Wie funktioniert eigentlich eine Wärmepumpenhydraulik?

Der Bundesverband Wärmepumpe BWP  hat einen "Leitfaden zur Hydraulik" für Wärmepumpen herausgebracht.  Der Leitfaden steht kostenfrei im Netz zur Verfügung und auf www.waermepumpe.de eingesehen werden.

Einführung in die Matrix

Um die Auswahl der geeignetsten hydraulischen Schemazeichnungen in diesem Leitfaden etwas zu erleichtern, hat der BWP in einer Übersicht, einer sogenannten Matrix, die entscheidenden Anlagenkomponenten den jeweiligen Schemata zugeordnet (Bild 1). Die Kreuze in der Übersicht zeigen die dargestellte Lösung an, eingeklammerte Kreuze sollen auf alternative Möglichkeiten hinweisen.

Die Auswahl sollte in erster Linie nach den Erfordernissen der Anlage erfolgen. Im Neubau ist man dabei natürlich deutlich freier in der Auswahl als im Gebäudebestand.

Ein sehr wichtiges Kriterium ist die Anzahl der Heizkreise: Denn werden in einem Gebäude Flächenheizung und Radiatoren bzw. Konvektoren kombiniert, ist in der Regel ein zweiter Heizkreis notwendig, bei dem die Vorlauftemperatur über ein Mischventil geregelt werden kann. Selbstverständlich sind in der Praxis viele Kombinationen der dargestellten Hydrauliken möglich, dieser Leitfaden des BWP beschränkt sich dabei auf ein Minimum, um die Übersichtlichkeit zu wahren.

Es steht außer Frage, dass Wärmepumpen mit aktiver oder passiver Kühlung beispielsweise ebenfalls mit einer Solarthermieanlage oder weiteren Wärmeerzeugern kombiniert werden können oder dass eine Anlage mit Kaskadenschaltung noch andere Komponenten enthält.

Die Darstellung aller Möglichkeiten würde freilich den Rahmen des BWP-Leitfadens sprengen. Bei der Planung von Anlagen mit anderen als den hier dargestellten Varianten ist besondere Sorgfalt notwendig, um hinterher ein funktionierendes und effizientes Gesamtsystem zu erhalten.

Auswahl als Beispiel

Der solvente Kunde bestellt für seinen Neubau eine WP und möchte einen Festbrennstoffkessel in Form eines wasserführenden Kaminofens integrieren. Die übliche Beheizung findet also mittels WP statt und zwischenzeitlich möchte der Kunde am funkensprühenden Kamin sitzen und die anfallende, überschüssige Wärme des archaischen Feuerspiels in die High-End-Heizungsanlage einspeisen.

Der Leitfaden zeigt für diese Variante folgende Hydraulik (Bild 2):

Ganz links der hier abgebildeten Schemazeichnung steht die WP und schickt, abhängig von der Regelung, Wärmeenergie in einen Pufferspeicher oder den Trinkwassererwärmer.

Der Festbrennstoffkessel ist ebenso in der Lage, diese beiden Komponenten zu bedienen. Die jeweiligen Heizkreise für die mögliche Fußbodenheizung oder die Heizkörper bedienen sich ausschließlich aus dem Pufferspeicher. In jedem der beiden Verbraucherkreise sorgt ein Dreiwegemischer für die Temperaturanpassung an den Bedarf.

Diese Temperaturanpassung ist im Zweifel notwendig, wenn beispielsweise der Festbrennstoffkessel den Puffer auf 70 °C hochgeheizt hat, aber selbst die Heizkörper laut Heizkurve nur 45 °C benötigen und die Fußbodenheizung mit 35 °C auskommt.

