Wärmepumpen - eine nachhaltige Energietechnik - SATAG

Wärmepumpen –
eine nachhaltige
Energietechnik
Teil 1: Die Elektrizität im Wärmemarkt und die Wärmepumpe
In zwei Teilen werden die Wärmepumpen aus marktwirtschaftlicher,
energetischer und anwendungsorientierter
Sicht dargestellt. Der erste Teil beschreibt die Technologie
und deren Umfeld. Er soll die Frage beantworten,
warum Wärmepumpen interessant sind. Der zweite Teil
befasst sich mit der Anwendung, insbesondere mit der
Dimensionierung und mit dem elektrischen Anschluss.
Hier geht es um die Frage, wie eine Wärmepumpe angewendet
wird.
Elektrizität in der elektrisch angetriebenen
Wärmepumpe. Gemeinsam haben
deshalb Behörden, EVUs und Wärmepumpenhersteller
in der Schweiz die
Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz,
(FWS) und in Europa die European Heat
Pump Association (EHPA) als Partner für
die nationalen und internationalen Anstrengungen
zur weltweiten CO 2 -Reduktion
gebildet. Es geht dabei einerseits um
wichtige, marktwirtschaftliche Interessen,
d.h. Verteidigung des Marktanteils der
Hansueli Bruderer
Solider Wachstumsmarkt
Die energetische und marktwirtschaftliche
Situation im Wärmemarkt ist vielversprechend.
Es ist eine Verdoppelung des
Marktes für Wärmepumpen bis 2010 zu
erwarten – ein solider Wachstumsmarkt.
In den schweizerischen Haushalten wird
die Komfortwärme immer noch mehrheitlich
mit fossilen Brennstoffen produziert.
Doch diesem Umstand ist mit Energie
Schweiz, dem Nachfolgeprogramm
von Energie 2000, der Kampf angesagt.
Der Anteil der erneuerbaren Energien
soll bis 2010 nochmals markant, d.h. um
3000 GWh gesteigert werden, damit die
Zielsetzung bis 2010 – die CO 2 -Emissionen
im Vergleich zu 1990 um 10% zu reduzieren
– erreicht werden kann. Die
Elektrizität bestritt 1996 einen Anteil von
13%. Die Anteile von Holz, Wärmepumpen
und Sonne zusammen an der Komfortwärme,
in Bild 1 für 1996 mit 11%
dargestellt, liegen zurzeit bei 12–15%.
Leider wird diese Art von Darstellung
seither nicht mehr publiziert. Die Wärmepumpen
werden in der Schweiz jedoch
immer beliebter, einerseits weil die Gerätschaften
im Haus einfach, sauber und
höchst zuverlässig sind und andererseits
weil die Entwicklung der Wärmepumpen
zur effizienten Nutzung von Umweltenergie
einen bemerkenswert
hohen technischen
Stand erreicht
hat, siehe dazu
die Wärmepumpenstatistik
im Bild 2 und
ein Beispiel einer typischen
Installation
einer Wärmepumpe
im Waschraum in
Bild 3.
Etwa gleich gross
wie der Anteil der
erneuerbaren Energien
ist derjenige der
direkten elektrischen
Widerstandsheizung.
Weil dieser
im Trend rückläufig
ist, haben die Energieversorgungsunternehmen
(EVU) –
nicht nur in der
Schweiz – Gegenstrategien
entwickelt,
um ihren
Marktanteil zu halten.
Diese konzentrieren
sich mit
höchster Priorität
auf die effiziente,
mit erneuerbarer
Energie verbundene
Anwendung von
Bild 1 Anteile der Komfortwärme in der Schweiz 1996
Bild 2
Absatzentwicklung der Wärmepumpen
in der Schweiz (Quelle: FWS).
Separatdruck aus Elektrotechnik Nr. 7-8/01 1

Umwelt-Energie
Wärmequelle
Erdwärme
+ 2 bis + 12 ° C
Wasser
+ 4 bis + 12 ° C
Luft
– 14 bis + 20 ° C
Heizung
+ 24 bis + 55 ° C
Fussbodenheizung
Niedertemperaturradiatoren
Wandheizung
Bild 3
Wärmepumpe im Waschraum neben den andern
Elektrogeräten (von links: Waschmaschine, Tiefkühlschrank,
Elektroboiler, Wärmepumpe, Bild SATAG).
Bild 4
Grundfunktion der Wärmepumpe.
Elektrizität an der Komfortwärme, in
Frankreich liegt er bei 33%! Andererseits
sollen die nachhaltigen, umweltschonenden
Techniken zugunsten der CO 2 -Reduktionsziele
noch mehr eingesetzt werden.
Die FWS hat im Rahmen von
Energie Schweiz folgende Zielwerte definiert:
50% der Neubauten und 10% der
Heizungssanierungen sollen mit Wärmepumpen
ausgerüstet werden. Dies ergibt
ca. 14000 Wärmepumpen pro Jahr, also
eine Verdoppelung gegenüber heute. Die
Strategie der EHPA geht europäisch das
gleiche Ziel an: Verdoppelung der jährlichen
Verkäufe. Wärmepumpen sind also
in einem soliden Wachstumssektor positioniert.
COP: Verhältnis der Heizleistung (P H ) zur effektiven Leistungsaufnahme
(P E ) der Wärmepumpe.
JAZ: Verhältnis der Heizarbeit (Q H) zur effektiven Energieaufnahme
(Q E ) der Wärmepumpe während eines Jahres.
Schallleistungspegel (L W ): Zehnmal der Logarithmus zur Basis 10 des
Verhältnisses der vorhandenen Schallleistung zur Referenzschallleistung
(1 pW = 10 -12 W), angegeben in Dezibel.
Bild 5
Definitionen der
Kennzahlen nach
EN255 (COP und
LW) bzw. AWP
(JAZ)
Bild 6
So holt die
Wärmepumpe
erneuerbare
Energie aus der
Natur.
