VDI 4645: Praxisleitfaden für Wärmepumpen zeigt worauf es ankommt
Im Jahr 2017 wurden mit etwa 78 000 Heizungswärmepumpen so viele verkauft wie noch nie zuvor. Wärmepumpen gehören vor allem im Neubau zu den beliebtesten Systemen, da mit ihnen die gesetzlichen Vorgaben hinsichtlich Energieeinsparung und Einsatz erneuerbarer Energien auf effiziente Art erfüllt werden können.
Aber auch in Bestandsgebäuden ist unter Berücksichtigung von bestimmten Regeln ein sinnvoller Einsatz möglich.
Fehler bei Planung und Ausführung
In einigen Fällen erfüllen Wärmepumpen in der Praxis nicht die Erwartungen, die der Bauherr oder Nutzer im Vorfeld hatte. Oft werden Probleme erst bemerkt, wenn die Stromrechnung höher ausgefallen ist als erwartet. Begibt man sich auf die Suche nach den Ursachen, wird schnell klar, dass die Geräte selbst in den meisten Fällen keine Schuld trifft. Mängel an den Wärmepumpen sind äußerst selten, die Qualitätsstandards sind hoch, und die Technik ist ausgereift.
Hohe Stromverbräuche bzw. schlechte Effizienzwerte können viele Ursachen haben. Einen großen Einfluss hat neben dem Gebäude vor allem der Nutzer mit seinem Heizungs- und Lüftungsverhalten und dem Bedarf an warmem Trinkwasser. Weitere Faktoren, die die Anlagenperformance beeinflussen, sind die Planung und die Ausführung der Anlagen.
So effizient die Technologie ist, so empfindlich ist sie auch gegenüber Fehlern. Dazu kommt, dass die – im Vergleich zu Heizkesseln – relativ neue Technik in der Ausbildung äußerst knapp behandelt wird, obwohl sie gegenüber konventioneller Heiztechnik Besonderheiten aufweist. Um hier gegenzusteuern, haben Fachleute unter Führung der VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt die VDI-Richtlinie 4645 erarbeitet.
Diese behandelt alle erforderlichen Schritte, die bei Planung, Errichtung und Betrieb von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen zu beachten sind, u. a. hydraulische Schaltungen, Dimensionierung, Dokumentation, Inbetriebnahme und Kostenbetrachtung.
Das Blatt 1 der Richtlinie enthält zudem ein Schulungskonzept zur Weiterbildung von Fachkräften. Das Konzept wurde in Zusammenarbeit mit dem Bundesverband Wärmepumpe (BWP) erarbeitet.
Aufbau der VDI 4645
Die Richtlinie beschreibt den kompletten Planungsprozess von den notwendigen Voruntersuchungen und Genehmigungen über die Zuständigkeiten der Beteiligten (Energieversorger, Behörden, Handwerker und Planer) sowie über die Abläufe bei der Grundlagenermittlung bis hin zur ausführlichen Detailplanung. Weitere Kapitel widmen sich der Auftragsvergabe, der Inbetriebnahme und Unterweisung sowie der Inspektion und Wartung der Anlagen.
Durchgängig finden sich Hinweise zum Zusammenspiel aller Komponenten der gesamten Heizungsanlage unter besonderer Berücksichtigung der speziellen Funktionsanforderungen von Wärmepumpen. Zusätzlich zum Textteil der Richtlinie existiert ein umfangreicher Anhang.
Nachfolgend werden die zentralen Themen/Kapitel der VDI 4645 kurz beleuchtet.
Jahresarbeitszahl
Im Kapitel „Bilanzgrenzen und Effizienzbetrachtung“ verweist die Richtlinie für Elektrowärmepumpen auf die VDI 4650 Blatt 1, in welcher die Berechnung von Jahresarbeitszahlen beschrieben ist und die Bilanzgrenzen für diese Berechnung festgelegt sind.
Für die Praxis ist entscheidend, dass eine Ursache für Abweichungen zwischen den im Voraus berechneten und den später gemessenen Werten auch aus dem Ansatz unterschiedlicher Bilanzgrenzen resultieren kann. So sollte der Stromverbrauch der Heizungsumwälzpumpen oder der Speicherladepumpe bei der Ermittlung der Jahresarbeitszahlen nicht berücksichtigt werden.
