Planung von Wärmepumpen: Worauf es bei Pufferspeicher und Schallemission ankommt
Pufferspeicher
Pufferspeicher können in einer Wärmepumpenanlage drei Aufgaben erfüllen:
- Sie überbrücken eventuelle Sperrzeiten der Energieversorgungsunternehmen, um eine kontinuierliche Wärmelieferung zu gewährleisten;
- Sie steigern die Mindestlaufzeiten der Wärmepumpe bei Anlagen mit geringem Wasserumlauf und verringern so das häufige „Takten“ der Wärmepumpe, das zu einer geringeren Lebensdauer des Kompressors führen könnte;
- Sie garantieren die Mindestwasserumlaufmenge bei der Verschaltung des Pufferspeichers als Trennspeicher.
Der für den Wärmepumpenbetrieb notwendige Strom wird durch den Versorger oft zu Sonderkonditionen geliefert und über einen Zweitarifzähler abgerechnet. Im Gegenzug ist der Versorger dazu berechtigt, die Wärmepumpe bis zu 3 mal 2 h vom Netz zu trennen, um in Spitzenverbrauchszeiten Instabilitäten im Stromnetz zu vermeiden. Darüber hinaus ist das Anfahren einer Wärmepumpe auf drei Starts pro Stunde begrenzt. Außerdem schreiben alle Hersteller eine Kompressor-Mindestlaufzeit vor, mit der ein übermäßiger Verschleiß des Kompressors verhindert werden kann. Insbesondere bei Radiatorheizungen ist deswegen eine Bevorratung von Wärmeenergie durch Pufferspeicher notwendig.
In der Vergangenheit wurden diese häufig sehr groß dimensioniert, um jederzeit „auf der sicheren Seite“ zu sein. Eine Gebäudeausführung ohne Keller und sparsam dimensionierte Haushaltsräume in Neubauten machen es jedoch notwendig, Pufferspeicher möglichst exakt auf den Bedarf hin auszulegen. Hierbei legt man nicht die Heizlast des Gebäudes nach DIN EN 12831 zugrunde, sondern nur die tatsächlichen Verluste. Die Heizlast nach DIN EN 12831 ist als Leistung des Wärmeerzeugers definiert, die benötigt wird, um das Gebäude mit Normaußentemperatur von z. B. - 10 °C auf ti = 20 °C aufzuheizen. Die in einer Sperrzeit entstehenden Energieverluste sind aber weitaus geringer und der Pufferspeicher kann kleiner dimensioniert werden.
Um die zu speichernde Wärmemenge ermitteln zu können, muss die Leistung der Wärmepumpe bekannt sein. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen muss die Leistung bei der jeweiligen Heizgrenztemperatur von 10 °C / 12 °C / 15 °C betrachtet werden. Für gewöhnlich erfolgt die Berechnung des Speichervolumens mithilfe einer Hersteller-Software wie planSoft von Vaillant. Zum besseren Verständnis werden hier zwei händische Möglichkeiten der Berechnung des Speichervolumens aufgezeigt: entweder basierend auf der Kompressormindestlaufzeit oder den Werten des
EnEV-Nachweises.
Berechnung nach Daten des EnEV-Nachweises
Ohne Kenntnis der Anlagendaten lässt sich auch mit dem EnEV-Nachweis das erforderliche Pufferspeichervolumen bestimmen. Dafür werden folgende Daten benötigt:
- Spezifischer Transmissions-Wärmeverlust H’T: 0,4 W/m²K
- Wärmeübertragende Umfassungsfläche: 440,34 m²
- Norm-Innentemperatur: 21 °C
- Norm-Außentemperatur: - 10 °C
- Spezifische Wärmekapazität (c) für Luft: 0,34 Wh/m³K
- Beheiztes Gebäudevolumen: 592,70 m³
- Mindest-Luftwechsel: 0,5 h-1
- Korrekturfaktor beheiztes Gebäudevolumen (Ve): bis 3 Vollgeschosse 0,76; mehr als 3 Vollgeschosse 0,8, Anzahl der Vollgeschosse: 3
- Sperrzeit (2, 4 oder 6 h), diese wird aber nur zu einem Viertel berücksichtigt (= 0,5, 1 oder 1,5 h).