Auf einer weiteren Seite des Leitfadens stehen noch erläuternde Tipps, die den Informationsgehalt des Schemas abrunden. Im Stile einer To-do-Liste werden noch wichtige Parameter abgefragt oder Hinweise gegeben:

To-do-Liste aus dem BWP-Leitfaden

Anlagenoptionen:

• Sole/Wasser-, Wasser/Wasser- oder Luft/Wasser-­Wärmepumpen
• Flächenheizsysteme oder Heizkörpersysteme
• Volumenstrom zum Pufferspeicher:
• Spreizung 5 bis 7 K bei Heizleistung der Wärmepumpe unter Auslegungsbedingungen:
• für statische Heizflächen bis maximal 10 K

Volumenstrom Trinkwassererwärmung:

• Spreizung maximal 10 K bei größter Leistung der Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung
• Umwälzpumpen Pufferladung:
• Volumenstrom gemäß Auslegung (s.o.)
• Druckverlust Verteilleitungen, Wärmepumpe
• und ggf. weitere Einzelwiderstände
• Wärmeträger in der Regel Wasser

Umwälzpumpen für Warmwasser:

• Volumenstrom gemäß Auslegung (s.o.)
• Druckverlust Wärmeübertrager im Trinkwassererwärmer, Verbindungsleitungen, Wärmepumpe, Einzelwiderstände
• Wärmeträger in der Regel Wasser

Umschaltventil für Warmwasser:

• Auslegung der Mindestgröße nach Volumenstrom und Druckverlust im Heizbetrieb

Trinkwassererwärmer:

• Auslegung nach maximaler Heizleistung der Wärmepumpe in der Trinkwassererwärmung
• Wärmeübertragerfläche mind. 0,25 m²/kW Heizleistung
• keine Anforderungen bei ausschließlicher Warmwasser­bereitung durch den fossilen Wärmeerzeuger

Pufferspeicher:

• Vorrangig nach Leistung des Biomassekessels:
• 30 l/kW Pellets oder Hackschnitzel
• 55 l/kW Scheitholz

Ersatzweise nach den Anforderungen der Wärmepumpe:

• zur Laufzeitoptimierung: 20 – 25 l/kW maximaler ­Heizleistung der Wärmepumpe
• zur Überbrückung von Sperrzeiten: 30 bis 40 l/kW maximaler Heizleistung der Wärmepumpe

Bivalenter Wärmeerzeuger:

• thermische Ablaufsicherung notwendig
• Rücklauftemperaturanhebung erforderlich
• autarke Regelung

Heizkreise:

• Alle Heizkreise müssen als gemischte Heizkreise ausgeführt werden

CAD als Prime-Lösung

Die WP-Hersteller haben zu den Wärmepumpen auch die entsprechenden, tauglichen Hydrauliken entworfen und getestet. Die Internetpräsenz eines WP-Herstellers bietet in der Regel eine Datenbank, auf der sämtliche Hydrauliken hinterlegt und abrufbar sind. Wiederum mit einem cleveren Auswahlverfahren nähert man sich dem Ziel, also einer erprobten Zeichnung zur Hydraulik.

Mit einem kurzen Blick auf die Vorauswahl vergewissert man sich, dass die ausgewählte Zeichnung tatsächlich die Komponenten aufweist, für die man sich gerade interessiert. In der Folge kann man, ähnlich wie bereits beim BWP, eine PDF-Datei herunterladen.

Dieses Format kann man sich auf jedem PC, Tablet oder Smartphone anschauen. Der Clou ist dann aber zusätzlich, dass auch der Download einer CAD-Datei möglich wird. Die Formate mit der Endung DXF oder DWG lassen sich in jedes CAD-Programm einlesen. In einem CAD-Programm kann man dann nicht nur schauen, sondern nachträglich verändern.

Bei der Anpassung der Zeichnung an die echten Verhältnisse vor Ort und die Wünsche des Kunden können auf diese Weise auch noch individuelle Ideen einfließen. 

Unterschiede von BWP- und CAD-Lösung

Eine grundsätzliche Machbarkeit ist für die Version aus dem Leitfaden des BWP wie auch für die CAD-Lösung gegeben. Wesentliche Unterschiede bestehen trotzdem.

