Marktübersicht: Wärmepumpen-Planungssoftware

Wärmepumpen-Betriebsdaten müssen möglichst genau in ihrer zeitlichen Abhängigkeit berechnet werden, damit sie den Anforderungen an den Wärmeertrag und den Komfort zu jedem Zeitpunkt im Jahresverlauf genügen.

Wärmepumpen-Simulationsprogramme liefern nicht nur genauere Prognosen zur Jahresarbeitszahl (JAZ), zur Wirtschaftlichkeit und zu den Betriebskosten einfacher Standardanlagen. Sie ermöglichen auch die Planung und Optimierung komplexer Systeme, etwa Kombinationen mit anderen Energiegewinnungssystemen oder die Eigenstromnutzung über PV- oder BHKW-Anlagen.

Simulationen liefern günstigere JAZ-Werte

Ertragsprognosen der Wärmepumpen-Hersteller oder nach Regelwerken ermittelte Prognosen ausführender Unternehmen decken sich in der Praxis selten mit den tatsächlichen Erträgen. Das liegt u. a. daran, dass das Betriebsverhalten und die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpen-Heizung von verschiedenen Faktoren abhängen.

Neben den Gebäude-, Lage- oder Klimadaten müssen auch Wechselwirkungen berücksichtigt werden, weil sich die Wärmepumpen-Parameter, Quellentemperaturen und die Temperaturanforderungen der Heizung gegenseitig beeinflussen. Wärmepumpen-Betriebsdaten müssen folglich möglichst präzise in ihrer zeitlichen Abhängigkeit berechnet werden, damit sie den Anforderungen an den Wärmeertrag und den Komfort zu jedem Zeitpunkt im Jahresverlauf genügen.

Zwar reicht für eine Basis- oder Innovationsförderung eine nach VDI 4650-1 [2] berechnete Mindestjahresarbeitszahl als Fördervoraussetzung, sie berücksichtigt jedoch nur fundamentale Daten der Wärmepumpe, der Heizwassertemperaturen oder der Umwälzpumpen-Leistung. Andere Einflussgrößen, wie etwa die Temperaturen des Erdreichs, werden lediglich geschätzt. Simulationsrechnungen ermöglichen demgegenüber eine präzisere Planung, eine Optimierung der Anlagenkonfiguration, realistischere Betriebskosten- und Amortisierungsprognosen.

Im Vergleich zu den mit pauschalen Aufschlägen rechnenden Normverfahren lassen sich zudem höhere Jahresarbeitszahlen und damit vorteilhaftere Förderkonditionen erzielen. Auch wenn sich die Ergebnisse manchmal nur geringfügig unterscheiden, können sie dennoch den Ausschlag dafür geben, dass eine bestimmte Förderung erreicht wird.

Einfacher berechnen und optimieren

Einen hohen Rechenaufwand verursachen aufgrund der Wechselwirkungen und Temperaturabhängigkeiten insbesondere Anlagen mit einem hohen Anteil für die Trinkwassererwärmung und Systeme mit mehreren Wärmeerzeugern. So hängt der jeweilige Stromverbrauch einer Wärmepumpenheizung von den Temperaturen im Heizungskreislauf und der Wärmequelle ab. Da sich beide im Jahresverlauf ändern, muss man für jeden einzelnen Zeitabschnitt die Heizwassertemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur am jeweiligen Standort berechnen.

Simulationsprogramme ermitteln diese Werte automatisch in zeitlicher Abhängigkeit und in der gewünschten zeitlichen Auflösung. Auf Basis dieser Simulationen ist eine näher an die Realität heranreichende Vorhersage möglich. Außerdem kann man den Kunden die Folgen eines veränderten Nutzungsprofils für die Jahresarbeitszahl und Wirtschaftlichkeit einer Anlage anhand von Grafiken anschaulich darstellen: Steigen der Warmwasserverbrauch oder die Raumtemperatur-Anforderungen, sinkt die Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Projekte lassen sich auch einfacher optimieren, wenn sie mit unterschiedlichen Randbedingungen durchgerechnet werden – z. B. mit verschiedenen Wärmequellen, Quellengrößen, Speichervarianten, Wärmepumpen und Betriebsweisen. Werden die Alternativen nacheinander berechnet und als kommentierte Anlagenvariante hinterlegt, erleichtert das Systemvergleiche und das Auffinden der jeweiligen Variante. Auch Auslegungsfehler lassen sich vermeiden.

