Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen - ais

Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen
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Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen
4.1
Vorgehensweise
Die notwendigen Schritte zur Planung und Auslegung
eines Heizsystems mit Wärmepumpe sind in Bild 49 dargestellt. Eine ausführliche Beschreibung finden Sie in
den nachfolgenden Kapiteln.
Berechnung des Energiebedarfs
wird berechnet mit
Heizung
Warmwasser
wird berechnet mit
Faustformel, DIN EN 12831
Faustformel, DIN 4708
Auslegung und Auswahl der Wärmepumpe
Betriebsweise
monoenergetisch
monovalent
bivalent
Sperrzeiten EVU
Geräteauswahl
Planungsbeispiele (Auswahl der Anlagenhydraulik)
Anlagentypen
1 Heizkreis
2 Heizkreise
Warmwasserbereitung
Pufferspeicher
bivalent-paralleler Betrieb
6 720 615 946-27.2O
Bild 49
6 720 615 946 (2010/03)
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Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen
4.2
Ermittlung der Gebäudeheizlast (Wärmebedarf)
Eine genaue Berechnung der Heizlast erfolgt nach
DIN EN 12831.
Nachfolgend sind überschlägige Verfahren beschrieben,
die zur Abschätzung geeignet sind, jedoch keine detaillierte individuelle Berechnung ersetzen können.
4.2.1
Bestehende Objekte
Bei Austausch eines vorhandenen Heizsystems lässt sich
die Heizlast durch den Brennstoffverbrauch der alten
Heizungsanlage abschätzen.
4.2.2
Neubauten
Die benötigte Wärmeleistung für die Heizung der Wohnung bzw. des Hauses lässt sich grob überschlägig über
die zu beheizende Fläche und den spezifischen Wärmebedarf ermitteln. Der spezifische Wärmeleistungsbedarf
ist abhängig von der Wärmedämmung des Gebäudes
(Tabelle 31).
Art der Gebäudedämmung
.
spezifische Heizlast q
[W/m2]
Bei Gasheizungen:
Verbrauch [ m 3 ⁄ a ]
·
Q [ kW ] = -----------------------------------------------250 m 3 ⁄ a kW
Bei Ölheizungen:
Verbrauch [ l ⁄ a ]
·
Q [ kW ] = -----------------------------------------250 l ⁄ a kW
Dämmung nach
EnEV 2002
40 - 60
Dämmung nach
EnEV 2009
KfW-Effizienzhaus 100
30 - 35
KfW-Effizienzhaus 70
15 - 30
10
Passivhaus
Um den Einfluss extrem kalter oder warmer
Jahre auszugleichen, muss der Brennstoffverbrauch über mehrere Jahre gemittelt
werden.
Beispiel:
Zur Heizung eines Hauses wurden in den letzten 10 Jahren insgesamt 30000 Liter Heizöl benötigt. Wie groß ist
die Heizlast?
Der gemittelte Heizölverbrauch pro Jahr beträgt:
30000 Liter
Verbrauch [ l ]
Verbrauch [ l ⁄ a ] = ----------------------------------- = -----------------------------10 Jahre
Zeitraum [ a ]
= 3000 l/a
Die Heizlast berechnet sich damit zu:
Tab. 31 spezifischer Wärmebedarf
.
Der Wärmeleistungsbedarf Q berechnet sich aus der
beheizten Fläche A und dem spezifischen Wärme.
leistungsbedarf q wie folgt:
·
Q [ W ] = A [ m 2 ] ⋅ q· [ W/m 2 ]
Beispiel
Wie groß ist die Heizlast bei einem Haus mit 150 m2 zu
beheizender Fläche und Wärmedämmung nach
EnEV 2009?
