
-- Geringere Transportkosten
-- Kein Platzbedarf innerhalb von Gebäuden
-- Keine Durchbrüche durch die Außenhülle des Gebäudes für
Luftleitungen
-- Keine Geräuschübertragungen auf das Gebäude
48
wärmequellen
Bei außen aufgestellten Wärmepumpen kann das Podest
(Fundament) der Wärmepumpe in den gleichen Ausmaßen
erstellt werden, die die Wärmepumpe hat, dadurch können
Vor- und Rücklaufleitungen, die Kondensatablaufleitung sowie elektrische Leitungen außerhalb des Podestes einfach in
das Erdreich eingeführt werden.
4
TIPP!
49
5KÜHLEN MIT DER WÄRMEPUMPE
Ein weiterer Vorteil, die Wärmepumpenanlagen gegenüber
konventionellen Wärmeerzeugern haben: Neben der Beheizung
können sie das Gebäude auch kühlen. Es gibt drei Möglichkeiten der Gebäudekühlung:
5.1 Die Passive Kühlung
Die passive Kühlung kann ausschließlich mit den Wärmequellen
Grundwasser und Erdreich ausgeführt werden, weil in den warmen Sommermonaten die relativ kalte Wärmequelle die warme
Wärmesenkentemperatur in der Flächenkühlung des Gebäudes
beeinflussen kann. Dazu wird ein Wärmetauscher eingesetzt,
der in die Zuführung der Wärmequelle eingebunden wird und
über Umschaltventile angesteuert wird. Der Wärmetauscher
entzieht der Heizung die Wärme (kühlt sie ab) über die jetzt
relativ kalte Sole oder das Grundwasser. Dabei arbeitet der
Kompressor der Wärmepumpe nicht (darum passive Kühlung)
und es wird lediglich die Antriebsenergie für die Umwälzpumpen benötigt.
Abb. 5-1:
Schaltschema der
passiven Kühlung
Abb. 5-1: Schaltschema der passiven Kühlung
M
A
M
B
AB
I
A
M
B
A
AB
AB
B
II
III
A
AB
M
V
B
IV
50
TWZ
TWW
M
TWK
A
KÜHLEN MIT DER WÄRMEPUMPE
5
5.2 Die Aktive Kühlung
Bei der aktiven Kühlung unternimmt die Wärmepumpe eine
Umkehrung des Kälteprozesses (in der Technik spricht man vom
reversiblen Betrieb), indem sie die Positionen der Wärmetauscher der Wärmequelle und Wärmesenke im Kältekreis tauscht.
So werden jetzt der Heizungsseite die Wärme entzogen und
der Wärmequelle „aufgepackt“, die sie dann im Erdreich oder
Grundwasser versenkt. Dabei ist die Wärmepumpe aktiv im Betrieb und versorgt mit dem abgekühlten Heizungswasser einen
zusätzlichen Kältepuffer. Die Umschaltung Heizen/Kühlen wird
dabei mit 3-Wege-Umschaltventilen realisiert.
Abb. 5-2:
Schaltschema der
aktiven Kühlung
Abb. 5-2: Schaltschema der aktiven Kühlung
M
AB
A
M
B
I
TWZ
B
M
A
TWW
AB
B
AB
II
M
III
A
A
M
AB
TWK
V
B
IV
AB
A
M
B
51
5KÜHLEN MIT DER WÄRMEPUMPE
Vorteil:
-- Hohe konstante Kühlleistung über den Wärmepumpenregler exakt einstellbar und den Bedingungen regelungstechnisch anzupassen (Kältepuffer)
-- Grundsätzlich möglich mit Sole-/Wasser-, Wasser-/Wasserund Luft-/Wasserwärmepumpen
Nachteil:
-- Hohe Investitionskosten (reversible Wärmepumpe, Kältespeicher, zusätzliche Verdrahtung)
-- Höhere Betriebskosten (Laufzeit Wärmepumpe)
5.3 Aktive und passive Kühlung
Die beiden Kühlfunktionen können miteinander kombiniert werAbb. 5-3:
den. Vorrang erhält die passive Kühlung, reicht diese nicht mehr
Schaltschema einer
über den Kühlwärmetauscher aus, wird über die Wärmepumaktiven kombiniert
penregelung die aktive Kühlung zugeschaltet und der Kältepufmit einer passiven
Abb. 5-3: Schaltschema einer aktiven kombiniert mit einer
fer bewirtschaftet.
Kühlung
passiven Kühlung
M
AB
M
A
B
M
I
TWZ
TWW
AB
WW
B
AB
II
M
III
A
K
A
AB
AB
A
M
M
A
AB
52
B
B
TWZ
B
A
V
M
B
IV
TWK
KÜHLEN MIT DER WÄRMEPUMPE
5
Bei der Abkühlung von Bauteilen immer eine Überwachung
des Taupunktes einbeziehen. Das erfordert den Einbau von
Taupunktwächtern (an den kältesten Elementen der Baustruktur: Verteiler, Fußbodenfliesen). Weiterhin ist zur Ermittlung des Taupunktes (über die Wärmepumpenregelung) ein
Raumfeuchte-/-temperaturfühler in einem Referenzraum zu
installieren. Der momentane Taupunkt kann so ermittelt werden und die Regelung sorgt dafür, dass die gefahrene Kaltwassertemperatur immer über dem Taupunkt liegt.
