Öl und Gas werden immer teurer, weshalb die Nachfrage nach alternativen Heiztechniken kontinuierlich wächst. Finanzielle Anreize sorgen zusätzlich dafür, dass neben der Solartechnik auch die Heizkosten sparende Wärmepumpe seit einigen Jahren einen Boom mit beachtlichen Zuwachsraten erlebt. Mittlerweile liegt der Anteil von Erdwärmepumpen beim Neubau von Ein- und Zweifamilienhäusern hierzulande bei fast 10 %. Im Nachbarland Schweiz sind es sogar schon 40 %. Doch die Auslegung und Planung entsprechender Anlagen ist keineswegs trivial und eine originäre Aufgabe von TGA-Fachingenieuren.
Ertragsprognosen der Hersteller und ausführenden Unternehmen führen nicht immer zum gewünschten Kostenspar-Effekt, da die Effizienz einer Wärmepumpen-Heizung von zahlreichen Faktoren abhängig ist. Neben den Rahmenbedingungen (Gebäudekonzept, Nutzungsprofil, Geologie etc.) müssen auch alle Systemkomponenten stimmen und aufeinander abgestimmt sein. Hinzu kommt, dass – wie bei anderen regenerativen Energiesystemen auch – die Leistung der Wärmequelle nicht konstant ist, sondern jahreszeitlich schwankt. Da sich auf der anderen Seite auch der Energiebedarf von Wohn- oder Bürogebäuden im Jahresverlauf ändert, müssen Wärmepumpen so ausgelegt werden, dass sie diesen wechselnden Bedingungen sowie den Anforderungen an den Ertrag, die Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und den Komfort genügen.
Was leistet Wärmepumpen-Software?
Zwar reichen für Standardfälle auch Erfahrungswerte oder die VDI 4650 zur überschlägigen Ermittlung von Ertragswerten wie der Arbeitszahl. Insbesondere Anlagen mit Warmwasserbereitung oder Systeme mit mehreren Wärmeerzeugern erfordern aufgrund zahlreicher Wechselwirkungen und der Temperaturabhängigkeiten zwischen Heizung und Wärmequelle einen hohen Rechenaufwand. Deshalb wurden Planungs- und Simulationsprogramme entwickelt, die den Rechenvorgang beschleunigen, Anlagen optimieren helfen, Planer und Fachbetriebe bei der Akquisition, Auslegung und Realisierung unterstützen. Auf der Basis vorgegebener Systemdaten der Heizungsanlage werden wichtige Betriebsparameter ermittelt. Ändert man diese Systemdaten, berechnet die Software auch die Betriebsdaten neu. Die Programme berechnen die für die BAFA-Förderung wichtige Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 [1] und teilweise auch zusätzlich durch Simulation, machen einen Betriebskostenvergleich mit anderen Energieträgern wie Öl, Gas, Pellets etc., ermitteln die jährlichen Investitionskosten unter Berücksichtigung der Lebensdauer der Komponenten, der Zinsen und jährlicher 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. Als Ergebnis erhält man eine technisch optimierte Wärmepumpen-Heizung mit aufeinander abgestimmten Komponenten. Darüber hinaus kann Wärmepumpen-Software auch die Investitionssicherheit steigern. Ab wann sich die Wärmepumpe „rechnet“, hängt nämlich von einigen Unwägbarkeiten ab – etwa der Öl- und Gaspreisentwicklung. Der Einsatz von Wärmepumpen-Software im frühen Projektstadium kann dazu beitragen, Investitionsrisiken zu minimieren, Bauherren oder Investoren zu überzeugen und so Projekte schneller zu realisieren.
Warum simulieren?
