Wärmepumpen - Energie.ch
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<strong>Wärmepumpen</strong><br />

Planung, Bau und Betrieb von<br />

Elektrowärmepumpenanlagen<br />

RAVEL im Wärmesektor<br />

Heft 3<br />

RAVEL<br />

Impulsprogramm RAVEL<br />

Bundesamt für Konjunkturfragen

<strong>Wärmepumpen</strong><br />

«RAVEL im Wärmesektor» in 5 Heften<br />

Gesamtleitung: Hans Rudolf Gabathuler<br />

<strong>Energie</strong>effiziente Te<strong>ch</strong>niken werden in nä<strong>ch</strong>ster Zukunft<br />

stark an Bedeutung gewinnen. Über dieses Thema ist<br />

heute erst wenig in Lehrbü<strong>ch</strong>ern zu finden. In drei RAVEL-<br />

Kursen – «Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung»,<br />

«<strong>Wärmepumpen</strong>» sowie «Wärmekraftkopplung» – können<br />

si<strong>ch</strong> deshalb Planerinnen und Planer auf diesem zukunftsträ<strong>ch</strong>tigen<br />

Gebiet weiterbilden. Die dazu ers<strong>ch</strong>einende<br />

Publikationsreihe «RAVEL im Wärmesektor» besteht aus<br />

fünf Heften. Diese können bei der Eidgenössis<strong>ch</strong>en<br />

Drucksa<strong>ch</strong>en- und Materialzentrale, 3000 Bern, bezogen<br />

werden.<br />

Heft 1: Elektrizität und Wärme – Grundlagen und<br />

Zusammenhänge (Best.-Nr. 724.357d)<br />

Heft 2: Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung<br />

(Best.-Nr. 724.355d)<br />

Heft 3: <strong>Wärmepumpen</strong> (Best.-Nr. 724.356d)<br />

Heft 4: Wärmekraftkopplung (Best.-Nr. 724.358d)<br />

Heft 5: Standards<strong>ch</strong>altungen (Best.-Nr.724.359d)<br />

� Wi<strong>ch</strong>tige Merkpunkte<br />

+<br />

Hinweise innerhalb der Reihe «RAVEL<br />

im Wärmesektor» (siehe oben)<br />

� Weiterführende Literatur<br />

� Softwarehinweise<br />

. Bere<strong>ch</strong>nungsbeispiele<br />

η Benennungen, Formelzei<strong>ch</strong>en und<br />

Abkürzungen auf Seite 59<br />

INDEX Index auf Seite 60/61<br />

Autoren<br />

Thomas Baumgartner, Ingenieurbüro für Hauste<strong>ch</strong>nik,<br />

Bettlistrasse 35, 8600 Dübendorf<br />

Hans Rudolf Gabathuler, Gabathuler AG,<br />

Kir<strong>ch</strong>gasse 23, 8253 Diessenhofen<br />

Hans Mayer, Gabathuler AG, Kir<strong>ch</strong>gasse 23,<br />

8253 Diessenhofen<br />

Gyula Szokody, Hoval Herzog AG,<br />

General-Wille-Strasse 201, 8706 Feldmeilen<br />

Redaktion und Gestaltung<br />

Hans Rudolf Gabathuler, Gabathuler AG,<br />

Kir<strong>ch</strong>gasse 23, 8253 Diessenhofen<br />

Grafik<br />

Monika Ehrat, 8240 Thayngen<br />

Druckkoordination<br />

APUI, Ho<strong>ch</strong>feldstrasse 113, 3000 Bern 26<br />

Trägerorganisationen<br />

INFEL Informationsstelle für Elektrizitätsanwendung,<br />

Lagerstrasse 1, 8021 Züri<strong>ch</strong><br />

SSIV S<strong>ch</strong>weizeris<strong>ch</strong>er Spenglermeister- und<br />

Installateur-Verband, Auf der Mauer 11,<br />

8023 Züri<strong>ch</strong><br />

RAVEL<br />

Copyright © Bundesamt für Konjunkturfragen, 3003 Bern,<br />

Juni 1993. Auszugsweiser Na<strong>ch</strong>druck unter<br />

Quellenangabe erlaubt. Zu beziehen bei der Eidgenössis<strong>ch</strong>en<br />

