Schema F war gestern!

Das Bundesverfassungsgericht hat in einem Beschluss vom 24. März 2021 entschieden, den Gesetzgeber zur schnelleren Klimaneutralität zu verpflichten. Das gibt den Weg in eine weitestgehende Dekarbonisierung von Industrie, Energiewirtschaft, Verkehr und Immobilienmarkt vor. Für die Gebäudebeheizung bedeutet das: Weg von Öl und Gas – hin zu erneuerbaren Energien. Es reicht aber bei Weitem nicht, neue Technologien „nur" einzubauen. Damit sie effizient arbeiten, muss die Anlagenhydraulik sorgfältig geplant, Stellglieder müssen korrekt dimensioniert und die Anlage schließlich hydraulisch einreguliert werden. Was es dabei zu beachten gilt.

Erneuerbare Energien: Neue Herausforderungen für die Branche

Gerade in der Gebäudebeheizung waren Öl- und Gasheizkessel viele Jahrzehnte lang gesetzt. Verschärfte Gesetze und Vorgaben, eine sich jährlich erhöhende CO₂-Steuer, eine unsichere Versorgung mit Öl und Gas und Energiepreise auf Rekordhöhe sorgen der Notwendigkeit geschuldet für eine neue Akzeptanz der Wärmepumpen-Technologie. Für die SHK-Branche ist dies ein deutliches Zeichen, gewohnte Pfade zu verlassen, „Schema F" hinter sich zu lassen, sich neu zu justieren und sich der neuen An- und Herausforderung zu stellen. 

Um der Dekarbonisierung weiteren Vorschub und Geschwindigkeit zu verleihen, hat die damalige Bundesregierung ab Januar 2020 im Rahmen eines „Klimapakets" eine attraktive Förderung für umweltfreundliche Heizungen auf den Weg gebracht. Nach Willen des heute von Grün geführten Bundeswirtschaftsministeriums soll ab 2024 jeder neu eingebaute Wärmeerzeuger mit erneuerbaren Energien betrieben werden.  

Die Bedeutung der Anlagenhydraulik bei der Wärmepumpe

Zur Erfüllung der politischen Vorgaben stehen im Wesentlichen Solaranlagen, Pelletheizkessel und Wärmepumpen zur Wahl und insbesondere bei letzterer ist ein abgestimmtes und einreguliertes Hydrauliksystem von eminenter Wichtigkeit. Die Anlagenhydraulik bestimmt maßgeblich die Effizienz einer Wärmepumpenanlage. Daraus kann abgeleitet werden, dass es zunächst eine gewissenhafte, belastbare Berechnung und Planung geben muss. Eine Abschätzung der Gebäudeheizlast – wie sie oft bei Öl- und Gasheizkesseln erfolgt (auch da ist sie mitnichten gutzuheißen!) – kann bei einer Wärmepumpe stark effizienzmindernd sein. Deshalb ist eine Berechnung der Gebäudeheizlast der Anfang von allem! Sie ist die Grundlage zur Auslegung der Heizleistung der Wärmepumpe. Und grundsätzlich muss klar sein: Umso größer das Delta zwischen Wärmequelle und Heizungssystem, desto mehr Energie (Strom) wird verbraucht.

Damit Wärmepumpen effizient arbeiten und ihr Potenzial ausschöpfen können, gilt demnach, es müssen niederst mögliche Vorlauftemperaturen und möglichst lange Laufzeiten angestrebt werden. Eine Wärmepumpe im Taktbetrieb arbeitet nicht effizient! Gerade in diesem Punkt ist die Anlagenhydraulik ein mitentscheidender Faktor.

Um was geht es bei der Anlagenhydraulik? Die Anlagenhydraulik hat letztlich drei Aufgaben: Das Bereitstellen, das Verteilen und das Übergeben von Energie.