Rahmenbedingungen
Die Richtlinie geht in den beiden Kapiteln „Voruntersuchung“ und „Zuständigkeiten“ auf die notwendigen Schritte ein und nennt die einzuhaltenden gesetzlichen und genehmigungsrechtlichen Rahmenbedingungen. Beschrieben werden die jeweiligen Besonderheiten von Elektrowärmepumpen und Wärmepumpen, die mit Brennstoffen angetrieben werden, sowie die Anforderungen an den Aufstellraum, z. B. hinsichtlich Toxizität und Brennbarkeit von Kältemitteln.
Eine Tabelle informiert darüber, wer in welchem Schritt der Planung bzw. Erstellung der Anlage einbezogen ist bzw. sein sollte. Die Liste der Zuständigen umfasst Behörden, Planer und verschiedene Handwerksgewerke sowie den Bauherrn.
Grundlagen und Detailplanung
Die Grundlagenermittlung umfasst alle notwendigen Schritte zur Erstellung eines Anlagenkonzepts. Die Richtlinie bietet dazu (und zur Detailplanung) eine ausführliche Checkliste. Ebenso sind übersichtliche Ablaufdiagramme enthalten, anhand derer strukturiert vorgegangen werden kann.
Die Grundlagenermittlung ist in Kapitel 8 der Richtlinie erläutert, die Detailplanung in Kapitel 9. Folgende Themen werden in beiden Kapiteln in verschiedenen Detaillierungsgraden behandelt: Heizlast, Wärmeübergabe, Gebäudekühlung, Trinkwassererwärmung, Dimensionierung der Wärmepumpe, Betriebsweise, Wärmespeicher, Wärmequellen und Anlagenkonzept.
Innerhalb der Detailplanung wird zusätzlich auf die Erstellung der Ausführungs- und Genehmigungsunterlagen eingegangen.
Bereits in der Grundlagenermittlung sollte geklärt werden, welche Wärmequelle überhaupt infrage kommt. Ebenso wichtig sind die Ermittlung der Heizlast und die Auswahl des Wärmeübergabesystems. Letzteres ist vor allem in Bestandsgebäuden entscheidend, weil hierdurch maßgeblich festgelegt wird, ob ein effizienter Wärmepumpenbetrieb möglich ist.
Der erste Schritt der Grundlagenermittlung ist die Bestandsaufnahme, bei der Grundstück, Gebäude, Gebäudetechnik und Nutzeranforderungen geklärt werden. Mit diesen Informationen können dann ein oder mehrere Anlagenkonzepte erstellt werden, die bezüglich der Energieeffizienz und der Wirtschaftlichkeit verglichen werden können.
Damit ist eine Schätzung der Kosten möglich und die Grundlage für die Festlegung des Systems mit dem Kunden geschaffen.
Es folgen die Erstellung der Genehmigungsanträge und die Detailplanung. Diese erfolgt in denselben Schritten wie die Grundlagenermittlung, allerdings mit ausführlichen statt vereinfachten Verfahren:
Heizlast
Die VDI 4645 beruft sich bei der Heizlast weitgehend auf DIN EN 12831 Beiblatt 1. Darin werden zur Ermittlung der Heizlast ein Kurzverfahren und ein ausführliches Verfahren beschrieben. Für die Konzepterstellung kann auch eine überschlägige Ermittlung, z. B. über das Hüllflächenverfahren, verwendet werden.
Um den unterschiedlichen Anforderungen für verschiedene Räume gerecht zu werden, ist zunächst eine überschlägige Ermittlung der Raumheizlasten sinnvoll.
Für die Detailplanung ist dann eine Berechnung nach DIN EN 12831-1 sowohl für die einzelnen Räume als auch für das gesamte Gebäude notwendig. Diese Informationen sind wichtig für die Dimensionierung der Heizflächen, des Wärmeerzeugers und aller weiteren Anlagenkomponenten, für die Festlegung der Systemtemperaturen und der Betriebsweise sowie für den hydraulischen Abgleich.
Wärmeübergabe
Bei der Auslegung der Wärmeübergabesysteme ist zu beachten, dass eine höhere Effizienz der Wärmepumpe durch möglichst niedrige Vorlauftemperaturen erreicht wird. Flächenheizungen sind dabei im Vorteil. Aber auch Heizkörper können, vor allem im Modernisierungsfall, oft günstig eingesetzt werden, wenn entsprechend niedrige Vorlauftemperaturen realisierbar sind.