Prinzip und Kennzahlen
Viele Hausbesitzer kaufen Wärmepumpen,
weil diese
1. erneuerbare Energie nutzen
2. verlässliche Elektrogeräte sind
3. zurzeit tiefe Energiekosten im Vergleich
zu Öl und Gas haben.
Wie erfüllt die Wärmepumpe diese Punkte?
Dazu müssen wir die Funktionsweise
des Gerätes ansehen. Sie ist prinzipiell dieselbe
wie beim Kühlschrank, neben dem
sie oft steht (siehe Bild 3). Die Nutzung ist
gegengleich: während das Kühlgerät seinem
Innern Wärme entzieht, entzieht die
Wärmepumpe Wärme der Umgebung.
Der Kühlschrank gibt die Abwärme an die
Umgebung ab, während die Wärmepumpe
diese der Bodenheizung zuführt. Die
Funktionsweise der Wärmepumpe ist in
Bild 4 schematisch dargestellt. Der Prozess
läuft im Innern des Gerätes ab und braucht
dem Anwender – wie beim Kühlschrank –
nicht im Detail bekannt zu sein. Die Technologien
beider Gerätetypen sind sehr zuverlässig
und in den Standardgrössen sehr
wartungsarm. Der Unterschied bei der Anwendung
ist vor allem der, dass der im
Haus zu heizende Raum unterschiedlich
gebaut ist, nicht jedoch der Kühlraum eines
Kühlschrankes. Die notwendige Heizleistung
und die Auswahl der Wärmepumpe
richten sich nach dem für diesen
individuellen Bau errechneten Wärmebedarf.
Dies wird im Teil 2 präzisiert.
Für die Deklaration der Effizienz des
Gerätes werden Kennzahlen zu Vergleichszwecken
verwendet. Die wichtigsten
sind:
Bild 7
Übersicht wichtigste Arbeitsmittel.
• COP (Coefficient of performance,
Leistungszahl im Heizbetrieb), welcher
die Heizleistung dividiert durch den
Verbrauch an Elektrizität bei genormten
Innen- und Aussentemperaturen
darstellt.
• Eine weitere wichtige Kennzahl ist der
Schallleistungspegel, welcher ein Qualitätsmerkmal
für die Bauweise, die
Laufruhe des elektrischen Kompressors
und die Schalldämmung ist.
• Die JAZ (Jahresarbeitszahl) ist die Vergleichsgrösse
für die Güte des ganzen
Systems über eine Jahresperiode gemittelt.
Sie hängt, bei gegebenem COP
2 Separatdruck aus Elektrotechnik Nr. 7-8/01

der Wärmepumpe, von deren Peripherie,
auch Einbindung genannt, ab.
Die genauen Definitionen sind im Bild 5
angegeben. Für die Wärmepumpen wurde
ein internationales Geräte-Gütesiegel
geschaffen, welches die Auswahl erleichtern
soll. Die Gütesiegel-Liste ist auf der
Homepage der FWS einsehbar.
Wärmequellen
aus erneuerbarer Energie
Der Löwenanteil der Heizenergie stammt
bei einer Wärmepumpenheizung von einer
natürlichen, erneuerbaren Quelle.
Diese Quellen sind in unserer direkten
Nähe und in der Ergiebigkeit leicht unterschiedlich.
In Schweizer Verhältnissen
stellen sie sich zurzeit wie folgt dar (siehe
Bild 8
Spiralkörper
und Aufbau
des Compliant
Scrollverdichters
(Beispiel
Copeland).
auch schematische Darstellung Bild 6):
• Luft: Mit der Aussenluft können
60-70% der Heizenergie gewonnen
werden. Aussenluft ist gespeicherte
Sonnenwärme, d.h. eine Form der Solarenergienutzung.
Luft als Wärmequelle
ist in jedem Fall vorhanden und
im Gebiet des Mittellandes und der
südlichen Alpentäler gut nutzbar. Die
Einsatzgrenze liegt bei etwa –15 °C
Aussentemperatur.
• Erdwärme: Aus vertikalen Erdwärmesonden
oder aus einem horizontalen
Erdregister können etwa 75% der Heizenergie
gewonnen werden. Diese Energie
stammt im vertikalen Fall von der
kontinuierlich vom Erdinnern nach
aussen fliessenden Erdwärme. Deren
Nutzung kann man sich in Form einer
einzelnen Bohrung mit zwei eingelegten
U-Rohren von 50–120 Meter Tiefe
bei einem Niedrigenergie-EFH oder
in mehreren bis zu 400 Meter tiefen
Bohrungen für Geschäfts- oder Mehrfamilienhäuser
vorstellen. Beim horizontalen
Register, welches ähnlich wie
eine Bodenheizung neben dem Gebäude
verlegt wird, wird die Erdwärme ergänzt
durch die Aufwärmung via Sonne
und Regenwasser.
• Wasser: Meist aus Grundwasser können
bis 80% der Heizenergie gewonnen
werden, abhängig von der Wärme des
Grundwasserstromes.
Wenn die restlichen 20–40% der elektrischen
Energie, welche die Wärmepumpe
im Kompressor braucht, regenerierbare
Elektrizität aus einem Wasserkraftwerk,
aus einem mit Biogas betriebenen Blockheizkraftwerk,
aus Photovoltaik oder aus
einem Windkraftwerk stammt, ist die
Wärmepumpe in der Lage, die Heizenergie
vollständig aus erneuerbarer Energie
zu produzieren. Im Zuge der Liberalisierung
wird diese bereits als Ökostrom oder
ähnlich benannt angeboten. Meist wird
3400 Volt verwendet, bei Brauchwarmwasser-
und Kleinwärmepumpen 1230
Volt.
Arbeitsmittel
und Kompressorarten
Wärmepumpen nutzen im internen Kreis
ein Arbeitsmittel wie die Kühlschränke.
