Wärmepumpen im Bestand: Darum sind Vorlauftemperatur und Pufferspeicher so wichtig
Die Basis jeder Heizungsauslegung ist die Heizlast, also der Wärmebedarf einzelner Räume bzw. eines Gebäudes in Abhängigkeit von den Ansprüchen der Nutzer (Raumsolltemperaturen). Auf die Heizlast eines einzelnen Raumes wirken zum Beispiel der Anteil der Außenflächen und die Raumtemperaturen der angrenzenden Räume ein. Diese Daten sind in der Regel als gegeben anzunehmen, es sei denn, es sind weitere Maßnahmen an der Gebäudehülle geplant.
Vorlauftemperatur ist eine variable Größe
Variablen der Heiztechnik sind dagegen die Vorlauftemperatur und die Größe eines (i.d.R. noch nicht vorhandenen) Pufferspeichers. Steht also eine Heizungsmodernisierung im Bestand an, sollten weder die Vorlauftemperatur einer bestehenden Heizung noch die Heizflächen (z. B. bestehende Heizkörper) als unveränderliche Größe betrachtet werden.
Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen bedeutet eine Senkung der Vorlauftemperatur um nur 1 K, dass die Effizienz um rund 2 – 2,5% steigt. Es ist also sehr wirtschaftlich und gleichzeitig klimafreundlich, ein Gebäude mit einer möglichst geringen Vorlauftemperatur zu heizen.
Größere Heizkörperflächen erlauben niedrigere Vorlauftemperatur
Wird die Wärmeübertragefläche (aller Heizkörper) möglichst groß gewählt, kann in der Regel die Vorlauftemperatur gesenkt werden. Oft sind Heizkörper in Bestandsbauten zu groß ausgelegt. Dieser Planungsfehler kommt nun dem Ziel einer Temperaturabsenkung sehr entgegen.
Ist es nicht möglich, angemessene Vorlauftemperaturen für den Betrieb einer Wärmepumpe zu erreichen, so können weitere Maßnahmen am Gebäude die Heizlast und damit die Vorlauftemperatur reduzieren. Besonders effizient sind hierfür der Austausch von Fenstern mit Einfachverglasung gegen Fenster mit Doppel- oder Dreifachverglasung sowie die Dämmung von Kellerdecke, Dach und/oder Fassade.
Die Heizkörper-Hersteller geben üblicherweise die Leistung ihrer Produkte an. In der Regel wird sie als eine mit dem Heizkörper abdeckbare Heizlast für die Vor- und Rücklauftemperatur (55/45 °C) angegeben, standardmäßig für eine Ziel-Raumtemperatur von 20°C.
Da aus Effizienzgründen beim Betrieb einer Wärmepumpe die maximale Vorlauftemperatur 55°C nicht überschreiten sollte, muss bei bereits bekannter Heizlast geprüft werden, ob die Heizkörper im Bestand ausreichend leistungsstark sind.
Heizkörperrechner des BWP
Mit dem Bestandskessel wird zunächst näherungsweise die übertragbare Heizleistung der Heizkörper des gesamten Wärmeverteilsystems als Ist-Zustand bestimmt. Ein dafür hilfreiches Tool ist der Heizkörperrechner des Bundesverbands Wärmepumpe BWP unter www.waermepumpe.de/normen-technik/heizkoerperrechner/.
Dabei setzt man als maximale Vor- und Rücklauftemperatur die aktuell für das System eingestellten Werte ein sowie den Heizkörpertyp, die Abmessungen der bestehenden Heizflächen und die Innentemperatur.
Vergleicht man dann die raumweise ermittelten Werte mit den jeweiligen Heizlasten nach DIN EN 12831-1 Abschnitt 6, erkennt man, ob noch Spielraum zur Absenkung der Vorlauftemperatur besteht.
Wenn die Heizlast eines Raumes kleiner ist als die maximal zur Verfügung stehende Heizleistung der jeweiligen Heizkörper, kann die Vorlauftemperatur gesenkt werden.
Anschließend errechnet man die Heizleistung mit einer um 5 K reduzierten Vorlauftemperatur und nähert sich so der idealen Vorlauftemperatur an. Sie ist erreicht, wenn die Heizlast eines Raumes der berechneten Heizleistung entspricht. Mit der reduzierten Vorlauftemperatur der Wärmepumpe werden alle Räume gerade noch optimal beheizt.
Ideale Vorlauftemperatur ohne viel Mathematik
Die maximale Vorlauftemperatur kann im Bestand während der Heizperiode auch experimentell raumweise bestimmt werden. Je kälter der Tag für die Messung gewählt wird, desto verlässlicher sind dabei die Ergebnisse:
Alle Heizkörperventile müssen zunächst vollständig geöffnet werden. Dann wird die Vorlauftemperatur stufenweise so lange abgesenkt, bis die Wohlfühltemperatur in den Räumen gerade noch erreicht wird.
Beträgt die ermittelte maximale Vorlauftemperatur 55°C (bei Erreichen der Normaußentemperatur) oder weniger, kann in dem Gebäude eine Wärmepumpe effizient betrieben werden. Liegt sie jedoch in einzelnen Räumen über 55°C, ist ein Austausch der Heizkörper in den Räumen empfehlenswert, die mit dieser Vorlauftemperatur nicht ausreichend warm werden.
