Nachdem die Heizlast eines Gebäudes gemäß DIN EN 12831 sorgfältig ermittelt wurde, steht die nächste entscheidende Aufgabe an: die Auswahl und Dimensionierung des passenden Wärmeerzeugers. Während dies bei konventionellen Heizkesseln ein relativ geradliniger Prozess ist, erfordert die Auslegung einer Wärmepumpe eine differenziertere Betrachtung. Sie ist ein Balanceakt zwischen Investitionskosten, Effizienz und Versorgungssicherheit.
1. Grundlagen: Was bedeutet „Auslegung“?
Die Auslegung eines Wärmeerzeugers bedeutet, seine Nennleistung (in kW) so zu bestimmen, dass er die ermittelte Heizlast des Gebäudes auch am kältesten Tag des Jahres zuverlässig decken kann.
- Unterdimensionierung: Ein zu klein gewählter Wärmeerzeuger kann das Gebäude bei tiefen Außentemperaturen nicht mehr ausreichend beheizen. Die gewünschte Raumtemperatur wird nicht erreicht.
- Überdimensionierung: Ein zu groß gewählter Wärmeerzeuger, insbesondere ein Heizkessel oder eine Wärmepumpe, neigt zum „Takten“. Das bedeutet, er schaltet sich häufig für kurze Zeit ein und wieder aus. Dieses Verhalten führt zu:
- Geringerer Jahresarbeitszahl (JAZ): Der Stromverbrauch steigt überproportional.
- Erhöhtem Verschleiß der Bauteile (z. B. des Verdichters bei einer Wärmepumpe).
- Schlechteren Emissionswerten bei fossilen Wärmeerzeugern.
Die Gebäudeheizlast ist also der maßgebliche Wert, an dem sich die Leistung des Wärmeerzeugers orientieren muss.
2. Die Besonderheiten der Wärmepumpe
Im Gegensatz zu einem Gas- oder Ölkessel, der seine Nennleistung weitgehend unabhängig von der Außentemperatur bereitstellt, ist die Leistung einer Wärmepumpe variabel. Sie hängt maßgeblich von zwei Faktoren ab:
- Temperatur der Wärmequelle: (Luft, Erdreich, Grundwasser)
- Temperatur des Heizsystems (Vorlauftemperatur): (Heizkörper, Fußbodenheizung)
Grundregel: Je geringer die Temperaturdifferenz (der „Hub“) zwischen Wärmequelle und Vorlauftemperatur ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.
Das bedeutet: An sehr kalten Tagen, wenn die Temperatur der Wärmequelle (z.B. Außenluft) sinkt und gleichzeitig die benötigte Vorlauftemperatur steigt, muss die Wärmepumpe am meisten leisten und arbeitet dabei am ineffizientesten. Genau dieser Punkt, die Norm-Außentemperatur (z.B. -10 °C bis -16 °C je nach Region in Deutschland), ist für die Auslegung entscheidend.
Praxis-Tipp für Bestandsgebäude:
Hinterfrage diesen Wert kritisch! Analysiere die tatsächlichen Energieverbräuche der letzten Jahre (z.B. aus Gas- oder Ölrechnungen). Daraus lässt sich die reale Heizlast oft genauer ableiten als aus einer rein theoretischen Berechnung. Dies schützt vor einer teuren Überdimensionierung, falls das Gebäude in der Praxis weniger Energie benötigt als die Norm vermuten lässt.
3. Auslegungsstrategien für Wärmepumpen
Für Wärmepumpen haben sich drei primäre Auslegungsstrategien etabliert:
a) Monovalente Auslegung
Bei dieser Betriebsweise deckt die Wärmepumpe den gesamten Wärmebedarf des Gebäudes (Heizung und Warmwasser) zu 100 % allein. Ihre Leistung ist so dimensioniert, dass sie auch bei der Norm-Außentemperatur die volle Heizlast erbringen kann.
- Vorteile:
- Kein zweiter Wärmeerzeuger notwendig.
- Einfaches Systemkonzept.
- Nachteile:
- Hohe Investitionskosten, da eine leistungsstarke Wärmepumpe benötigt wird.
- Gefahr der Überdimensionierung für 95 % des Jahres, was zu ineffizientem Takten in der Übergangszeit führen kann.
- Anwendung: Hauptsächlich für sehr gut gedämmte Neubauten mit niedriger Heizlast und geringen Vorlauftemperaturen (idealerweise ≤ 35 °C durch eine Fußbodenheizung).
b) Monoenergetische Auslegung (Der häufigste Fall)
Dies ist die gängigste und oft wirtschaftlichste Methode. Die Wärmepumpe wird so ausgelegt, dass sie ca. 70-90 % der maximalen Heizlast deckt. Für die wenigen sehr kalten Tage im Jahr wird die fehlende Leistung durch eine zweite Wärmequelle derselben Energieform – typischerweise ein integrierter elektrischer Heizstab – bereitgestellt.
Der Punkt, an dem der Heizstab zugeschaltet wird, nennt sich Bivalenzpunkt. Dieser liegt meist bei Außentemperaturen zwischen -2 °C und -7 °C.
- Vorteile:
- Geringere Investitionskosten durch eine kleinere Wärmepumpe.
- Bessere Auslastung und höhere Effizienz über das ganze Jahr, da Taktung vermieden wird.
- Kompaktere Bauweise der Außeneinheit.
- Nachteile:
- An sehr kalten Tagen wird teurer Direktstrom zum Heizen verwendet.
- Die Jahresarbeitszahl (JAZ) kann durch den Einsatz des Heizstabs leicht sinken.
- Anwendung: Standard für die meisten Ein- und Zweifamilienhäuser, sowohl im Neubau als auch in gut sanierten Bestandsgebäuden.
