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  1 4 Planung und Dimensionierung von Wärmepumpen 41 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 Heizung Warmwasser wird berechnet mit wird berechnet mit Faustformel, DIN EN 1831 Faustformel, DIN 4708 Auslegung und Auswahl der Wärmepumpe Betriebsweise monoenergetisch monovalent bivalent Sperrzeiten EVU Geräteauswahl Planungsbeispiele (Auswahl der Anlagenhydraulik) Anlagentypen 1 Heizkreis Heizkreise Warmwasserbereitung Pufferspeicher bivalent-paralleler Betrieb O Bild (010/03) 63
  2 4 Ermittlung der Gebäudeheizlast (Wärmebedarf) Eine genaue Berechnung der Heizlast erfolgt nach DIN EN 1831 Nachfolgend sind überschlägige Verfahren beschrieben, die zur Abschätzung geeignet sind, jedoch keine detaillierte individuelle Berechnung ersetzen können 41 Bestehende Objekte Bei Austausch eines vorhandenen Heizsystems lässt sich die Heizlast durch den Brennstoffverbrauch der alten Heizungsanlage abschätzen Bei Gasheizungen: Bei Ölheizungen: Beispiel: [ kw] [ kw] Verbrauch [ m 3 a] = m 3 a kw Verbrauch [ l a] = l a kw Um den Einfluss extrem kalter oder warmer Jahre auszugleichen, muss der Brennstoffverbrauch über mehrere Jahre gemittelt werden Zur Heizung eines Hauses wurden in den letzten 10 Jahren insgesamt Liter Heizöl benötigt Wie groß ist die Heizlast? Der gemittelte Heizölverbrauch pro Jahr beträgt: Verbrauch [ l a] Verbrauch [ l] = = Zeitraum[ a] Die Heizlast berechnet sich damit zu: [ kw] = 3000 l/a 3000 l a = = 1 kw 50 l a kw Liter Jahre Die Berechnung der Heizlast kann auch nach Kapitel 4 erfolgen Die Anhaltswerte für den spezifischen Wärmebedarf sind dann: 4 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 Dämmung nach EnEV 00 Dämmung nach EnEV 009 KfW-Effizienzhaus 100 Tab 31 spezifischer Wärmebedarf Der Wärmeleistungsbedarf Q berechnet sich aus der beheizten Fläche A und dem spezifischen Wärmeleistungsbedarf q wie folgt: Beispiel spezifische Heizlast q [W/m ] KfW-Effizienzhaus Passivhaus 10 [ W] = A [ m ] q [ W/m ] Wie groß ist die Heizlast bei einem Haus mit 150 m zu beheizender Fläche und Wärmedämmung nach EnEV 009? Aus Tabelle 31 ergibt sich für Dämmung nach EnEV 009 eine spezifische Heizlast von 30 W/m Damit berechnet sich die Heizlast zu: = 150 m 30 W m = 4500 W = 4,5 kw Art der Gebäudedämmung Dämmung nach WSchVO 198 Dämmung nach WSchVO 1995 spezifische Heizlast q [W/m ] Tab 30 spezifischer Wärmebedarf (010/03)
  3 43 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 00 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, kw In einem Haushalt mit vier Personen beträgt somit die zusätzliche Wärmeleistung: 44 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: f WW = 4 0, kw= 0,8 kw 4 h = 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 Folgende Dimensionierung hat sich in der Praxis bewährt: Summe der Sperrzeiten pro Tag [h] Deshalb genügt es, die Wärmepumpe ca 5 % ( Sperrstunden) bis 15 % (6 Sperrstunden) größer zu dimensionieren Bivalenter Betrieb zusätzliche Wärmeleistung [% der Heizlast] Tab 3 Im bivalenten Betrieb stellen die Sperrzeiten i A keine Beeinträchtigung dar, da ggf der zweite Wärmeerzeuger startet 43 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 100 möglich Dieses Auslegungsprogramm ersetzt keine detaillierte Planung zum jeweiligen Vorhaben! (010/03) 65
  4 431 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) 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 Im Combi Modul ist ein elektrischer Zuheizer bereits integriert Für Anlagen ohne Combi Modul ist ein separater Zuheizer AH 9 als Zubehör lieferbar Beispiel: Wie groß ist die Leistung der Wärmepumpe (Betrieb A/ 35) zu wählen bei einem Gebäude mit 150 m Wohnfläche, 30 W/m spezifischer Heizlast, Norm-Außentemperatur 1 C, 4 Personen mit 50 Liter Warmwasserbedarf pro Tag und vier Stunden tägliche Sperrzeit der EVU? Die Heizlast berechnet sich zu: H = 150 m 30 W m = 4500 W Die zusätzliche Wärmeleistung zur Bereitung von Warmwasser beträgt 00 W pro Person und Tag In einem Haushalt mit vier Personen beträgt somit die zusätzliche Wärmeleistung: WW = 4 00 W= 800 W Die Summe der Heizlasten für Heizung und Warmwasserbereitung beträgt somit: HL = H+ WW = 4500 W+ 800 W= 5300 W Für die zusätzliche Wärmeleistung durch Sperrzeiten muss nach Kapitel 44 die von der Wärmepumpe zu deckende Heizlast bei 4 Stunden Sperrzeit um ca 10 % angehoben werden: WP = 1,1 HL = 1, W = 5830 W (010/03)
