Erfolgreiche Planung einer Wärmepumpe: Warum Details entscheidend sind

Viele kleine und scheinbar unwichtige Randbedingungen müssen bei der Planung und Auslegung einer Wärmepumpe beachtet werden. Es handelt sich dabei um vollkommen logische Punkte, die sich jedoch teilweise von der Kesselplanung und -montage unterscheiden und zunächst einmal richtig verstanden und dann umgesetzt bzw. eingeübt werden müssen.

Was muss (neu) gelernt werden?

Normalerweise bringt der Monteur für den Installationsprozess eigentlich schon fast alles mit, solange es nicht um den Einbau von Splitgeräten geht. Dazu wird meist ein Kälteschein benötigt. Andere Tätigkeiten, wie Erdsondenbohrung und -montage sowie Elektroarbeiten werden durch andere Fachfirmen erledigt. Solange es sich um Wärmepumpen in Monoblockbauweise handelt, bei der sich also die gesamte Kältetechnik in einem Aggregat befindet, benötigt der Monteur nur eine Produktschulung. Änderungen gibt es beim Planungsprozess, wobei hier der Meister gefragt ist, der sich bei Bedarf entsprechend fortbilden muss. Was ist erforderlich?

Grundsätzlich sollte der Fachmann einen hydraulischen Abgleich und eine Temperatur­optimierung bestehender Heizsysteme berechnen können. Denn aus Effizienzgründen muss eine Wärmepumpe mit möglichst geringen Vorlauftemperaturen betrieben werden. Sehr hilfreich ist dazu z. B. die Software „ZVPlan“ in Verbindung mit einer entsprechenden Schulung. Und in Verbindung mit großen Wasserinhalten (Pufferspeicher) bzw. bei der Verwendung von Heizstäben ist eine Schulung zum Thema „Wasserbeschaffenheit“ ratsam. Für den Anfang reichen notfalls entsprechende Herstelleranweisungen aus.

Darauf baut dann die eigentliche Wärmepumpenschulung auf, die z. B. vom Berufsförderungswerk SHK angeboten wird. Teil 1 umfasst alle Grundlagen und Luft/Wasser-­Wärmepumpen (ohne Splitgeräte). Inklusive Produktschulung sind dazu etwa drei Tage erforderlich. In Teil 2 kommen weitere Wärmequellen hinzu und das ist dann eher eine Sache für den erfahrenen Planer. Der Kälteschein wird übrigens nur für die Montage von Splitgeräten benötigt und eventuell später für die Wartung. KNX und weitere Standards sind Bestandteil des Themenbereichs Energiemanagement, der sich ebenfalls eher an Fortgeschrittene richtet. Unterm Strich bedeutet dies einen gewissen Aufwand. Doch mit Blick auf die erwartete zentrale Marktbedeutung von Elektro-­Wärmepumpen ist dies gut investierte Zeit.

Besondere Aspekte bei der Wärmepumpenplanung

Je nachdem, wie routiniert der Planungsprozess läuft und wie umfassend alle notwendigen Unterlagen vorliegen, sind für die Planung etwa vier bis acht Stunden einzuplanen. Auch hier gilt: Das ist gut investierte Zeit und erspart viel Ärger. Nachfolgend eine Auswahl von Aspekten, worauf bei Luft/Wasser-Wärmepumpen besonders zu achten ist. Generell sind die ausführlichen Planungsanleitungen der Hersteller zu beachten.