Ein häufiger Fehler ist, dass Sonden nur nach der Leistung der Wärmepumpe ausgelegt werden, nicht jedoch nach dem benötigten Wärmeentzug. Mit Simulationsprogrammen wie WP-OPT lassen sich beide Randbedingungen prüfen. Nützlich ist diese Funktion z. B. dann, wenn eine ältere Wärmepumpe durch eine technisch bessere ersetzt wird, die dem Erdreich mehr Energie entzieht.

Eigenstromnutzung berechnen

Wärmepumpen eignen sich gut für die Kombination mit PV-Anlagen und BHKWs. Der selbst erzeugte Strom kann unmittelbar für den Betrieb der Wärmepumpe genutzt werden und trägt bei sinkender Einspeisevergütung dazu bei, dass sich die Gesamtanlage schneller rechnet. Hinzu kommt, dass sich die Verbindung aus Wärmepumpe und Photovoltaik positiv auf den Jahresprimärenergie-Bedarf eines Wohngebäudes auswirkt, da nach EnEV selbst erzeugter Strom rechnerisch vom Endenergiebedarf eines Gebäudes abgezogen werden kann. Allerdings benötigt eine Wärmepumpe in der Heizperiode zwischen Oktober und April den meisten Strom.

In dieser Zeit liefert eine PV-Anlage aber nur etwa 30 bis 35 % ihres Jahresertrags. Umgekehrt ist der PV-Stromertrag im Sommer am höchsten – just dann, wenn der Heizwärmebedarf eher gering ist. Zum Einsatz kommen deshalb smarte Regelungstechniken, die das Zusammenspiel der Anlagenteile optimieren. Auf die Besonderheiten dieser Systeme gehen Wärmepumpen-Simulationsprogramme zwar in der Regel nicht ein, auch weil sich der Markt derzeit noch entwickelt.

Welchen Stromertrag die PV-Anlage einbringt, lässt sich über einen integrierten PV-Rechner oder eine Schnittstelle zu einem externen Programm in Abhängigkeit von Standort, Ausrichtung und Dachneigung aber relativ genau ermitteln. Die Software berücksichtigt den zeitlichen Verlauf der PV-Stromerzeugung und gibt an, wie viel selbst erzeugter Strom für Warmwasser und Heizung genutzt bzw. als Überschüsse an Elektrospeicher abgegeben werden können. Beim Wirtschaftlichkeitsvergleich kann selbst erzeugter BHKW-Strom als Gewinn einbezogen werden.

Welche Planungsprogramme bietet der Markt?

Wärmepumpen-Planungsprogramme werden maßgeschneidert für die jeweiligen Zielgruppen angeboten: Bauherren und Hauseigentümer können über Online-Wärmepumpenplaner oder -JAZ-Rechner eine Anlage überschlägig auslegen und Fördermöglichkeiten ausloten.

Für Installateure und Fachhandelspartner bieten kostenfreie Berechnungs- und Auslegungsprogramme von Wärmepumpen-Herstellern ähnliche Berechnungsfunktionen wie die im Folgenden genannten herstellerübergreifenden Simulationsprogramme. Allerdings enthält die Datenbank nur Gerätedaten des jeweiligen Herstellers. Meist handelt es sich um eine Firmenversion des Simulationsprogramms WP-OPT von WPsoft, sodass Funktionen und Bedienung mehr oder weniger identisch sind. Deshalb wurde in dieser Marktübersicht beispielhaft nur die Software planSOFT von Vaillant berücksichtigt.

Für Fachplaner und Energieberater sind herstellerübergreifende Simulationsprogramme das geeignete Planungs- und Optimierungswerkzeug. Sie berechnen die förderungsrelevante Jahresarbeitszahl nach VDI 4650-1 und per Simulationsrechnung, machen einen Betriebskostenvergleich mit anderen Energieträgern wie Öl, Gas und Pellets, ermitteln die jährlichen Investitionskosten unter Berücksichtigung der Lebensdauer der Komponenten, der Zinsen und jährlichen 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. Die Einstiegspreise für herstellerunabhängige Wärmepumpen-Simulationsprogramme liegen bei 400 bis 500 Euro, Komplettversionen kosten teilweise deutlich mehr.

