Auslegungssache: Wärmepumpen in 2 Schritten richtig auslegen!

Der Auslegungspunkt einer klassischen Heizung bezieht sich auf die tiefste Außentemperatur am Aufstellungsort. Wärmepumpen werden hingegen – außer bei leistungsgeregelten Wärmepumpen – in der Regel auf 70 % der benötigten Heizlast ausgelegt. An sehr kalten Tagen wird der Restbedarf dann durch einen Elektroheizstab gedeckt. So vermeidet man eine Überdimensionierung und stellt sicher, dass die Wärmepumpe an den allermeisten anderen Tagen des Jahres optimal, monovalent läuft. Wir zeigen Ihnen hier, wie Sie in zwei Schritten, eine Wärmepumpe richtig auslegen!

Eine genaue Auslegung und Dimensionierung der benötigten Heizleistung einer Wärmepumpe ist entscheidend für einen effizienten und langlebigen Betrieb. Ist die Wärmepumpe zu groß berechnet oder eben zu klein dimensioniert, resultieren unnötig hohe Heizkosten und das Risiko von Betriebsstörungen.

Um eine Wärmepumpe richtig auszulegen, müssen Sie zunächst die Heizlast nach folgender Formel bestimmen:

\(\dot{Q}_{H,B} = \dot{Q}_{H,N} \cdot {\vartheta_{H,G} - \vartheta_{B} \over \vartheta_{H,G} - \vartheta_{N}}\)

Handelt es sich um eine bivalente Wärmepumpe, so wird die Heizlast H des Gebäudes im sogenannten Bivalenzpunkt B ermittelt. Typischerweise handelt es sich dabei um eine Luftwärmepumpe, die z.B. ab einer Außentemperatur von -5 Grad ein zweites Heizsystem wie einen Heizstab oder eine Gasbrennwerttherme benötigt, um die vollständige Heizlast zu decken.

Soll eine Erdwärmeheizung z. B. monovalent ausgelegt werden, so kann man diesen Auslegungsschritt überspringen und im zweiten Schritt mit der eigentlichen Gebäudeheizlast H im Normauslegungspunkt N weiterrechnen.

Um die Heizlast im Bivalenzpunkt zu ermitteln, wird dann zunächst die ermittelte Gebäudeheizlast Q_H,N in die Formel eingefügt, z. B. 10 kW, und mit einem Bruch aus Heizgrenztemperatur ϑ_H,G, Bivalenztemperatur ϑ_B und Normauslegungstemperatur ϑ_N multipliziert.

Um den Bruch zu berechnen, wird dann im Zähler von der Heizgrenztemperatur ϑ_H,G (z. B. 15°C) die Bivalenztemperatur ϑ_B von z.B. -5°C subtrahiert. Die Bivalenztemperatur hängt letztlich von der Leistungskurve der gewählten Wärmepumpe ab.

Im Nenner wird von der Heizgrenztemperatur die Normauslegungstemperatur ϑ_N von z. B. – 10°C abgezogen. Die Normauslegungstemperatur ist dabei stark vom Standort abhängig. Im Norden kann diese z. B. – 8°C betragen, im Süden sogar – 16°C.

Beispiel zur Berechnung der Heizlast des Gebäudes im Bivalenzpunkt von -5°C:

10 kW x (15°C – (-5°C)) / (15°C – (-10°C)) = 10 kW x 0,8 = 8 kW

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Aber welche Leistung benötigt denn jetzt eigentlich die Wärmepumpe? Um jetzt die Größe der Wärmepumpe den Allgemeinen Regeln der Technik folgend auszulegen, wird die Wärmepumpengröße, wie auch bei anderen Wärmeerzeugern, anhand einer Heizleistungs- bzw. Heizlastberechnung gemäß der EN 12831 bestimmt.

Die erforderliche Heizleistung der Wärmepumpe wird dann – insbesondere für Ein- und Zweifamilienhäuser - nach folgender Formel berechnet:

\(\dot{Q}_{WP} = {d \cdot \dot{Q}_{H,B} + \dot{Q}_{WW} \over d - \sum{t}}\)

Die benötigte Heizleistung der Wärmepumpe Q_WP ist dann das Ergebnis folgender Faktoren:

• Heizwärmebedarf Q_H,B im Bivalenzpunkt oder
• bei monovalenter Auslegung Q_H die Gebäudeheizlast
• Leistungsbedarf für Trinkwarmwasser Q_WW
• Anzahl der Nutzungsstunden pro Tag d
• Summe der Sperrzeiten pro Tag t

Die benötigte Energiemenge pro Tag Q_TW, die man für die Warmwasserbereitung benötigt, kann für Ein- und Zweifamilienhäuser vereinfacht mit folgender Faustformel berechnet werden:

1,45 kWh pro Person und Tag x 2 (zum Ausgleich von Speicher- und Rohrleitungsverlusten)

Beispiel zur Berechnung der wirklich erforderlichen Heizleistung einer Wärmepumpe:

24 h x 8 kW + 5 kWh / 24h – 4h = 9,85 kW

Für Mehrfamilienhäuser und andere Anwendungssituationen kann die folgende Auslegungsformel herangezogen werden. Hier wird z. B. der Leistungsbedarf für Sonderanwendungen Q_S berücksichtigt.

Der Sperrzeitfaktor f_Sperr ist in dieser Auslegungsformel bereits aus dem Quotienten aus der täglichen Nutzungsdauer (24 h) und der Differenz aus den täglichen Nutzungsstunden abzüglich der Sperrzeiten gebildet worden.

\(\dot{Q}_{WP} = (\dot{Q}_{H,B} + \dot{Q}_{WW} + \dot{Q}_{S}) \cdot f_{Sperr}\)

Beispiel-Rechnung:

(6 kW + 0,8 kW + 0,2 kW) x 1,2 = 8,16 kW

Mit dieser Leistung kann dann ein entsprechendes Modell ausgesucht werden, dass beim eingesetzten Bivalenzpunkt diese Wärmepumpen-Leistung erbringt.

Wer grob wissen möchte, wie groß eine Wärmepumpe in seinem/ ihrem Haus ausfallen würde, kann dies aus dem Verbrauch entsprechend der Heizstunden am Standort berechnen:

10.000 kWh / 2.000 h = 5 kW

Liegt ein Energieausweis vor, so kann man für eine überschlägige Auslegung auch den spezifischen Energiebedarf des Gebäudes in Kilowattstunden (kWh) pro Quadratmeter (m²) und Jahr (a) heranziehen:

(120 kWh/m²*a x 130m²) / 1.900 h = 8,2 kW

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Wärmepumpen reagieren auf Planungsmängel bei ihrer Auslegung besonders empfindlich:

• Übermäßig hohe Vorlauftemperaturen,
• niedrige Verdampfungstemperaturen durch Behinderung des Luftstromes und
• hohe Schalthäufigkeiten

können den Stromverbrauch im ungünstigsten Fall verdoppeln. Durch übermäßigen Einsatz des Heizstabs sind noch ungünstigere Verbräuche möglich.

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Viele Hersteller, Beratungsfirmen oder wissenschaftliche Einrichtungen bieten kostenlose Wärmepumpen-Rechner zur überschlägigen als auch detaillierteren Auslegung von Wärmepumpen an.

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