Wer sich für eine moderne Erdwärmepumpen-Heizung interessiert und bereit ist, das zwei bis dreifache gegenüber einer konventionellen Öl- oder Gasheizung zu investieren, will möglichst präzise wissen, wie groß die Betriebskosten-Einsparung ausfällt. Weil die Leistungsdaten von Wärmepumpenheizungen aber sehr temperaturabhängig sind und weil es diverse Wechselwirkungen gibt, erfordern verlässliche Prognosen einen großen Rechenaufwand: So hängt der jeweilige Stromverbrauch einer Wärmepumpenheizung von den Temperaturen im Heizungskreislauf und der Wärmequelle ab. Da sich beide im Jahresverlauf ändern, müsste man die Heizwassertemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur am jeweiligen Standort und für den jeweiligen Zeitabschnitt berechnen, was rechenaufwendig ist. Simulationsprogramme ermitteln diese Werte automatisch in zeitlicher Abhängigkeit. Auf Basis dieser Simulationen ist eine näher an die Realität heranreichende Voraussage möglich. Außerdem kann man Bauherren die Folgen eines veränderten Nutzungsprofils plausibler erklären, wenn z.B. ein höherer Warmwasserverbrauch oder höhere Raumtemperaturen notwendig werden. Das Programm berechnet – ausgehend von den Monats-Durchschnittstemperaturen am Gebäudestandort und dem Wärmebedarf des Hauses – die benötigten Wärmemengen und momentanen Heizwassertemperaturen. Die Warmwasserbereitung wird je nach Speichertyp und Temperaturanforderungen ebenfalls in die Berechnung einbezogen. Gemäß der technischen Parameter der Wärmepumpe wird mit Beginn der Heizperiode die Abkühlung der Wärmequelle durch den Wärmeentzug berechnet. Bei Soleanlagen wird der Wärmeübergang entsprechend der strömungstechnischen Eigenschaften sowie der Beschaffenheit von Frostschutzmittel, Absorberrohr und Erdreich einbezogen. Aufgrund der aktuellen Temperaturen von Heizwasser und Wärmequelle ergeben sich die Laufzeiten und der Stromverbrauch der Wärmepumpe. Diese Werte werden aufsummiert und zur Berechnung der Jahresarbeitszahl bzw. der Betriebskosten verwendet.
Welche Parameter werden berücksichtigt?
Für eine korrekte Berechnung des Gesamtsystems „Wärmepumpen-Heizung“ müssen zahlreiche Parameter berücksichtigt werden: Die Art der Wärmequelle (Horizontalabsorber, Erdsonden, Wasser, Luft oder Kombinationen), die Absorberfläche und -länge, die Anzahl und Tiefe der Erdsonden, geologische Verhältnisse (Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte), der Feuchtegehalt des Erdreichs sowie die durch die Kälteleistung der Wärmepumpe bedingte Temperaturabsenkung, um eine mögliche Bodenvereisung im Vorfeld auszuschließen. Auch die Warmwasserbereitung ist wichtig: die Art des Speichers (Schichtung, Größe), der durchschnittliche Tages-Warmwasserbedarf, technische Wärmepumpendaten, die elektrische Leistungsaufnahme, die thermische Leistung und Kälteleistung in Abhängigkeit von der Quellen- und der Heizwassertemperatur, die Betriebsweise (mono-/bivalent, mono-/bienergetisch) oder die Temperaturdifferenz am Verdampfer und Verflüssiger. Auch die Gebäudedaten wie Heizlast bzw. Wärmebedarf, inklusive solarer und interner Gewinne oder die gewünschte Raumtemperatur sind natürlich bedeutsam. Relevant sind auch die klimatischen Verhältnisse, die Energieversorger-Tarife (Sperrzeiten, Hoch- und Niedertarifzeiten, Stromkosten), die Wärmeverteilung im Gebäude (Fußboden-, Wandheizung, Heizkörper) – und viele weitere Parameter. Sind einzelne Parameter nicht bekannt, können teilweise vorgeschlagene Pauschalwerte übernommen werden. Eine vom Nutzer erweiterbare Datenbank mit Klimadaten aus Deutschland und den europäischen Nachbarländern, Bodenarten, dem Bodentemperatur-Jahresverlauf, aktuellen Wärmepumpen etc. sorgt für sofortige Einsetzbarkeit und Flexibilität der Software.
Was bietet der Markt?
