Planung der Wärmepumpen Heizung

Auf den folgenden Seiten wird der Ablauf bei der Planung und Realisierung unserer Wärmepumpe erläutert. Grundsätzliche Hinweise wie eine ideale Planung generell ablaufen soll finden sich im Bereich Wissen.

Nachdem die alte Ölheizung begann Öl zu verlieren und der Kessels undicht wurde wurde nach Möglichkeiten für einen Ersatz gesucht. Die Heizung war mit 14 Jahren nicht sonderlich alt, das Öl uns jedoch schon lange ein Dorn im Auge. Es sollte eine ökologische Heizung her. So wurde statt repariert neu gebaut. Die Wahl fiel rasch auf eine umweltfreundliche Wärmepumpe nachdem eine Pelletsheizung verworfen wurde.

Die Planung der Wärmepumpenanlage wurde anfänglich den Systemanbietern überlassen, einem Kälteunternehmen und einem Heizungsinstallateur von denen je eine Offerte als GU eingeholt wurde. Es zeigte sich jedoch, dass einige Dinge in der Standardauslegung optimiert werden könnten und so wurde nachträglich einiges selber geplant und ausgelegt und die Nerven des Installateurs strapaziert ;-)

Die Offerte des Kälteanlagebauers wurde nicht weiterverfolgt, da sie rund 30% höher als vom Heizungsinstallateur war und das Wärmepumpenmodul auch nicht überzeugen konnte (COP nur 4.2 bei B0W35 und komplizierte Aufstellung).

Aufgrund der eher hohen Vorlauftemperatur im Abgabesystem von ca. 45 °C kam eine Luft-Wasser Wärmepumpe nicht in Frage. Die Möglichkeit wurde zwar geprüft, aber wegen geringer Effektivität wieder verworfen. Es wurde entschieden eine Sole-Wasser Wärmepumpe mit gut dimensionierter Wärmequelle zu installieren.

Ermittlung des Wärmebedarfs

Die Ermittlung des genauen Wärmebedarfs ist der wichtigste Schritt beim Planen der Anlage. Eine Wärmepumpe sollte nicht überdimensioniert sein, da sonst deren Effektivität sinkt und sie zu takten neigt. Das gilt grundsätzlich für alle Heizungen, ist aber bei der Wärmepumpe besonders wichtig.

Die nötige Leistung der Wärmepumpe wurde aufgrund des Ölverbrauchs der vergangenen Jahre bestimmt. Dieser betrug im Schnitt 2500 l, die Warmasserbereitung erfolgte mit Elektroboiler. Mit der Formel von Weiersmüller ergibt sich eine Leistung von 9.4 kW ohne, bzw. 10.0 kW mit Warmwasser. Die Formel berücksichtigt bereits einen Wirkungsgrad von ca. 70% des Ölkessels. Sperrzeiten von 4 h/Tag ergeben einen Aufschlag auf 12 kW. Aufgrund dieser Berechnung wurde eine Wärmepumpe mit einer Wärmeleistung von 12.5 kW bei B0W35 angeboten.

Aufgrund mehrjähriger Aufzeichnungen des Tagesverbrauchs des alten Ölkessels konnte dieser Leistungsbedarf überprüft werden. Der 26 kW Brenner war an den kältesten Tagen maximal 9 Stunden im Einsatz, was einer Leistung von 9.8 kW ohne bzw. 11.7 kW mit Berücksichtigung der Sperrzeiten ergibt. Die beiden Auslegungsmethoden korrelieren in diesem Fall also sehr gut.

Nicht berücksichtigt wurde die Soletemperatur. Da deren Vorlauf 6-7 °C kaum unterschreiten wird (gemäss Simulation und bisheriger Messung) ist die effektive Leistung der Wärmepumpe wesentlich höher als beim Auslegungspunkt von 0°C Solevorlauf. Diese wird um die 15 kW liegen und ist damit überdimensioniert. Das nächst kleinere Modell hätte somit auch gereicht. Da dieser Sachverhalt erst spät überprüft wurde, war ein Wechsel der Pumpe nicht mehr möglich ohne dass neue, höhere Preise verrechnet worden wären. Zudem konnte die effektive Soletemperatur erst nach längerem Betrieb überprüft werden. Wäre diese tiefer gelegen als die Simulation gezeigt hat, wäre die kleinere Wärmepumpe knapp unterdimensioniert gewesen. Das wäre allerdings auch kein grosses Unglück gewesen. Für die 1-2 Tage alle paar Jahre hätte es auch noch einen Heizstab im Puffer gehabt.

