Wärmepumpenheizungen (eBook)

Vorwort vom Bundesverband Wärmepumpe e. V. (BWP) 6
Vorwort von der PricewaterhouseCoopers GmbH (pwc) 8
Danksagung 12
Gebrauchsanleitung für dieses Buch 13
Inhaltsverzeichnis 15
Abkürzungsverzeichnis 19
Abbildungsverzeichnis 22
Tabellenverzeichnis 27
Gleichungsverzeichnis 30
1 Einleitung 31
1.1 ?Gründe für eine Wärmepumpenheizung 32
1.2 ?Vorbehalte gegenüber Wärmepumpenheizungen 33
2 Politische und gesetzliche Rahmenbedingungen von Wärmepumpenheizungen 34
2.1 ?Klimaschutzziele im Überblick 35
2.1.1 ?Bewertung und Möglichkeiten zur Erreichung der politischen Ziele 36
2.2 ?EU-Energielabel 37
2.3 ?Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) 38
2.3.1 ?Förderung von Wohngebäuden (BEG WG) 39
2.3.1.1 ?Neubauten mit Effizienzhausstandard 39
2.3.1.2 ?Modernisierungen von Bestandsgebäuden auf Effizienzhausstandard 40
2.3.2 ?Förderung von Einzelmaßnahmen (BEG EM) 41
2.3.3 ?Fördervoraussetzungen und förderfähige Wärmepumpenheizungen 43
2.3.4 ?Förderfähige Kosten 44
3 Marktanalyse und Bedeutung von Wärmepumpenheizungen 45
3.1 ?Marktsituation des Gebäudesektors 46
3.1.1 ?Struktur des Gebäudebestands 46
3.1.2 ?Endenergieverbrauch von Wohngebäuden 47
3.1.3 ?Marktanteile von Wärmeerzeugern 48
3.2 ?Marktsituation des Wärmepumpenmarktes 50
4 Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit von Wärmepumpenheizungen 54
4.1 ?Effizienz und Leistung von Wärmepumpen 55
4.1.1 ?Vergleich von Wärmepumpen 55
4.1.2 ?Leistungskennzahlen von Wärmepumpenheizungen 56
4.1.2.1 ?Coefficient of Performance (COP) 56
4.1.2.2 ?Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) 56
4.1.2.3 ?Jahresarbeitszahl ? (JAZ) 56
4.1.2.4 ?Jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz ?s (ETAs) 60
4.1.3 ?Bilanzgrenzen 61
4.1.4 ?Vergleich von Energieeffizienzklassen und ETAs-Werten 62
4.2 ?Umweltfreundlichkeit von Wärmepumpenheizungen 62
4.2.1 ?Energieflussdiagramm 62
4.2.2 ?CO2-Bilanz der Wärmepumpenheizung 64
4.3 ?Kosten von Wärmepumpenheizungen 66
4.3.1 ?Energiekosten 67
4.3.2 ?Investitionskosten 69
4.3.3 ?Betriebskosten 70
4.3.3.1 ?Verbrauchsgebundene Kosten 71
4.3.3.2 ?Instandhaltungs- und Wartungskosten 73
4.3.4 ?Kostenvergleich mit anderen Heizungssystemen 74
4.3.4.1 ?Heizspiegel in Deutschland 74
4.3.4.2 ?Kostenvergleich bei Modernisierungen von Bestandsgebäuden mit Wärmepumpenheizungen 74
4.3.4.3 ?Kostenvergleich bei Neubauten mit Wärmepumpenheizungen 79
5 Technik von Wärmepumpenheizungen 87
5.1 ?Grundlegendes zur Technik von Wärmepumpenheizungen 88
5.1.1 ?Bauformen und Einsatzgebiete von Wärmepumpenheizungen 88
5.1.2 ?Hauptkomponenten einer Wärmepumpenheizung 89
5.2 ?Technik einer Wärmequellenanlage (WQA) 89
5.2.1 ?Wärmequellen 89
5.2.1.1 ?Wärmequelle Luft 90
5.2.1.2 ?Wärmequelle Erdreich 91