TIPP!
Eine Gebäudekühlung kann nur über große Heiz-/Kühlflächen ermöglicht werden:
TIPP!
-- Fußbodenheiz-/-kühlflächen
-- Wandheiz-/-kühlflächen
-- Deckenheiz-/-kühlflächen
Am besten sind hier Deckenheiz-/-kühlflächen geeignet, da
kein unmittelbarer Körperkontakt zu den abgekühlten Bauteilen besteht. Bei Fußbodenkühlungen sollte das Bad und
die Küche ausgeschlossen werden, da hier eine unterkühlte Bodenfläche das Behaglichkeitsempfinden stört und die
stark wechselnden Feuchtelasten zu Rutschgefahr und Bauteilschädigungen führen können.
53
6Auslegung von Wärmepumpen
Die Wärmeleistung von Wärmepumpen wird nach folgenden
Kriterien ermittelt:
-- Heizlast des Gebäudes (Berechnung nach DIN EN 12831)
-- Trinkwarmwasserbedarf (Berechnung nach DIN 4708)
-- Leistungsbedarf für Sonderanwendungen (z.B. Schwimmbadbeheizung)
-- Sperrzeiten des Energieversorgungsunternehmens (EVU)
Sperrzeit des Energieversorgers
Der Energieversorger bietet in der Regel spezielle Tarife für den
Betrieb von Wärmepumpen an. Diese Stromtarife sind günstiger
als der Normaltarif. Im Gegenzug können die Energieversorger
die Wärmepumpe für gewisse Zeiten vom Stromnetz trennen.
Das sind die Zeiten hohen Stromverbrauchs im Stromnetz des
Energieversorgers, um Lastspitzen im Stromnetz zu vermeiden.
Während dieser Unterbrechung können die Wärmepumpen
nicht betrieben werden. Die dann benötigte Heiz/Kühl-Energie
wird üblicherweise aus einem Pufferspeicher bezogen. Um nach
einer Sperrzeit über eine ausreichende Leistung verfügen zu
können, sollte bei der Auslegung ein Sperrzeitfaktor für die Wärmepumpenleistung berücksichtigt werden. Die Sperrzeit beträgt
maximal 3 x 2 h pro Tag.
Der Sperrzeitfaktor ermittelt sich wie folgt:
Sperrzeitfaktor f = 24 h/(24 h - Sperrzeit)
Daraus ergibt sich ein Sperrzeitfaktor:
Tab. 6-1
54
Sperrzeit
Faktor
1 x 2 Stunden
1,1
2 x 2 Stunden
1,2
3 x 2 Stunden
1,33
Auslegung von Wärmepumpen
6
Somit ergibt sich die auszulegende Leistung der Wärmepumpe:
.
Q Wärmepumpe =
.
.
.
(Q Heizlast + Q TWW-Bedarf + Q Sonderanwendung) x Sperrzeitfaktor
Da die Technische Regel DIN EN 15450 „Heizungsanlagen
in Gebäuden – Planung von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen“ zur Auslegung keine klaren praktisch verwendbaren Regeln vorgibt, sollen an dieser Stelle Erfahrungswerte
weiterhelfen:
Der Wärmebedarf für die Trinkwarmwassererwärmung wird
in der Fachliteratur mit 0,25 KW/Person angegeben. Ist dieser
Wert, multipliziert mit der Anzahl der Personen im Gebäude
kleiner als 20% der Heizlast, so wird der Bedarf für die Warmwasserbereitung vernachlässigt.
TIPP!
Bei Neubauten mit Fußbodenheizungen ist in der Regel die
Speicherfähigkeit des Bodenaufbaus ausreichend genug,
um Abschaltzeiten des Versorgungsunternehmens (EVU) zu
überbrücken. In diesem Fall kann der Sperrzeitfaktor unberücksichtigt bleiben. Je niedriger die Leistung der Wärmepumpe an den tatsächlichen Auslegungspunkt gelegt wird,
um so weniger taktet sie und arbeitet wirtschaftlicher durch
lange Laufzeiten, was die Jahresarbeitszahl (JAZ) erhöht.
TIPP!
55
7Auslegung der Wärmequelle Erdreich
7.1 Erdwärmekollektoren
Die dem Erdreich zu entziehende Leistung (Entzugsleistung)
kann, je nach Betriebszustand, bis zu 75 % der an das Heizungssystem abzugebenden Gesamtleistung betragen.
.
Q Wärmepumpe = .
.
Q elektr + Q Verdampfer
.
Kompressor-, Pumpen- und
(mit Q elektr =
Regelungstechnikleistung)
.
(Q Verdampfer =
Verdampferleistung, Entzugsleistung
des Erdreichs)
Die an der Wärmepumpe zuzuführende Verdampferleistung ergibt sich demnach mit:
.
.
.
Q Verdampfer = Q Wärmepumpe - Q elektr
.
Q elektr kann über die Leistungszahl (COP) im Normpunkt, d.h.
bei Sole B0/W35 der Wärmepumpe bestimmt werden:
.
.
Q elektr = Q Wärmepumpe /COP
Beispiel:
.
Heizleistung (Q Wärmepumpe) : 10 KW
Leistungszahl (COP B0/W35): 4,0
.