Auslegung der Wärmequelle (Erdsonde)

Von den Anbietern wurde die nötige Erdsondenlänge mit Angabe der Verbrauchsdaten berechnet. 230 m Gesamtlänge kamen dabei raus. Die Berechnung wurde offenbar richtigerweise über die dem Erdboden entzogene Jahresenergie gemacht (18 MWh/a / 80 kWh/m*a). Mit der Berechungsmethode nach der Heizlast des Hauses ergibt sich nur eine Sondenlänge von 150 m (10 kW *(3/4) / 50 W/m). Das wäre sehr knapp gewesen.

Diese Angabe wurde dann mittels Simulation mit dem Programm EWS geprüft. Bodendaten benachbarter Sonden waren vorhanden, so dass eine relativ gute Simulation erwartet werden konnte. Es wurde eine 230 m und 2 x 115 m tiefe Sonden simuliert. Dabei zeigte sich eine rund 2.5 K höhere durchschnittliche Soletemperatur der einen tiefen Sonde (Solevorlauf 6.2°C) gegenüber den zwei kurzen (3.6 °C). Dies steigert die Effektivität der Anlage um 7 %.

Aufgrund der Ergebnisse wurde entschieden eine tiefe Sonde zu bohren, wie es auch üblich ist.

Die Simulation zeigte, dass die Anlage auch mit einer kürzeren Sonde funktioniert hätte. Eine 200 m tiefe Sonde hätte durchschnittliche Soletemperaturen gebracht (ca. 4-5 °C VL). Die Bohrung wäre dadurch gut 2'000 Fr. günstiger, die Anlage dafür 4 % weniger effizient gewesen. Da der Schock über die Kosten schon verdaut war wurde die ökologischere Variante der 230 m tiefen Sonde belassen. Zudem ist sie dann auch lang genug, wenn mal eine effizientere Wärmepumpe eingebaut wird die mehr Wärme den Sonden entzieht.

Simuliert wurde zudem die Verwendung von Abstandhaltern. Diese können eine Verbesserung von bis zu 1 K bringen, je nachdem wie eng die Rohre ohne Abstandhalter tatsächlich liegen. Eingebaut wurden diese jedoch trotzdem nicht, da die Sonde nur noch knapp ins Loch gepasst hätte und das Einbringen Probleme hätte verursachen können (das tat es auch schon ohne Abstandhalter).

Eine Hinterfüllung mit verbesserter Leitfähigkeit von 2.3 W/mK gegenüber den 0.9 W/mK der angebotenen hätte die Soletemperatur gemäss Simulation um weitere 1 K erhöht, bzw. die Sondenlänge um 20 m reduziert werden können für die selbe Soletemperatur. Die zusätzlichen Kosten für die verbesserte Hinterfüllung wären vermutlich geringer gewesen als die für die entsprechende Anzahl Bohrmeter. Dieser Sachverhalt wurde leider zu spät bemerkt (als die Sonde schon fertig war). Die Hinterfüllung ist zwar thermisch besser als Benonit, allerdings nur etwa 25% gegenüber dem 3-fachen mit der besten Hinterfüllung.

Wahl der Komponenten

Die Wärmepumpe wurde vom selben Anbieter gewählt wie die alte Ölheizung. Dieser bot für die benötigte Leistung eine Pumpe an mit relativ gutem COP von 4.64 bei B0W35 und war preislich deutlich niedriger als die Konkurrenzofferte. Da die Wärmepumpe auch Warmwasser bereiten soll, wurde ein Modell gewählt das 65°C Vorlauf schafft. Eine separate Brauchwasserwärmepumpe hätte das System verteuert und auch energetisch keinen Sinn gemacht bei einer gut ausgelegten Bohrung.

Da das Heizsystem eine Radiatorenheizung ist, wurde ein Puffer von allen Seiten empfohlen. Von einem Energieberater, der die Offerten prüfte, wurde sogar zu einem Kombispeicher geraten. Dies sei billiger, brauche weniger Platz und würde die Installation vereinfachen. Nach Recherchen im Internet stellte sich bald heraus dass Kombispeicher in Zusammenhang mit Wärmepumpen nicht wirklich geeignet sind. Viele negative Berichte sind dazu zu finden. Eine stabile Schichtung ist wegen der hohen Massenströme schwer zu halten, so dass das oben im Speicher befindliche Heisswasser für die Brauchwassererwärmung sich mit dem Heizungswasser vermischt. Das führt zu häufiger und ineffektiver Nacherwärmung des Warmwassers. Die FAWA Studie kommt ebenfalls zum Schluss, dass separate Brauchwasserspeicher mit innenliegendem Wärmetauscher am effektivsten sind. Auch selbst erstellte, vereinfachte Berechnungen kamen zu einem ähnlichen Ergebnis. So wurde ein System mit separatem Wasserwärmer gewählt. Zudem war diese Variante am billigsten! Ein Heizungspuffer wurde eingebaut, da uns dann doch der Mut fehlte es ohne zu probieren und eine allfällige Solaranbindung später einfach erfolgen könnte.

