Wärmepumpenheizungen - Planungshilfe und Ratgeber für Neubauten und Bestandsgebäude
von: Nicolas Glaesmann
Springer Vieweg, 2023
ISBN: 9783658390310
Sprache: Deutsch
317 Seiten, Download: 9035 KB
Format: PDF, auch als Online-Lesen
geeignet für:
| 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 |