Text: Marian Behaneck
Wer sich für eine Wärmepumpen-Heizung interessiert und bereit ist, das zwei bis dreifache gegenüber einer konventionellen Öl- oder Gasheizung zu investieren, will möglichst präzise wissen, wie hoch die Energiekosten später sein werden. Doch nicht immer führen Ertragsprognosen der Wärmepumpen-Hersteller und ausführenden Unternehmen nach der Installation zum prognostizierten Ergebnis. Das liegt auch daran, dass die Effizienz einer Wärmepumpen-Heizung von vielen Faktoren abhängt. Neben den Rahmenbedingungen wie Gebäude, Geologie oder Klima müssen das Wärmepumpen-System und die Wechselwirkungen der Komponenten berücksichtigt werden. Hinzu kommt, dass die Leistung der jeweiligen Wärmequelle, wie Außenluft, Erdwärme oder Grundwasser, ebenso zeitlichen Schwankungen unterliegt, wie der Heiz- oder Warmwasserbedarf der Bewohner. Wärmepumpen müssen folglich exakt ausgelegt werden, damit sie diesen wechselnden Bedingungen sowie den Anforderungen an den Ertrag, die Wirtschaftlichkeit und den Komfort zu jedem Zeitpunkt im Jahresverlauf genügen. Die Auslegung und Berechnung von Wärmepumpen wird von speziellen Programmen unterstützt, erfordert aber gleichwohl fachliches Know-how.
Verschiedene Programme
Für Standardfälle genügen häufig auch Erfahrungswerte, respektive die VDI-Richtlinie 4650 „Berechnung von Wärmepumpen“ zur überschlägigen Ermittlung von Ertragswerten wie der Jahresarbeitszahl (siehe Info-Kasten). Komplexere Anlagen mit Warmwasserbereitung oder Systeme mit mehreren Wärmeerzeugern sind aufgrund zahlreicher Wechselwirkungen in der Auslegung allerdings aufwendiger. Deshalb wurden Planungsprogramme entwickelt, die den Rechenvorgang beschleunigen, Hauseigentümer, Planer, Energieberater und Installateure bei der Auslegung und Optimierung unterstützen. Während vor allem für Installateure konzipierte Programme von Wärmepumpen-Herstellern ausschließlich die Optimierung von Systemen eines Herstellers unterstützen, arbeiten von Softwarehäusern offerierte Programme herstellerunabhängig. Neben diesen Planungswerkzeugen gibt es auch einfache, meist online aufrufbare Wärmepumpen-Konfiguratoren, die sich eher für eine erste, überschlägige Berechnung eignen (siehe Anbieter-Übersicht). 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 einer konkreten Anlage 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. Damit werden auf der Basis vorgegebener Systemdaten der Heizungsanlage wichtige Betriebsparameter ermittelt. Ändert man diese Systemdaten, berechnet die Software auch die Betriebsdaten neu. Die Programme berechnen die für die BAFA-Förderung wichtige Jahresarbeitszahl nach VDI 4650-1 und teilweise zusätzlich durch Simulation, machen einen Betriebskostenvergleich mit anderen Energieträgern wie Öl, Gas, Pellets etc., ermitteln die jährlichen Investitionskosten 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 die Investitionssicherheit steigern. Ab wann sich die Wärmepumpe „rechnet“, hängt nämlich von einigen Unwägbarkeiten ab – etwa der Öl- und Gaspreisentwicklung. Der Einsatz professioneller Wärmepumpen-Planungssoftware im frühen Projektstadium kann somit Investitionsrisiken minimieren.
Simulieren oder berechnen?
