Wärmepumpenplanung
Aus unserer täglichen Arbeit mit Bestandsgebäuden, Heizungsanlagen und Wärmepumpenkonzepten zeigt sich immer wieder:
Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt nicht in erster Linie vom Hersteller oder von einem einzelnen COP-Wert ab.
Entscheidend ist, wie gut Wärmeerzeuger, Gebäude, Heizflächen, Hydraulik, Warmwasserbereitung und Regelung zusammenpassen.
Das klingt zunächst selbstverständlich. In der Praxis werden jedoch genau diese Zusammenhänge häufig erst betrachtet, nachdem bereits ein konkretes Gerät oder ein Angebot vorliegt.
Dabei beginnt eine fachgerechte Wärmepumpenplanung deutlich früher.
Im Detail
Die Themen im Einzelnen.
1. Heizlast und Systemtemperatur gehören zusammen
Welche Wärmeleistung benötigt das Gebäude tatsächlich?
Die installierte Leistung eines vorhandenen Öl- oder Gaskessels ist hierfür nur sehr eingeschränkt geeignet. Ältere Wärmeerzeuger sind häufig deutlich größer dimensioniert als die reale Gebäudeheizlast.
Für eine Wärmepumpe ist jedoch nicht nur die Gesamtleistung entscheidend. Mindestens genauso wichtig ist die Frage:
Bei welcher Vorlauftemperatur kann diese Leistung in die einzelnen Räume übertragen werden?
Genau hier treffen Gebäudephysik und Anlagentechnik aufeinander.
Aus planerischer Sicht ist deshalb die reine Aussage „Das Gebäude hat Heizkörper“ kaum ausreichend. Wichtiger ist:
Welche Heizleistung kann jeder einzelne Heizkörper bei 55, 50, 45 oder vielleicht sogar 40 °C noch bereitstellen?
Denn häufig begrenzen nur wenige ungünstige Räume die Systemtemperatur des gesamten Gebäudes.
Das ist ein wichtiger Punkt aus unserer Praxis: Nicht immer muss zunächst umfassend saniert werden. Manchmal reichen gezielte Maßnahmen an wenigen Heizflächen oder Bauteilen, um die Systemtemperatur deutlich abzusenken.
2. Nicht nur die maximale Leistung betrachten
Die maximale Heizlast tritt nur während eines kleinen Teils des Jahres auf.
Die Wärmepumpe arbeitet dagegen über viele Stunden bei deutlich höheren Außentemperaturen und entsprechend geringerer Gebäudeheizlast.
Deshalb betrachten wir bei einer Auslegung nicht nur einen Nennwert in kW. Wichtig sind unter anderem:
- Wärmeleistung in Abhängigkeit von Außen- und Vorlauftemperatur,
- minimale und maximale Verdichterleistung,
- Modulationsbereich,
- Bivalenz- beziehungsweise Auslegungspunkt,
- Einsatz des elektrischen Heizstabs,
- Abtauverhalten bei Luft/Wasser-Wärmepumpen,
- und der zu erwartende Teillastbetrieb.
Ein Gerät kann beispielsweise am Auslegungspunkt ausreichend Leistung liefern und trotzdem im überwiegenden Jahresbetrieb ungünstig dimensioniert sein.
Genau deshalb genügt es nicht, einfach die Gebäudeheizlast mit einer Gerätenennleistung zu vergleichen.
3. Hydraulik ist Teil der Wärmepumpenauslegung
Eine Wärmepumpe muss ihre erzeugte Wärme auch in das Gebäude transportieren können.
Dafür benötigt sie einen ausreichenden Volumenstrom. Vereinfacht gilt:
Wärmeleistung = Massenstrom × Wärmekapazität × Temperaturdifferenz
Sinkt die Spreizung, muss für dieselbe Wärmeleistung der Volumenstrom steigen.
Das ist gerade bei Wärmepumpensystemen relevant, weil häufig mit niedrigeren Systemtemperaturen und vergleichsweise kleinen Temperaturspreizungen gearbeitet wird.
