Im Vergleich zu einer thermischen Kessel (Öl, Gas) muss bei einer Wärmepumpe die Leistung an den Energiebedarf (Heizlast) des Hauses möglichst gut angepasst werden.
Einerseits soll das Haus auch bei kalten Temperaturen noch warm werden. Aus dieser Sichtweise macht man die Wärmepumpe einfach groß genug. Das ist dann teurer und zudem schaltet die Wärmepumpe bei moderaten Temperaturen häufiger ein und aus (takten). Das ist unerwünscht, weil das die Lebensdauer der Pumpe beeinträchtigt wird.
Somit muss man den nötige Energie kennen, die das Haus benötigt, damit es warm wird. Diese Berechnung der Heizlast ist zwingend vorgeschrieben, wenn man eine Förderung nach dem Energiegebäudegesetz (ENGG) erhalten will.
Die Berechnung der Heizlast ist in neuen Gebäuden vorgeschrieben und auch gut zu leisten, weil man ja alle Materialien (Fenster, Außen- und Innenwände, Deckenisolierung, Dach- und Kellerisolierung, Wärmegewinn durch Fenster usw. kennt.
Bei Bestandsgebäuden ist das etwas schwieriger. Deshalb sind hier einfachere Verfahren mit Standartwerten zugelassen. Im Bestandsgebäude ist der Energiebedarf (Öl, Gas) bekannt. Darüber lässt sich die Heizlast in etwa abschätzen.
Folgende Begriffe tauchen auf:
– Heizlast
– Bivalenzpunkt
– COP
– JAZ
– Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert)
Weiterhin spielt die sogenannte Hydraulik eine große Rolle. Damit ist der Heizkreislauf im Haus gemeint. Hier spielen folgende Begriffe eine Rolle:
– Vorlauftemperatur
– Pufferspeicher
– Durchflussmenge
– Heizkörpergröße
– Hydraulischer Abgleich
– Thermostate
Der Warmwasserbedarf wird unabhängig von der Heizlast des Gebäudes berechnet. Hier ist die Berechnung deutlich einfacher. -eine Rolle spielt hier:
– Anzahl der Bewohner ->Wasserbedarf
– Gewünschte Wassertemperatur
– Verluste durch Zirkulationsleitungen
– Verluste Warmwasserspeicher
Wo fangen wir nun an?
Wichtig wäre zu wissen wie viel Heizenergie wir dem Gebäude zuführen müssen, damit wir nicht frieren. Das hängt von der Größe des Gebäudes und der Wärmeisolierung ab. Die verwendeten Materialien wie Wände und Fenster haben einen sogenannten U-Wert, das ist der Wärmedurchgangskoeffizient der beschreibt, wie viel Wärme pro Quadratmeter und pro Kelvin Temperaturunterschied durch ein Bauteil verloren geht.
Hier ein U-Wert Rechner von Caparol für Wände. Man kann hier die notwendige Dämmung ausgerechnet bekommen für den gewünschten U-Wert einer Wand. Den Baustoff der Wand und die Dicke wählt man aus.
Nun wollen wir den maximalen Heizbedarf für einen Raum exemplarisch berechnen:
Der maximale Heizbedarf entsteht an den kältesten Tagen im Jahr. Das ist:
Wie groß müsste nun ein Heizkörper sein für diesen Raum mit 530 Watt Heizlast? Das hängt von der Vorlauf- und Rücklauftemperatur ab und von der Größe des Heizkörpers. Mit diesem Rechner auf der Seite des Bundesverbandes Wärmepumpen (bwp) können sie das berechnen:
Heizkörperrechner
Aha, nun wissen wir für ein exemplarisches Bestandsgebäude, ca. 30 Jahre alt, hat den Heizbedarf von einem 20 m² Raum mit einem Fenster von 0,53 kW. Für den Gesamtbedarf des Hauses sollten aber noch vorhandene Kältebrücken wie betonierte Balkone, ungedämmte Keller und Dachräume hinzukommen. Ein 200 m² Haus hätte nach dem obigen Musterraum ja nur 10 x 0,53=5,3 kW Heizlast. Das ist nur für neue gut gedämmte Häuser realistisch. Ein 30 Jahre altes Haus mit gedämmten Dach und Keller mit 200 m² Wohnfläche hat vermutlich eine Heizlast bei -15 Grad C von 12 bis 16 kW nur für die Heizung. Das warme Wasser wird getrennt berechnet.
Eine andere Art die Heizlast zu bestimmen geht über den bekannten Verbrauch. Bei einem Gasbedarf von 2000 m³/Jahr sind das 22 000 kWh. Nun kann man ca. 4000 kWh für das warme Wasser abziehen. Somit ist man bei 18 000 kWh Verbrauch. Bei 200 m² entspricht das 90 kWh/m². Liegt der Wert über 100 kWh/m² sollte man über eine energetische Sanierung nachdenken.
Hier ein Beispiel über den Jahresverbrauch:
oder
Aber wie kommt man nun auf die Größe der benötigten Wärmepumpe wenn man in etwa die Heizlast kennt? Die Wärmepumpe sollte bei – 7 Grad C Außentemperatur die Energie für das Haus liefern können. Die Heizlast des Hauses ist ja auf die kältesten Tage ausgelegt. Bei diesen wenigen kalten Tage wird zur Unterstützung ein elektrischer Heizsstab zugeschaltet. Deshalb darf der max. Nennwert etwas unter der Heizlast liegen. Natürlich könnte die zweite Heizquelle auch ein Holzofen sein oder eine Gastherme. Das ist jedoch nur sinnvoll, wenn diese Wärmequelle schon vorhanden ist.