5.2.1.3 ?Wärmequelle Wasser 92
5.2.1.4 ?Wärmequellen im Vergleich 92
5.2.2 ?Luft/Wasser-Wärmepumpen (LWP) 92
5.2.2.1 ?Kompaktbauweisen 95
Innenaufstellung 95
Außenaufstellung 95
5.2.2.2 ?Split-Bauweise 96
5.2.2.3 ?Vereisung des Verdampfers 97
5.2.2.4 ?Heizen von Swimmingpools 98
5.2.2.5 ?Bauarten von Luft/Wasser-Wärmepumpen im Vergleich 99
5.2.3 ?Sole/Wasser-Wärmepumpen (SWP) 99
5.2.3.1 ?Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Erdsonden 100
5.2.3.2 ?Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Erdkollektoren 103
Erdkollektoren mit Direktverdampfung 105
5.2.4 ?Wasser/Wasser-Wärmepumpen (WWP) 105
5.2.5 ?Luft/Luft-Wärmepumpen (LLWP) 108
5.3 ?Technik einer Wärmepumpe 110
5.3.1 ?Funktionsprinzip einer Wärmepumpe 110
5.3.1.1 ?Der Kühlschrank als umgekehrte Wärmepumpe 111
5.3.1.2 ?Warum heißt die Wärmepumpe „Wärmepumpe“? 112
5.3.2 ?Kältekreis und Bauteile der Wärmepumpe 114
5.3.2.1 ?Technische Beschreibung 115
Verdampfer – Wärmeaufnahme aus der Wärmequelle 115
Verdichter – Wärmeaufwertung 117
Verflüssiger – Wärmeabgabe an WNA 118
Expansionsventil – Rückführung des Kältemittels in Ausgangslage 118
5.3.2.2 ?Bauteile im Kältekreis 119
Niederdruck- und Hochdruckwächter 119
4-Wege-Umschaltventil 119
Regler 120
5.3.2.3 ?Sonderbauformen des Kältekreises 120
Kältekreis mit Heißgasnutzung 121
Kältekreis mit Unterkühlung 122
Kältekreis mit Zwischenwärmetauscher 122
Zweistufiger Kältekreis 123
Reversibler Kältekreis 123
5.3.3 ?Kältemittel 124
5.3.3.1 ?Umweltgefährdung durch Kältemittel 125
ODP-Wert 125
GWP-Wert und CO2-Äquivalent 126
5.3.3.2 ?Gesetzliche Vorschriften 126
Dichtheit und Dichtheitskontrollen 126
Verwendungs- und Inverkehrbringungsverbote 127
5.3.3.3 ?Marktübliche Kältemittel 128
Teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) 128
Alternative Kältemittel 128
5.3.4 ?Strom als Antriebsenergie von Wärmepumpen 129
5.3.5 ?Elektroheizstab in einer Wärmepumpe 131
5.3.6 ?Leistungsregelung von Wärmepumpen 131
5.3.6.1 ?Fixed-Speed-Wärmepumpen 132
5.3.6.2 ?Leistungsgeregelte Wärmepumpen 133
5.3.7 ?Betriebsarten von Wärmepumpenheizungen 134
5.3.7.1 ?Monovalente Betriebsweise 134
5.3.7.2 ?Bivalente Betriebsweise 135
Bivalent-alternativ 135
Bivalent-parallel 135
Bivalent-teilparallel 135
5.3.7.3 ?Monoenergetische Betriebsweise 136
5.4 ?Technik einer Wärmenutzungsanlage (WNA) 136
5.4.1 ?Bauteile einer Wärmenutzungsanlage 137
5.4.2 ?Pufferspeicher 137
5.4.2.1 ?Reihenpufferspeicher 138
5.4.2.2 ?Trennpufferspeicher 139
5.5 ?Digitalisierung von Wärmepumpenheizungen 140
5.5.1 ?Das vernetzte Gebäude – Smart Home-Technologie 142
5.5.2 ?Intelligentes Stromnetz (Smart Grid) 143
5.5.3 ?Moderne Messeinrichtung und intelligentes Messsystem 143
6 Planung von Wärmepumpenheizungen 145
6.1 ?Wärmebedarfsermittlung 148
6.1.1 ?Grundlegendes 148
