Ermittlung des Wärmebedarfs

Eine Wärmepumpe muss exakt auf die Heizlast des Hauses abgestimmt werden. Sie sollte nicht überdimensioniert sein, da sie sonst zu takten beginnt und weniger effizient arbeitet als eine korrekt ausgelegte. Überdimensionierte Pumpen führen zudem zu unnötig höheren Investitinonskosten.

1. Im Neubau

Im Neubau wird die Heizlast des Hauses errechnet nach der Norm SIA 384.201 (Schweiz) bzw. EN 12831 (Deutschland). Damit wird der Wärmebedarf der einzelnen Räume in Abhängigkeit der gewünschten Raumtemperatur und Norm Aussentemperatur ermittelt. Diese Berechnungen dienen auch zur Dimensionierung der Fussbodenheizung oder Heizkörper. In dieser Berechnung werden die Transmissions- und Lüftungsverluste der einzelnen Räume berechnet. Bei den Transmissionsverlusten wird unterschieden zwischen Verlusten nach Aussen, gegen Erdreich und gegen unbeheizte Räume. Es kommen nach SIA 384/2 verschiedene Auslegungstemperaturen zum Einsatz, die Norm Aussentemperatur (standortabhängig, für Bern z.B. -8 °C), die Erdreichtemperatur von 0 °C und unbeheizt von 5 °C und jeweils die k-Werte der Bauteile.

Die Heizlast kann auch aus der Empfehlung SIA 380/1, Energie im Hochbau, abgeleitet werden. Mit der SIA 380/1 wurde der Jahres-Energiebedarf Q_h des Gebäudes bestimmt. Mit den dort angegebenen k-Werten und Flächen der Bauteile kann die Heizlast ähnlich wie mit der SIA 384.201 berechnet werden:

Die einzelnen Transmissionsverluste errechnen sich aus dem k-Wert des Bauteils mal dessen Fläche A multipliziert mit der Temperaturdifferenz dT Innen gegen Aussenseite (Aussen, Erdreich bzw. unbeheizt). Der totale Transmissionsverlust Q’_t ist die Summe der Einzelverluste

Q’_t = ∑ k*A*dT

Lüftungsverluste Q_L hängen ab vom beheizten Gebäudevolumen V, einem Faktor f für die spezifische Wärmekapazität der Luft (Mittelland 0.32, 1000 m 0.30, 2000 m 0.26), der Luftwechselrate L (0.3 als Vorgabewert) und der Temperaturdifferenz dT aussen nach innen:

Q_L = V*f*L*dT

Die Heizlast Q’_h ist dann die Summe dieser beiden Verluste:

Q’_h = Q’_t + Q’_L

2. Bei der Sanierung

Im Fall der Erneuerung der Heizung können die Verbräuche von früheren Jahren zur Ermittlung der Heizlast herangezogen werden. Wird jedoch auch mit dem Ersatz der Heizung auch das Haus dämmtechnisch saniert, dann sollte wie beim Neubau verfahren werden da sonst eine zu hohe Heizlast ermittelt wird.

Es gibt grundsätzlich zwei Methoden um die Heizlast zu berechnen. Die besten Resultate sind zu erwaten wenn man die einzelnen Tagesverbräuche oder Brennerlaufzeiten kennt. Gute Resultate lassen sich im Allgemeinen auch über den Jahresverbrauch der alten Heizung errechnen.

2.1 Berechnung durch Regression der Tagesverbräuche oder Laufzeiten

Auslastungsmessungen an der alten Heizanlage ergeben die besten Resultate für Ermittlung der Heitzlast. Für Anlagen > 100 kW kommt vor allem diese Methode zur Anwendung. Während mindestens zwei Wochen, besser einen Monat oder länger, wird täglich der Verbrauch oder die Brennerlaufzeit und der Tagesdurchschnitt der Aussenlufttemperatur aufgezeichnet. Die Aussentemperatur sollte während dieser Zeit möglichst in einem weiten Bereich schwanken (z.B. -5 bis +10 °C). Scheint während der Beobachtungsdauer fast immer die Sonne, kann dies wegen den hohen solaren Gewinnen die Berechnung verfälschen. Die ermittelte Heizlast ist dann zu tief. Die Messungen sollten dann auch an einigen trüben Tagen weitergeführt werden.

Die ermittelten täglichen Brennerlaufzeiten bzw. Verbräuche werden in einem Diagramm gegen die durchschnittliche Aussenlufttemperatur aufgetragen (Beispiel siehe Bild 1). Der Punkt bei Norm Aussentemperatur (CH Mitelland -8 °C) auf der Regressionsgeraden durch diese Punkte bestimmt den Tagesverbrauch bei Auslegungsbedingungen. Hat man die Brennerlaufzeiten gemessen, wird die Brennerlaufzeit an diesem Punkt mit der Leistung des Brenners multipliziert. Dadurch erhält man den Tagesverbrauch in diesem Punkt.