Drucksa<strong>ch</strong>en- und Materialzentrale, 3000<br />

Bern. (Best.-Nr. 724.356d)<br />

Form. 724.356d 6.93 2000 U11757

RAVEL<br />

Vorwort<br />

Das Aktionsprogramm «Bau und <strong>Energie</strong>» ist auf 6 Jahre<br />

befristet (1990-1995) und setzt si<strong>ch</strong> aus den drei<br />

Impulsprogrammen (IP) zusammen:<br />

– BAU – Erhaltung und Erneuerung<br />

– RAVEL – Rationelle Verwendung von Elektrizität<br />

– PACER – Erneuerbare <strong>Energie</strong>n<br />

Mit den Impulsprogrammen, die in enger Kooperation von<br />

Wirts<strong>ch</strong>aft, S<strong>ch</strong>ulen und Bund dur<strong>ch</strong>geführt werden, soll<br />

der qualitative Werts<strong>ch</strong>öpfungsprozess unterstützt<br />

werden. Dieser ist gekennzei<strong>ch</strong>net dur<strong>ch</strong> geringeren<br />

Aufwand an ni<strong>ch</strong>t erneuerbaren Rohstofen und <strong>Energie</strong><br />

sowie abnehmende Umweltbelastung, dafür gesteigerten<br />

Einsatz von Fähigkeitskapital.<br />

Im Zentrum der Aktivität von RAVEL steht die Verbesserung<br />

der fa<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong>en Kompetenz, Strom rationell zu<br />

verwenden. Neben den bisher im Vordergrund stehenden<br />

Produktions- und Si<strong>ch</strong>erheitsaspekten soll verstärkt die<br />

wirkungsgradorientierte Si<strong>ch</strong>t treten. Aufgrund einer<br />

Verbrau<strong>ch</strong>smatrix hat RAVEL die zu behandelnden<br />

Themen breit abgesteckt. Neben den Stromanwendungen<br />

in Gebäuden kommen au<strong>ch</strong> Prozesse in der Industrie, im<br />

Gewerbe und im Dienstleistungsberei<strong>ch</strong> zum Zuge.<br />

Entspre<strong>ch</strong>end vielfältig sind die angespro<strong>ch</strong>enen<br />

Zielgruppen: Sie umfassen Fa<strong>ch</strong>leute auf allen<br />

Ausbildungsstufen wie au<strong>ch</strong> Ents<strong>ch</strong>eidungsträger, die<br />

über stromrelevante Abläufe und Investitionen zu befinden<br />

haben.<br />

Kurse, Veranstaltungen, Publikationen, Videos<br />

Umgesetzt werden sollen die Ziele von RAVEL dur<strong>ch</strong><br />

Untersu<strong>ch</strong>ungsprojekte zur Verbreiterung der Wissensbasis<br />

und – darauf aufbauend – Aus- und Weiterbildung<br />

sowie Informationen. Die Wissensvermittlung ist<br />

auf die Verwendung in der tägli<strong>ch</strong>en Praxis ausgeri<strong>ch</strong>tet.<br />

Sie baut hauptsä<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong> auf Publikationen, Kursen und<br />

Veranstaltungen auf. Es ist vorgesehen, jährli<strong>ch</strong> eine<br />

RAVEL-Tagung dur<strong>ch</strong>zuführen, an der jeweils – zu einem<br />

Leitthema – umfassend über neue Ergebnisse,<br />

Entwicklungen und Tendenzen in der jungen<br />

faszinierenden Disziplin der rationellen Verwendung von<br />

Elektrizität informiert und diskutiert wird. Interessenten<br />

können si<strong>ch</strong> über das breitgefä<strong>ch</strong>erte,<br />

zielgruppenorientierte Weiterbildungsangebot in der<br />

Zeits<strong>ch</strong>rift IMPULS informieren. Sie ers<strong>ch</strong>eint zwei- bis<br />

dreimal jährli<strong>ch</strong> und ist (im Abonnement) beim Bundesamt<br />

für Konjunkturfragen, 3003 Bern, gratis erhältli<strong>ch</strong>. Jedem<br />

Kurs- oder Veranstaltungsteilnehmer wird jeweils eine<br />

Dokumentation abgegeben. Diese besteht zur Hauptsa<strong>ch</strong>e<br />

aus der für den entspre<strong>ch</strong>enden Anlass erarbeiteten<br />

Fa<strong>ch</strong>publikation. Die Publikationen können au<strong>ch</strong> un-<br />

Vorwort<br />

abhängig von Kursbesu<strong>ch</strong>en bei der Eidgenössis<strong>ch</strong>en<br />