Wichtig ist, dass moderne Standardwärmepumpen
ebenso vollhermetisch gebaut
sind wie Kühlschränke und deshalb einen
kompakten Kreislauf mit wenig Arbeitsmittel
enthalten. Am Ende des Lebenszyklus
wird das Arbeitsmittel entsorgt und
eventuell rezykliert. Diese Arbeitsmittel
werden wie im Kühlschrank Kältemittel
genannt. Sie unterstehen strengen nationalen
und internationalen Vorschriften
und Zulassungen. Im Bild 7 ist eine Übersicht
über die wichtigsten Arbeitsmittel
für Wärmepumpen dargestellt, wobei
heute R407c das gängigste im Markt ist.
Die Verdichtung zwecks Temperaturerhöhung
erfolgt im elektrisch angetriebenen
Kompressor. Im Leistungsbereich bis
etwa 50 kW Output werden meist vollhermetische
Kompressoren, die als Hubkolben-,
Rollkolben- oder Scrollverdichter
konstruiert sind, verwendet. Die
modernste Form, die man auch als Stand
der Technik bezeichnen kann, ist der
Scrollverdichter. Er zeichnet sich durch
ausgezeichnete Laufruhe aufgrund seiner
Kompression zwischen zwei Spiralen aus
(siehe Bild 8) und erbringt ebenso gute
Leistung wie die herkömmliche Hubkolbenanordnung.
Damit eignet er sich insbesondere
für Wohngebäude, wo tiefe
Schallemissionen gefragt sind.
Regelung und Steuerung
So automatisch wie ein Kühlgerät funktioniert
auch eine moderne Wärmepumpe.
Einmal eingegeben, absolviert sie ihr
«Programm» wie eine Waschmaschine,
mit dem Unterschied, dass sie dies über
Jahre hinweg tut und dabei Temperaturschwankungen
der Aussenluft anhand
Bild 9
Digitaler, BUSfähiger
Wärmepumpenregler.
Im
Bild die Relation
der Aussentemperatur
zur Vorlauftemperatur
der
Bodenheizung
(Kennlinie
Bild SATAG).
Separatdruck aus Elektrotechnik Nr. 7-8/01 3

einer einstellbaren Kennlinie, der Heizkurve,
so ausgleicht, dass die Raumtemperatur
immer behaglich ist. Während
bei der Waschmaschine jedesmal frisch
gewählt werden kann und muss, richtet
man die Wärmepumpe bei der Inbetriebnahme
der Heizung entsprechend der Installation
und den Komfortbedürfnissen
des Nutzers ein. Dabei kann man im Regler,
sofern er modernen Anforderungen
genügt (wie beispielsweise im Bild 9), die
zutreffende Variante leicht aktivieren.
Neben dem automatischen Betrieb ist eine
unkomplizierte Schnellbedienung zur
Wärmeanpassung und eine einfache Orientierung
über den Zustand, wie bei den
andern Elektrogeräten, sehr hilfreich. Je
hochwertiger das Gerät ist, umso mehr
Optionen sind im Regelgerät verfügbar,
z.B. eine BUS-Verbindung, eine Warmwasserfunktion
für den Boiler, eine Kühlfunktion,
die zusätzliche Regelung eines
Heizeinsatzes zur Spitzenabdeckung. Das
Regelgerät enthält auch ein Sicherheitsdispositiv
für die Wärmepumpe selbst,
insbesondere Temperatur- und Druckbegrenzer.
Neben dem Programmstatus des
Gerätes werden Fehler oder ansprechende
Sicherheitsschalter angezeigt, entweder
mit Signallampe oder im modernen
digitalen Regelgerät mittels Fehler- oder
Warnmeldung in Klartext. Durch eine
Funktionstaste können die letzten Meldungen
abgefragt werden.
Kosten
und Wirtschaftlichkeit
Bisher war erneuerbare Energie immer
mit höheren Investitionen verbunden als
vergleichsweise bei Öl oder Gas. Dies
trifft zumindest bei einer Aussenluft-
Wärmepumpe im Vergleich zur Ölheizung
im Neubau kaum mehr zu. Wegen
der höheren Energiepreise für Öl und
Erdgas sind die jährlichen Energiekosten
zurzeit tiefer. Zusammen mit den vergleichsweise
sehr geringen Unterhaltkosten
ergibt sich eine gute Wirtschaftlichkeit
zugunsten der Wärmepumpe.
Werden Erdsonden eingesetzt, kann die
Amortisationszeit der Mehrinvestition
beim Neubau etwa 8–15 Jahre betragen.
Im Bild 10 ist ein beispielhafter Wirtschaftlichkeitsvergleich
mit den notwendigen
Daten dargestellt. Sie zeigt, dass die
Wärmepumpenheizung günstigere Jahreskosten
aufweist wie eine entsprechende
Ölheizung. Die Tabelle ist als Excel-
Tabelle leicht auf die zutreffenden Werte
eines Bauvorhabens anzupassen und lässt
eine Aussage über die Anfangsinvestitionen
und deren Kapitalkosten, über die
Bild 10
Wirtschaftlichkeitsvergleich aus Investition und jährlichen Kosten
(Jahreskostenvergleich) für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe im Vergleich zur
Ölheizung für ein neues Einfamilienhaus von etwa 170m 2 beheizte Fläche.
Unterhalts- und jährlichen Betriebskosten
sowie die gesamten Jahreskosten zu.
Wärmepumpenheizungen werden seit
1992 auch ökonomisch betrachtet immer
attraktiver. Sie stellen mit den heutigen
fast 40% Marktanteil im Neubau kein
Aussenseiterdasein mehr dar.
ET05
Hansueli Bruderer, Dr. Ing.
Satag Thermotechnik AG
Romanshornerstrasse 36, 9320 Arbon
www.satagthermotechnik.ch
Der Autor ist Ausschussmitglied AWP, Delegierter
FWS und CH-Vertreter in der European Heat Pump
Association EHPA.