6.1.2 ?Heizlastberechnung des Gebäudes 148
6.1.2.1 ?Heizlastberechnung über Energieverbrauch 150
6.1.2.2 ?Heizlastberechnung über Endenergiebedarf 152
6.1.2.3 ?Heizlastberechnung über Wohnfläche und Baujahr 152
6.1.3 ?Leistungszuschlag für die Brauchwassererwärmung 153
6.1.4 ?Leistungszuschlag für Sperrzeiten 155
6.1.5 ?Gesamtheizlast 156
6.1.6 ?Überblick der Methoden zur Heizlastberechnung 157
6.2 ?Planung einer Wärmequellenanlage (WQA) 157
6.2.1 ?Grundlegendes 157
6.2.2 ?Wahl einer Wärmequelle 158
6.2.3 ?Luft/Wasser-Wärmepumpen (LWP) 159
6.2.3.1 ?Planung bei Innenaufstellung 161
6.2.3.2 ?Planung bei Außenaufstellung 161
6.2.3.3 ?Auslegung für einen Swimmingpool 162
6.2.4 ?Sole/Wasser-Wärmepumpen (SWP) 163
6.2.4.1 ?Auslegung von Erdsonden 163
6.2.4.2 ?Auslegung von Erdkollektoren 169
6.2.5 ?Wasser/Wasser-Wärmepumpen (WWP) 173
6.2.5.1 ?Auslegung von Wasser/Wasser-Wärmepumpen 174
6.2.6 ?Rückbau von Wärmequellenanlagen 179
6.2.7 ?Planungsübersicht und Vergleich der Wärmequellenanlagen 180
6.3 ?Planung einer Wärmepumpe (WP) 180
6.3.1 ?Grundlegendes 180
6.3.2 ?Wahl der Betriebsart einer Wärmepumpe 180
6.3.2.1 ?Monovalente Wärmepumpenheizungen 181
6.3.2.2 ?Bivalente Wärmepumpenheizungen 182
6.3.2.3 ?Vergleich von monovalenter und bivalenter Betriebsweise 184
6.3.3 ?Auslegung der Leistungsgröße einer Wärmepumpe 185
6.3.3.1 ?Grundlegendes 185
6.3.3.2 ?Auslegung von Wärmepumpen im monovalenten Betrieb 187
6.3.3.3 ?Auslegung von Wärmepumpen im bivalenten Betrieb 189
6.3.3.4 ?Auslegung von leistungsgeregelten Wärmepumpen 194
6.3.3.5 ?Auslegungsempfehlungen 196
6.4 ?Planung einer Wärmenutzungsanlage (WNA) 198
6.4.1 ?Grundlegendes 198
6.4.2 ?Volumenstrom und Temperaturspreizung 199
6.4.2.1 ?Berechnung und Einstellung der Temperaturspreizung 200
6.4.3 ?Rohrnetzdimensionierung 202
6.4.4 ?Auslegung des Pufferspeichers 203
6.4.4.1 ?Grundlegende Hinweise 203
6.4.4.2 ?Dimensionierung des Pufferspeichers 204
6.4.5 ?Hinweise zur Einstellung einer Heizkurve 205
6.4.6 ?Hydraulischer Abgleich 207
6.5 ?Brauchwassererwärmung 209
6.5.1 ?Brauchwassererwärmung mit der Heizungswärmepumpe 210
6.5.1.1 ?Brauchwassererwärmung mit Warmwasserspeicher 210
6.5.1.2 ?Auslegung des Warmwasserspeichers 214
6.5.1.3 ?Brauchwassererwärmung mit Pufferspeicher 216
6.5.1.4 ?Konzepte zur Brauchwassererwärmung in der Übersicht 218
6.5.1.5 ?Kombispeicher 218
6.5.2 ?Brauchwassererwärmung mit der Brauchwarmwasser-Wärmepumpe (BWWP) 220
6.6 ?Kühlen mit Wärmepumpenheizungen 221
6.6.1 ?Grundlegendes 221
6.6.2 ?Kühlungsarten 223
6.6.2.1 ?Passive Kühlung 223
6.6.2.2 ?Aktive Kühlung 224
6.6.3 ?Wärmeübergabesysteme zum Kühlen 226
6.6.4 ?Anlagentechnische Voraussetzungen für den Kühlbetrieb 228
6.6.5 ?Auslegungshinweise für den Kühlbetrieb 229
6.7 ?Schallemissionen von Wärmepumpen 230