Hier das Diagramm einer 10,2 kW Wärmepumpe mit eingezeichneter Heizkurve, in diesem Fall eine Gerade. Sie beginnt bei +15 Grad, bei dieser Außentemperatur beginnt man zu Heizen. Der zweite Punkt ist bei -10 Grad C dort wird die berechnete Heizlast des Gebäudes genommen, hier einmal bei 10kW und einmal für ein Haus mit 12 kW Heizlast.
Einmal liegt der Bivalenzpunkt bei -9 Grad und einmal bei -6 Grad C, sprich, die Wärmepumpe eignet sich ideal für ein Haus mit 11 kW Heizlast, dann wäre der Bivalenzpunkt bei – 7 Grad, wie empfohlen. Der Heizstab wird dann nur wenige Tage im Jahr eingesetzt.
Wenn sie eine Heizlinie mit der Heizlast von 15 kW bei – 10 Grad C einzeichnen, dann liegt der Bivalenzpunkt bei ca -3 Grad, sprich der Heizstab kommt sehr häufig zum Einsatz und das wird teuer. Eine Wärmepumpe arbeitet nur effektiv, wenn die Wärmepumpe exakt zur Heizlast des Gebäudes passt. Deshalb ist eine genaue Heizlastberechnung unumgänglich!
Hier ein Heizlastrechner von bwp Bundesverband Wärmepumpe
Hier ein Heizlastrechner von shk-Beratungsfirma
YouTube Video 14:39 min 5 Arten Heizlastberechnung von shk
Wenn die Wärmepumpe zu groß dimensioniert ist, hier mit einer Leistung von 13,2 kW, wird der Heizstab nicht benötigt. Das hört sich gut an, aber diese Wärmepumpe taktet häufiger, sprich ab +4 bis 5 Grad Außentemperatur schaltet sie immer wieder mal ab. Das ist aber die Hälfte aller Heiztage. Das Ein- und Abschalten geht auf die Lebensdauer der Pumpe. Eine zu große Wärmepumpe ist auch keine gute Idee. Bei Öl- und Gasheizungen ist das Takten unproblematischer.
YouTube Video 18:36 min Wärmepumpe dimensionieren von shk
Nun fehlt es aber noch an der Effizienz der Wärmepumpe. Sie kann zwar das Gebäude beheizen, auch bei Vorlauftemperaturen von 65 Grad C, wie man in dem Diagramm erkennt. Allerdings leidet die Effizienz. Das ist der COP oder die Leistungszahl. Die Leistungszahl ist in untenstehender Tabelle angegeben bei verschiedenen Vorlauf- und Außentemperaturen. Je höher die Vorlauftemperatur der Heizung, um so schlechter der COP.
Wie lässt sich nun die Vorlauftemperatur senken: Durch größere Heizflächen, sprich große Heizkörper oder Fußbodenheizung.
Die Leistungszahl oder Jahresarbeitszahl JAZ lässt sich durch Rechner im Internet in etwa berechnen. Über die Auswahl der Wärmepumpe geben Sie die Heizlast schon vor, in der Annahme sie haben die Heizlast richtig bestimmt. JAZ Rechner von bwp
Nun fehlt noch die Dimensionierung der Erwärmung des Brauchwassers. Natürlich hängt das von den Verhaltensweisen der Bewohner ab! Eine gute Näherung: Jede Person braucht etwa 40 Liter Warmwasser. Nehmen wir nun 4 Personen. Das sind 160 Liter pro Tag. Das Wasser muss auf 50 Grad C erwärmt werden. Wir wissen: Um 1000 Liter Wasser um ein Grad C zu erwärmen, benötigen wir 1,16 kWh. Somit die Formel:
Wassermenge in Liter x Temperaturunterschied Wasser x 1,16 = elektrische Arbeit [Wh]
160 l x (50 – 10 Grad C) x 1,16 = 7424 Wh oder 7,4 kWh.
Für das ganze Jahr: 7,4 kWh x 365 = 2701 kWh Natürlich gibt es hier einen Wirkungsgrad. Verluste entstehen durch den Wärmespeicher und den Verlust in den Rohren. Eine Umwälzpumpe, damit sofort warmes Wasser kommt, ist ein Energiefresser. Zu den 2701 kWh müssen mindestens 20 % zugerechnet werden. Bei einer Umwälzpumpe 30 bis 35 %. Das ergibt für unser 4 Personenhaushalt einen jährlichen Wärmebedarf für das warme Wasser von: 2701 kWh x 1,2 = 3241 kWh.
Man kann sagen, es werden jeden Tag etwa 10 kWh benötigt für das warme Wasser. Das entspricht in etwa 1 m³ Gas oder 1 Liter Heizöl. Diese Wärmemenge liefert die Wärmepumpe immer neben der Gebäudeheizung. An kalten Tagen sind das ca. 5 % vom gesamten Wärmebedarf. Deshalb wird die Berechnung der Wärmemenge für das Brauchwasser getrennt vorgenommen. Die Berechnung ist im Vergleich zur Heizlast einfach und relativ genau.