Aktualität

Die PDF-Datei des BWP mit sämtlichen Hydrauliken in einem digitalen Buch altert nach dem Erstellungsdatum vor sich hin. Und erst nach der nächsten Überarbeitung ist das Werk für einen Moment aktualisiert. Die Hersteller der WP reagieren allerdings auf den Markt und die Anforderungen der Handwerker. Da wird vielleicht sogar auch mal hochwertig experimentiert und weiterentwickelt. So entstehen im Laufe der Zeit verbesserte Varianten der hydraulischen Ausgangslage. Alte Hydraulikschemata wandern ins Archiv. Sie werden ersetzt und somit wandelt sich der Inhalt der Datenbank bei den Herstellern ständig.

Unterschied Realisierbarkeit

Während sich der BWP mit seinem Leitfaden weitestgehend produktneutral an den SHK-Installateur wendet und grundsätzliche Hilfestellung gibt über die Machbarkeit, müssen sich die WP-Hersteller auch um die praktische Umsetzbarkeit kümmern.

Das bedeutet eben auch, dass man beispielsweise nicht nur ein Umschaltventil ins Schema einzeichnen und dann einbauen können muss, sondern, dass dieses Ventil im realen Betrieb dann auch Befehle bekommt zum Öffnen und Schließen. Die WP-Hersteller vervollständigen ihre Pläne gerne mit einem Elektroanschlussplan, und jetzt kommt das Wichtigste, der dann auch zur mitgelieferten Regelung passt.

Es ist unrealistisch, eine Anlagenhydraulik zusammenzustellen und danach die Regelung hierfür zu programmieren. Was in der Theorie noch funktionieren könnte, scheitert letztlich an dem Kostenaufwand einer individuellen Anlagenkonfiguration. Der Kunde bekommt daher bewährte Regelungstechnik, wenn der Installateur das Regelungsschema aus der Datenbank entnimmt. Der Anlagenmechaniker kann also davon ausgehen, dass das Regelungsschema der Hersteller jeweils auch mit der Regelungstechnik kommuniziert und effizient regelt.

Individualisier­barkeit

Während ich eine PDF-Datei mittels einfacher Bordmittel eines PCs nicht verändern kann, lässt sich die DXF- oder auch DWG-Datei per CAD individualisieren. Damit lässt sich also eine Hydraulik in der Darstellung anpassen und nachbessern. Beschriftungen lassen sich mittels CAD ändern und letztlich ein individuelles technisches Kunstwerk erschaffen. Für eine ausführliche Dokumentation können Legende und Anmerkungen erweitert werden.

So blickt man auch nach Jahren eines Wärmepumpenlebens noch hinter die ursprünglich gedachten Abläufe und Vorgaben. Jede Pumpe, jedes Ventil kann mit eigenen technischen Kommentaren versehen werden bezüglich Volumenstrom, Druckdifferenz und Durchflusskoeffizient. Das schafft Durchblick und ist nur mit der CAD-Lösung aus der Datenbank möglich.

Fazit

Der BWP bietet prinzipielle Lösungen, die man in Fachkreisen diskutieren kann. Die Bewertung bereits bestehender Anlagen lässt sich mittels des Vergleichs mit diesen Grundzügen aus diesem Leitfaden gut vornehmen. Und einige „ewige Wahrheiten“ kann man ganz sicher aus diesem Leitfaden entnehmen.

Die WP-Hersteller hingegen bieten aktuelle und individualisierbare Pläne, deren Funktionen dann auch mit einer vorkonfektionierten Regelung erfüllbar in die Praxis umgesetzt werden können. Gebaut wird natürlich nach diesen Plänen, um in jedem Fall den Segen der Hersteller zu bekommen, beispielsweise  für eine entsprechend lange Zeit der Gewährleistung. Der Schulterschluss mit dem jeweiligen Hersteller sollte daher auf Basis seiner Zeichnungen und Vorgaben gesucht werden.

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