Planung

• Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen, die im Freien aufgestellt sind, entstehen größere Mengen Eis am Verdampfer, welches abgetaut und dann sachgerecht abgeführt werden muss. Dazu ist ein passender Sockel erforderlich, der das Gerät auch über Schnee oder angestautes (Hoch-)Wasser hebt. Wichtig ist zudem eine leistungsfähige Versickerung, damit das abgetaute Eis die Fläche vor der Wärmepumpe weder überflutet und noch im Winter zu einer eisigen Rutschbahn mutiert. Wichtig ist es, die abgetaute Wassermenge richtig einzuschätzen.
• Zumindest beim Kältemittel Propan, welches schwerer als Luft ist, sind die vorgeschriebenen Mindestabstände zu Kellerschächten etc. einzuhalten. Ratsam auf Parkflächen ist zudem ein Rammschutz.
• Die richtige Platzierung der Wärmepumpe sorgt dafür, dass die Geräuschemissionen die Nachbarn nicht stören. Aus Schallschutzgründen kann es je nach Umgebung erforderlich sein, die Wärmepumpe in den Nachtstunden je nach örtlichen Gegebenheiten in einen speziellen Nacht- oder Silent-Modus zu versetzen. Das führt bei etwas verringerter Effizienz zu einem geringeren Geräuschniveau. Um die Lärmimmissionen von Luft/Wasser-Wärmepumpen nach TA Lärm im Tagbetrieb und während der Nacht zu prüfen, empfiehlt sich der Einsatz von geeigneten Tools, wie dem Online-Schallrechner des BWP. Übrigens: Wärmepumpen, die der Nachbar nicht sehen kann, hört er zumeist auch nicht.

Puffer- und Warmwasserspeicher

Im ehemaligen Heizraum werden erst einmal das Innenteil mit Pumpe und Regelung und bei zentraler Warmwasserbereitung ein entsprechender Speicher benötigt. Beides gibt es mit einem gewissen Aufpreis auch als raumsparende Turmlösung, wie sie auch bei Brennwertgeräten bekannt ist.

• In den meisten Fällen wird zusätzlich ein Pufferspeicher benötigt, der mehrere Funktionen hat: Er dient zumeist als hydraulische Weiche, weil das Außenteil mit geringerer Spreizung als die Heizflächen arbeitet. Zudem hilft der Puffer, die Sperrzeiten zu überbrücken, und ermöglicht Mindestlaufzeiten des Kompressors. Außerdem unterstützt er die Wärmepumpe beim Abtauvorgang. Alle Schaltbilder ohne Pufferspeicher sollten daher auf ihre Sinnhaftigkeit hinterfragt werden.
• Puffer- als auch Trinkwasserspeicher sollten bedarfsgerecht ausgelegt werden. Der Pufferspeicher dürfte bei einem Einfamilienhaus ein Volumen zwischen 200 und 700 l haben. Der Trinkwasserspeicher startet bei 200 l und ist damit größer als vielleicht gewohnt. Das ist jedoch ­logisch, weil die Aufheizleistung sehr viel kleiner ist als bei einem sehr tief modulierenden Gas-Brennwertkessel. Hinzu kommt, dass auch hier die Sperrzeiten überbrückt werden müssen. Da, wo früher der Brennwertkessel mit vielleicht 24 kW nachgeheizt hat, sind es jetzt im besten Fall 7 kW, wie im Beispielgebäude aus den vorangegangenen Artikelteilen der SBZ-Serie (siehe Infokasten).
• Das Thema Hygiene sollte zumindest angedacht werden. Temperaturen unterhalb von 60 °C für den Speicher im Einfamilienhaus sind vor dem Hintergrund von Legionellen zwar zulässig, aber problematisch. Hier gilt es, einen Kompromiss zu finden.

Heizwasserqualität

Aufgrund der großen Wassermenge und der Verwendung von Heizstäben sollte dringend auf die Wasserbeschaffenheit des Heizungswassers geachtet werden. Das Wasser muss klar und frei von sedimentierenden Bestandteilen sein. Die Grenzwerte für Härte, Leitfähigkeit und pH der VDI 2035 (bzw. die Herstelleranleitung) sind einzuhalten. Im Rahmen der Planung muss außerdem klar entschieden werden, ob z. B. ein Schmutzabscheider benötigt wird oder ob das alte Wasser verwendet werden kann. Das ist im Prinzip nichts Neues, hat aber auch bei Brennwertgeräten vielerorts schon zu Gewährleistungsproblemen geführt.