Das Bereitstellen von Energie

Am Anfang der Kette, noch vor dem Bereitstellen der Energie, steht das Erzeugen von Energie. Diese Aufgabe kommt der Wärmepumpe zu, jedoch bereits hier kommt die Hydraulik ins Spiel, denn die erzeugte Energie muss vom Erzeuger- in den Heizkreis abgeführt werden. Um dies sicherzustellen, geben die Hersteller einen gerätebezogenen, minimal möglichen Volumenstrom pro Stunde vor. Die Spreizung soll im Auslegungsfall im Bereich von 3…5K liegen. Die Einhaltung der Herstellervorgabe ist wichtig, denn wird der Mindestvolumenstrom unterschritten und die erzeugte Energie nicht abgeführt, wird das gasförmige Kältemittel nicht genügend abgekühlt und die Wärmepumpe geht auf Störung. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen ist die Einhaltung des Mindestvolumenstroms auch hinsichtlich eines bei entsprechenden Außentemperaturen und Luftfeuchtigkeit von Zeit zu Zeit nötigen Abtauvorgangs des Verdampfers wichtig. Dieser Vorgang dauert in der Regel nur wenige Minuten. Es wird dabei durch Strömungsumkehr warmes Wasser aus dem Heizsystem über den Verdampfer geführt und dieser damit enteist.

Zur Einhaltung der Herstellervorgabe und Sicherstellung der Mindestumlaufmenge stehen letztlich zwei Möglichkeiten zur Verfügung.

Möglichkeit 1 ist der Einbau eines Differenzdruck-Überströmventils (Bild 1). Durch die Möglichkeit der Überströmung, auch bei geschlossenen Heizkreisen der Fußbodenheizung oder geschlossenen Thermostatventilen an den Radiatoren, wird die erforderliche Mindestumlaufmenge sicher erreicht.

Bild 1: Eine Möglichkeit zur Sicherstellung der Mindestumlaufmenge ist der Einbau eines Differenzdruck-Überströmventils. Bild: Resideo

Möglichkeit 2 ist der Einbau eines Pufferspeichers (Bild 2) mit einem empfohlenen Inhalt von 30...50 l/kW. Durch den Einsatz eines Pufferspeichers wird zum einen Erzeuger- und Verbraucherseite hydraulisch entkoppelt (Wirkung einer hydraulischen Weiche), was die Einhaltung eines Mindestvolumenstroms stets absichert, und zum anderen wird die Systemwassermenge erhöht, was dann die Wärmepumpenlaufzeiten erhöht und einen effizienzmindernden Taktbetrieb verhindert. Ein weiterer Vorteil des Pufferspeichers ist, dass eventuell zur Verfügung stehende Alternativenergien, z. B. ein Holzofen mit Wassertasche oder Solarkollektoren, problemlos in das Gesamtsystem eingebunden werden können. 

Bild 2: Als weitere Möglichkeit zur Sicherstellung der Mindestumlaufmenge kann ein Pufferspeicher mit einem empfohlenen Inhalt von 30...50 l/kW eingebaut werden. Bild: Resideo

Das Verteilen von Energie

Nach dem Erzeugen und dem Bereitstellen der Energie geht es an das Verteilen der Energie an die Abnehmerkreise. Was bei einer Einkreisanlage (siehe Bild 1) noch keine hydraulische Herausforderung darstellt, will bei Anlagen mit mehreren Heizkreisen (Bsp. Bild 3) durchdacht sein. Grundsätzlich ist in Anlagen mit mehreren Abnehmerkreisen immer ein Pufferspeicher zur hydraulischen Entkopplung von Erzeuger- und Abnehmerseite erforderlich. Es stellen sich weiterhin die Fragen a) wie viele Heizkreise gibt es im Gebäude, b) welche Systemtemperatur verlangt der einzelne Heizkreis und c) ist ein 3-Wege-Stellglied nötig?