Große Auswahl an Heizkörper-Modellen
Sind alle Heizkörperflächen ausreichend groß, kann im gesamten Gebäude die Vorlauftemperatur gesenkt und damit sowohl Betriebskosten als auch der CO2-Ausstoß reduziert werden. Es ist außerdem eine Überlegung wert, Heizkörper nur in wärmeren Räumen wie Wohn- und Kinderzimmer zu tauschen und in eher kühl gehaltenen Räumen den Bestand zu belassen.
Auf einer vorgegebenen Fläche (z.B. längen- und höhenbeschränkt innerhalb einer Heizkörpernische) kann durch die Modellvielfalt jeweils eine sehr breite Heizleistungs-Spannweite installiert werden. Denn die einzelnen Bauformen übertragen Wärme bei gleicher Vorlauftemperatur unterschiedlich effektiv. Dabei variiert ihr Platzbedarf nur in der räumlichen Tiefe.
Gliederheizkörper können zum Beispiel durch großflächigere Plattenheizkörper ersetzt werden. Ebenso können Heizkörper vom Typ 10 und 11 gegen Heizkörper vom Typ 21, 22 oder gar 33 getauscht werden. Da die Anschlussfelder der Heizkörper genormt sind, ist der Austausch besonders einfach.
Warum ein Pufferspeicher sinnvoll ist
Für den Betrieb einer Wärmepumpe empfiehlt sich fast immer der Einsatz eines Pufferspeichers für das Heizungswasser, vor allem im Gebäudebestand. Denn dieser fängt Spitzen aus dem Wärmeverteilsystem ab, bietet eine hydraulische Entkopplung und ermöglicht bei Bedarf Durchfluss und Abtauenergie für die Wärmepumpe. In der Summe führt dies zu verlängerten Laufzeiten bei der Wärmepumpe und das gleichzeitig bei geringerer Modulationsanforderung. Das spart Energie und steigert die Effizienz.
Der Pufferspeicher nimmt zudem tagsüber produzierte (zu diesem Zeitpunkt nicht benötigte) Wärme auf und gibt sie bei Bedarf (in den kühleren Abend- und Morgenstunden) wieder an das Wärmeverteilsystem ab. Dadurch wird die Wärmepumpe spürbar entlastet. Dieses Betriebsverhalten lässt sich bereits über einfache Zeitprogramme in jedem Gebäude realisieren.
Die Größe des Pufferspeichers hängt vor allem von dem Gebäude, seiner Größe, dem Heizsystem und Wärmestandard ab. Daher kann man keine pauschale Empfehlung zur idealen Größe geben, sondern es muss genau gerechnet werden. Wird der Pufferspeicher nur zum Abtauen der Wärmepumpe verwendet, genügt je nach Leistung der Wärmepumpe bereits ein kleines Volumen von bis zu 50 Litern.
Größere Pufferspeicher sind aber sinnvoll, um zum Beispiel Sperrzeiten für Wärmepumpenstrom oder Zeiten für die Warmwasserbereitung zu überbrücken. Auch die Wärme einer Solaranlage oder in Wärme umgewandelte überschüssige elektrische Energie aus einer Photovoltaikanlage können in den Pufferspeicher eingespeist und vorgehalten werden.
Für ein Einfamilienhaus sind 200 Liter Pufferspeichervolumen oft ausreichend. Befindet sich allerdings eine Solaranlage oder eine PV-Anlage auf dem Dach, sollte das Volumen mindestens 300 Liter betragen.
Pufferspeicher nicht zu groß dimensionieren
Das Volumen eines Pufferspeichers sollte jedoch nicht zu groß dimensioniert werden. Nicht abgerufene Wärme im Speicher wird trotz guter Dämmung des Pufferspeichers mit der Zeit an die Umwelt abgegeben und geht damit verloren. Ein gegebenenfalls bereits vorhandener Pufferspeicher kann weiterverwendet werden, wenn sein Volumen zur neuen Heizanlage passt.
Folgende Aspekte können die Größe, aber auch die Ausführung des Pufferspeichers beeinflussen:
Art des Speichers: Reihenspeicher oder Trennspeicher
Einfluss der EVU-Sperre
Einbindung Photovoltaik (PV)
Einbindung Solarthermie (Speicher mit Solarwendel notwendig)
Hybrid: Einbindung von Gas oder Holz (separate Anschlüsse am Speicher erforderlich)
Dimensionierung der hydraulischen Anschlüsse am Speicher
Trennpufferspeicher in der Modernisierung
Pufferspeicher werden im Bestand - bei einer Sanierung oder Modernisierung - in der Regel als Trennspeicher ausgeführt. Ein Trennspeicher trennt die Volumenströme zur Wärmepumpe von denen innerhalb des Gebäudes. Somit werden Wärmepumpe und das vorhandene Heizsystem hydraulisch entkoppelt. Das stellt die einfachste Form der Modernisierung dar und bietet sehr viel Sicherheit zur hydraulischen Entkopplung.
Auch Reihenspeicher sind möglich. Sie können jedoch beim hydraulischen Abgleich für den Fachhandwerker einen höheren Aufwand bedeuten und werden daher überwiegend beim Neubau von Einfamilienhäusern eingesetzt.
Autoren:
Tom Krawietz ist Teamleiter Entwicklung Wärmepumpen bei der Wolf GmbH.
Martin Bauer ist Produktmanager Wärmepumpen bei der Wolf GmbH.