Systemtemperaturen

• Die Heizwasser-Temperaturempfindlichkeit der Wärmepumpe im Hinblick auf ihre Effizienz wurde schon hervorgehoben. Zur Auslegung gehört unbedingt eine Heizlastberechnung nach DIN TS 12831, wie sie zum Beispiel mit ZVPlan gemacht werden kann. Der Zeitaufwand liegt mit etwas Übung bei unter einer Stunde (­zzgl. Datenaufnahme). Hinweis: Es hat keinen Sinn, die Heizlast schönzurechnen. Die übliche Bezugsgröße für die Innenraumtemperatur ist 20 °C, die in den meisten Fällen (deutlich) zu niedrig ist. Fachhandwerker, die damit rechnen, riskieren, dass der Kunde später die Heizkurveneinstellung verändert und sich dadurch die Jahresarbeitszahl verschlechtert. Tipp: Um sich abzusichern, sollte der Fachmann die Innenraumtemperatur mit dem Kunden schriftlich vereinbaren. Dafür gibt es entsprechende Vordrucke. Sollte so eine Absprache nicht möglich sein, sollte mit einem pauschalen Zuschlag auf die „üblichen“ Temperaturen gerechnet werden. Die DIN TS 12831 gibt hier einen Freiraum von bis zu 3 K.
• Bei Gebäuden mit vorhandenen Heizkörpern sollte die niedrigstmögliche Vorlauftemperatur ermittelt werden. Wahrscheinlich wird die Spreizung verkleinert. Ziel sollte eine maximale Auslegungsvorlauftemperatur von 50 °C bei einfachen bzw. 60 °C bei hochwertigen Wärmepumpen (zum Beispiel mit Propan als Kältemittel) sein. Weniger ist immer besser. Eventuell ist es dennoch notwendig, einzelne Heizflächen durch größere Modelle zu ersetzen.
• Wie in den vorangegangenen Artikeln erwähnt, sollte die Jahresarbeitszahl zwar berechnet, aber niemals garantiert werden. Gleiches gilt für den Verbrauch.

Ausführung und ­Inbetriebnahme

Bei der Inbetriebnahme stellt der Monteur selbstredend alle berechneten Werte, auch für den hydraulischen Abgleich, sowie die für das Gebäude ermittelte Heizkurve ein. Tipp: Alle Einstellwerte und die Wasserbeschaffenheit schriftlich dokumentieren. Der Fachbetrieb sichert sich damit auch gegen eventuelle Schuldzuweisungen ab, falls später während des Betriebs Probleme auftreten, weil der Kunde die Einstellungen verändert hat.

Bei der Programmierung der Regelung ist Vorsicht geboten. Die Grundeinstellungen mit Blick auf die Art des Wärmeerzeugers, auf die Anzahl der Heizkreise etc. erfolgen wie vom Hersteller vorgesehen. Zu beachten ist, dass es im Vergleich zu Öl-/Gas-Wärmeerzeugern auch abweichende Einstellungen gibt. Das liegt daran, dass Wärmepumpen zum einen normalerweise deutlich geringere Leistungen haben als Kessel. Aufgrund dessen dauern Anheizvorgänge z. B. nach nächtlichen Absenkphasen länger als gewohnt. Insofern bietet es sich an, z. B. den morgendlichen Anheizvorgang zeitlich vorzuverlegen.

Zum anderen sind EVU-Sperrzeiten zu beachten, wodurch dem Haus über den Tag hinweg weniger Wärme zugeführt wird als erforderlich. Rechnerisch wird dies durch einen Aufschlag auf die Heizlast berücksichtigt. Dennoch kann es im Einzelfall zu etwas kühleren Räumen kommen. Sinnvoll ist in vielen Fällen eine Verkürzung der Nachtabsenkung, damit die Summe aus Sperrzeiten und Absenkung nicht zu groß wird.

Die Sperrzeiten sind in der Regel für den Nutzer nicht dramatisch. Doch Vorsicht: Unangenehm kann es werden, falls die Wärmepumpe direkt nach der Sperrzeit erst einmal den abgekühlten Warmwasserspeicher aufheizt. Denn die Warmwasserbereitung dauert deutlich länger als in Verbindung mit Öl-/Gas-Wärmerzeugern. Zum einen, weil die Trinkwasserspeicher größer dimensioniert sind und zum anderen die Nennheizleistung auch im Verhältnis zur Nennlast aus Effizienzgründen mit reduzierter Leistung erfolgt. Hier bietet es sich an, die Regelung so einzustellen, dass die Warmwasserbereitung unmittelbar nach einer Sperrzeit für eine Stunde pausiert, um zuerst das Gebäude wieder anzuheizen.