Aus diesen Angaben lässt sich die, dem Pufferspeicher während der Sperrzeit entzogene, Energie berechnen. Diese liegt in dem gewählten Beispiel bei 3,92 kWh, was zu einem notwendigen Speichervolumen von 337 l zur Überbrückung der Sperrzeit
von 2 h führt.
Dazu ergibt sich folgende Berechnung:
Entnommene Energie = Spezifischer Wärmeverlust H’T * wärmeübertragende Umfassungsfläche * (durchschnittliche Norminnentemp. – Normaußentemperatur) + 0,34 * beheiztes Gebäudevolumen * Mindestluftwechsel * 0,76 * (durchschnittliche Norminnentemp– Normaußentemperatur) * längste Sperrzeit 0,5
Entnommene Energie = ((0,4 W/m²K * 440,34 m² * (21 °C - - 10 °C)) + (0,34 Wh/m³K * 592,70 m³ * 0,5 h-1 * 0,76 * (21 °C - - 10 °C)) * 0,5 h
Ergebnis: 3917 Wh = 3,917 kWh
Aus der benötigten Energie von rund 3,92 kWh kann nun die Berechnung des Puffervolumens erfolgen. Δt ist die VL-Temperatur des Heizsystems abzüglich der Pufferspeicher Min.-Temperatur. Dabei gelten folgende VL – und minimale Pufferspeichertemperaturen:
Darüber hinaus werden folgende Daten zugrunde gelegt:
- Puffervolumen = (entnommene Energie / Spez. Wärmekapazität / (Delta theta)) * 1000
- Entnommene Energie: 3,92 kWh
- Spezifische Wärmekapazität (c) für Wasser: 1,163 Wh/kg * K-Temperatur Fußbodenheizung: 35 °C
- Pufferspeicher Min.-Temperatur Fußbodenheizung: 25 °C;
- Puffervolumen = (3,92 kWh / 1,163 Wh/kg*k / (35 °C - 25 °C)) * 1000 = 337 Liter
Aufstellort und Schallemissionen
Die meisten verbauten Luft / Wasser-Wärmepumpen bestehen aus einem Innen- und einem Außengerät. Während das Innengerät im Bestand in der Regel ohne Modifikationen den Platz des alten Wärmeerzeugers einnehmen kann bzw. im Neubau oft den gleichen Raum wie z. B. ein Gas-Brennwertgerät benötigt, ist das Außengerät eine Komponente, die neu eingeplant werden muss.
Bei der Aufstellung des Außengerätes müssen verschiedene Kriterien berücksichtigt werden. Dazu zählen technisch orientierte Details wie die Verbindung zum Innengerät und die Schallemissionen aber auch die Tragfähigkeit des Bodens, die Ableitung des Kondensates und auch rein optische Argumente.
Zunächst benötigt die Außeneinheit ein ausreichend tragfähiges, frostsicheres und waagerechtes Fundament nach den örtlichen Erfordernissen und den Regeln der Bautechnik. Dies können z. B. sein: eine Betonplatte, ein Stahl-T-Träger oder Erhöhungssockel bzw. Wandhalter aus dem Herstellerzubehör.
Hierbei sollte unbedingt ein Leerrohr für den Kondensatablauf berücksichtigt werden. Dabei spielt die Kondensatableitung eine wichtigere Rolle als oftmals angenommen, denn an einem Sommertag mit hoher Luftfeuchtigkeit können pro Stunde bis zu 20 l Kondensat entstehen. Das Kondensat muss vor der Ableitung nicht behandelt werden. Vielmehr handelt es sich quasi um destilliertes und damit chemisch reines Wasser. Aber auch für den Wintereinsatz ist die sichere Kondensatableitung relevant, um z. B. Eisflächen im Umfeld des Außengerätes
zu vermeiden.