Q elektr = 10 KW / 4,0 = 2,5 KW
Daraus ergibt sich die Verdampferleistung von 7,5 KW.
Dies ist die Leistung, die dem Erdreich entzogen werden muss.
Die spezifische Entzugsleistung des Erdreichs ist in erster Linie
von der Bodenqualität (Aufbau und Beschaffenheit) abhängig.
56
Auslegung der Wärmequelle Erdreich
Untergrund
7
spezifische Entzugsleistung
bei 1800 h
bei 2400 h
Nichtbindiger Boden
10 W/m²
8 W/m²
Bindiger Boden, feucht
20 - 30 W/m²
16 - 24 W/m²
Wassergesättigter Boden
40 W/m²
32 W/m²
Die Jahresbetriebsdauer einer Wärmepumpe (1800 h bei Heizbetrieb bzw. 2400 h bei Heizungs- und Trinkwarmwasserbetrieb) ist ebenfalls zu berücksichtigen.
Tab. 7-1:
spezifische Entzugsleistungen
Die benötigte Kollektorfläche errechnet sich:
Kollektorfläche =
Verdampferleistung / spezifische Entzugsleistung
Beispiel:
Feuchter, bindiger Boden
Jahresbetriebsdauer Wärmepumpe: 2400 h
Kollektorfläche = 7500 W / 20 W/m² = 375 m².
Nach VDI 4640 beträgt der empfohlene Verlegeabstand 50 - 80
cm. Bei einem gewählten Verlegeabstand von 75 cm ergibt sich
ein Rohrbedarf von:
Rohrbedarf = Kollektorfläche / Verlegeabstand
Rohrbedarf = 375 m² / 0,75 m = 500 m.
Die zu wählende Rohrdimension hängt von der Entzugsleistung
und damit vom erforderlichen Volumenstrom, der Temperaturspreizung und der Länge der einzelnen Kreise ab. Bei einer Temperaturspreizung von 3 - 5 K können die Werte der nachfolgenden Tabelle angenommen werden:
57
Bodenart
Außendurchmesser x Wandstärke
Nichtbindiger Boden
20 x 1,9 mm
Bindiger Boden, feucht
25 x 2,3 mm
Wassergesättigter Boden
32 x 2,9 mm
Tab. 7-2:
Auswahl Rohrabmessung
TIP P!
Erfahrungsgemäß sollte ein Kollektorkreis die Länge von 100 m
nicht überschreiten. Somit ergeben sich für dieses Beispiel fünf
Kreise zu je 100 m.
Bei Überschreitung der Entzugsleistung kann die (durchaus erwünschte) Vereisung des Erdreiches im Bereich der
Rohrleitungen zu groß werden, so dass eine ausreichende
Regenerierung des Bodens durch Sonneneinstrahlung und
Versickerung von Regenwasser zunehmend behindert wird.
Aus diesem Grund ist bei einer ersten Aufheizung eines Gebäudes durch den zusätzlichen Wärmebedarf für die Bauaustrocknung zu prüfen, ob die Entzugsleistung ausreichend ist.
Der Wärmebedarf für die zusätzliche Bauaustrocknung kann
bis zu 40 % höher sein. Gegebenenfalls ist ein weiterer Wärmeerzeuger (mobiles Heizgerät oder Heizstab) einzusetzen.
7.2 Erdwärmesonden
Die Auslegung von Erdwärmesonden erfolgt ebenfalls über die
Ermittlung der Entzugs- bzw. Verdampferleistung. Die benötigte
Sondenlänge ergibt sich aus:
Sondenlänge =
Verdampferleistung / spezifische Entzugsleistung
Spezifische Entzugsleistungen können für eine annähernde erste
Ermittlung von Sondenlängen folgender Tabelle entnommen
werden:
58
Untergrund
7
spezifische Entzugsleistung
in W/m (Sondenlänge)
bei 1800 h
bei 2400 h
Schlechter Untergrund
(trockenes Sediment, λ > 1,5 W/m.K)
25
20
Normaler Festgesteinsuntergrund und
wassergesättigtes Sediment
(λ > 1,5 W/m.K)
60
50
Festgestein mit hoher Wärmeleitfähigkeit
84
70
Allgemeine Richtwerte
Einzele Gesteine
Kies, Sand, trocken
< 25
< 20
Kies, Sand, wasserführend
65 - 80
55 - 85
Bei starkem Grundwasserfluss in Kies und
Sand, für Einzelanlagen
80 - 100
80 - 100
Ton, Lehm, feucht
35 - 50
30 - 40
Kalkstein, massiv
55 - 70
45 - 60
Sandstein
65 - 80
55 - 65
Saure Magmatite (z.B. Granit)
65 - 85
55 - 70
Basische Magmatite (z.B. Basalt)
40 - 65
35 - 55
Gneis
70 - 85
60 - 70
Mit den Werten des vorangegangenen Beispiels und der Annahme einer Bodenqualität Ton, Lehm, feucht ergibt sich eine
Sondenlänge von:
Tab. 7-3:
spezifische Entzugsleistungen
Sondenlänge = 7500 W/30 W/m = 250 m
In diesem Beispiel können drei Sonden je 90 m Länge gewählt
werden.
59
TIPP !
Detaillierte Angaben zur Auslegung und zum Einbau von Erdsonden können der VDI 4640 entnommen werden.
TIPP !