Deshalb prüfen wir unter anderem:
- vorhandene Heizkreise,
- Rohrnetz,
- Pumpen,
- Ventile,
- hydraulischen Abgleich,
- erforderlichen Mindestvolumenstrom,
- Zusammenspiel von Heizkörpern und Flächenheizungen,
- sowie gegebenenfalls die Notwendigkeit einer hydraulischen Entkopplung.
Auch Pufferspeicher betrachten wir nicht als pauschale Standardkomponente. Ein Speicher sollte eine definierte hydraulische oder betriebliche Aufgabe erfüllen.
Mehr Speichervolumen bedeutet nicht automatisch mehr Effizienz.
4. Warmwasser ist thermodynamisch ein anderer Betriebsfall
Die Trinkwarmwasserbereitung gehört für uns zwingend zur Wärmepumpenplanung.
Der Grund ist einfach: Eine Raumheizung kann möglicherweise mit 35 bis 45 °C Vorlauftemperatur betrieben werden. Bei der Trinkwarmwasserbereitung werden dagegen häufig deutlich höhere Temperaturen benötigt.
Damit steigt der Temperaturhub der Wärmepumpe – und die Effizienz sinkt.
Deshalb betrachten wir Warmwasser separat. Wichtige Punkte sind beispielsweise:
- Anzahl und Nutzungsverhalten der Personen,
- Warmwasserbedarf,
- Speichergröße,
- gewünschter Komfort,
- Speicherverluste,
- Zirkulationsverluste,
- Temperaturniveau,
- Nachheizung,
- und die Betriebszeiten der Warmwasserbereitung.
Bei Mehrfamilienhäusern, Pflegeeinrichtungen oder Wohnheimen wird dieses Thema nochmals komplexer. Hier können hohe Gleichzeitigkeiten, Zirkulation, hygienische Anforderungen und Lastspitzen die gesamte Wärmeerzeugung wesentlich beeinflussen.
5. Wärmepumpe und Photovoltaik sinnvoll koppeln
Photovoltaik und Wärmepumpe ergänzen sich grundsätzlich sehr gut.
Aber auch hier lohnt sich eine differenzierte Betrachtung. Im Winter ist der Heizenergiebedarf hoch, während die PV-Erträge vergleichsweise niedrig sind. Im Sommer entsteht dagegen viel PV-Strom, während kaum Raumheizung benötigt wird.
Interessanter ist deshalb:
Wie lässt sich vorhandener PV-Strom intelligent in den Betrieb integrieren?
Das kann beispielsweise erfolgen über:
- zeitlich verschobene Warmwasserbereitung,
- leichte thermische Vorladung des Gebäudes,
- Nutzung eines geeigneten Speichers,
- abgestimmtes Laden eines Batteriespeichers,
- oder eine prognosebasierte Betriebsweise.
Wichtig ist dabei: Es ist nicht automatisch effizient, einen Wärmespeicher möglichst stark aufzuheizen, nur weil gerade PV-Strom verfügbar ist. Mit höherer Temperatur sinkt wiederum der COP der Wärmepumpe.
Deshalb muss zwischen Eigenverbrauchsoptimierung und Wärmepumpeneffizienz abgewogen werden.
6. HEMS: Aus Einzelkomponenten wird ein Energiesystem
Ein modernes Gebäude verfügt zunehmend über mehrere steuerbare Komponenten:
PV-Anlage → Batteriespeicher → Wärmepumpe → Warmwasser → Wallbox → Haushaltsstrom
Ein Home Energy Management System kann diese Systeme miteinander koordinieren.
Die interessante Frage lautet dann nicht mehr nur: Wann läuft die Wärmepumpe? Sondern:
Wann sollte welcher Verbraucher laufen, damit Energiebedarf, Eigenstrom, Strompreis und Komfort sinnvoll zusammengeführt werden?
Dafür können beispielsweise berücksichtigt werden:
- aktuelle PV-Leistung,
- PV-Prognose,
- Außentemperatur,
- prognostizierter Heizbedarf,
- Gebäudetemperatur,
- Ladezustand des Batteriespeichers,
- Warmwasserspeichertemperatur,
- dynamischer Strompreis,
- und die Ladeanforderung eines Elektrofahrzeugs.