Bild 1: Auslastungsmessung der bestehenden Heizungsanlage

Ein Heizkessel (ausser moderne Brennwertgeräte) hat normalerweise einen Wirkungsgrad n deutlich unter 100%. Der Tages-Wärmebedarf des Hauses Q_{d_Haus_norm} ist um diesen Wirkungsgrad geringer als der Tagesverbrauch Q_{d_Kessel_norm}. Er berechnet sich nach

Q_{d_Haus_norm} = n * Q_{d_Kessel_norm}

Mit dem Tages-Wärmebedarf bei Auslegungsbedingungen kann nun die Heizlast ermittelt werden. Dies ist die durchscnittliche Heizleistung über einen Tag die benötigt wird um diese Energiemenge dem Haus zuzuführen (bzw. die das Haus verliert). Der ermittelte Tages-Wärmebedarf Q_{d_Haus_norm} wird demzufolge durch 24 h dividiert und man erhält die Heizlast P_H

P_H = Q_{d_Haus_norm} / 24 h

2.2 Berechnung nach Jahresverbrauch

Die erforderliche Heizlast kann mit der Formel von Weiersmüller [ WEIERSMUELLER80 ] aufgrund des jährlichen Energieverbrauchs bestimmt werden. Die Formeln sind für Kesselleistungen bis 100 kW ausgelegt. Für grössere Leistungen sollte nach 2.1 vorgegangen werden.

Der Jahres-Heizenergieverbrauch für verschiedene Brennstoffe kann mit Hilfe von Tabelle 1 aus dem Brennstoffverbrauch umgerechnet werden.

Brennstoff	Menge	entspricht Energiemenge [kWh]
Heizöl	1 Liter	10 kWh
Erdgas	1 m3	9.3 kWh
Holz lufttrocken	1 kg	4.3 kWh

Tabelle 1: Heizwerte verschiedener Brennstoffe

Beispiel: Ein Verbrauch von 2'500 Litern Erdöl entspricht einem Heizenergieverbrauch von 25'000 kWh, da ein Liter Heizöl 10 kWh entspricht.

Ist der Jahresverbrauch E_J bekannt, kann die Heizlast P_H nach Weiersmüller berechnet werden:

P_H = E_J / f

Der Dimensionierungssfaktor f kann Tabelle 2 entnommen werden. Dieser ist abhängig von der Höhenlage des Hauses (Dauer der Heizperiode) und ob bisher die Warmwasserbereitung ganzjährig mit der vorhandenen Heizung oder ganzjährig durch ein Zusatzgerät (z.B. Elektroboiler) erfolgte. Die Werte gelten für Schweizer Verhältnisse.

f =	Mittelland	Über 800 m ü.M.
Warmwasser mit vorhandener Heizung	3000	3300
Warmwasser separat aufbereitet	2650	2950

Tabelle 2: Dimensionierungssfaktor f zur Heizlastberechnung

In diesem Faktor ist ein Jahreswirkungsgrad von 70 - 85 % der alten Heizung eingerechnet. Liegt dieser tiefer, z.B. bei sehr alten Kesseln, kann die Berechnung eine zu hohe Heizlast ergeben. Ebenso bringt die Formel in folgenen Fällen ungenaue Resultate:

• Zeitlich eingeschränke Nutzung oder häufige, tageweise Absenkung der Raumtemperatur (nicht Nachtabsenkung) -> P_H wird zu klein berechnet
• Hoher Wasserverbrauch -> P_H zu gross
• Überdurchschnittlich hohe solare Gewinne (sehr grosse Fensterflächen an Südseite und sonnige Lage) -> P_H zu klein
• Grosse, tageweise stark schwankende innere Gewinne (z.B leistungsstarke Elektrogeräte) -> P_H zu klein
• Ersatz einer Heizung die bereits einen sehr hohen Wirkungsgrad aufwies (> 90%, z.B. neuere Ölheizung, Elektrospeicherheizung) -> P_H zu klein

Auswahl der Wärmequelle und Wärmepumpe

Mit der errechneten Heizlast wird nun die Grösse der Wärmepumpe bestimmt. Diese kann auch herangezogen werden für die Auslegung der Wärmequelle (Erdsonden, Erdregister) (ausser bei Wärmequelle Luft). Besser ist aber hier mit dem Jahreswärmebedarf zu rechnen.

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