Drucksa<strong>ch</strong>en- und Materialzentrale (EDMZ), 3000 Bern,<br />

bezogen werden.<br />

Zuständigkeiten<br />

Um das ambitiöse Bildungsprogramm bewältigen zu<br />

können, wurde ein Organisations- und Bearbeitungskonzept<br />

gewählt, das neben der kompetenten Bearbeitung<br />

dur<strong>ch</strong> Spezialisten au<strong>ch</strong> die Bea<strong>ch</strong>tung der<br />

S<strong>ch</strong>nittstellen im Berei<strong>ch</strong> der Stromanwendung sowie die<br />

erforderli<strong>ch</strong>e Abstützung bei Verbänden und S<strong>ch</strong>ulen der<br />

beteiligten Bran<strong>ch</strong>en si<strong>ch</strong>erstellt. Eine aus Vertretern der<br />

interessierten Verbände, S<strong>ch</strong>ulen und Organisationen<br />

bestehende Kommission legt die Inhalte des Programmes<br />

fest und stellt die Koordination mit den übrigen Aktivitäten,<br />

die den rationellen Einsatz der Elektrizität anstreben,<br />

si<strong>ch</strong>er. Bran<strong>ch</strong>enorganisationen übernehmen die<br />

Dur<strong>ch</strong>führung der Weiterbildungs- und<br />

Informationsangebote. Für deren Vorbereitung ist das<br />

Programmleitungsteam (Dr. Roland Walthert, Werner<br />

Böhi, Dr. Eric Bush, Jean-Marc Chuard, Hans Rudolf<br />

Gabathuler, Jürg Nipkow, Ruedi Spalinger, Dr. Daniel<br />

Spreng, Felix Walter, Dr. Charles Weinmann sowie Eric<br />

Mosimann, BfK) verantwortli<strong>ch</strong>. Die Sa<strong>ch</strong>bearbeitung wird<br />

im Rahmen von Ressorts dur<strong>ch</strong> Projektgruppen erbra<strong>ch</strong>t,<br />

die inhaltli<strong>ch</strong>, zeitli<strong>ch</strong> und kostenmässig definierte Einzelaufgaben<br />

(Untersu<strong>ch</strong>ungs- und Umsetzungsprojekte)<br />

zu lösen haben.<br />

Dokumentation<br />

Na<strong>ch</strong> einer Vernehmlassung und dem Anwendungstest in<br />

einem Pilotkurs ist die vorliegende Dokumentation<br />

sorgfältig überarbeitet worden. Denno<strong>ch</strong> haten die<br />

Autoren freie Hand, unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong>e Ansi<strong>ch</strong>ten über<br />

einzelne Fragen na<strong>ch</strong> eigenem Ermessen zu beurteilen<br />

und zu berücksi<strong>ch</strong>tigen. Sie tragen denn au<strong>ch</strong> die<br />

Verantwortung für die Texte. Unzulängli<strong>ch</strong>keiten, die si<strong>ch</strong><br />

bei der praktis<strong>ch</strong>en Anwendung ergeben, können bei<br />

einer allfälligen Überarbeitung behoben werden. Anregungen<br />

nehmen das Bundesamt für Konjunkturfragen und<br />

der Redaktor (siehe Seite 2) entgegen. Für die wertvolle<br />

Mitarbeit zum Gelingen der vorliegenden Publikation sei<br />

an dieser Stelle allen Beteiligten bestens gedankt.<br />

Juni 1993 Dr. H. Kneubühler<br />

Stv. Direktor des Bundesamtes<br />

für Konjunkturfragen<br />

3

Inhaltsverzei<strong>ch</strong>nis<br />

Inhaltsverzei<strong>ch</strong>nis<br />

1. <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik......................................................5<br />

1.1. RAVEL und die <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik ..............................5<br />

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? ............................5<br />

Was hat die <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik mit RAVEL<br />

zu tun?.............................................................................5<br />

Abgrenzung.....................................................................5<br />

1.2 Definitionen ..........................................................................7<br />

Bilanzgrenzen und Kennzahlen.....................................7<br />

Elektro-Thermo-Verstärkung..........................................7<br />

Bauarten..........................................................................7<br />

1.3 Bauteile.................................................................................8<br />

Verdi<strong>ch</strong>ter ........................................................................8<br />

Verdampfer .....................................................................9<br />

Verflüssiger ...................................................................10<br />

Expansionsventil...........................................................10<br />

Si<strong>ch</strong>erheitseinri<strong>ch</strong>tungen..............................................10<br />

Abtauvorri<strong>ch</strong>tung...........................................................11<br />