Die Effizienz von Erdwärmesonden ist in erster Linie von der
Bodenqualität, dessen Aufbau und Struktur abhängig. Deshalb kann es notwendig sein, ein geologisches Gutachten
erstellen zu lassen. Dies kann nur von ausgebildeten Spezialisten durchgeführt werden. Grundsätzlich sollte daher die
Auslegung und der Einbau von Erdsonden durch eine qualifizierte Fachfirma (Brunnenbauunternehmen) vorgenommen
werden.
7.3 Bereitstellung der Sole
(Glykol/-Wassergemisch)
Damit bei Temperaturen unter 0 °C keine Frostschäden auftreten, werden die Rohre zur Erdwärmenutzung mit einem Glykol-/
Wassergemisch gefüllt. Dabei sind grundsätzlich zwei Glykolarten zu unterscheiden:
-- Propylenglykol
-- Ethylenglykol
Propylenglykol wird aufgrund seiner hohen Temperaturstabilität (bis 140 °C) bevorzugt als Frostschutzmittel in Solarkollektoren eingesetzt. Des Weiteren kann es wegen der guten
biologischen Abbaubarkeit auch dort eingesetzt werden, wo besondere Anforderungen an den Gewässerschutz (Wasserschutzgebiete) gestellt werden. Ab Temperaturen von -5 °C, die bei
der Erdwärmenutzung durchaus auftreten können, neigt es jedoch zu Ausfallbildung (Vergrießung), was den Wärmetransport
hemmt und die Druckverluste erhöht. Aus diesem Grund, des
günstigeren Preises und wegen weiterer guter physikalischer Eigenschaften (Viskosität, Wärmeübergangskoeffizient) ist i.d.R.
Ethylenglykol für die Nutzung von Erdwärme vorzuziehen.
60
7
Erkundigen Sie sich im Vorfeld der Planungen über mögliche
Einschränkungen wie Gewässerschutz oder ähnliches. Auf
diese Weise ist die Entscheidung für die optimale Auswahl
des Glykol-/Wassergemisches zweifelsfrei zu treffen.
TIPP!
Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften Propylen- und
Ethylenglykole niemals miteinander mischen.
TIPP!
Stellen Sie ein Glykol-/Wassergemisch nicht unter eine Frostschutztemperatur von -15 °C ein. Ein zu hoher Glykolanteil
beeinflusst die Viskosität sowie den Wärmeübergang, was zu
überhöhtem Pumpenaufwand und zur Leistungsminderung
führt.
TIPP!
Mischen Sie Glykol und Wasser in einem ausreichend großen
Behälter vor dem Einfüllen in das Rohrsystem, um ein homogenes Gemisch mit einer einheitlichen Frostschutztemperatur
zu erhalten. Setzen Sie spezielle Spülgeräte ein, um Lufteinschlüsse vollständig zu entfernen. Lufteinschlüsse können
den Durchfluss auf der Wärmequellenseite verhindern und
führen damit zu einer Niederdruckstörung.
TIPP!
61
8Auslegung der Wärmequelle LUFT
Die Wärmequelle Luft ist über das Jahresmittel gesehen starken
Temperaturschwankungen ausgesetzt. Dementsprechend ändert sich die Heizleistung der Wärmepumpe. Es gilt:
-- Mit abnehmender Außentemperatur sinkt die Heizleistung
-- Mit zunehmender Außentemperatur steigt die Heizleistung
TIPP !
Tab. 8-1:
Ermittlung des
Bivalenzpunktes
3
4
Steigt mit zunehmender Außenlufttemperatur die Heizleistung, nimmt in diesem Fall auch der Volumenstrom in den
Rohrleitungen zu. Dimensionieren Sie die Rohrleitungen
dementsprechend nach dem maximalen Volumenstrom.
Im Winter nimmt also die Heizleistung der Wärmepumpe mit
fallender Temperatur ab, so dass ab einem gewissen Punkt die
Heizleistung nicht mehr ausreichend und ein zusätzlicher Wärmeerzeuger notwendig ist. Dieser Punkt wird als Bivalenzpunkt
bezeichnet. Oder, anders ausgedrückt, die Linie der Wärmepumpenleistung schneidet die Gebäudekennlinie im Bivalenzpunkt.
Nachfolgende Darstellung soll dies verdeutlichen:
2
{
1
5
1 Gebäudekennlinie (Heizwärmebedarf)
2 Bivalenzpunkt REHAU AERO 8
3 Erforderliche Heizleistung bei
Normaußentemperatur
62
4 Elektrische Nachheizung
5 Normaußentemperatur
(für den Standort)
Auslegung der Wärmequelle LUFT
8
Beispiel:
Normaußentemperatur: -16 °C
Benötigte Wärmepumpenleistung: 10 KW
Die Wärmepumpe sollte so bemessen sein, dass der Bivalenzpunkt zwischen -3 und -10 °C liegt.
Die Gebäudekennlinie (1) schneidet die Leistungskurven der
Wärmepumpen. Dabei wird davon ausgegangen, dass bei einer
Norminnentemperatur von 20 °C und einer Außentemperatur
von 20 °C die Heizlast gleich 0 ist (die Gebäudekennlinie beginnt bei einer Heizlast von 0 bei 20 °C und schneidet die Linie
der erforderlichen Heizlast von 10 KW in der Auslegungstemperatur von -16 °C). Der Bivalenzpunkt (2), hier für die Wärmepumpe AERO 8, zeigt die Außentemperatur an, bei der die
Leistung der Wärmepumpe den Wärmebedarf (Heizlast) des Gebäudes gerade noch deckt. Bei Außentemperaturen unterhalb
des Bivalenzpunktes wird ein zweiter Wärmeerzeuger benötigt.
