Größe und Leistung einer Wärmepumpe berechnen

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In meinem heutigen Beitrag möchte ich euch zeigen, wie ihr in wenigen Schritten den Leistungsbedarf einer Wärmepumpe ermitteln könnt. Darauf aufbauend ist es euch möglich eine Wärmepumpe für verschiedenste Wärmequellen auszulegen. Bevor wir mit der Berechnung der Gesamtleistung für eine Wärmepumpe beginnen, ist es jedoch notwendig einige Daten zu ermitteln.

Bisher erschienene Artikel zum Thema Wärmepumpe:

Inhaltsverzeichnis

1 Gebäudeparameter
2 Zusätzlicher Leistungsbedarf
- 2.1 Sperrzeiten durch Energieversorgungsunternehmen (EVU)
- 2.2 Warmwasser
3 Zusammenfassung und Auslegung der Wärmpumpe
- 3.1 Zusammenfassung
- 3.2 Beispielrechnung Wärmepumpe
4 Auswahl der Wärmequelle
- 4.1 Investitionskosten
- 4.2 Betriebskosten
5 Auslegung von Wärmepumpen
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Gebäudeparameter

Wärmebedarf des Gebäudes

Ein fundamentaler Wert für die Auslegung einer Wärmepumpe ist der Wärmebedarf (Heizlast) des Gebäudes. In meinem Beitrag „Heizlastberechnung“ der Serie „Hydraulischen Abgleich selber machen“ habe ich die Heizlast für unser darin verwendetes Beispielgebäude mit einer kostenlosen App von Honeywell ermittelt. Diese ermittelte Heizlast werden wir auch in dieser Beispielrechnung verwenden. Die ermittelte Gesamtheizlast beträgt:

$\Phi_{HL}=6970W=6.97kW$ .

Betriebsweise der Wärmepumpe

Da es unterschiedliche Betriebsweisen für Wärmepumpen gibt, ist es wichtig zu entscheiden, in welcher Betriebsweise die Wärmepumpe betrieben werden soll. Die Wärmepumpe in unserer Beispielrechnung soll im monovalenten Betrieb laufen und muss aus diesem Grund den Gesamtwärmebedarf von $\Phi_{HL}=6.97kW$ decken.

Systemtemperaturen

Weiterhin ist es wichtig zu wissen, welche Systemtemperaturen die Wärmepumpe für welches Heizungssystem erbringen soll. Haben wir etwa ein Niedrigtemperatursystem (z.B. Fußbodenheizung) im Einsatz, ist die Leistungszahl (COP) der Wärmepumpe deutlich besser als bei hohen Systemtemperaturen. In unserer Beispielrechnung nehmen wir an, dass das gesamte Beispielgebäude mit einer Fußbodenheizung ausgestattet ist und die Systemtemperatur bei 35/30 liegt.

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Zusätzlicher Leistungsbedarf

Sperrzeiten durch Energieversorgungsunternehmen (EVU)

Für den Betrieb einer Wärmepumpe ist es möglich vom Energieversorgungsunternehmen (EVU) einen günstigeren Stromtarif zu bekommen. Dafür kann das EVU bei Lastenspitzen im Versorgungsnetz Wärmepumpen abschalten und für einen bestimmten Zeitraum sperren. Während der Sperrzeiten ist die Beheizung des Gebäudes mit einer Wärmepumpe nicht möglich.

Unterbrochen werden darf die Stromzufuhr maximal 3 x 2 Stunden innerhalb von 24 Stunden. Die Freigabezeit zwischen zwei Unterbrechungszeiten darf die Länge der vorangegangenen Sperrzeit nicht unterschreiten. Sollte während der Sperrzeiten ein zweiter Wärmeerzeuger den Heizbetrieb übernehmen, so kann der Zuschlag zum Gesamtwärmebedarf entfallen. Da wir jedoch in dieser Beispielrechnung einen monovalenten Betrieb haben möchten, müssen wir eine Sperrzeit für die Wärmepumpe berücksichtigen.

Um diese Sperrzeiten zu überbrücken, ist es notwendig den Leistungsbedarf der Wärmepumpe zu erhöhen. Dies erfolgt mit einen Zuschlagsfaktor $f$ für Sperrzeiten, der sich mit der folgenden Formel berechnet:

$\ f=\frac{24h}{Freigabedauer}=\frac{24h}{24h-gesamte Sperrdauer}}$

Für unsere Beispielrechnung nehmen wir eine gesamte Sperrdauer von 4 Stunden pro Tag an (die Sperrzeiten können beim EVU erfragt werden). Unser Zuschlagfaktor wird wie folgt berechnet:

$\ f=\frac{24h}{24h-4h}=\underline{\underline{1,2}}$

Der Zuschlagsfaktor für unsere Wärmepumpe liegt bei $f=1,2$ .

Warmwasser

Da für die Erwärmung von Wasser ebenfalls Energie benötigt wird, ist es wichtig den dafür anfallenden Energieverbrauch zu bestimmen. Für unser Beispielgebäude nehmen wir an, dass vier Personen darin wohnen. Da der Warmwasserverbrauch dieser vier Personen sehr stark vom Nutzerverhalten abhängt, werden für unsere Berechnung pauschale Werte genommen.