Eine Tabelle zeigt die Auswahlkriterien für die Wärmeübergabe im Heizfall. Außerdem wird auf die Besonderheiten bei zusätzlicher Kühlfunktion der Wärmepumpe eingegangen. Sämtliche anwendbaren Systeme werden beschrieben.
Bei der Detailplanung wird konkret auf die Auslegung der Wärmeübergabe eingegangen.
Im Anhang der Richtlinie sind Rechenbeispiele für die Auslegung von Flächenheizungs- und Heizkörpersystemen sowie für die Optimierung der Vorlauftemperatur enthalten.
Gebäudekühlung
Von zunehmender Bedeutung ist dieses Thema vor allem durch wachsende Komfortansprüche der Verbraucher und den gestiegenen Wärmeschutz der Gebäude. Die Richtlinie erläutert die Begriffe Ankühlung, Kühlung und Klimatisierung, die Möglichkeiten der Abfuhr von Kühllasten und die Einsatzgrenzen.
Trinkwassererwärmung
Aufgrund unterschiedlicher Nutzergewohnheiten und der schwierigen Vorhersage von Wohnungsbelegungen ist die Ermittlung realitätsnaher Werte für die Trinkwassererwärmung schwierig. Wegen der großen Bedeutung widmet sich die Richtlinie diesem Thema sehr ausführlich.
Hygiene- und Komfortansprüche stehen oft in Widerspruch mit den Anforderungen an einen wirtschaftlichen Betrieb der Wärmepumpe. Grundlegend stehen folgende Optionen zur Verfügung:
- Die Heizungswärmepumpe übernimmt auch die Trinkwassererwärmung. Sie muss deshalb über eine entsprechend größere Heizleistung verfügen.
- Die Speicherung der Wärme für die Trinkwassererwärmung erfolgt entweder direkt als warmes Trinkwasser in einem Warmwasserspeicher oder sie wird als Heizungswasser gespeichert und bei Bedarf im Durchlaufprinzip entnommen (Frischwassersystem).
- Die Trinkwassererwärmung wird von einer speziellen Trinkwasserwärmepumpe übernommen. Die für diese Anwendung optimierte Wärmepumpe bildet meist mit dem Trinkwarmwasserspeicher eine Einheit. Die Installation ist deshalb besonders einfach.
Die Speicher sind mit 150 bis 300 Liter für die meisten Anwendungen in Ein- und Zweifamilienhäusern ausreichend. Als Wärmequellen sind die Luft des Aufstellraums bzw. die Abluft von Wohnungslüftungsanlagen ebenso nutzbar wie der Heizungsrücklauf und die Außenluft.
Für die gebräuchlichsten Speichersysteme gibt es Abbildungen der Hydraulikschemata.
Das Konzept der Trinkwassererwärmung muss in Abstimmung mit dem Nutzer bzw. Auftraggeber gewählt werden, wobei es nach Möglichkeit den aktuellen als auch künftigen Nutzeranforderungen gerecht werden sollte.
Die VDI 4645 enthält Berechnungsverfahren für die Dimensionierung der Speicher und für die Festlegung des für die Trinkwassererwärmung erforderlichen Zuschlages zur Leistung der Wärmepumpe. Konkret werden zwei unterschiedliche Verfahren der Bedarfsermittlung beschrieben:
- vereinfachtes Verfahren für kleinere Anlagen wie in Ein- oder Zweifamilienhäusern mit einer Belegung bis maximal zehn Personen
- ausführliche Ermittlung der Zapfprofile nach EN 15450
Anschließend folgt die Bestimmung des erforderlichen Speichervolumens.
Dimensionierung der Wärmepumpe
Für die Dimensionierung der Wärmepumpe wird die niedrigste Außentemperatur benötigt. Bei monovalenter Betriebsweise entspricht diese der Norm-Außentemperatur nach DIN EN 12831, Beiblatt 1, Tabelle 1.
Bei bivalenter Betriebsweise wird der Bivalenzpunkt verwendet. Die dafür möglichen Vorgehensweisen sind in der Richtlinie beschrieben. Ebenso die Vorgehensweisen zur Ermittlung der notwendigen Heizleistung der Wärmepumpe für Vor- und Detailplanung.