Bei Sanierungen kann dies ein bereits bestehender Öl-/Gasoder Feststoffkessel sein, bei Neubauten wird üblicherweise ein
Elektroheizstab eingesetzt.
Bei der Normaußentemperatur (5) von hier -16 °C leistet diese
Wärmepumpe am Bivalenzpunkt 6 KW. Das Gebäude benötigt
aber 10 KW (3). Daraus ergibt sich die zusätzliche Wärmeleistung (4) für den Heizstab von:
.
.
.
Q Elektroheizstab = Q Gebäude Normtemperatur - Q Wärmepumpe Normtemperatur
.
Q Elektroheizstab = 10 KW - 6 KW = 4 KW
Eine Luft-/Wasserwärmepumpe nicht bewusst größer auslegen, da die maximale Heizlast nur an wenigen Tagen im Jahr
erforderlich ist und somit die Wärmepumpe für die restliche
Laufzeit überdimensioniert wäre, was kurze Laufzeiten und
ein hohes Maß an Schaltvorgängen zur Folge hat, die den
Wirkungsgrad (JAZ) senken.
TIPP!
63
9Auslegung der Wärmequelle Grundwasser
Grundwasser eignet sich als Wärmequelle besonders gut, da
die Temperatur meist ganzjährig auf hohem Niveau zwischen
10 - 12 °C liegt.
Wird die Erschließung der Wärmequelle Grundwasser in Erwägung gezogen, so sind folgende Parameter von entscheidender
Bedeutung:
-----
Ausreichendes Temperaturniveau (mind. +7 °C)
Ausreichender Wasservolumenstrom
Ausreichende Wasserqualität (siehe nachfolgende Tabelle)
Fließrichtung des Grundwassers (vom Förder- zum Schluckbrunnen)
-- Antragsstellung erforderlich (Ausschluss bei Wasserschutzzonen)
Tab. 9-1:
Grenzwerte Grundwasserbeschaffenheit
Die Wasserqualität ist in der Regel sehr unterschiedlich, darum
sollten die Werte nachfolgender Tabelle eingehalten werden,
um Korrosion oder andere Beschädigungen an Wärmepumpe
und Rohrleitungen zu vermeiden:
Inhaltsstoff
64
Chemisches Symbol
Grenzwert
Chloride
Cl
< 100 mg/kg
Sulfate
SO42-
< 50 mg/kg
Nitrate
NO3
< 100 mg/kg
Mangan, gelöst
Mn
< 0,1 mg/kg
Kohlensäure, gelöst
CO2
< 5 mg/kg
Ammoniak
NH3
< 2 mg/kg
Eisen, gelöst
Fe
< 0,2 mg/kg
freies Chlorid
Cl
< 0,5 mg/kg
Sauerstoff
O2
< 2 mg/kg
Schwefelwasserstoff
H2S
< 0,05 mg/kg
Sulfite
SO3
< 1 mg/kg
Freies Chlorgas
Cl2
< 1 mg/kg
pH-Wert
6,5 - 9
elektrische Leitfähigkeit
> 50 μS/cm und < 600 μS/cm
Auslegung der Wärmequelle Grundwasser
9
Die benötigte Mindestwassermenge ist den technischen Daten
der Wärmepumpenhersteller zu entnehmen und müssen eingehalten werden. Die Temperaturspreizung des Grundwassers
beträgt hierbei zwischen 3 - 5 K.
Das Grundwasser nie direkt über den Verdampfer der Wärmepumpe führen. Dies kann über eine Systemtrennung mittels
Sicherheitswärmetauscher erfolgen. So wird der Verdampfer
vor Korrosion oder Verschlammung geschützt. Einige Hersteller bieten vorkonfektionierte Sets an, die alle notwendigen
Komponenten enthalten, wie:
------
TIPP!
Wärmetauscher aus Edelstahl
Umwälzpumpe
Ausdehnungsgefäß
Manometer
Sicherheitsventil
Der Tauscherkreis vom Sicherheitswärmetauscher zur Wärmepumpe ist mit einem Wasser-/Glykolgemisch zu füllen, damit Frostschäden bei unzureichender Wasserzufuhr vermieden werden.
Abb. 9-1:
Sicherheitwärmetauscher-Set
65
9Auslegung der Wärmequelle Grundwasser
TIPP !
Abb. 9-2:
Wasserdruckschalter
66
Immer einen Wasserdruckschalter installieren, der bei nicht
ausreichendem Grundwasservolumenstrom die Förderung
und damit den Betrieb der Wärmepumpe unterbricht, so dass
keine Schäden durch übermäßigen Entzug (Einfrieren) entstehen können.
SPEICHERTECHNIK
10
Grundsätzlich wird zwischen zwei Speicherprinzipien unterschieden:
-- Speicherung von Heizungswasser
(Pufferspeicher/Systemspeicher)
-- Speicherung von erwärmten Trinkwasser
(Trinkwarmwasserspeicher)
10.1Pufferspeicher/Systemspeicher
Für eine lange Laufzeit der Wärmepumpe ohne häufiges Einund Ausschalten (Takten) des Kompressors sollte ein Heizungspuffer zwischen Wärmepumpe und Heizkreis eingebaut werden.