Damit wird aus einer einzelnen Wärmepumpe zunehmend ein integriertes Energiesystem des Gebäudes.
7. Komplexere Gebäude brauchen andere Versorgungskonzepte
Bei größeren Mehrfamilienhäusern, Nichtwohngebäuden, Pflegeeinrichtungen oder Gebäudekomplexen reicht die Frage nach „der richtigen Wärmepumpe“ häufig nicht mehr aus.
Dann geht es um die Struktur der gesamten Wärmeversorgung. Zum Beispiel:
- Soll jedes Gebäude oder jede Nutzungseinheit einen eigenen Wärmeerzeuger erhalten – oder ist eine zentrale Versorgung sinnvoller?
- Ist eine Wärmepumpenkaskade wirtschaftlicher und betriebssicherer als ein einzelnes Großgerät?
- Soll Warmwasser zentral, dezentral oder über Wohnungsstationen erzeugt werden?
- Wie werden unterschiedliche Temperaturniveaus für Heizkörper, Fußbodenheizung, Lüftungsanlagen oder Prozesswärme getrennt?
- Wie werden Spitzenlasten abgedeckt?
Gemeinsame Wärmeversorgung und Gebäudenetze
Bei mehreren benachbarten Gebäuden kann eine gemeinsame Wärmeversorgung sinnvoll sein. Das kann beispielsweise ein kleines Gebäudenetz sein mit:
- zentraler Wärmepumpenkaskade,
- mehreren dezentralen Wärmepumpen,
- gemeinsamer Wärmequelle,
- zentralem oder dezentralem Speicher,
- Spitzenlastkessel,
- PV-Anlage,
- Batteriespeicher,
- oder einer Kombination verschiedener Erzeuger.
Hier verschiebt sich die Planung von der Einzelanlage hin zu einem Energiesystem auf Gebäude- oder Quartiersebene. Dann müssen zusätzlich betrachtet werden:
- Gleichzeitigkeit der Lasten,
- Netztemperaturen,
- Wärmeverluste im Verteilnetz,
- Pumpenenergie,
- Redundanz,
- Versorgungssicherheit,
- Spitzenlastabdeckung,
- Erweiterbarkeit,
- Mess- und Abrechnungskonzepte,
- sowie Betriebs- und Wartungsstrategie.
Gerade bei Gebäudenetzen kann eine zu hohe Netztemperatur die Effizienz der Wärmepumpen deutlich verschlechtern. Deshalb sollte bereits konzeptionell geprüft werden, ob ein klassisches warmes Netz, ein Niedertemperaturnetz oder ein kaltes beziehungsweise quellennahes Netz sinnvoller ist.
Mehrfamilienhäuser
Bei Mehrfamilienhäusern ist die Wärmepumpenplanung häufig komplexer als bei einem Einfamilienhaus. Nicht nur die Heizlast ist größer. Hinzu kommen:
- unterschiedliche Nutzerprofile,
- Warmwasser-Spitzen,
- Zirkulationsverluste,
- vorhandene Steigleitungen,
- unterschiedliche Heizflächen,
- wohnungsweise Regelung,
- Abrechnung,
- Schallschutz,
- Platzbedarf,
- und häufig eine schrittweise Modernisierung im bewohnten Zustand.
Deshalb kann beispielsweise eine zentrale Wärmepumpenkaskade sinnvoll sein.
Wie können wir Sie unterstützen?
Vielleicht liegt bereits ein Angebot vor. Vielleicht soll zunächst geklärt werden, welche Vorlauftemperatur das Gebäude tatsächlich benötigt. Oder es geht um die Wärmeversorgung eines Mehrfamilienhauses oder mehrerer Gebäude.
Beschreiben Sie uns Gebäude, vorhandene Anlage und die anstehende Entscheidung. Wir ordnen ein, welcher Planungsschritt als Nächstes sinnvoll ist.
Projekt beschreiben
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Für eine erste Einordnung reichen Gebäudeart, vorhandene Heizung und Ihre Fragestellung.
Wir ordnen ein, welcher Planungsschritt als Nächstes sinnvoll ist.