Betriebsweise
Relevant für die Dimensionierung der Wärmepumpe ist auch die Betriebsweise. Neben der Entscheidung, ob die Wärmepumpe alleine oder mit weiteren Wärmeerzeugern betrieben werden soll (monovalent, bivalent), spielt hierfür der Einsatzbereich eine wesentliche Rolle (Heizung, Kühlung und Trinkwassererwärmung oder Kombination).
Die notwendigen Planungsschritte sind ausführlich erläutert. Abhängig von Bivalenzpunkt und Abschaltpunkt ergeben sich die typischen Betriebsweisen monovalent, monoenergetisch, bivalent-alternativ, bivalent-parallel und bivalent-teilparallel.
Zur Veranschaulichung der Betriebsweisen enthält die Richtlinie Diagramme mit zugehörigen Heizleistungen in Abhängigkeit der Außentemperaturen bzw. Jahresheizarbeiten in Abhängigkeit der Summenhäufigkeit von Außentemperaturen.
Wärmespeicher
Wärmespeicher erfüllen in Wärmepumpenanlagen folgende Aufgaben:
- Erhöhung der Laufzeiten
- Verringerung der Schalthäufigkeit
- Pufferung von Wärme für den Abtauprozess von Luft-Wasser-Wärmepumpen
- Überbrückung von EVU-Sperrzeiten
- hydraulische Entkopplung
- Energiemanagement bei Verwendung mehrerer Wärmeerzeuger
- Energiemanagement zur Erhöhung der Eigenstromnutzung
- ggf. Speicherung von Heizungswasser für die Trinkwassererwärmung
Die VDI-Richtlinie beschreibt die Vorgehensweise für die Bestimmung der Speichervolumina unter Berücksichtigung der Mindestlaufzeit der Wärmepumpe und der bei Luft-Wasser-Wärmepumpen erforderlichen Abtauung.
Für monovalenten Betrieb werden abhängig von den vorliegenden Randbedingungen Dimensionierungsempfehlungen für Wärmespeicher gegeben. Der Anhang enthält eine Beispielberechnung zur Speicherdimensionierung.
Wärmequellen
Die gängigen Wärmequellen Außenluft, Erdreich und Grundwasser werden im Bereich der Grundlagenermittlung ausführlich mit ihren Einsatzmöglichkeiten erläutert. Auf die Besonderheiten von Erdsonden, Erdkollektoren wird ebenso eingegangen wie auf Innen- und Außenaufstellung von Luft-Wasser-Wärmepumpen. Außerdem werden Sonderbauformen wie Eisspeicher und Energiezaun sowie weitere Wärmequellen beschrieben.
Nutzung von Solarenergie
Ein Abschnitt widmet sich ausführlich der Nutzung von Solarenergie in Wärmepumpenanlagen. Neben der immer häufiger zu findenden Kombination mit Photovoltaik gibt es auch verschiedene Möglichkeiten, thermische Solarenergie mit Wärmepumpen zu kombinieren: direkt zur Trinkwassererwärmung oder Heizungsunterstützung oder auch zur Regeneration von Erdwärmesonden.
Wärmepumpenbetrieb
Das Kapitel „Inbetriebnahme/Unterweisung“ der VDI 4645 enthält eine ausführliche Beschreibung aller Schritte, die notwendig sind, um eine funktionierende und betriebssichere Gesamtanlage zu gewährleisten.
Angefangen mit der elektrischen Sicherheit nach VDE 0100-600 und der Befüllung der Heizungsanlage geht die Richtlinie auf den hydraulischen Abgleich ein, gibt Empfehlungen für Reglereinstellungen bei der Inbetriebnahme und für die Systemoptimierung nach den ersten Betriebserfahrungen (z. B. nach dem ersten Betriebsjahr). Ein Unterkapitel befasst sich mit der Dokumentation der Anlage und der Unterweisung des Nutzers.
Im Kapitel „Inspektion und Wartung“ sind die wesentlichen Tätigkeiten aufgeführt, die an einer Wärmepumpenanlage vorzunehmen sind. Eine Checkliste dazu ist im Anhang der Richtlinie enthalten.