Der Pufferspeicher kann zudem Sperrzeiten des Energieversorgers überbrücken und sorgt für eine hydraulische Entkopplung
(hydraulische Weiche) der Heizkreise zum Wärmepumpenkreis.
Wird zudem Trinkwarmwasser über eine Frischwasserstation
bereitet – es wird das Trinkwarmwasser im Durchflussverfahren über einen Wärmetauscher mittels Heizungspufferwasser
in einem Systemspeicher erwärmt – so ist der Systemspeicher
vorzugsweise in zwei Zonen durch eine Schichttrennplatte unterteilt (siehe Markierung in Abb. 10-3).
Vorteile eines Systemspeichers gegenüber eines separaten
Trinkwarmwasserspeichers:
-- Es wird kein Trinkwarmwasser bevorratet, was die Gefahr
der Legionellenbildung minimiert
-- Die Wärmepumpenregelung bewirtschaftet die beiden
Bereiche exakt mit den notwendigen Temperaturen, wobei
die Trinkwarmwasserbewitschaftung den Vorrang vor der
Heizungsbereitung erhält (Vorrangschaltung)
67
10SPEICHERTECHNIK
I
A
TWZ
TWW
M
AB
B
II
III
A
AB
M
TWK
V
B
IV
Abb. 10-1:
Anlagenvariante
mit Systemspeicher
Legende:
1Kaltwasserleitung
2Durchflussschalter
3 Plattenwärmetauscher der
Frischwasserstation
4Temperaturfühler
Trinkwarmwasser
5Warmwasserleitung
6Umwälzpumpe
7 Rücklauf Frischwasserstation
8Pufferwassertemperatur
9 Thermostatisches Mischventil
Abb. 10-2: Warmwasserbereitung mit Frischwasserstation
68
SPEICHERTECHNIK
10
Der obere Bereich (8) wird mit erhöhtem Niveau (50 °C) für die
Trinkwarmwasserbereitung versorgt, während die untere Pufferzone mit der nötigen Temperatur für die Heizwärme versorgt
wird. Der Systemspeicher kann zusätzlich mit einem Wärmetauscher versehen werden, der solare Einträge einbringt. Dies kann
beispielsweise ein zusätzlicher Heizwendelwärmetauscher sein
(siehe Abb. 10-3), der über einen Flansch im unteren Bereich
des Puffers nachträglich eingebaut werden kann oder bereits
werkseitig integriert ist. Dabei ist der Einsatz eines thermostatischen Mischventils (9) – hier im Primärkreis – erforderlich.
Funktionsweise einer Frischwasserstation:
Sämtliche notwendigen Abläufe werden dabei von der Wärmepumpenregelung übernommen. Wird an einer beliebigen
Warmwasserzapfstelle Trinkwasser entnommen, so strömt
kaltes Trinkwasser durch den Wärmetauscher (3). Ein Durchflussschalter (2) registriert die Wasserströmung und gibt ein
Signal an die Wärmepumpenregelung. Gleichzeitig wird die
Frischwasserpumpe (Umwälzpumpe) (6) eingeschalten, die Heizungswasser aus dem oberen Pufferbereich an die Primärseite
des Wärmetauschers abgibt. Das Trinkwasser wird dabei im Gegenstromverfahren auf der Sekundärseite erwärmt. Die Frischwasserpumpe wird über die Wärmepumpenregelung in Abhängigkeit des Trinkwasserdurchflusses drehzahlgeregelt. Die
Drehzahlregelung erfolgt über die Erfassung der austretenden
Trinkwarmwassertemperatur durch einen Temperaturfühler (4)
im Wärmetauscheraustritt. Somit ist auch bei unterschiedlichen
Wasservolumenströmen eine gleichbleibende Warmwassertemperatur (bis 47 °C) gewährleistet.
69
10SPEICHERTECHNIK
Abb. 10-3:
Systemspeicher mit
Schichttrennplatte
und Solarwärmetauscher
Der erforderliche Inhalt eines Pufferspeichers richtet sich nach
der Heizleistung der Wärmepumpe. Da in der Fachliteratur sowie den Regelwerken keine übereinstimmenden Werte für die
Auslegung zu finden sind, helfen Erfahrungswerte weiter. So
kann für die Größenbestimmung ein Wert von 70 - 90 Liter pro
KW angenommen werden. Für die alleinige Bewirtschaftung eines Heizungspuffers ohne Trinkwarmwasserbereitung reicht ein
Wert von 20 - 30 Liter pro KW Heizleistung der Wärmepumpe.