Teil 2: «Die sichere Anwendung der Wärmepumpe»
folgt in der nächsten Ausgabe
der Elektrotechnik.
4 Separatdruck aus Elektrotechnik Nr. 7-8/01

Wärmepumpen –
eine nachhaltige
Energietechnik
Teil 2:
«Die sichere Anwendung
der Wärmepumpe»
Der in ET 7/8 erschienene
Teil 1, «Die Elektrizität im
Wärmemarkt und die
Wärmepumpe», beinhaltete
Marktzahlen, Wirkungsweise,
Begriffe, die Herkunft
und das Ausmass der
genutzten erneuerbaren
Energie, Kernpunkte der
Technik und die interessante
Kostensituation und
Wirtschaftlichkeit. Wärmepumpen
tragen massgeblich
zu den CO 2 -Zielen
von Energie Schweiz bei.
Hansueli Bruderer
Der zweite Teil befasst sich mit der Anwendung,
insbesondere mit der Dimensionierung
der Wärmepumpen und mit
deren elektrischem Anschluss. Hier geht
es um die Frage, wie eine Wärmepumpe
angewendet wird. Ziel ist es, betriebssichere
Anlagen zu erreichen. Deshalb
wird zwischen den standardisierten
«Meisteranlagen» im EFH-Bereich und
anspruchsvollen «Ingenieuranlagen» für
komplexere Anwendungen wie Gewerbe-,
Bürobauten, Schulhäusern unterschieden.
Anlagenart Wärmequelle Hauptanwendungen
Monovalent Alle – EFH, DEFH
– Grössere Bauten, Nahwärmeverbund (mit Erdwärme
oder Wasser)
Monoenergetisch Luft – EFH, DEFH bei Tiefsttemperaturen

Wärmeabnehmer zu installieren, so sollen
sinnvolle Prioritäten angewendet werden.
Diese und Hauptanwendungsgebiete
der Anlagenarten sind in Bild 11 und 12
nach ihrer Häufigkeit dargestellt.
Auswahl Wärmequelle
Die Wärmequelle Bild 13 ist der Lieferant
der erneuerbaren Energie aus der unmittelbaren
Umgebung. Bei der Auswahl
zwischen Aussenluft, Erdreich und Wasser
sind die Hauptkriterien: Verfügbarkeit,
Grundstückgrösse und Investitionskosten
der Wärmequellen im Querver-
Dimensionierung
der Wärmepumpe:
Zuerst einige Voraussetzungen, bevor die
Dimensionierung je einer Wärmepumpe
mit Luft und Erdwärme beispielhaft aufgezeigt
wird.
• Heizleistung: Ausgangspunkt ist normalerweise
die erforderliche Heizleistung
Q H für die Raumheizung bei Auslegungstemperatur
nach SIA 384/2. Soll
Warmwasser mit der Wärmepumpe gemacht
werden, ist pro Person etwa
0,25 kW zuzurechnen. Für zusätzliche andere
Abnehmer, wie z.B. Schwimmbad,
Anzahl Stunden
Klima in Payerne (CH) im Jahr 2000
(Anzahl Stunden/Aussentemperatur)
Bild 15
Aussentemperatur/outside temperature
Leistungskurven:
Beispiele für etwa 10kW
Heizleistung, Luft/Wasser (AW).
Bild 14
Klimadaten von Payerne: Temperaturverlauf.
Aussentemperatur
muss der Leistungsbedarf vom Fachmann
errechnet und ebenfalls dazugezählt werden.
Heizleistungen von etwa 4 bis etwa
500 kW können mit serienmässig produzierten
Wärmepumpen abgedeckt werden.
• Vorlauftemperatur: Die von der Wärmepumpe
gelieferte Heizleistung ist im doppelten
Sinne abhängig von der Temperatur:
einerseits von der Wärmequellentemperatur
und andererseits von der
Temperatur der Wärmeabgabeseite. Deshalb
muss die Auswahl auf die Angabe der
gleich untereinander. Die Wärmequellen
selbst sind im Teil 1 ausführlich beschrieben.
Die Wärmequellen Erdwärmesonden
und Wasser sind Jahreszeit- und witterungsunabhängig,
die horizontalen Erdregister
weitgehend. Sie sind deshalb in
allen Klimazonen der Schweiz anwendbar.
Für die Wärmequelle Aussenluft
kann der Jahrestemperaturverlauf zurate
gezogen werden, wie das Beispiel des
typischen Mittellandortes Payerne in Bild
14. Es zeigt, dass im Kalenderjahr 2000
die stündlich gemessene Temperatur nie
unter minus 14°C gefallen ist. Minus
10°C oder tiefer war sie in Summe
20 Stunden lang. Das heisst, dass auch die
Wärmepumpe mit Aussenluft nicht an die
Einsatzgrenze von minus 15°C gekommen
wäre und die harten Einsatzbedingungen
von tiefer minus 10°C nur zu
0,2% der Jahresstunden stattgefunden haben.
Trotzdem werden Wärmepumpen
mit Aussenluft normalerweise mit einem
Heizeinsatz monoenergetisch eingesetzt.
Darauf wird bei der Dimensionierung der
Wärmepumpe nochmals eingegangen.
Leistung
Puissance
Soletemperatur
Température de saumure
Bild 16
Leistungskurven:
Beispiele für etwa
10 kW Heizleistung,
Sole/Wasser (BW).
6 Separatdruck aus Elektrotechnik Nr. 10/01

maximal zu erbringenden Vorlauftemperatur
bei Auslegungstemperatur nach SIA
384/2 abgestimmt sein. Je weniger stark
der Kompressor verdichten muss, um so
leichter erreicht die Wärmepumpe die
Anforderung. Das heisst, je geringer die
Vorlauftemperatur, desto besser. Ihr Maximum
liegt zurzeit bei 55°C, siehe dazu
die Leistungskurven von je einer Wärmepumpe
mit Aussenluft und Erdwärme in
Bild 15 und 16.
• Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle
und Vorlauf: Der Kompressor kann
heute zwischen Wärmequelle und Heiztemperatur
eine Temperaturdifferenz von
gut 60°C überwinden. Bei Erdwärme und
Wasser, die weitgehend saisonunabhängig
und unabhängig von der Auslegungstemperatur
im positiven Temperaturbereich
liegen, im Mindesten aber
nicht unter minus 5°C sinken, ist die
Obergrenze von 55°C der Vorlauftemperatur
immer erreichbar. Wenn bei
einer Luft/Wasser-Wärmepumpe die
Aussentemperatur T A im Auslegungspunkt
unter etwa minus 5°C liegt, bleibt
eine maximale Vorlauftemperatur T VL max.
= T A + 60 übrig, d.h., dass bei minus
15°C ein T VL max. von etwa 45°C erreicht
werden kann. Wenn eine höhere erforderlich
ist, muss die Anlage in diesem Fall
monoenergetisch oder bivalent dimensioniert
werden.
• Korrekturfaktor infolge Sperrzeit im
Stromnetz: Wenn eine Sperrzeit z.B. aus
tariflichen Gründen vorliegt, berücksichtigt
man diese durch lineare Erhöhung
der Heizleitung. Bei einer Sperrzeit S in
Stunden pro Tag ergibt sich die korrigierte
Heizleistung wie folgt:
Q H korr = Q H · 24/(24-S).
Bild 17
Wärmepumpe
Luft/Wasser mit
entkoppeltem
Gleitspeicher:
Meisteranlage.
• Grössenauswahl: Bei der Grobauswahl
unter den Typen soll keine Reserve eingerechnet
werden, da sonst die Leistung in
der Übergangszeit (Vor- und Nachsaison
der Heizperiode) viel zu gross wäre und
zu «Stop and Go»-Betrieb, d.h. zu häufigem
Einschalten mit nur kurzer Laufzeit,
führen würde. Die Lebensdauer der elektrischen
Kompressoren ist unter anderem
von der Anzahl Starts abhängig. Die
durchschnittliche Laufzeit sollte deshalb
>15 Min., besser >1 Stunde sein. Darum
eher zum nächstkleineren Typ, falls er innerhalb
von 5–10% liegt, tendieren. Bei
der Wärmepumpe Luft/Wasser ist die
Heizleistung besonders stark von der Aussentemperatur
abhängig (siehe Bild 15).
Deshalb soll in diesen Fällen immer die
nächstkleinere Grösse gewählt und monoenergetisch
ergänzt werden. Bei Sole/Wasser-Wärmepumpen
werden durch
knappe Auslegung überhöhte Investitionen
für kostspielige Erdsonden vermieden.
Fall 1: Dimensionierung
Wärmepumpe Luft/Wasser
Für ein neues EFH im Mittelland soll die
Heizung mit einer Wärmepumpe Luft/
Wasser dimensioniert werden. Bekannt
sind:
– Heizleistung Q H
für die Raumheizung:
8 kW bei Auslegungstemperatur –8°C
– Warmwasser mit Wärmepumpe:
für 6 Personen
– Sperrzeit: 2 Std.
– max. Vorlauftemperatur Heizung:
T HV 35°C.
1. Schritt: Errechnen der erforderlichen
Gesamtheizleistung, d.h. ergänzt durch
den Warmwasserbedarf (für 6 Personen
6 · 0,25 = 1,5 kW), dann auf den neu
9,5 kW die Leistungskorrektur infolge
Sperrzeit Q H korr = 9,5 · 24/(24 – 2) =
10,4 kW.
2. Schritt: Typ auswählen. In der Grobübersicht
die nächstliegende Grösse suchen
und im entsprechenden Leistungsdiagramm
(Bild 15, Typ AW113) die
Heizleistung bei der Auslegungstemperatur
(–8°C) und für die gewünschte Vorlauftemperatur
(T HV 35°C) herauslesen.
In unserem Fallbeispiel ergeben sich
9,8 kW. Der nächstgrössere Typ hätte
12,9 kW. Mit dem Typ AW113 fehlt bei
kältester Witterung etwa 0,6 kW, die üblicherweise
monoenergetisch mit einem
Heizeinsatz von 2–3 kW ergänzt werden.
Bild 18
Wärmpumpenanlage Sole/Wasser zur Heizwasser- und Warmwasserbereitung:
Meisteranlage.
3. Resultat: Typ AW113, monoenergetisch
(Details zu Warmwasser, siehe separaten
Abschnitt, folgende Seite).
Separatdruck aus Elektrotechnik Nr. 10/01 7

Fall 2: Dimensionierung
Wärmepumpe mit Erdwärme
Für die Erneuerung einer 20-jährigen
Heizung will der Besitzer auf eine Wärmepumpe
mit Erdsonde umstellen. Aus
den Unterlagen ist bekannt:
– Heizleistung Q H für die Raumheizung
9,5 kW, Auslegungstemperatur –12°C
– Warmwasser: separat
– Sperrzeit: 3 1 Std.
– max. Vorlauftemperatur der Heizung
T HV 45°C (Bodenheizung).
1. Schritt: Erforderliche Gesamtleistung ermitteln,
9,5 kW zuzüglich Leistungskorrektur
infolge Sperrzeit
Q H korr = 9,5 · 24/(24 – 3) = 10,9 kW
2. Schritt: Typ auswählen. Aus der Grobübersicht
nächstliegende Grösse aussuchen,
bei monovalenter Anlage die nächstgrössere
und im entsprechenden Leistungsdiagramm
(Bild 16, Typ BW110)
die bei der minimalen Erdsondentemperatur
(0°, besser jedoch +2°C) für die gewünschte
Vorlauftemperatur Heizleistung
überprüfen: 11,0 kW bei Soletemperatur
2°C.