Weil die Leistungsdaten von Wärmepumpenheizungen 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 sehr rechenaufwändig wäre. Simulationsprogramme ermitteln diese Werte automatisch in zeitlicher Abhängigkeit. Auf Basis dieser Simulationen ist eine näher an die Realität heranreichende Voraussage möglich. Außerdem kann man Hauseigentümern die Folgen eines veränderten Nutzungsprofils plausibler erklären, wenn zum Beispiel ein höherer Warmwasserverbrauch oder höhere Raumtemperaturen notwendig werden. Dann arbeitet die Anlage ineffizient und die angestrebte Energieeinsparung bleibt aus. Für eine korrekte Berechnung des Gesamtsystems müssen zahlreiche Parameter berücksichtigt werden, die die Ergebnisgenauigkeit, aber auch den Eingabeaufwand steigern. Zu den Eingabedaten gehören die Wärmequelle (Erdsonden, Horizontalabsorber/Kollektoren, Wasser, Sole, Luft oder Kombinationen daraus), die Absorberfläche und -länge, die Anzahl und Tiefe der Erdsonden, geologische Verhältnisse (Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte) oder der Feuchtegehalt des Erdreichs. Insbesondere bei Sondenfeldern sollte die durch die Kälteleistung der Wärmepumpe bedingte Temperaturabsenkung des Erdreichs näher betrachtet werden, um eine mögliche Bodenvereisung auszuschließen. Bei der Warmwasserbereitung sollten unterschiedliche Konzepte ebenso berücksichtigt werden, wie die Art des Speichers (Schichtung, Größe) oder der durchschnittliche Tages-Warmwasserbedarf etc. Weitere elementare Parameter sind technische Wärmepumpendaten, die elektrische Leistungsaufnahme, die thermische Leistung und Kälteleistung in Abhängigkeit von der Quellen- und der Heizwassertemperatur, die Betriebsweise (monovalent, bivalent, monoenergetisch, modulierend etc.) oder die Temperaturdifferenz am Verdampfer und Verflüssiger. Auch die Gebäudedaten wie Heizlast beziehungsweise Wärmebedarf, inklusive solarer und interner Gewinne oder die gewünschte Raumtemperatur sind wesentliche Faktoren bei der Simulation. Relevant sind auch die klimatischen Verhältnisse, die Energieversorger-Tarife (Sperrzeiten, Hoch- und Niedertarifzeiten, Stromkosten), die Wärmeverteilung im Gebäude (Fußboden-, Wandheizung, Heizkörper) und weitere Parameter. Zu den Ausgabedaten zählen die simulierte, respektive nach VDI 4650 berechnete Jahresarbeitszahl, die Nutzenergie, der Stromverbrauch, die Betriebskosten und die Wirtschaftlichkeit. Umfassende Reports mit Diagrammen und Vergleichen ermöglichen einen schnellen Vergleich von Varianten.
Wichtig: Das Nutzungsprofil muss stimmen
Einfache Anlagen für Ein- oder Mehrfamilienhäuser lassen sich auch aufgrund von Erfahrungswerten planen. Schneller, sicherer und genauer in der Aussage sind jedoch Simulationsprogramme. Bei bivalenten Systemen oder komplexen Rahmenbedingungen sind sie unerlässlich. Wichtig ist jedoch, dass die Berechnungs- und Simulationssoftware von einem Fachmann bedient wird, der die Zusammenhänge kennt und auch die Ergebnisse kritisch hinterfragen kann. Wird es konkret, ist eine frühzeitige Zusammenarbeit zwischen Geologe, Architekt, Fachingenieur und ausführendem Unternehmen unerlässlich. Nicht unterschätzen sollte man auch folgenden Aspekt: Damit die berechneten Ertragswerte später mit den tatsächlichen Werten übereinstimmen, muss das Nutzungsprofil der Bewohner mit dem übereinstimmen, was geplant wurde. Wird von den Bewohnern später ein höherer Heiz- oder Warmwasser-Bedarf als geplant abgerufen, sind physikalisch bedingte Abstriche bei der Jahresarbeitszahl und damit der Wirtschaftlichkeit der Anlage unvermeidbar.
Marian Behaneck ist freier Fachjournalist in Jockgrim (Pfalz).
Programme für Planer: DK-Integral (www.dk-integral.de), GeoT SOL (www.valentin.de), POLYSUN Wärmepumpen-Software (www.velasolaris.com), Wärmepumpe (www.etu.de), WP-OPT (www.wp-opt.de)
Für Bauherren/Hauseigentümer: Betriebskosten-Rechner (www.dimplex.de), Online-Planer (www.heizung-waermepumpe.de), Wärmepumpen-Berater (www.alpha-innotec.de), Wärmepumpen-Konfigurator (www.erdwaermepumpe.de), Wärmepumpen-Navigator (www.waermepumpen-welt.de)
Wissenswertes bieten diese Links
www.baunetzwissen.de – Rubrik Heizung, Regenerative Energien
www.baufachinformation.de – Suchwort: Wärmepumpe
www.energie-experten.org – Rubrik Heizung, Wärmepumpe
www.erdwaermepumpe.de – Verbraucherportal Erdwärmepumpe
www.fws.ch – Fördergemeinschaft Wärmepumpen
www.geothermie.de – Bundesverband Geothermie
www.waermepumpe.de – Bundesverband Wärmepumpe (BWP)
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