10.2Trinkwarmwasserspeicher
Eine einfache Einbindung eines Trinkwarmwasserspeichers ohne
Pufferspeicher für ein Einfamilienhaus zeigt die nachfolgende
Abb. 10-4. Dabei sind folgende Grundregeln zu beachten:
-- Eine Luft-/Wasserwärmepumpe benötigt für den Abtauvorgang Heizungspufferwasser und ist für diese Variante nicht
einsetzbar
-- Der Heizkreis wird direkt über die Wärmepumpe versorgt
und ist für einen konstanten Wasservolumenstrom ohne
Mischer auszuführen
70
SPEICHERTECHNIK
10
-- Eine konstante Wasserumlaufmenge ist durch den Verzicht
von Einzelraumregelung (Zonenventile) oder den Einbau
Abb. 10-4: Anlagenvariante
eines Überströmventiles
zu erreichen. mit Trinkwarmwasserspeicher
TWZ
TWW
TWK
Trinkwarmwasserspeicher sind in der Ausführung „monovalent“ (ein Glattrohrwärmetauscher) und „bivalent“ (ein zweiter
Wärmetauscher zur solaren Unterstützung) erhältlich.
Abb. 10-4:
Anlagenvariante
mit Trinkwarmwasserspeicher
Die maximale Speichertemperatur beträgt in der Regel 50 °C.
Sollten höhere Speichertemperaturen gewünscht oder erforderlich sein, ist dies mit einem Elektroheizstab möglich (15). Für
eine gleichmäßige Schichtung im gesamten Speicherbereich
bei einer thermischen Desinfektion ist zwischen Trinkwassereinund -austritt eine trinkwassergeeignete Umwälzpumpe (M16)
einzubauen.
71
10SPEICHERTECHNIK
72
TIPP !
Ist eine thermische Desinfektion des Trinkwarmwasserspeichers zur Legionellenbekämpfung gewünscht oder erforderlich sind die allgemein anerkannten Regeln der Technik nach
dem DVGW Arbeitsblatt W 551 zu beachten.
TIPP !
Die direkte Versorgung eines oder mehrerer Heizkreise über
die Wärmepumpe erfordert einen exakten hydraulischen
Abgleich des Heizungswassers und somit eine exakte Auslegung und praktische Umsetzung.
TIPP !
Werden erhöhte Anforderungen an den Komfort und einen
sicheren Betrieb gestellt, sollte die Variante eines Systemspeichers (Pufferspeicher für die Bewirtschaftung eines Heizungs- und Trinkwarmwasserbereichs) Vorrang erhalten. Die
Bevorratung von Trinkwarmwasser in einem separaten Speicher ist nicht mehr zeitgemäß. Die Frischwassertechnik hat
sich durch die prägnanten Vorteile
-- Keine Bevorratung von erwärmten Trinkwarmwasser
(Hygiene)
-- Wirtschaftliche Arbeitsweise
-- Verringerung der Gefahr von Legionellenbildung
-- Platzsparende Montage ohne zusätzlichen Trinkwarmwasserspeicher
-- Geringerer Montageaufwand, Einsparung von Rohr- und
Zubehörteilen
durchgesetzt.
TIPP !
Die Wärmeübertragungsfläche der Heizwendel im Trinkwarmwasserspeicher muss groß genug sein, um die Wärmleistung der Wärmepumpe störungsfrei auf das Trinkwarmwasser übertragen zu können. Ist die Übertragungsfläche einer
Heizwendel zu gering ausgelegt, kann die Wärmeleistung
der Wärmepumpe nicht abgenommen werden und es kommt
zu einer Hochdruckstörung. Für die Bestimmung der Mindestfläche wird in der Praxis ein Wert von 0,25 m² pro KW Heizleistung angenommen. Siehe Hinweise der Hersteller.
Elektroheizstäbe
11
Grundsätzlich wird bei Heizstäben zwischen zwei Einbauvarianten unterschieden:
-- Einbau in den Pufferspeicher (Heizungs-/und-oder Trinkwarmwasserbereich)
-- Einbau in den Wärmepumpenvorlauf (über die Umschaltventile für beide Bereiche)
11.1Einbau in den Pufferspeicher
Bei Einsatz von Systemspeichern sowohl für die Trinkwarmwasserbereitung als auch für die Heizungsbewirtschaftung können
bis zu zwei Elektroheizstäbe integriert werden:
-- Elektroheizstab in den oberen (Trinkwarmwasser-) Bereich
für eine Temperaturerhöhung des Trinkwarmwassers für
eine thermische Desinfektion
-- Elektroheizstab in den unteren (Heizungs-) Bereich für eine
Beheizung bei Ausfall der Wärmepumpe (Notbetrieb)
Abb. 11-1:
Elektroheizstab
73
11Elektroheizstäbe
11.2Einbau in den Wärmepumpenvorlauf
Abb. 11-2:
Elektroheizstab
im Rohrgehäuse,
Einbau in den
Vorlauf
74
-- Heizstab im Rohrgehäuse, eingebaut in den Vorlauf der
Wärmepumpe
-- Besonders zu empfehlen bei dem Einsatz einer Luft-/
Wasserwärmepumpe zur Sicherstellung eines bivalenten
Betriebes (zur Unterstützung der Heizleistung bei Unterschreitung des Bivalenzpunktes) und bei Ausfall der
Wärmepumpe (Notbetrieb)
-- Kann als alleiniger Heizstab ausreichen, da durch die
Warmwasservorrangschaltung sowohl der Speicher- als
auch der Heizungsbereich versorgt wird
Elektroheizstäbe
Grundsätzlich gilt: Der beste Heizstab ist kein Heizstab, da
er keine Umweltenergie nutzen kann und die notwendige
elektrische Energie aus dem Volltarif des Stromversorgers
entnimmt, der teuer bezahlt werden muss. Bei Luft-/Wasserwärmepumpen ist ein Heizstab jedoch zwingend erforderlich, um bei niedrigen Außentemperaturen die dann fehlende
Wärmeleistung zu ergänzen. In der Technik spricht man dann
vom monoenergetischen Betrieb (zweiter Wärmeerzeuger
ebenfalls elektrisch betrieben). Die Wärmepumpenregelung
erfasst und behandelt einen Elektroheizstab praktisch als bivalenten Wärmeerzeuger (da sie nicht unterscheiden kann,
ob die zugeführte Energie auf elektrischem oder konventionellem fossilen Weg bereitet wird).