Der Wassererwärmer sollte für einen Tagesbedarf ausgelegt sein. Wird dieser einmal täglich geladen, kann von tiefen Ladetemperaturen profitiert werden, was die Effizienz verbessert. Diesen Sachverhalt bestätigt auch die FAWA Studie. Der untere Teil des Speichers kühlt aus, während im oberen noch genügend warmes Wasser bevorratet wird. Der innenliegende Wärmetauscher sollte gross dimensioniert sein damit bei gegebener Leistung eine möglichst geringe Temperaturdifferenz zwischen Heizwasser und Trinkwarmwasser auftritt. Als Richtwert gilt eine Tauscherfläche von min. 0.4 m²/kW Heizleistung. Bei Häusern mit geringem Warmwasserbedarf verglichen mit dem Heizwärmebedarf ist es schwierig, einen genügend kleinen Wasserwärmer mit genügend grossem Tauscher zu finden. Da unser Warmwasseranteil bei 7-8 % des Heizwärmebedarfs liegt, musste ein Speicher gewählt werden, der für 2-3 Tage reicht um eine genügend grosse Tauscherfläche aufzuweisen. Er hat ein Wasservolumen von 360 l und eine Tauscherfläche von 4.85 m². Da die Tauscherfläche mit Nennleistung bei 0 °C Soletemperatur ausgelegt wurde, die aber effektiv einige Grade höher liegt (und damit auch die Leistung) ist der Tauscher schlussendlich zu knapp dimensioniert.

Als ich den Verbrauch der geplanten Solepumpe gelesen hatte, haute es mich fast aus dem Hocker. 330 W sollte das Monstrum brauchen. In der Überzeugung, das geht doch besser, wurde die Pumpe mithilfe des Programms EWS Druck des Bundesamtes für Energie selbst ausgelegt. Die Pumpe sollte einen Durchfluss von 2800 l/h schaffen was einem Druckverlust von rund 6-7 m (je nach Soletemperatur) ergibt. Die Pumpe wurde bewusst knapp ausgelegt. Danach wurde eine Hocheffizienzpumpe gesucht, die diese Bedingung erfüllte. Zu diesem Zeitpunkt gab es nur einen einzigen Hersteller (zumindest mir bekannten) der eine solche geeignete Pumpe anbietet. So wurde eine EMB (Wilo) Stratos 25 1-8 ausgewählt, nicht unbedingt zur Freude des Heizungsherstellers, da dieser zugleich Generalvertreter der Umwälzpumpen der Konkurrenz ist. Aber wenn die keine haben...
Der Installateur hatte auch Bedenken, dass diese "winzige" Pumpe reichen würde. Messungen im Betrieb haben ergeben, dass die Pumpe exakt wie berechnet läuft. Bei B10W35 ergibt sich eine gemessene Spreizung über der Sole von 4.2 K. Gibt man diese Daten in EwsDruck mit den Leistungswerten nach Datenblatt der Wärmepumpe (16.2 kW, 5.9 Arbeitszahl) ein, ergibt sich eine berechnete Förderhöhe von 6.98 m und ein Volumenstrom von 2.88 m³/h. Das entspricht exakt dem eingestellten Betriebspunkt von 7 m. Allerdings ist die tatsächliche Solekonzentration etwas geringer als die 25% in der Berechung. Bei einer effektiven Solekonzentration von 20 % läge die Berechnung nur 5 % daneben, was immer noch ein sehr guter Wert ist.

Die Puffer- und Wasserwärmer Ladepumpen wurden vom Wärmepumpenhersteller offeriert. Diese wurden nicht weiter betrachtet, da hier nur ein geringes Optimierungspotential geortet wurde und dem Hersteller vertraut wurde dass er hier passende Pumpen offeriert. Jetzt läuft aber die grössere Pumpe für den Wasserwärmer nur auf Stufe 2 (vom Installateur so eingestellt) und ist weniger effizient als die Pufferladepumpe die mehr leistet obwohl sie ein Modell kleiner ist. Hier hätten gleich grosse Modelle ausgereicht, das wäre billiger und etwas effizienter gewesen. Die Wasserwärmer Ladepumpe auf Stufe 3 zu stellen hat sich als unnötig erwiesen, da der Flaschenhals der Wärmetauscher im Speicher ist.

Als Heizkreispumpe wurde auch eine Standardpumpe offeriert. Eigentlich erstaunlich, da sich heute durchgesetzt haben sollte, dass eine Hocheffizienzpumpe wesentlich sparen hilft, sowohl energetisch als auch finanziell. Der Mehrpreis hat sich in den meisten Fällen innert ein paar Jahren amortisiert. So wurde auch hier eine Pumpe der Energieklasse A gewählt.

Damit waren die wichtigsten Komponenten gewählt, den restlichen Krimskrams überliessen wir dem Installateur.

Im Sommer 2007 konnte zur Realisierung geschritten werden.