Trotz hoher Wachstumsraten im Wärmepumpenmarkt lassen sich die Anbieter von Wärmepumpensoftware für Planer an den Fingern einer Hand abzählen, was wohl historisch bedingt ist. Bis vor Kurzem noch haben Wärmepumpen ein Nischendasein geführt. Zwar gab es nach der ersten Ölpreiskrise schon einmal einen Absatzzuwachs, der jedoch aufgrund wieder sinkender Ölpreise und technischer Probleme abflachte und erst Mitte der 90er-Jahre wieder anzog. Softwarehersteller konnten sich aufgrund dieser wechselhaften Marktsituation kaum etablieren und so kam es, dass sich hierzulande letzendlich nur ein Anbieter (WPsoft) auf diesen Bereich spezialisiert hat. Von dem herstellerneutralen Programm WP-OPT dieses Herstellers werden zusätzlich Firmenversionen offeriert, die eine Auslegung mit den Komponenten eines Herstellers ermöglichen (IDM, Vaillant, Viessmann etc.). Alle anderen Anbieter/Programme berücksichtigen entweder nur Anlagendetails wie die Sondenauslegung (z.B. EED) oder es handelt sich um Gebäudesimulations-Programme (z.B. DK-Integral, POLYSUN oder TRNSPILE), welche Wärmepumpen als einen Baustein im Gesamtsystem Gebäude betrachten. Diese deutlich komplexeren Lösungen setzen einen höheren Eingabeaufwand voraus und haben vor allem bei Sonderprojekten ihre Berechtigung – etwa bei Büro- oder Industriegebäuden mit hohen solaren bzw. internen Gewinnen aus Beleuchtungs- und/oder PC-/Maschinen-Abwärme. Neben Planer-Versionen werden auch (Online-)Auslegungshilfen von Wärmepumpenherstellern offeriert. Sie leiten den Anwender Schritt für Schritt durch die Anlagendefinition und Parameterauswahl, erläutern Abfragen in Wort und Bild, machen den Vorgang damit auch für Bauherren verständlich und nachvollziehbar. Nach der Eingabe der Haus-, Warmwasser-, Tarif-, und Wärmequellendaten schlägt das Programm die geeigneten Wärmepumpen aus dem Herstellerprogramm vor und gibt den dazu passenden Speicher gleich mit an. Stehen mehrere Varianten zur Auswahl, können diese schnell durchgerechnet werden, um die unter energetischen oder ökonomischen Gesichtspunkten beste Lösung zu bestimmen. Für eine Grobauslegung und -kalkulation der Betriebswerte genügen auch diese einfachen Werkzeuge. Weichen Anlagen jedoch vom Standard ab und will man bei seiner Auswahl auch andere Wärmepumpenhersteller berücksichtigen, sind herstellerneutrale Planerlösungen sinnvoller. Die Preise dafür liegen zwischen 400 und 1000 Euro, Auslegungshilfen von Wärmepumpen-Herstellern sind in der Regel kostenlos.
Fazit: Kontrolle ist besser!
Natürlich lassen sich einfache Anlagen für Ein- oder Mehrfamilienhäuser auch aufgrund von Erfahrungswerten planen. Schneller, sicherer und genauer in der Aussage ist jedoch Simulationssoftware. Bei bivalenten Systemen, komplexen Rahmenbedingungen oder Sonderprojekten ist sie unerlässlich. Ob das Ergebnis später der Realität entspricht, hängt auch davon ab, wie präzise Anlage und Rahmenbedingungen erfasst wurden. Ist der Input falsch oder ungenau (Energiebedarf, Nutzungsprofil, Anlagendaten etc.), liefern Simulationsprogramme Fehlprognosen. Deshalb sollte das Ergebnis kritisch hinterfragt und möglichst anhand vergleichbarer Anlagen überprüft werden. Ganz wichtig ist auch eine frühzeitige interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Geologe, Architekt, Fachingenieur und den ausführenden Unternehmen.