Aus Tabelle 31 ergibt sich für Dämmung nach EnEV 2009
eine spezifische Heizlast von 30 W/m2. Damit berechnet
sich die Heizlast zu:
·
Q
3000 l ⁄ a
·
Q [ kW ] = --------------------------------- = 12 kW
250 l ⁄ a kW
= 150 m 2 ⋅ 30 W⁄ m 2
= 4500 W
= 4,5 kW
Die Berechnung der Heizlast kann auch nach
Kapitel 4.2.2 erfolgen. Die Anhaltswerte für den spezifischen Wärmebedarf sind dann:
Art der Gebäudedämmung
.
spezifische Heizlast q
[W/m2]
Dämmung nach
WSchVO 1982
60 - 100
Dämmung nach
WSchVO 1995
40 - 60
Tab. 30 spezifischer Wärmebedarf
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6 720 615 946 (2010/03)
Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen
4.2.3
Zusatzleistung für Warmwasserbereitung
Wenn die Wärmepumpe auch für die Warmwasserbereitung eingesetzt werden soll, muss die erforderliche
Zusatzleistung bei der Auslegung berücksichtigt werden.
Die benötigte Wärmeleistung zur Bereitung von Warmwasser hängt in erster Linie vom Warmwasserbedarf ab.
Dieser richtet sich nach der Anzahl der Personen im
Haushalt und dem gewünschten Warmwasserkomfort.
Im normalen Wohnungsbau werden pro Person ein Verbrauch von 30 bis 60 Litern Warmwasser mit einer Temperatur von 45 °C angenommen.
Um bei der Anlagenplanung auf der sicheren Seite zu
sein und dem gestiegenen Komfortbedürfnis der Verbraucher gerecht zu werden, wird eine Wärmeleistung
von 200 W pro Person angesetzt.
Beispiel:
Wie groß ist die zusätzliche Wärmeleistung für einen
Haushalt mit vier Personen und einem Warmwasserbedarf von 50 Litern pro Person und Tag?
Die zusätzliche Wärmeleistung pro Person beträgt
0,2 kW. In einem Haushalt mit vier Personen beträgt
somit die zusätzliche Wärmeleistung:
·
QWW = 4 ⋅ 0,2 kW = 0,8 kW
4.2.4
Zusatzleistung für Sperrzeiten der EVU
Viele Energieversorgungsunternehmen (EVU) fördern die
Installation von Wärmepumpen durch spezielle Stromtarife. Im Gegenzug für die günstigeren Preise behalten
sich die EVU vor, Sperrzeiten für den Betrieb der Wärmepumpen zu verhängen, z. B. während hoher Leistungsspitzen im Stromnetz.
Monovalenter und monoenergetischer Betrieb
Bei monovalentem und monoenergetischem Betrieb
muss die Wärmepumpe größer dimensioniert werden,
um trotz der Sperrzeiten den erforderlichen Wärmebedarf eines Tages decken zu können. Theoretisch berechnet sich der Faktor für die Auslegung der Wärmepumpe
zu:
24 h
f = ---------------------------------------------------------------------24 h – Sperrzeit pro Tag [h]
In der Praxis zeigt sich aber, dass die benötigte Mehrleistung geringer ist, da nie alle Räume beheizt werden
und die tiefsten Außentemperaturen nur selten erreicht
werden.
6 720 615 946 (2010/03)
Folgende Dimensionierung hat sich in der Praxis
bewährt:
Summe der Sperrzeiten pro Tag [h]
zusätzliche Wärmeleistung
[% der Heizlast]
2
5
4
10
6
15
Tab. 32
Deshalb genügt es, die Wärmepumpe ca. 5 % (2 Sperrstunden) bis 15 % (6 Sperrstunden) größer zu dimensionieren.
Bivalenter Betrieb
Im bivalenten Betrieb stellen die Sperrzeiten i. A. keine
Beeinträchtigung dar, da ggf. der zweite Wärmeerzeuger
startet.
4.3
Auslegung der Wärmepumpe
In der Regel werden Wärmepumpen in folgenden
Betriebsweisen ausgelegt:
• monovalente Betriebsweise
Die gesamte Gebäudeheizlast und die Heizlast für die
Warmwasserbereitung wird von der Wärmepumpe
gedeckt (für Luft/Wasser-Wärmepumpen eher nicht
üblich).
• monoenergetische Betriebsweise
Die Gebäudeheizlast und die Heizlast für die Warmwasserbereitung wird überwiegend von der Wärmepumpe gedeckt. Bei Bedarfsspitzen springt ein
elektrischer Zuheizer ein.