Bild 3:

Wir betrachten hier eine beispielhafte Anlage mit insgesamt vier Abnehmerkreisen:
Frischwasserstation, Fußbodenheizung 1, Fußbodenheizung 2 und Radiatoren. Für die beiden Fußbodenheizkreise sind 3-Wege-Stellglieder vorzusehen, um die Puffertemperatur an die der Witterung angepassten, fußbodengerechten Vorlauftemperaturen zu reduzieren. Hier empfiehlt sich der Einsatz von Centra-Dreiwegemischern. Sie können in Nennweite und Kvs-Wert* an die Erfordernisse angepasst und entsprechend dimensioniert werden. Auch hier gilt:

Grundlage ist die errechnete Heizlast, in diesem Fall aufgeteilt auf die Heizkreise.
Eine überschlägige oder gar abgeschätzte Festlegung von Dimension und Kvs-Wert kann niemals ein gutes Regelverhalten und ein optimales Regelergebnis erreichen. Bei einer Wärmepumpenanlage ist dies wie bereits erwähnt von hoher Wichtigkeit.
Die Merkregel zur Dimensionierung lautet:  

Der Druckverlust des mengenvariablen Anlagenteils soll etwa auch der Druckverlust des Stellglieds sein

Der mengenvariable Anlagenteil ist im Bild 4 gekennzeichnet, es ist der Kesselkreis. Hat nun dieser Kreis als Beispiel 30 mbar Druckverlust, so soll der Druckverlust des auszulegenden Stellglieds auch etwa 30 mbar sein.

Bild 4: Der mengenvariable Anlagenteil ist der Kesselkreis. Seinem Druckverlust soll etwa auch der Druckverlust des Stellgliedes entsprechen. Bild: Resideo

Im Diagramm (Bild 5) ist ein gelblich abgesetzter Bereich erkennbar. Es ist der Bereich von 15…40 mbar. Der Druckverlust des „mengenvariablen Teilstromkreises" liegt allgemein in diesem Bereich, weshalb wir den Mischer in der Regel auch dort auslegen. Nachfolgend ein Beispiel zur Dimensionierung des 3-Wegemischers. Bei einer berechneten Heizlast von 12 kW für den Fußbodenheizkreis 1 und einer Spreizung von 5 Kelvin ergibt sich ein Volumenstrom von 2,06 m³/h (Bild 5). Aus dem Diagramm ist nun ablesbar, dass es ein Mischer in DN 32 mit dem Kvs-Wert 16 m³/h sein muss. Der Druckverlust des Mischers ist 18 mbar.

Bild 5: Der Druckverlust des „mengenvariablen Teilstromkreises" liegt allgemein in dem gelblich abgesetzten Bereich von 15…40 mbar, weshalb der Mischer in der Regel auch dort ausgelegt wird. Bild: Resideo

Das Übergeben von Energie

Am Ende der „Kette" wird die bereitgestellte, verteilte Energie schließlich gemäß ihrer Bestimmung an die Verbraucher übergeben. Verbraucher sind in erster Linie Fußbodenheizkreise und Radiatoren, aber selbstverständlich auch WW-Bereiter oder Luftheizregister. Wichtig beim Übergeben von Energie ist, dass jeder Verbraucher exakt die notwendige Wassermenge erhält.

Bild 6: Der Unterschied eines hydraulisch einregulierten Systems gegenüber einem nicht einregulierten System lässt sich gut erkennen: Ohne hdyraulischen Abgleich werden von der Wärmequelle entfernte Verbraucher unterversorgt. Bild: Resideo

Beim hydraulischen Abgleich werden mittels eines zusätzlichen Widerstands im Thermostatventil, der Ventilvoreinstellung, die Druckverluste angeglichen und somit der Heizfläche die notwendige Wassermenge zugewiesen. In nicht abgeglichenen Systemen kann die Wassermenge bei pumpennahen Heizkörpern oft um 200…300 % überhöht sein, während ungünstig angebundene Heizflächen unterversorgt sind.

Insbesondere für den Gebäudebestand mit oftmals „historisch gewachsenen", unbekannten Rohrnetzen empfehlen wir die Nutzung von Thermostatventilen mit integriertem Differenzdruckregler. Denn damit ist gewährleistet, dass die einregulierte Wassermenge auch bei sich änderndem Differenzdruck stets konstant bleibt.

So gelingt der effiziente Betrieb einer Wärmepumpe

Sind alle drei Punkte, nämlich das Bereitstellen, das Verteilen und das Übergeben von Energie berechnet, dimensioniert und schließlich im Objekt fachlich korrekt ausgeführt, steht einem effizienten Betrieb einer Wärmepumpe nichts mehr im Wege, die Energiewende kann beginnen!