3. Schritt: Bestimmen der Sondenlänge: Die
Erdsonden liefern die erneuerbare Energie,
d.h. Umweltwärme, im Mittel 50
W/Meter. Aus dem Diagramm soll die
Kälteleistung (Umweltwärme) gemäss
Richtlinie AWP immer im Normpunkt
nach EN 255, d.h. bei Sondentemperatur
+0°C für T HV 35 °C herausgelesen werden:
8,4 kW. Daraus die Sondenlänge:
Sondenlänge = 8,4 kW/0,05 kW/m
= 168 m
4. Resultat: Typ BW110 monovalent mit
einer Erdsonde von 170 m.
Variante: Horizontales Register mit einer
Leistung von 25 W/m 2 . Die herausgelesene
Kälteleistung (Umweltwärme) von
8,4 kW ergibt: Registerfläche = 8,4 kW/
0,025 kW/m 2 = 336 m 2.
Flachregister sollen in Rohrkreisen von
max. 100–120 m Länge verlegt werden.
Pro m 2 werden 2 Rohre Ø 25 mm parallel
verlegt. Das heisst, wir brauchen also
672 m Rohr, d.h. 6 Kreise à 112 m oder
7 à etwa 100 m.
Grundsätze für Anlagen
Bei der Installation einer Wärmepumpe
sind anlagenseitig einige Grundsätze und
Limiten zu berücksichtigen, die zu wenigen,
sicheren Grundtypen führen, den sogenannten
Meisteranlagen. Dabei soll
Bild 19
Separate Warmwasserwärmepumpe,
im Beispiel 400 Liter
Inhalt.
Leistungsdaten in kW
weitere Betriebspunkte siehe Diagramm
Seite 2
man sich vom Prinzip der Einfachheit leiten
lassen. Diese Grundsätze und Limiten
sind:
1. Maximum 55°C Output (Vorlauftemperatur):
Die heute üblichen Wärmepumpen
liefern meist eine T HV von max.
55°C. Hinweis: höhere Temperaturen
siehe Abschnitt Ausblick.
2. Gleitend betreiben: Die Anlage soll die
Vorlauftemperatur nur auf die jeweils
zutreffende, aussentemperaturabhängige
Solltemperatur gemäss Kennlinie bereitstellen
(vgl. auch Bild 9 in Teil 1). Dadurch
ist eine kleinere Temperaturdifferenz
zur Wärmquelle zu überwinden, d.h.
der mittlere COP ist besser.
3. Hydraulisch entkoppelter Gleitspeicher:
Die Wärmepumpe ist heizungsseitig auf
eine konstante Wassermenge (Liter/Stunde)
optimiert. Um diese Wassermenge
AW113.1 Hi
Betriebspunkt A2/W35 A-5/W45 A-8/W45
Heizleistung 12,2 (1) 10,4 9,8
Kälteleistung (Umweltwärme) 8,40 5,85 5,25
Elektrische Aufnahmeleistung 3,80 (2) 4,55 4,55
COP (Leistungszahl) 3,21 2,27 2,13
Elektrische Daten Einheit/Unité Wert/Valeur
Nennspannung V 3400
Betriebsstrom max. A 10
Anlaufstrom A 53 (30 (3) )
Blockierstrom LRA A 59,5
Absicherung in der Zuleitung A 16 träge
Wärmeabgabe Einheit/Unité Wert/Valeur
Heizwasserdurchsatz l/h 1200
Heizwasseranschluss Zoll / pouces 1
Druckverlust Kondensator mbar 40
Vorlauftemperatur max. °C 45 (A-15)
°C 55 (A-5)
Wärmegewinnung Einheit/Unité Wert/Valeur
Ventilatorleistung W 220
Luftmenge m 3 /h 3500
max. zulässiger Druckverlust
Zuluft- und Abluftkanal Pa 30
Lufttemperatur min. °C –15
Lufttemperatur max. °C +35
Abtauleistung W etwa 4000
Anteil Abtauzeit von Laufzeit % 7–17
Wärmepumpe Einheit/Unité Wert/Valeur
Abmessungen (HöheBreiteTiefe) mm 14701200760
Geräusch (Freifeld 5 m) dB 45
Kompressoren vollhermetisch Stk./pces. 1
Arbeitsmittelfüllung R407C kg 4,4
Gewicht kg 260
Datenblatt einer Luft/Wasser-Wärmepumpe.
1) Nenn-Heizleistung nach EN 255 2) elektrische Nennleistung P NT
3) mit Anlaufstrombegrenzer
Bild 20
8 Separatdruck aus Elektrotechnik Nr. 10/01

Bild 21 Schaltschrank einer Wärmepumpe:
linker Teil mit Leistungsplatine
und digitalem Regler, rechter
Teil Schützen der Pumpen, ganz
rechts Phasenüberwachungsgerät und
unten elektronischer Vollwellensanftanlasser.
Im kleinen Bild Anschlussklemme
auf der Aussenseite des
Schaltschranks bei geöffneter
Wärmepumpe leicht zugänglich.
immer zu gewährleisten, sollen der oder
die Heizkreise hydraulisch entkoppelt
sein durch einen parallel eingebauten Pufferspeicher
(so genannter entkoppelter
Gleitspeicher) oder ein Überströmventil,
insbesondere wenn Thermostatventile
vorgesehen sind.
4. Lange Laufzeit: Dass sich die Wärmepumpe
nicht zu schnell wieder abschaltet,
weil sie die Solltemperatur erreicht hat,
soll die minimal bewegte Wassermenge
auf der Heizungsseite mindestens 25, besser
jedoch 40–50 Liter/kW Heizleistung
sein. Das ergibt bei 8 kW z.B. einen entkoppelten
Gleitspeicher von etwa 320 bis
400 Liter. Hinweis: bei einem massiv gebauten
Haus mit gut ausgelegter Fussbodenheizung
kann unter Umständen auf einen
Gleitspeicher verzichtet werden, da das Haus
selbst mit seiner Masse als Speicher wirkt und
wenn die notwendige Wassermenge durch die
Fussbodenkreise gewährleistet ist. Im Zweifelsfall:
Speicher einsetzen.