• bivalente Betriebsweise
Die Gebäudeheizlast und die Heizlast für die Warmwasserbereitung wird überwiegend von der Wärmepumpe gedeckt. Bei Bedarfsspitzen springt ein
weiterer Wärmeerzeuger (Öl, Gas, elektrischer Zuheizer) ein.
Eine überschlägige Kurzauslegung ist auch
über das Online -Programm Junkers
VPW 2100 möglich. Dieses Auslegungsprogramm ersetzt keine detaillierte Planung
zum jeweiligen Vorhaben!
65
Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen
4.3.1
Monoenergetische Betriebsweise
Monoenergetischer Betrieb berücksichtigt immer, dass
Spitzenleistungen nicht alleine durch die Wärmepumpe
abgedeckt werden, sondern mit Hilfe eines elektrischen
Zuheizers. Dieser unterstützt sowohl die Heizung als
auch die Warmwasserbereitung je nach Bedarf. Dazu
wird schrittweise die jeweils erforderliche Leistung beigesteuert (bis zu 9 kW).
Beispiel:
Wichtig ist die Auslegung so vorzunehmen, dass ein möglichst geringer Anteil an elektrischer Direktenergie zugeführt wird. Eine deutlich zu niedrig dimensionierte
Wärmepumpe führt zu einem unerwünscht hohen
Arbeitsanteil des elektrischen Zuheizers und damit zu
erhöhten Stromkosten.
Die Heizlast berechnet sich zu:
Im Combi Modul ist ein elektrischer Zuheizer bereits
integriert. Für Anlagen ohne Combi Modul ist ein separater Zuheizer AH 9 als Zubehör lieferbar.
Wie groß ist die Leistung der Wärmepumpe (Betrieb A2/
35) zu wählen bei einem Gebäude mit 150 m2 Wohnfläche, 30 W/m2 spezifischer Heizlast, Norm-Außentemperatur –12 °C, 4 Personen mit 50 Liter
Warmwasserbedarf pro Tag und vier Stunden tägliche
Sperrzeit der EVU?
·
Q H = 150 m 2 ⋅ 30 W⁄ m 2
= 4500 W
Die zusätzliche Wärmeleistung zur Bereitung von Warmwasser beträgt 200 W pro Person und Tag. In einem
Haushalt mit vier Personen beträgt somit die zusätzliche
Wärmeleistung:
·
QWW = 4 ⋅ 200 W = 800 W
Die Summe der Heizlasten für Heizung und Warmwasserbereitung beträgt somit:
·
·
·
Q HL = Q H + Q WW
= 4500 W + 800 W = 5300 W
Für die zusätzliche Wärmeleistung durch Sperrzeiten
muss nach Kapitel 4.2.4 die von der Wärmepumpe zu
deckende Heizlast bei 4 Stunden Sperrzeit um ca. 10 %
angehoben werden:
·
·
QWP = 1,1 ⋅ Q HL
= 1,1 ⋅ 5300 W = 5830 W
66
6 720 615 946 (2010/03)
Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen
4.3.2
Bivalente Betriebsweise
Bivalente Betriebsweise setzt immer einen zweiten Wärmeerzeuger voraus, z. B. einen Öl-Heizkessel oder ein
Gas-Heizgerät oder einfach den im Gerät integrierten
elektrischen Zuheizer.
Für Häuser mit geringem Wärmebedarf kann
der Bivalenzpunkt auch bei niedrigeren
Temperaturen liegen (Æ.Bild 50).
In Bild 50 zeigt die schwarze Kurve den Wärmeleistungsbedarf (6 kW bei –12 °C, 0 kW bei 20 °C), die farbigen
Kurve die Leistung der verschiedenen Wärmepumpen.
Die Schnittpunkte der farbigen Kurven mit der schwarzen sind die jeweiligen Bivalenzpunkte.
Der Bivalenzpunkt beschreibt die Außentemperatur, bis
zu der die Wärmepumpe den berechneten Heizwärmebedarf allein ohne den zweiten Wärmeerzeuger deckt.