Die Geräteausblasseite darf nicht zum Gebäude positioniert werden. Außerdem sollte sich die Außeneinheit nicht unter laubabwerfenden Bäumen oder an Orten befinden, an denen ggf. Schneeverwehungen möglich sind. Ebenso ungeeignet sind Stellen, an denen starke Winde auf den Luftauslass der Außeneinheit einwirken. Hierfür sollte auch die vorherrschende Windrichtung geprüft und das Außengerät möglichst quer zur Hauptwindrichtung aufgestellt werden.
Eingeplant werden sollte auch von vornherein die unterirdische Verlegung der hydraulischen und elektrischen Leitungen zwischen Innen- und Außengerät. Je nach dem Medium das in den Verbindungsleitungen verwendet wird, müssen die Leitungen ggf. nach EnEV gedämmt sein. Geachtet werden sollte auf das denkbare Risiko eines Sachschadens durch Erdhebungen aufgrund gefrorenen Erdreichs. Denn bei Betriebstemperaturen nahe der Frostgrenze kann das Erdreich im Bereich der PE-Rohre gefrieren und so das Bauwerk durch Erdhebungen beschädigen. Deswegen sollten die Leitungen im frostfreien Bereich verlegt werden.
Sorgfältig ist der Aufstellort im Hinblick auf möglichst geringe Schallemissionen auszuwählen. Generell wird der Schall bei Luft/Wasser-Wärmepumpen durch zwei Komponenten erzeugt – den Verdichter und den Ventilator. Gleichzeitig können beide Bauteile das Gehäuse zu Schwingungen oder Klappergeräuschen anregen. Hier hilft ein kurzer Blick auf den Aufbau und die Struktur des Gehäuses. Handelt es sich um dünne, einfache Bleche, die lediglich mit wenigen Schrauben befestigt sind, reicht bereits ein prüfender Handgriff, ob sich das Gehäuse leicht in Schwingungen versetzen lässt.
Was kann der installierende Fachhandwerker unternehmen, um die Schallemissionen zu minimieren? Eine ganze Menge! Das beginnt mit dem Aufstellungsort und geht über die Montagefläche bis hin zu den Rohrleitungen. Wie sieht es zunächst mit der Schallübertragung und –minimierung innerhalb des Gebäudes aus?
Hier kann sich der Schall durch Körperschallübertragung über den Boden und Wände sowie die umgebende Luft ausbreiten. Um diese Möglichkeiten zu minimieren, sind Wärmepumpen möglichst gut vom Baukörper zu entkoppeln. Auf Leichtbauböden oder einer Holzdecke sollten Wärmepumpen generell nicht aufgestellt werden. Auch herkömmliche bzw. vorhandene Kesselpodeste sind aufgrund ihrer Resonanzwirkung ungeeignet.
Eine gute Schalldämmung wird mithilfe einer Beton-Fundamentplatte mit unterlegter Gummimatte erreicht. Bei schwimmendem Estrich sollten Estrich und Trittschalldämmung um die Wärmepumpe herum ausgespart werden. In extrem schallharten Räumen, die z. B. komplett gefliest sind, kann das Anbringen von schallabsorbierenden Materialien die Schallübertragung verhindern.
Außerhalb des Gebäudes breiten sich die Schallemissionen von Wärmepumpen in erster Linie durch die Atmosphäre aus. Es muss in jedem Fall vermieden werden, dass das Ausblasen der Luft unmittelbar zum Nachbargebäude hin erfolgt. Außengeräte von Luft/Wasser-Wärmepumpen sollten nicht in direkter Nähe zu schallsensiblen Räumen wie Schlaf- oder Wohnzimmer installiert werden.