Wartung

Anders als bisher beim Kessel sollte die Effizienz einer Wärmepumpe regelmäßig überprüft werden. Dazu gehört das Ermitteln der Jahresarbeitszahl aus der Regelung. Die Einflüsse auf die gemessene Jahresarbeitszahl und deren Aussagekraft wurden bereits in den vorangegangenen Artikeln dieser Serie ausführlich erläutert. Trotz allem eignet sie sich als Kontrollwert dahingehend, ob die Wärmepumpe dauerhaft effizient arbeitet. Eventuelle Fehleinstellungen durch den Kunden im Betrieb lassen sich so ebenfalls aufdecken.

Was kann man machen, um die gesamte Anlage besonders sparsam zu betreiben? Nachfolgend einige Feintuning-Beispiele.

Warmwasserzirkulation optimieren

Die Zirkulationsleitung ist der unerkannte Energiefresser im Haus. Selbst bei Leitungen mit 100 % Dämmung liegt im Einfamilienhaus der laufende Meter Warmwasserleitung und Zirkulation (betrachtet im Doppelpack) bei ca. 10 W/m. Das hört sich nach wenig an. Im schlimmsten Fall (24 Stunden Betrieb) läuft die Zirkulation über 8.000 Stunden im Jahr. In unserem Beispielhaus mit ca. 18 m Leistungslänge ergeben sich jährlich maximal 1440 kWh Verlustwärme, was umgerechnet 436 kWh Strom entspricht. Einsparungen ergeben sich durch eine Reduzierung der Laufzeit (unter Beachtung der Hygiene).

Es geht noch mehr. In unserem Beispiel wird noch ein Bad im Erdgeschoss saniert und dabei werden ungefähr 10 m Zirkulationsleitung im Keller ersatzlos entfernt. Außerdem werden 6 m Rohr im Keller durch einen kleineren Durchmesser ersetzt. Die restliche Leitung ist nicht zugänglich und verbleibt. Dass so ein Umbau ohne Komforteinbuße möglich ist, wird an den Ausstoßzeiten, bis warmes Wasser kommt, ersichtlich. Die Kontrollberechnung mit ZVPlan ist in wenigen Minuten erledigt. In Summe dürften sich die Verluste auf etwa 120 kWh Strom reduzieren lassen.

Heizkurvenoptimierung

Jede Berechnung ist am Ende eine mehr oder minder gute Annäherung an die Realität. Eventuell ergibt sich ein gewisser Spielraum, der sich nachträglich nutzen lässt. Eine Möglichkeit ist die Wohnraum-Temperaturaufschaltung auf die Heizkurve. Alternativ könnte die Heizkurve von Anfang an etwas knapper eingestellt und bei zu niedrigen Innentemperaturen im Nachgang etwas angehoben werden. Das erfordert jedoch einen Nutzer, der bereit ist, im ersten Jahr auch etwas zu niedrige Temperaturen zu akzeptieren, bis es richtig läuft. Ein Fernwartungszugang vereinfacht dabei den Einstell- und Optimierungsprozess.

Schornstein umnutzen?

Was tun mit dem Schornstein, der nach der Demontage des alten Kessels nicht mehr benötigt wird? Eventuell lässt sich ein Kaminofen anschließen. Oder der Schornstein wird als Schacht für einen Photovoltaikstrang oder einen separaten Kühlkreis genutzt. Vielleicht passt auch eine Lüftungsleitung hinein. Oder der Schornstein wird zurückgebaut, um das Gebäude dichter zu machen – hier sind der Fantasie keine Grenzen gesetzt.

Der Autor Dr.-Ing. Matthias Wagnitz ist Referent für Energie und Wärmetechnik beim ZVSHK in Berlin.