Checklisten, Berechnungen und mehr im Anhang
- Die Anhänge A bis L der VDI 4645 nehmen den halben Umfang der Richtlinie ein. Sie enthalten:
- eine Auflistung relevanter Gesetze, Verordnungen und Normen
- Auslegungsbeispiele für Flächenheizungs- und Heizkörpersysteme
- eine Checkliste für Konzept- und Detailplanung
- einen Ablaufplan für Betriebsweisen und die Wahl der Wärmepumpe
- hydraulische Schaltungen
- Berechnungsbeispiele für die Effizienzbewertung
- eine Kostenrechnung für eine Elektrowärmepumpe
- ein Beispiel eines Anlagenbuches nach F-Gase-Verordnung
- Zapfprofile für die Ermittlung des Energiebedarfs der Trinkwassererwärmung
- Berechnungsbeispiele zur Auswahl der Wärmepumpe und Dimensionierung der Bauteile, zum Heizwärme- und Trinkwarmwasserbedarf und zur Dimensionierung von Speichern
- Checklisten für Inbetriebnahme, Reglereinstellungen, Fehlersuche, Sicherheitsüberprüfungen
Fazit
14 Millionen alte Heizungsanlagen müssen nach Angaben der Bundesregierung in den kommenden Jahrzehnten ausgetauscht werden. Dies ist eine große Herausforderung für Handwerker, Planer und Immobilienbesitzer – vor allem aber eine große Chance für die Wärmepumpe und für unser Klima.
Die VDI-Richtlinie 4645 ist eine wichtige Maßnahme, um Anreize für den Einbau von erneuerbaren Heizungssystemen zu schaffen und den Anteil optimal funktionierender Wärmepumpenanlagen in der Praxis zu steigern.
Dieser Artikel von Alexander Sperr ist zuerst erschienen in SBZ Ausgabe: 08-2018.
Schulung zum Sachkundigen für Wärmepumpensysteme
Blatt 1 der neuen VDI 4645 „Heizungsanlagen mit Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern – Planung, Errichtung, Betrieb“ beschreibt ein Konzept für Schulungen, Prüfungen und zu erlangende Qualifizierungsnachweise, mit dem Fachleute zum „Sachkundigen für Wärmepumpensysteme nach VDI 4645“ weitergebildet werden.
Zielgruppen dieser Schulungen sind unter anderem Planer, Anlagenersteller, Fachhandwerker, Betreiber oder Produktentwickler der herstellenden Industrie.
Beschrieben sind Schulungen für drei verschiedene Kategorien: Errichter (E), Planer (P) sowie Planer und Errichter (PE), außerdem die Zulassungsvoraussetzungen der Schulungsteilnehmer, die Qualitätsmerkmale der Schulungen und die Qualifikation der Referenten.
Jeder Schulungskategorie sind bestimmte Inhalte zugeordnet. Die Schulungen dauern, je nach Kategorie, zwischen 560 und 800 Minuten und sollen innerhalb von zwei Tagen bei den Schulungspartnern des VDI durchgeführt werden.
Nach erfolgter Schulung kann innerhalb von sechs Monaten eine Onlineprüfung abgelegt werden, deren Bestehen Voraussetzung für die Erlangung des Qualifizierungsnachweises ist. Die „Sachkundigen für Wärmepumpensysteme nach VDI 4645“ werden dann in einer öffentlich zugänglichen Onlinedatenbank („Register“) gelistet.
Schulungspartner nach VDI 4645 Blatt 1 können nicht nur Wärmepumpenhersteller werden, sondern auch Handwerksbetriebe, Innungen, unabhängige Schulungscenter und andere branchennahe Institutionen.
Über die angebotenen Schulungen kann man sich auf der Homepage des VDI unter www.vdi.de/4645
informieren.
Hilfreiche Leitfäden
Wärmepumpensysteme stellen (im Vergleich zur Öl- und Gasbrennwerttechnik) erhöhte Anforderungen an Planung, Ausführung und Wartung. Denn Fehler in der Planung und Ausführung wirken sich meist, vor allem mit Blick auf die Effizienz, gravierender aus und sind hinterher nur noch schwer zu korrigieren. Aus diesem Grund hat der VDI mit einem Expertenkreis die Richtlinienreihe VDI 4645 herausgegeben, die im März 2018 als Weißdruck erschienen ist:
- VDI 4645:2018-03 (Preis: 305,90 Euro): „Heizungsanlagen mit Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern – Planung, Errichtung, Betrieb“
- VDI 4645 Blatt 1:2018-03 (Preis: 72,60 Euro): „Heizungsanlagen mit elektrisch angetriebenen Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern – Planung, Errichtung, Betrieb – Schulungen, Prüfungen, Qualifizierungsnachweise“
Erhältlich sind die Richtlinien beim Beuth Verlag.
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