Diagramm: Die rote Linie zeigt die Heizlast des Gebäudes, die mit fallender Außentemperatur steigt. Die blaue Kurve zeigt die fallende Leistung der Wärmepumpe. Wo sich die Linien kreuzen, liegt der Bivalenzpunkt. Rechts davon (wärmer) reicht die Wärmepumpe allein. Links davon (kälter) muss der Heizstab unterstützen.
c) Bivalente Auslegung
Hier wird die Wärmepumpe mit einem zweiten, unabhängigen Wärmeerzeuger kombiniert, der eine andere Energieform nutzt (z. B. ein bestehender Gas- oder Ölkessel).
- Bivalent-alternativ: Die Wärmepumpe arbeitet bis zum Bivalenzpunkt allein. Wird es kälter, schaltet sie ab und der zweite Wärmeerzeuger übernimmt die komplette Versorgung.
- Bivalent-parallel: Die Wärmepumpe läuft so lange wie möglich. Unterschreitet die Außentemperatur den Bivalenzpunkt, schaltet sich der zweite Wärmeerzeuger hinzu und beide laufen gemeinsam.
- Vorteile:
- Ideal für die Modernisierung von unsanierten oder teilsanierten Bestandsgebäuden mit hohen Vorlauftemperaturen bei Minusgraden.
- Ein vorhandener, funktionstüchtiger Kessel kann weitergenutzt werden.
- Hohe Versorgungssicherheit.
- Nachteile:
- Höhere Komplexität in der Regelung.
- Platzbedarf und Wartungsaufwand für zwei Systeme.
- Anwendung: Oft in der Sanierung, um die Grundlast sehr effizient mit der Wärmepumpe zu decken und die Spitzenlast mit dem alten Kessel abzufangen.
4. Zusätzliche Faktoren bei der Auslegung
Neben der reinen Heizlast müssen weitere Aspekte berücksichtigt werden:
- Warmwasserbereitung: Der Bedarf an Warmwasser muss in die Auslegung einfließen. Die Erwärmung des Trinkwassers auf ca. 50-60 °C stellt eine hohe Leistungsanforderung dar. Die Wärmepumpe muss in der Lage sein, den Speicher in angemessener Zeit wieder aufzuladen, ohne dass die Heizleistung darunter leidet. Oft wird die Leistung hierfür etwas höher angesetzt.
- Pufferspeicher: Ein Pufferspeicher ist bei Wärmepumpen fast immer sinnvoll. Er dient dazu:
- Die Laufzeiten der Wärmepumpe zu verlängern und die Taktung zu reduzieren.
- Sperrzeiten des Energieversorgers (EVU-Sperren bei Wärmepumpen-Stromtarifen) zu überbrücken.
- Die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme aufzunehmen, wenn die Heizkreise gerade keine Wärme abnehmen (z.B. weil alle Thermostatventile geschlossen sind).
- Die Abtauenergie für Luft-Wasser-Wärmepumpen bereitzustellen.
- Systemtemperaturen: Die wichtigste Regel lautet: Jedes Grad weniger Vorlauftemperatur verbessert die Effizienz der Wärmepumpe um ca. 2,5 %! Daher ist vor der Installation einer Wärmepumpe immer zu prüfen, ob die Heizflächen (Heizkörper, Fußbodenheizung) für niedrige Temperaturen geeignet sind oder optimiert werden können (z.B. durch einen hydraulischen Abgleich oder den Austausch einzelner Heizkörper).
Fazit
Die Auslegung einer Wärmepumpe ist anspruchsvoller als die eines Kessels. Die monoenergetische Auslegung stellt für die meisten Gebäude in Deutschland den besten Kompromiss aus Investition, Effizienz und Betriebskosten dar. Eine präzise Heizlastberechnung ist die unabdingbare Grundlage, aber die Betrachtung des gesamten Systems – inklusive Warmwasserbedarf, Systemtemperaturen und Pufferspeicher – ist für eine erfolgreiche und zufriedenstellende Anlage ebenso entscheidend.
| Deutsch | Englisch |
|---|---|
| Auslegung (von Wärmeerzeugern) | Sizing / Design (of heat generators) |
| Bivalenter Betrieb | Bivalent operation |
| Bivalenzpunkt | Bivalence point |
| Elektrischer Heizstab | Electric heating element / Backup heater |
| Ganzheitliche Betrachtung | Holistic approach / Integrated view |
| Gesamter Wärmebedarf | Total heat demand |
| Heizlast (nach DIN EN 12831) | Heating load (according to EN 12831) |
| Heizkurve / Heizkennlinie | Heating curve |
| Hydraulischer Abgleich | Hydraulic balancing |
| Jahresarbeitszahl (JAZ) | Seasonal Performance Factor (SPF) |
| Lebensdauer | Lifespan / Service life |
| Leistungsermittlung | Power determination / Performance calculation |
| Monoenergetischer Betrieb | Monoenergetic operation |
| Monovalenter Betrieb | Monovalent operation |
| Norm-Außentemperatur | Standard outdoor temperature / Design temperature |
| Pufferspeicher | Buffer tank / Buffer storage |
| Regelung | Control system / Controller |
| Rücklauf | Return flow |
| Spitzenlastabdeckung | Peak load coverage |
| Takten (häufiges Ein-/Ausschalten) | (Short) Cycling |
| Überdimensionierung | Oversizing |
| Verdichter | Compressor |
| Verschleiß | Wear and tear |
| Vorlauftemperatur | Flow temperature |
| Warmwasserbereitung (WW) | Domestic Hot Water (DHW) preparation |
| Wärmepumpe | Heat pump |