11
TIPP!
Das Zuschalten eines Elektroheizstabes erfolgt durch die
Wärmepumpenregelung. Eine gute Wärmepumpenregelung
schaltet den Heizstab bei Unterschreitung des Bivalenzpunktes nicht einfach ein, sondern erkennt aufgrund weiterer
Zustandswerte der Anlage die Notwendigkeit für eine Zuschaltung und bestimmt daraus das sogenannte Bivalenzkriterium. So wird ein Heizstab nur dann sinnvollerweise zugeschaltet, wenn
-- der Bivalenzpunkt unterschritten wird und
-- über einen definierten Zeitraum (einstellbar) die ebenfalls einstellbare Puffertemperaturerhöhung nicht allein
durch die Wärmepumpe mehr erfolgen kann.
75
12Wärmepumpenregelung
Die Wärmepumpenregelung ist das Herzstück der gesamten
Anlage und sorgt für eine bedarfsgerechte und wirtschaftliche
Arbeitsweise einer Wärmepumpenanlage. Sie sollte so ausgestattet sein, dass sämtliche Bedienungs- und Konfigurationsschritte leicht und verständlich ausgeführt werden können.
Die Regelung übernimmt die Überwachung zum Beispiel folgender Funktionen:
-- Heizbetrieb
-- Kühlbetrieb (aktive sowie aktive und/oder passive
Kühlung)
-- Trinkwarmwasserbereitung
-- Bewirtschaftung von Trinkwasser- oder Pufferspeicher
-- Regelung von gemischten und ungemischten Heizkreisen
-- Zirkulationspumpenbetrieb
-- Einbindung von Solarkollektoren in den Heizbetrieb
-- Bivalenzbetrieb
-- Handbetrieb
-- Notbetrieb
-- Funktionsheizen nach DIN EN 1264
-- Speichertemperaturüberhöhung vor einer EVU-Sperrzeit
-- Anzeige von Störungen
-- Frostschutzfunktion
-- Pumpenantiblockierschutz
-- Inbetriebnahmeassistent
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Wärmepumpenregelung
Unter anderem ist die Einstellung der Heizkurve für einen effizienten Heizbetrieb entscheidend. Die Auswahl der Heizkurve
gibt in Abhängigkeit der Außentemperatur die Vorlauftemperatur vor. In der nachfolgenden Grafik sind verschiedene Heizkurven dargestellt. Die einzelnen wählbaren Heizkurven unterscheiden sich in der sogenannten Steilheit. Für den jeweiligen
Gebäudetyp sollte die Heizkurve so flach wie möglich gewählt
werden. Je niedriger die Vorlauftemperatur, desto sparsamer
ist der Heizbetrieb und umso niedriger ist der Arbeitshub des
Kompressors. Die Vorlauftemperatur ist dabei im Wesentlichen
abhängig von der Art und Größe der Heizfläche. Je größer die
Heizfläche, desto geringer kann die Vorlauftemperatur ausfallen. Die niedrigsten Vorlauftemperaturen können mit einer Flächenheizung (Fußboden-, Wand- oder Deckenheizung oder eine
Kombination aus den genannten) erzielt werden. So sind bei
einer maximal auszulegender Außentemperatur (z.B. -16 °C)
Vorlauftemperaturen von 35 °C möglich.
12
Abb. 12-1:
Display Wärmepumpenregelung
Die Abhängigkeit der Vorlauftemperatur zur Außentemperatur
verdeutlicht nachfolgende Grafik.
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12Wärmepumpenregelung
Abb. 12-2:
Heizkurven
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Bei der Inbetriebnahme sind neben den Einstellungen an der
Regelung auch sämtliche Aktoren wie Umschaltventile, Umwälzpumpen, Filter, Mischer und Ventilatoren auf einwandfreie
Funktion zu prüfen. Falsch ausgelegte bzw. betriebene Systembestandteile bedeuten gleichzeitig eine Minderung des Gesamtwirkungsgrades.
Die Einstellungen an der Wärmepumpenregelung müssen daher
mit aller Sorgfalt und nach Kenntnis der bestehenden Anlagenkonfiguration vorgenommen werden.
Wärmepumpenregelung
12
Die Begrenzung der Vorlauftemperatur kann je °C eine Energieeinsparung von bis zu 2,5 % bedeuten.
TIPP!
Durch den Einbau eines Wärmemengenzählers und entsprechender Stromzähler kann die Jahresarbeitszahl (JAZ) ermittelt werden. Die Einstellungen sind, gerade über die Heizperiode, zu überwachen und kontinuierlich zu verbessern, um
einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen.
TIPP!
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©REHAU DRE00034 09.2011

Wärmepumpenanlagen

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