  5 43 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 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 0 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 In Deutschland empfehlen wir folgende Bivalenzpunkte: 4 C bis 7 C bei einer Normaußentemperatur von 16 C (nach DIN EN 1831) 3 C bis 6 C bei einer Normaußentemperatur von 1 C (nach DIN EN 1831) C bis 5 C bei einer Normaußentemperatur von 10 C (nach DIN EN 1831) Für Häuser mit geringem Wärmebedarf kann der Bivalenzpunkt auch bei niedrigeren Temperaturen liegen ( Bild 50) In Bild 50 zeigt die schwarze Kurve den Wärmeleistungsbedarf (6 kw bei 1 C, 0 kw bei 0 C), die farbigen Kurve die Leistung der verschiedenen Wärmepumpen Die Schnittpunkte der farbigen Kurven mit der schwarzen sind die jeweiligen Bivalenzpunkte 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 1 C beträgt ca 1,5 kw und kann durch den elektrischen Zuheizer beigetragen werden Q / kw SAI/SAO 130 SAI/SAO 100 SAI/SAO 70 5 ~1,5 kw O Bild 50 Bivalenzpunkt, Leistungskurven entsprechend den Parametern A/35, Heizkreisabschaltung bei 0 C Q Wärmeleistungsbedarf T Außentemperatur T / C 433 Wärmedämmung Alle wärme- und kälteführenden Leitungen sind entsprechend der einschlägigen Normen mit einer ausreichenden Wärmedämmung zu versehen 434 Ausdehnungsgefäß Bei der Sanierung von Altanlagen ist aufgrund des hohen Wasserinhaltes der Einbau eines zusätzlichen Membranausdehnungsgefäßes (bauseits) zu prüfen (010/03) 67
  6 44 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 (010/03)
  7 45 Außenaufstellung der Wärmepumpen SAO 70/100/ Gerätemaße , Bild 51 Abmessungen (in mm) 45 Mindestabstände Der Mindestabstand hinter der Wärmepumpe zur Wand beträgt 0,5 m Der Mindestabstand vor der Wärmepumpe zu niedrigeren Gegenständen, z B einem Zaun mit einer maximalen Höhe von 1, Meter, beträgt m I Der Mindestabstand vor der Wärmepumpe zu höheren Gegenständen, z B einer Wand, beträgt 6 m Der seitliche Mindestabstand beträgt m H 1, m H 1, m m 6 m m m 0,5 m O Bild 5 Mindestabstände (010/03) 69
  8 453 Fundament Abmessungen Die Wärmepumpe SAO wird auf einer stabilen Unterlage, z B einem gegossenen Fundament platziert ( Bild 53) Das Fundament muss eine Durchführung für Rohre und Kabel haben ( Bild 53 und Bild 54) Die Rohre müssen isoliert sein I Bild 53 Maße des Fundaments (in mm) 1 Rohr- und Kabeldurchführung Richtung des Luftstroms Durchführungen für Wärmepumpe SAO Bild 54 Rohr- und Kabeldurchführung im Fundament I 1 Strom- und CAN-BUS-Kabel ca 1000 mm (010/03)
  9 Aufbau des Fundaments mit Drainage Anschlüsse der Wärmepumpe durch das Fundament min 90 cm Bild 56 Detaildarstellung der Rohr- und Kabeldurchführung im Fundament (Maße in mm) 1 Vorlauf- und Rücklaufrohre, werden zwischen Fundament und Wärmepumpe isoliert Kondensatrohr 3 Freiraum für Schmutzfilter 4 Strom- und CAN-BUS-Kabel 454 Auftretende Luftbewegungen I O Bild 55 Ablauf für Kondensat 1 Fundament 10 cm Unterbau aus verdichtetem Schotter 30 cm 3 Kondensatrohr 4 Kiesbett D B A C O Bild 57 A B C D Lufteintritt Luftaustritt Bereich mit keiner oder geringer Luftbewegung Bereich mit höherer oder hoher Luftbewegung (010/03) 71
  10 455 Hydraulische und elektrische Verbindungen zum Combi Modul Rohre und Anschlusskabel werden zwischen Haus und Fundament in einer Durchführung verlegt 1a 1b min 900 1a 1b , I Bild 58 Durchführung im Boden (Maße in mm) 1a Hauptanschlussleitung 3-phasig (400 V) 1b Versorgungsanschlussleitung Sperrzeit 1-phasig (30 XV), Wärmekabel CAN-BUS-Kabel 3 Kondensatrohr 4 Schutzrohr für CAN-BUS 5 Dichtung für Vor- und Rücklaufrohr 6 Vor- und Rücklauf 7 Vor- und Rücklauf, Detailbild (010/03)
  11 46 Innenaufstellung der Wärmepumpen SAI 70/100/ Gerätemaße Bild O 1 Luftwärmepumpe Sockel (Zubehör) (010/03) 73
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