Marian Behaneck
INFO
Das Wärmepumpen-Prinzip …
… beruht darauf, dass Wärme aus der Umgebung (Luft, Grundwasser oder Erdboden) auf ein höheres, für die Gebäudeheizung nutzbares Temperaturniveau angehoben (gepumpt) wird. Dafür sorgt ein meist elektrisch angetriebenes, dem Kühlschrank-Prinzip analoges System unter umgekehrten Vorzeichen, bestehend aus einem Verdichter und einem Verdampfer. Wärmepumpen heizen, bereiten warmes Wasser und kühlen im Sommer. Das funktioniert auch dann, wenn der Boden gefroren bzw. wenn es in den Sommermonaten sehr heiß ist. Korrekt geplante, ausgeführte und betriebene Wärmepumpenanlagen können einen bedeutenden Beitrag zur CO2-Einsparung und Nutzung erneuerbarer Energien leisten. Werden Wärmepumpen zudem mit FKW-freien Kältemitteln und mit dem etwas teureren Ökostrom betrieben, sind sie nicht nur aus ökonomischer, sondern auch aus ökologischer Sicht eine echte Alternative zu herkömmlichen Heizungs- und Kühlsystemen [2]. Zu den Nachteilen der Wärmepumpe gehören der deutlich höhere apparative Aufwand, die höheren Kosten für Erdsonden und Systemkomponenten sowie die Abhängigkeit von elektrischer Energie, die zu etwa einem Viertel zugeführt werden muss. Wärmepumpen arbeiten umso wirtschaftlicher, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizung bzw. deren Vorlauftemperatur ist, weshalb sich eher Flächenheizungen für einen wirtschaftlichen Betrieb eignen. Ein Maß für den Ertrag ist das Verhältnis aus zugeführter elektrischer Leistung und der nutzbaren Wärmeleistung. Es wird als Leistungszahl (COP) bezeichnet und liegt zwischen 2 (Luftwärmepumpe) und 7 (Wasserwärmepumpe). Während die Leistungszahl ein Momentanwert ist, gibt der realistischere Periodenwert der Jahresarbeitszahl (JAZ) das Verhältnis aus der von der Wärmepumpe abgegebenen Wärmemenge und der benötigten elektrischen Arbeit für das gesamte Jahr an.
Programme / Anbieter (Auswahl, Stand: 10/09)
DK-Integral / Delzer Kybernetik https://www.delzer.de/
EED / Blocon Sweden http://www.blocon.se
Logasoft WP online / Buderus http://www.buderus.de
NIBE-DIM / Nibe Systemtechnik http://www.nibe.de
Online-Planer / Dimplex https://dimplex.de/
POLYSUN / Vela Solaris AG http://www.velasolaris.com
TERRA-OPT / IDM-Energiesysteme http://www.idm-energie.com
TRNSPILE / Transsolar Energietechnik http://www.transsolar.de
Wärmepumpe http://www.hottgenroth.de
WP-OPT / WPsoft https://wp-opt.de/
WP-Pro / Junkers http://www.junkers.com
Vito-WP / Viessmann Werke http://www.viessmann.de
Literaturhinweise und Webseiten zum Thema Wärmepumpen
Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG), Bundesgesetzblatt Jahrgang 2008 Teil I, Nr. 36
Steffl. J./Heller W.: Wärmepumpen – die sparsame und ökologische Heizungsalternative, Teil 1: Grundlagen, Teil 2: Planung, IHKS-Fachjournal 2006/2007
VDI 4650-1 Berechnung von Wärmepumpen – Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresaufwandszahlen von Wärmepumpenanlagen, Beuth-Verlag
Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle: „Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt“
Fördergemeinschaft Wärmepumpen http://www.fws.ch
Bundesverband Geothermie http://www.geothermie.de
Basisinfos, Suchwort „Wärmepumpe“ https://www.wikipedia.de/
Bundesverband Wärmepumpe (BWP) https://www.waermepumpe.de/
Quellen:
[1] Hönig, Ch.: „Jahresarbeitszahlen garantieren?“, TGA-Fachplaner, Heft 10/08, Seite 64–67
[2] Quaschning, V.: „Renaissance der Wärmepumpe“, Sonne Wind & Wärme, Heft 9/06, Seite 28–31