5. Zwischenkreis für Wasser/Wasser-Wärmepumpen:
Um den Kältekreis vor Verschmutzung
und elektrochemischer Einwirkung
zu schützen, soll bei Nutzung
von Wasser als Wärmequelle immer ein
Zwischenkreis, der mit Frostschutz gefüllt
ist, vorgesehen werden.
Stromverbrauchs- und -kostengründen
streng darauf zu achten, dass der Elektroeinsatz
nur unterhalb einer definierten
Aussentemperatur bei Nichterreichen der
Solltemperatur zur Ergänzung zugeschaltet
wird.
Wenn die obigen Hinweise mitberücksichtigt
werden, entstehen leistungsfähige
und störungsarm funktionierende Wärmepumpenheizungen.
Das Bild 17 zeigt
eine so genannte Meisteranlage.
Warmwasserbereitung:
Für die Warmwasserbereitung stehen folgende
Möglichkeiten im Vordergrund:
• mit der Wärmepumpe: Die Wärmepumpe
beliefert entweder die Heizung
oder den Warmwasserboiler (Bild 18).
• mit separatem Elektroboiler.
• mit separater Warmwasserwärmepumpe:
statt Elektroeinsatz ist im Warmwasserspeicher
ein Wärmepumpeaggregat
angeflanscht, siehe Bild 19.
• mit Solarkollektor separat oder in
Kombination mit Wärmepumpe (Kombispeicher
notwendig).
Alle Varianten sollten zur ergänzenden
Hochheizung mit einem Elektroeinsatz
(ab 1,5 kW) im Warmwasserspeicher versehen
sein, da die Solltemperatur von
55°C nicht immer ganz erreicht werden
kann (z.B. mit Heizwärmepumpen 45 bis
50°C) oder wenn aus Risikogründen 60
oder 65°C verlangt werden (z.B. in Altersheimen).
Elektrischer Anschluss
Wärmepumpen verfügen hierzulande
normalerweise über einen 3400-Volt-
Anschluss. Dies und weitere Daten sind
den Herstellerangaben zu entnehmen,
siehe Bild 20. Der Schaltschrank der
Wärmepumpe beinhaltet sauber angeordnet
die Maschinensteuerung, die Regelelektronik
sowie Schützen, Phasenüberwachungsgerät
und Sanftanlasser,
siehe Bild 21. Der konkrete Anschluss erfolgt
weitgehend über den separaten
Klemmenblock, der bei geöffneter Wärmepumpe
gut zugänglich ist. Er ist im
Elektroanschlussschema definiert. Im
Beispiel des Bildes 22 ist beispielhaft das
Elektroschema für die Anlage des Bildes
17 dargestellt. In vielen Fällen wird für die
Wärmepumpe ein separater Elektrozähler
installiert, damit der Besitzer den
6. Luft/Wasser-Wärmepumpen immer monoenergetisch:
In der Praxis werden Luft/
Wasser-Wärmepumpen immer monoenergetisch
installiert, wenn sie nicht in
bivalenten Anlagen stehen. Es ist aber aus
Bild 22 Elektroanschlussschema für eine Anlage gemäss Bild 17.
Separatdruck aus Elektrotechnik Nr. 10/01 9

Ermitteln des c-Wertes aufgrund der Ladestunden Elektrozentralspeicher
Bild 23
Dimensionierungsfaktor
aus Tabelle
für Elektrozentralspeicher.
Ersatz eines Ölkessels
Hier können wir vom jährlichen Energieverbrauch
(Ölverbrauch der letzten Jahre)
ausgehen. Die vereinfachte Bestimmung
der Heizleistung im schweizerischen Mittelland
errechnet sich dann wie folgt:
c-Werte
Ladestunden
Energieverbrauch, ggf. sogar getrennt
nach Hoch- und Niedertarif, genau verfolgen
kann.
Spezialfall: Heizungsersatz
Elektroheizung/Ölkessel
Immer mehr sollen gemäss den Zielen
von Energie Schweiz auch Heizungssanierungen
mit Wärmepumpen ausgeführt
werden. Tatsächlich steigt die Nachfrage
danach auch in der Praxis. Deshalb soll
hier die besondere Vorgehensweise zur
Dimensionierung beim Ersatz erläutert
werden. In vielen Fällen ist nämlich die
Situation der Heizung infolge von Veränderungen
am Haus oder wegen fehlenden
technischen Unterlagen aus der Bauzeit
unklar. Meist sind erfolgte bauliche
Massnahmen für den Wärmepumpeneinsatz
günstig.
1. Schritt: existiert eine Wärmeverteilung
mit Wasser als Wärmeträger, welche Voraussetzung
für eine zentrale Wärmepumpe
ist, mit Radiatoren oder Fussbodenheizung?
2. Schritt: genügen 55°C Vorlauf immer?
3. Schritt: Abklärung, ob gleichzeitig andere
bauliche Massnahmen erfolgen und
welchen Einfluss sie auf den Energiebedarf
haben. Ggf. ist eine Korrektur im folgenden
Schritt zu berücksichtigen.
4. Schritt: Bestimmung der erforderlichen
Heizleistung Q H .
Ersatz einer Elektroheizung
Voraussetzung für den Ersatz ist das Vorhandensein
einer Wärmeverteilung, also
eines Elektrozentralspeichers. Vereinfacht
kann man – mit der nötigen Vorsicht,
falls die Elektroheizung wegen der
Gerätestufung überdimensioniert war –
vom Anschlusswert wie folgt zurückrechnen:
Q H = Anschlusswert in kW/Dimensionierungsfaktor
c (c siehe Bild 23).
