Berechnung der Leistung einer Wärmepumpe

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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.

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 dem Datenschieber von Honeywell (kann kostenlos bei Honeywell bezogen werden) 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 beispielsweise 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 Beispielgebäude mit einer Fußbodenheizung ausgestattet ist und die Systemtemperatur bei 35/30 liegt.

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:

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

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 einem Fachhandwerker oder einem Ingenieurbüro prüfen zu lassen. Denn auch wenn der hier beschriebene Weg einfach erscheint, können sich immer wieder Rechenfehler einschleichen.

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.

Alternativ gibt es eine große Auswahl an qualifizierten Handwerker- und Fachbetrieben bei MyHammer:

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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: Das Titelbild ist von der Firma Viessmann: „Abbildung: Viessmann Werke“
An dem Bild wurden folgende Veränderungen vorgenommen: Tonwertkorrektur, Bildzuschnitt


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7 Kommentare/Fügen deinen eigenen Kommentar hinzu

  1. Ingo / Antworten ¬

    Hallo!
    Super Beitrag, aber die Warmwasser KW musst du denke ich nicht berücksichtigen! Da es meist nicht gleichzeitig mit dem Heizbetrieb fällt.
    Wenn die Warmwassermenge aber sehr groß ist, wird es wieder wichtig. Schon alleine wegen der Aufheizzeit.
    Schönen Gruss

  2. Martin Schlobach / Antworten ¬

    Hallo Ingo,

    vielen Dank für deinen Kommentar. Vor der Planung ist natürlich abzuschätzen ob eine Extraleistung für Warmwasser benötigt wird. Ich habe versucht mit meinem Beispiel zu zeigen, wie man es machen kann.
    Liebe Grüße! Martin

  3. Heizsysteme Hinterfrager / Antworten ¬

    Hallo, mich würde interessieren wie du, Martin, zum Thema des energetischen Sanieren gekommen bist. Ich studiere Bauingenieurwesen und schlage evtl. den gleichen Weg ein. Die Fragen wann eine Wärmepumpe sich lohnt und ob ich lieber eine Luft Wasser Wärmepumpe oder eine Sole Wasser Wärmepumpe oder vielleicht ganz andere Heizsysteme oder Solar nutzen sollte, begeistern mich.
    Liebe Grüsse Hendrik

    1. Martin Schlobach / Antworten ¬

      Hallo Hendrik,
      ich habe Technisches Gebäudemanagement studiert und festgestellt, dass es nicht befriedigend ist nur an der Oberfläche zu kratzen. Je mehr ich mich mit verschiedenen Themen der Gebäudetechnik auseinandersetze, desto mehr merke ich, wie tief man in diese Materie einsteigen kann und immer mehr neues entdeckt. Für mich ist das spannend und aufregend.

      Ich hoffe ich konnte deine Frage beantworten.

      Liebe Grüße. Martin

  4. Guidouche / Antworten ¬

    Hallo,
    Ich brauche pro Jahr ca 3000 kwh für die Heizung mit dem Gas heizen.
    wenn ich die gleich verbrauch 3000 kwh mit Luftwärmepumpe heizen , dann wie viel Strom brauche ich?
    Danke

    1. Martin Schlobach / Antworten ¬

      Hallo Guido,
      dies kann nicht pauschal gesagt werden, da du bei einer Wärmepumpe meist niedrigere Systemtemperaturen verwendest als bei einer Gasheizung, um den Wirkungsgrad deiner Wärmepumpe zu steigern. Rein theoretisch und überschlägig kannst du folgendermaßen rechnen: Die Annahme ist, dass dein Gebäude pro Jahr ca. 3000 kWh thermische Energie benötigt und die durchschnittliche Leistungszahl (COP) deiner Wärmepumpe 3 beträgt. Für 3000 kWh/a thermische Energie benötigst du dann vereinfacht ca. 1000 kWh/a elektrische Energie. Ich empfehle dir dazu den Abschnitt zu Leistungszahl COP in meinen Beitrag „Wie funktioniert eine Wärmepumpe?„.
      Liebe Grüße, Martin

    2. Martin Schlobach / Antworten ¬

      Hllo Guidouche,

      Hier nocheinmal kurz zusammengefasst: Angenommen die Leistungszahl (COP) – Epsilon deiner Wärmepumpe beträgt im Durchschnitt bei 4, benötigst du für 3000kWh Wärmeenergie ca. 750kWh elektrische Energie (Pel=Qwp/epsilon).

      Liebe Grüße, Martin

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