Zur Auslegung einer Wärmepumpe ist die Bestimmung
des Bivalenzpunktes entscheidend. Die Außentemperaturen in Deutschland sind abhängig von den örtlichen klimatischen Bedingungen. Da aber im Schnitt nur an ca.
20 Tagen im Jahr eine Außentemperatur von unter –5 °C
herrscht, ist auch nur an wenigen Tagen im Jahr ein paralleles Heizsystem, z. B. ein elektrischer Zuheizer, zur
Unterstützung der Wärmepumpe erforderlich.
Im Temperaturbereich rechts der Bivalenzpunkte kann
der Wärmebedarf alleine von der Wärmepumpe gedeckt
werden. Im Temperaturbereich links der Bivalenzpunkte
entspricht die Strecke zwischen den Kurven der benötigten zusätzlichen Heizleistung.
Im Beispiel lässt sich ablesen, dass der Bivalenzpunkt
für die SAI/SAO 70 bei –8 °C liegt. Die zusätzliche Heizleistung bei der Normtemperatur von –12 °C beträgt ca.
1,5 kW und kann durch den elektrischen Zuheizer beigetragen werden.
In Deutschland empfehlen wir folgende Bivalenzpunkte:
• –4 °C bis –7 °C bei einer Normaußentemperatur von
–16 °C (nach DIN EN 12831)
• –3 °C bis –6 °C bei einer Normaußentemperatur von
–12 °C (nach DIN EN 12831)
• –2 °C bis –5 °C bei einer Normaußentemperatur von
–10 °C (nach DIN EN 12831)
.
QÊ/%kW
20
3
AO%1
S
/
I
A
S
15
0
O%100
SAI/SA
%70
SAI/SAO
10
5
~1,5%kW
0
–5
–25
–20
–15 –12 –10 –8
–5
0
5
10
15
20
25
T%/°C
6%720%615%946-28.2O
Bild 50 Bivalenzpunkt, Leistungskurven entsprechend den Parametern A2/35, Heizkreisabschaltung bei 20 °C
.
Q
T
4.3.3
Wärmeleistungsbedarf
Außentemperatur
Wärmedämmung
Alle wärme- und kälteführenden Leitungen sind entsprechend der einschlägigen Normen mit einer ausreichenden Wärmedämmung zu versehen.
6 720 615 946 (2010/03)
4.3.4
Ausdehnungsgefäß
Bei der Sanierung von Altanlagen ist aufgrund des hohen
Wasserinhaltes der Einbau eines zusätzlichen Membranausdehnungsgefäßes (bauseits) zu prüfen.
67
Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen
4.4
Auswahl und Aufstellung der Wärmepumpe
Grundsätzlich ist vor jeder Anlagenplanung zu entscheiden, ob die Wärmepumpe im Freien (Außenaufstellung)
installiert wird oder an einem Ort innerhalb des Gebäudes (Innenaufstellung).
Folgende Punkte sind bei der Außenaufstellung der Wärmepumpen SAO 70/100/130 zu beachten:
• Erdarbeiten zur Erstellung des Montagesockels, auf
dem die Wärmepumpe steht, sind erforderlich.
• Ebenso sind Baumaßnahmen zur Verlegung isolierter
Heizungsrohre sowie elektrischer Verbindungen von
der Wärmepumpe ins Gebäudeinnere zum
Combi Modul erforderlich.
• Ein Kondensatablauf in das Drainagematerial oder
zum Anschluss an das Gebäudeabwassersystem ist
vorzusehen.
• Aufgrund der entstehenden Schall-/Geräuschemissionen und Luftbewegungen müssen bestimmte Mindestabstände zu Hauswänden und sonstigen
Hindernissen berücksichtigt werden.
Bei der Innenaufstellung der Wärmepumpen SAI 70/100/
130 entfallen die Erdarbeiten wegen des Montagesockels. Dafür sind hierbei aber Arbeiten zur Realisierung der Luftführung, d. h. Erstellung der Luftkanäle,
erforderlich.