Fallbeispiel: In einem EFH ist ein Elektrozentralspeicher
mit dem Anschlusswert
von 24 kW installiert, welcher mit
der Ladezeit von 11 Std. auskommt. Aus
dem Diagramm Bild 23 ergibt sich bei
einer Aufladedauer von 11 Stunden ein
c von 1,55. Die unkorrigierte Heizleistung
errechnet sich dann wie folgt: Q H =
24 kW/1,55 = 15,5 kW. Nun kann die Dimensionierung
wie beim Neubau fortgesetzt
werden. Hinweis: Beim Ersatz von
Einzelraumgeräten kann pro Raum eine Einzelraumwärmepumpe
infrage kommen. Für
eine zentrale Wärmepumpe muss man eine
Wärmeverteilung mit Fussbodenheizung
oder Niedertemperaturradiatoren nachrüsten.
Q H = Ölverbrauch Liter/Jahr · 10 kW/
Liter · Jahreswirkungsgrad Kessel/2000
Betriebsstunden.
Fallbeispiel: In einem MFH mit Gussradiatoren
wurden in den letzten Jahren
13500 Liter Heizöl pro Jahr verbraucht.
Der 30-jährige Ölkessel mit Jahreswirkungsgrad
von etwa 0,7 (70%) soll durch
eine Wärmepumpe mit Erdsonden ersetzt
werden. Die unkorrigierte Heizleistung
ergibt sich dann wie folgt: Q H =
13500 Liter · 10 kW/Liter · 0,7/2000 =
47,25 kW. Nun kann die Dimensionierung
wie beim Neubau fortgesetzt werden.
Hinweis: Der Jahreswirkungsgrad des
Ölkessels hängt von seinem Alter ab und kann
zwischen 0,65 und 0,90 (65–90%) liegen.
Ausblick
Im ersten Teil dieses Fachartikels wurde
ein marktwirtschaftlicher Ausblick auf
diesen interessanten Wachstumsmarkt
gegeben. Dieser soll durch weitere Aspekte
hier ergänzt werden:
• Sanierungswärmepumpe: Ab Ende dieses
Jahres werden Wärmepumpen auf den
Bild 24
Firmenneubau
STS, bivalent
geheizt mit Sole/
Wasser-Wärmepumpe.
Im Sommer
Natural Cooling
aus dem Erdregister.
Ingenieuranlage.
Bild 25
Museum Liner,
monovalent geheizt
mit Sole/Wasser-
Wärmepumpe:
Ingenieuranlage.
10 Separatdruck aus Elektrotechnik Nr. 10/01

Hoher technischer Stand
der Wärmepumpen
Wärmepumpen haben einen hohen Stand
der Technik, vergleichbar mit vielen Elektrogeräten.
Sie nutzen mehrheitlich erneuerbare
Energie in höchst wirkungsvoller Weise.
Mit Wasserstrom betrieben heizen sie 100%
erneuerbar und CO 2 -frei. Bisher eher im
Neubau kleiner Wohngebäude angewendet,
finden sie immer mehr Einzug in grösseren
Objekten (siehe Bilder 24, 25) und zukünftig
auch bei Heizungsersatz anlässlich von Renovationen.
Für hohe Kundenzufriedenheit
eignen sich die sogenannten Meisteranlagen,
d.h. Wärmepumpen in sicherer, bewährter
Peripherie. Meisteranlagen sind Anlagen mit
entkoppelten Gleitspeichern, mit oder ohne
Warmwasserbereitung (siehe Bilder 17 und
18). Bei Massivhäusern mit Bodenheizung
können diese Anlagen auch ohne Gleitspeichern
installiert werden.
Markt kommen, deren Vorlauftemperatur
max. 65°C erreicht. Dies ist 10° mehr
als bisher üblich! Das heisst, dass der Baubestand
aus den Jahren vor 1980 in vielen
Fällen mit einer Wärmepumpe ausgerüstet
werden kann. Für Sanierungswärmepumpen
ist wegen der einfacheren Installation
die Wärmequelle Luft im Vordergrund.
Es gibt zwei hauptsächliche
technische Ansätze dies zu erreichen:
– Zwischeneinspritzung, welche eine
kluge Sonderausführung mit den bekannten
Sicherheitskältemitteln (z.B.
R407C) ist und eine ausgezeichnete,
nahezu konstante Leistungskurve aufweist,
d.h. auch bei Aussenluft –12°C
eine hohe Heizleistung selbst für 65°C
Vorlauftemperatur bringt.
– anderes Kältemittel (z.B. R134a), welches
aber bei Aussenluft unter dem Gefrierpunkt
einen grossen Leistungsabfall
aufweist.
• Kühlen: genauer gesagt, «heizen und
kühlen» statt nur heizen mit Wärmepumpen.
In unseren Breitengraden kann dies
auf zwei Arten getan werden: Durch direkte
Nutzung der Kühle des Erdreichs
im Sommer, ohne dass der Kompressor
der Wärmepumpe selbst in Funktion ist,
sondern nur Umwälzpumpen mit entsprechend
geringem Energieaufwand laufen
(so genanntes «free oder natural cooling»).
Muss mehr Kälteleistung erbracht
werden, so wird diese durch eine reversible
Wärmepumpe erbracht. Solche Geräte
und die Peripherie mit Kühlkonvektoren,
Bauteilkühlelementen oder im
einfachsten Fall mit sanfter Kühlung der
Bodenheizung, sind kurz vor Marktreife.
ET05
Dr. Ing. Hansueli Bruderer,
Geschäftsleiter der Satag
Thermotechnik AG, 9320 Arbon
Ausschussmitglied AWP
Delegierter FWS
CH-Vertreter in der European Heat
Pump Association EHPA
www.satagthermotechnik.ch
Separatdruck aus Elektrotechnik Nr. 10/01 11