Für den Warmwasserverbrauch nehmen wir 80 – 100 Liter pro Person und Tag bei einer Wassertemperatur von 45 °C an. Das entspricht laut verschiedenen Herstellern wie Dimplex oder Alpha InnoTec einem mittleren Leistungsbedarf von 0,2 kW pro Person, welcher für die Warmwasserbereitung berücksichtigt werden muss.

Bei vier Personen entspricht dies einem zusätzlichen Leistungsbedarf für die Wärmepumpe von 0,8 kW.

Zusammenfassung und Auslegung der Wärmpumpe

Zusammenfassung

Folgend sind die Parameter für unsere Wärmepumpe noch einmal zusammengefasst:

Wärmebedarf: $\Phi_{HL}=6.97kW$ .
Betriebsweise: monovalent
Heizsystem: Fußbodenheizung
Systemtemperaturen: $35/30$
Sperrzeiten: 4 h/d, $f=1,2$
Leistung für Warmwasser: $\dot Q_{WW}=0,8kW$

Beispielrechnung Wärmepumpe

Die Leistungsanforderung der Wärmepumpe berechnen wir mit der folgenden Formel:

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$\ \dot Q_{WP}=(\Phi_{HL} + \dot Q_{WW}) \cdot f }$

Durch Einsetzen der ermittelten Daten kommen wir auf folgendes Ergebnis:

$\ \dot Q_{WP}=(6,97kW + 0,8kW) \cdot 1,2 = \underline{\underline{9,32kW}}$

Die Auslegung der Wärmepumpe kann nun auf dem Gesamtleistungsbedarf von $\dot Q_{WP} = 9,32kW$ erfolgen. Für die Auslegung einer geeigneten Wärmepumpe ist es nun wichtig zu wissen, welche Wärmquelle für die Wärmepumpe in Frage kommt.

Auswahl der Wärmequelle

Eine Wärmepumpe kann aus verschiedensten Wärmequellen Wärme entziehen und diese für ein Heizsystem nutzbar machen. Bei der Auswahl der Wärmequelle sollten die Investitionskosten und die Betriebskosten genau betrachtet werden.

Investitionskosten

Je nach Wärmequelle können die Investitionskosten für ein Wärmepumpensystem sehr hoch oder niedrig ausfallen. Sind beispielsweise Erdarbeiten oder Erdbohrungen bei der Erschließung der Wärmequelle vorgesehen, können die Kosten für die Erschließung sehr hoch ausfallen. Kommt Luft als Wärmequelle in Frage, fallen die Kosten für die Erschließung vergleichsweise gering aus.

Betriebskosten

Die möglichen Betriebskosten für eine Wärmpumpe sollten ebenfalls genau betrachtet und mit sachlichen Werten abgeschätzt werden. Nur so ist es möglich eine realistische Jahresarbeitszahl (Seasonal Performance Factor – SPF) zu erzielen. Die Jahresarbeitszahl ist die mittlere Leistungszahl (COP) der Wärmepumpe über ein Jahr gesehen und hat einen erheblichen Einfluss auf die Betriebskosten der Wärmepumpe.

Die größten Einflussfaktoren für die Betriebskosten der Wärmpumpe sind zusammengefasst: Die Betriebsweise, die durchschnittliche Wärmequellentemperatur sowie die Systemtemperaturen des Heizungssystems.

Auslegung von Wärmepumpen

Ich werde in meinen nächsten Berichten verschiedene Wärmepumpentypen auslegen und hier eine Übersichtsliste anfertigen. Die ersten Berichte zur Auslegung einer Wärmepumpe mit Erdsonden und Erdkollektoren sind bereits in Arbeit.

Wichtig: Bevor ihr mit der Berechnung der Gesamtleistung einer Wärmepumpe beginnt, weise ich euch darauf hin, dass die hier geschilderten Arbeitsweisen auf meinen persönlichen Erfahrungen und Gedankengängen basieren. Das Ausprobieren und das Implementieren der beschriebenen Vorgehensweisen erfolgt ausschließlich auf eigene Verantwortung und Gefahr. Ich übernehme keine Verantwortung. Weiterhin empfehle ich euch, die berechneten Werte immer von einer Fachfirma prüfen zu lassen. Denn auch wenn der hier beschriebene Weg einfach erscheint, können sich immer wieder Rechenfehler einschleichen.

Tipp: Wenn ihr keinen Fachbetrieb in eurer Nähe kennt, könnt ihr unter dem folgenden Link kostenlos und unverbindlich bis zu 5 Angebote von Fachfirmen aus eurer Region anfordern: Heizungsfachbetriebe finden.

Bisher erschienene Artikel zum Thema Wärmepumpe:

Falls ihr Fragen, Anregungen oder Kritik zur Berechnung der Gesamtleistung einer Wärmepumpe habt, nutzt die Kommentarfunktion.

Liebe Grüße! Martin

Weiterführend Links und Quellen:
Wikipedia – Wärmepumpenheizung
Wärmepumpen Guide 2012 – Alpha InnoTech
Projektierungshandbuch – Dimplex
Planungshandbuch – Viessmann

Titelbild: HarmvdB von Pixabay, an dem Bild wurden folgende Veränderungen vorgenommen: Tonwertkorrektur, Bildzuschnitt, Helligkeit, Kontrast

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