Eine tabellarische Auswahl von Wärmepumpen-Planungssoftware finden Sie hier:

Und wie unterscheiden sie sich?

Unterschiede zeigen sich bereits bei den Wärmepumpen-Daten: Realistische Berechnungen bei kritischen Betriebsbedingungen sind nur mit exakten Daten möglich. Je mehr Betriebspunkte, Kenngrößen und Leistungsdaten berücksichtigt werden, desto genauer ist das Berechnungsergebnis.

Ebenso wichtig sind präzise Boden- und Klimadaten für den jeweiligen Standort in Deutschland, wobei erweiterte bzw. weltweite Standortdaten teilweise zusätzlich erworben werden müssen. Während mit allen Programmen gängige Anlagentypen für Heizung oder Warmwasser geplant werden können, werden Betriebsweisen unterschiedlich berücksichtigt.

Auch bei der Art und Qualität der Simulation gibt es Unterschiede: Zum Standard gehören die Simulation der Wärmepumpe, der Wärmequelle sowie der Gebäudenutzung. Kritische Betriebsbedingungen lassen sich jedoch nur anhand zusätzlicher, detaillierter Simulationsrechnungen untersuchen, etwa die Auskühlung des Erdreichs. Schemapläne, Eingabeassistenten oder Vorgabewerte vereinfachen die Eingabe und Auslegung. Plausibilitätskontrollen prüfen Eingabewerte auf Fehler und Unstimmigkeiten.

Allerdings sollten sie eine gewisse Fehlertoleranz aufweisen und nur einen Hinweis anzeigen. Dadurch ist es z. B. im Rahmen von Gutachten möglich, die Folgen von Auslegungsfehlern zu quantifizieren – etwa eine schlechtere Jahresarbeitszahl, die aus einer unterdimensionierten Sonde und einer niedrigeren Quellentemperatur resultiert.

Zu den Ausgabedaten zählen die simulierte, respektive nach VDI 4650-1 bzw. DIN EN 14825 [3] berechnete JAZ, die Nutzenergie, der Stromverbrauch, die Betriebskosten und die Wirtschaftlichkeit. Darüber hinaus werden teilweise auch Quellentemperaturen (min./max.), die CO₂-Einsparung, Laufzeiten, der Druckverlust etc. als Tabelle oder Grafik in der gewünschten zeitlichen Auflösung (Stunde, Tag, Woche, Monat, Jahr) ausgegeben.

Einige Programme überprüfen auch Schallemissionen von Luft-Wärmepumpen und die Anforderung der TA Lärm. Schnittstellen wie ASCII, RTF, DOC, XLS, PDF ermöglichen die Weiterbearbeitung und den digitalen Austausch von Text- und Bildinformationen. Beim Support spielt die Qualität eine wichtige Rolle: Nur wenn die Hotline von Wärmepumpen-Experten betreut wird, können Fachfragen kompetent beantwortet werden.

Wartungsverträge halten WP-Planungsprogramme auf aktuellem Stand, allerdings sind die laufenden jährlichen Kosten sehr unterschiedlich. Bei den Preisangaben sollte man darauf achten, ob es sich um eine Einstiegs- oder Komplettversion handelt.

Simulationen setzten korrekte Eingaben voraus

Simulationen liefern nur dann realistische Ergebnisse, wenn die Eingabewerte stimmen. Das beginnt bereits mit der exakten Bestimmung des Wärmebedarfs. So kann aus einer ungenau ermittelten Heizlast oder einem anderen Nutzungsprofil eine ganze Reihe an Folgeabhängigkeiten entstehen, die sich negativ auf die Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Behaglichkeit auswirken. Mit Wärmepumpen-Planungssoftware kann man den Kunden die Konsequenzen schon in früher Planungsphase aufzeigen und damit Ärger vorbeugen.

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