68
6 720 615 946 (2010/03)
Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen
4.5
Außenaufstellung der Wärmepumpen SAO 70/100/130
4.5.1
Gerätemaße
1130,9
1529
1130
959
666
6 720 614 482-04.1I
Bild 51 Abmessungen (in mm)
4.5.2
Mindestabstände
• Der Mindestabstand hinter der Wärmepumpe zur
Wand beträgt 0,5 m.
• Der Mindestabstand vor der Wärmepumpe zu höheren Gegenständen, z. B. einer Wand, beträgt 6 m.
• Der Mindestabstand vor der Wärmepumpe zu niedrigeren Gegenständen, z. B. einem Zaun mit einer maximalen Höhe von 1,2 Meter, beträgt 2 m.
• Der seitliche Mindestabstand beträgt 2 m.
H ≥ 1,2 m
H ≤ 1,2 m
≥6m
≥2m
≥2m
≥2m
≥ 0,5 m
6 720 614 484-06.2O
Bild 52 Mindestabstände
6 720 615 946 (2010/03)
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Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen
4.5.3
Fundament
Abmessungen
Die Wärmepumpe SAO wird auf einer stabilen Unterlage,
z. B. einem gegossenen Fundament platziert
(Æ Bild 53).
Das Fundament muss eine Durchführung für Rohre und
Kabel haben (Æ Bild 53 und Bild 54). Die Rohre müssen
isoliert sein.
250
120
1
80
130
750
290
660
2
960
6 720 614 484-15.3I
Bild 53 Maße des Fundaments (in mm)
1
2
Rohr- und Kabeldurchführung
Richtung des Luftstroms
Durchführungen für Wärmepumpe SAO
100
100 - 150
1
6 720 614 484-14.1I
Bild 54 Rohr- und Kabeldurchführung im Fundament
1
70
Strom- und CAN-BUS-Kabel ca. 1000 mm
6 720 615 946 (2010/03)
Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen
Anschlüsse der Wärmepumpe durch das Fundament
Aufbau des Fundaments mit Drainage
1
100
2
3
150
4
1
min. 90 cm
2
6 720 614 484-16.1I
Bild 56 Detaildarstellung der Rohr- und Kabeldurchführung im Fundament (Maße in mm)
1
3
2
3
4
4
Vorlauf- und Rücklaufrohre, werden zwischen Fundament
und Wärmepumpe isoliert
Kondensatrohr
Freiraum für Schmutzfilter
Strom- und CAN-BUS-Kabel
4.5.4
Auftretende Luftbewegungen
6 720 614 484-18.2O
Bild 55 Ablauf für Kondensat
1
2
3
4
D
Fundament 10 cm
Unterbau aus verdichtetem Schotter 30 cm
Kondensatrohr
Kiesbett
B
A
45°
45°
C
6 720 615 946-29.1O
Bild 57
A
B
C
D
6 720 615 946 (2010/03)
Lufteintritt
Luftaustritt
Bereich mit keiner oder geringer Luftbewegung
Bereich mit höherer oder hoher Luftbewegung
71
Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen
4.5.5
Hydraulische und elektrische Verbindungen zum Combi Modul
Rohre und Anschlusskabel werden zwischen Haus und
Fundament in einer Durchführung verlegt.
1b
min. 900
1a
2
400
1a
3
1b
2
4
32
2,9
7
6
5
111
6 720 614 484-17.1I
Bild 58 Durchführung im Boden (Maße in mm)
1a
1b
2
3
4
5
6
7
72
Hauptanschlussleitung 3-phasig (400 V)
Versorgungsanschlussleitung Sperrzeit 1-phasig (230 XV), Wärmekabel
CAN-BUS-Kabel
Kondensatrohr
Schutzrohr für CAN-BUS
Dichtung für Vor- und Rücklaufrohr
Vor- und Rücklauf
Vor- und Rücklauf, Detailbild
6 720 615 946 (2010/03)
Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen
4.6
Innenaufstellung der Wärmepumpen
SAI 70/100/130
4.6.1
Gerätemaße
79
305
1529
1011
690
12
266
1
606
666
899
350
1012
2
606
666
6 720 615 946-45.2O
Bild 59
1
2
Luftwärmepumpe
Sockel (Zubehör)
6 720 615 946 (2010/03)
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