Darüber hinaus ist insbesondere auf Schallreflexionen zu achten. Denn hierdurch kann der Schalldruckpegel spürbar erhöht werden. Das beginnt bereits bei ungünstigen Bodenflächen wie Beton-, Pflaster- oder Asphaltflächen. Besonders die Zahl der direkt benachbarten senkrechten Flächen erhöht den Schalldruckpegel gegenüber der Freiaufstellung stark. Der Richtfaktor wächst dabei sogar exponentiell – von der Frei- über die Wand- bis hin zur Eckaufstellung.
Durch bewachsene Oberflächen wie Rasen oder Buschflächen kann der Schalldruckpegel dagegen deutlich verringert werden. Auch bauliche Hindernisse wie Zäune, Mauern oder Palisaden können die direkte Schall-ausbreitung verringern. Vor Ort sollte in jedem Fall eine kurze Überprüfung des vorab ausgewählten Standortes des Außengerätes einer Luft / Wasser-Wärmepumpe durchgeführt werden.
Der maßgebliche Schallemissionsort befindet sich jeweils einen halben Meter vor der Mitte des geöffneten Fensters des vom Geräusch am stärksten betroffenen schutzbedürftigen Raums. Ein Hinweis aus der Praxis zum Thema der psychoakustischen Schallwahrnehmung: Außengeräte, die man sieht, werden als lauter wahrgenommen, als solche, die man nicht sieht. Wenn möglich, sollten deswegen z. B. Büsche als Sichtschutz genutzt werden.
Einbindung von Anlagenperipherie
In jedem Fall sollte bei der ersten Planung einer Luft/Wasser-Wärmepumpenanlage auch sinnvolle Peripherie berücksichtigt werden. Dazu zählen in erster Linie Photovoltaikmodule und ein Batteriespeicher. Hauseigentümer favorisieren diese Anlagenkombination für eine größere Unabhängigkeit vom Energieversorger und vom Strommarkt. Wenn der Fachhandwerker dann im ersten Gespräch sogar direkt überschlägig kalkulieren kann, wie viele Module eingesetzt werden könnten, welchen Ertrag sie bringen und was die Anlage kosten würde, ist die Bereitschaft des Endkunden umso größer, neben der Wärmepumpe auch auf eine eigene Stromproduktion zu setzen.
Dazu dient beispielsweise das Tool „Schnell-auslegung PV“ von Vaillant. Hierbei geht es darum, das erste grundsätzliche Interesse des Kunden mit überzeugenden Fakten kurzfristig weiter aufrecht zu erhalten. Denn beim Einbau einer Photovoltaikanlage (PV) auf dem eigenen Gebäude sind die meisten Endkunden unsicher. Ist das überhaupt machbar? Lohnt sich das? Mit wie viel Ertrag kann gerechnet werden? Und letztendlich: Was kostet die PV-Anlage? Die Schnellauslegung PV unterstützt genau in dieser Beratungsphase. Im Tool können alle relevanten Daten in einer intuitiven, grafischen Oberfläche in kürzester Zeit eingegeben und so schnell Größe, Leistung, Solarertrag, Einsparpotenzial sowie der Preis einer PV-Anlage ermittelt werden.
Der Fachhandwerker kann die PV-Module individuell je nach objektspezifischen Gegebenheiten planen, die Unterkonstruktion inkl. Dachhaken und Montageschienen berechnen und den Wechselrichter auslegen. Außerdem erzeugt das Programm eine Stückliste und eine Exportdatei u. a. für die kaufmännische Software winSoft. In kurzer Zeit können verschiedene Anlagenvarianten konzipiert und miteinander verglichen werden. Die aufwendige Suche nach Komponenten wird dem Fachhandwerker erspart - das spart zusätzliche Arbeitszeit.
Dieser Artikel von Martin Schellhorn erschien zuerst in der KK-Ausgabe 3/2022. Martin Schellhorn ist Geschäftsführender Gesellschafter der TGA-Presseagentur Schellhorn PR GmbH in Haltern am See.