6.7.1 ?Grundlegendes 230
6.7.2 ?Schallquellen bei Wärmepumpen 232
6.7.3 ?Gesetzliche Vorschriften 232
6.7.3.1 ?Grenzwerte für Schallimmissionen außerhalb von Gebäuden 232
6.7.4 ?Ermittlung der Geräuschimmissionen für Geräte im Freien 233
6.7.4.1 ?Vereinfachtes Prognoseverfahren nach TA Lärm 234
6.7.5 ?Mindestabstände 236
6.7.6 ?Schalldämmende Maßnahmen von Luft/Wasser – Wärmepumpen 236
6.7.6.1 ?Aufstellung im Freien 238
6.7.6.2 ?Aufstellung im Gebäude 239
6.7.7 ?Schalltechnische Empfehlungen zur Wahl der Wärmepumpe 239
6.8 ?Bestandsgebäude mit Wärmepumpenheizungen 240
6.8.1 ?Grundlegendes 240
6.8.2 ?Modernisierungsmöglichkeiten 242
6.8.3 ?Bestimmung der erforderlichen Vorlauftemperatur 244
6.8.3.1 ?Bestimmungsmethoden 244
6.8.3.2 ?Niedertemperatur-Systeme 245
6.8.3.3 ?Hochtemperatur-Systeme 246
6.8.4 ?Eignung von Wärmeübergabesystemen für Wärmepumpen 247
6.8.5 ?Hydraulische Anforderungen an Wärmepumpenheizungen 249
6.8.6 ?Empfehlungen zur Wahl der Wärmepumpe 249
6.9 ?Hybride Wärmepumpenheizungen 251
6.9.1 ?Grundlegendes 251
6.9.2 ?Hydraulische Einbindung von hybriden Systemlösungen 251
6.9.3 ?Regelung von bivalenten Wärmepumpenheizungen 252
6.9.3.1 ?Beispiele von Hybrid-Wärmepumpenheizungen 252
6.10 ?Wärmepumpenheizungen mit Photovoltaikanlagen 254
6.10.1 ?Grundlegendes 254
6.10.2 ?Anlagenaufbau und -konfigurationen 256
6.10.3 ?Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage 259
6.10.4 ?Schnittstellen zwischen PV-Anlage und Wärmepumpe 264
6.11 ?Hydraulikschaltungen einfacher Wärmepumpenheizungen 264
6.11.1 ?Wärmepumpenheizung ohne Pufferspeicher und mit Brauchwarmwasserspeicher 264
6.11.2 ?Wärmepumpenheizung mit Reihenpufferspeicher und Brauchwarmwasserspeicher 264
6.11.3 ?Wärmepumpenheizung mit Trennpufferspeicher und Brauchwarmwasserspeicher 266
6.11.4 ?Wärmepumpenheizung mit Trennpufferspeicher, Brauchwarmwasserspeicher und passiver Kühlung 266
7 Optimierung von Wärmepumpenheizungen 269
7.1 ?Grundlegendes 270
7.2 ?Grundregeln für eine hohe Anlageneffizienz 271
7.3 ?Check-Liste allgemeiner Optimierungsmöglichkeiten 272
7.4 ?Beispiele zur Optimierung der Anlagenhydraulik 273
8 Erfahrungen mit Wärmepumpenheizungen in der Praxis 276
8.1 ?Erfahrungen von Endkunden 277
8.2 ?Ergebnisse aus Feldmessungen von Wärmepumpenanlagen des Fraunhofer ISE 277
8.2.1 ?„WP im Gebäudebestand“ (2010) 278
8.2.2 ?„WP Monitor“ (2014) 278
8.2.3 ?„WPsmart im Bestand“ (2020) 279
8.3 ?Häufige Störungen und Fehler in der Wärmequellenanlage 280
8.4 ?Ausführungsbeispiel: Zweifamilienhaus 281
9 Diskussion, Ausblick und Perspektive 285
9.1 ?Verantwortung der Politik 286
9.2 ?Verantwortung von Bauherren 287
9.3 ?Technische Entwicklung von Wärmepumpenheizungen 288
10 Fazit 290
Anhang 294
Glossar 298
Literatur 305
Stichwortverzeichnis 311