1.4 Arbeitsmittel........................................................................12<br />

1.5 Spezielle Anwendungen ...................................................13<br />

<strong>Wärmepumpen</strong> zur Wärmerückgewinnung und<br />

Abwärmenutzung..........................................................13<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>-Wassererwärmer ...............................13<br />

Kleinwärmepumpe........................................................13<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>-Entfeu<strong>ch</strong>ter .........................................13<br />

1.6 Entwicklungstendenzen ....................................................14<br />

2. Planungshinweise...........................................................15<br />

2.1 Betriebsverhalten ...............................................................15<br />

2.2 Temperatur-Leistungs-Diagramm .....................................15<br />

2.3 Betriebsarten ......................................................................16<br />

Monovalenter Betrieb ...................................................16<br />

Bivalent-paralleler Betrieb............................................16<br />

Bivalent-alternativer Betrieb .........................................17<br />

Sonderfall «monoenergetis<strong>ch</strong>er Betrieb» ...................17<br />

2.4 Einsatzbedingungen ..........................................................18<br />

Direkt- oder Indirektnutzung?.......................................18<br />

Gleitende oder konstante Verflüssigeraustrittstemperatur?<br />

......................................................18<br />

Wahl des Arbeitsmittels................................................19<br />

Wahl des Frosts<strong>ch</strong>utzmittels ........................................19<br />

2.5 Wärmequellen ....................................................................20<br />

Grundwasser.................................................................20<br />

Oberflä<strong>ch</strong>engewässer ..................................................21<br />

Erdrei<strong>ch</strong> .........................................................................22<br />

Aussenluft .....................................................................23<br />

Geothermis<strong>ch</strong>e Wärme ................................................23<br />

Abwärme .......................................................................24<br />

Wel<strong>ch</strong>es ist die beste Wärmequelle? .........................24<br />

2.6 Planungszielwerte .............................................................25<br />

Einflussgrösse «Produktetoleranz» .............................25<br />

Einflussgrösse «Druckverlust von Verdampfer<br />

und Verflüssiger»..........................................................25<br />

Einflussgrösse «Druckverlust der Erdwärmesonden».........................................................................26<br />

Einflussgrösse «Betriebsart» .......................................26<br />

2.7 Kosten.................................................................................28<br />

Investitionskosten .........................................................28<br />

Elektrizitätstarife ...........................................................28<br />

4<br />

RAVEL<br />

3. Auslegung.........................................................................29<br />

3.1. Standards<strong>ch</strong>altungen ........................................................29<br />

3.2 Drei Formeln ......................................................................29<br />

3.3 Fehlervermeidung..............................................................30<br />

3.4 Spei<strong>ch</strong>er .............................................................................35<br />

Hydraulis<strong>ch</strong>e Entkopplung ...........................................35<br />

Te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>er Spei<strong>ch</strong>er, Wärmespei<strong>ch</strong>er ......................35<br />

Stufenladung, S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung .......................................35<br />

Temperaturdifferenz über dem Verflüssiger, Einund<br />

Auss<strong>ch</strong>altpunkt ......................................................36<br />

4. Fallbeispiel........................................................................41<br />

4.1 Ausgangslage ....................................................................41<br />

4.2 Temperatur-Leistungs-Diagramm .....................................42<br />

4.3 Wärmepumpe.....................................................................42<br />

Auswahl der Wärmepumpe .........................................42<br />

Verflüssigerpumpe .......................................................43<br />

Verdampferpumpe........................................................43<br />

4.4 Spei<strong>ch</strong>er .............................................................................44<br />

Spei<strong>ch</strong>erinhalt ...............................................................44<br />

Fehlzirkulation über den Spei<strong>ch</strong>er verhindern! ...........44<br />

4.5 Heizkessel..........................................................................44<br />

Kesselleistung ..............................................................44<br />

Regelventil, Kesselpumpe ...........................................45<br />

4.6 Kennzahlen ........................................................................45<br />

Leistungszahl ε (Momentanwert).................................45<br />

COP (Momentanwert) ..................................................45<br />

Jahresarbeitszahl JAZ..................................................46<br />

Elektro-Thermo-Verstärkung ETV ...............................46<br />

4.7 Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keit ................................................................47<br />

4.8 Computerbere<strong>ch</strong>nung........................................................48<br />

5. Bewilligungsverfahren....................................................49<br />

5.1 Elektrizitätswerk .................................................................49<br />

Ans<strong>ch</strong>lussgesu<strong>ch</strong> .........................................................49<br />

Anlaufstrombegrenzung ...............................................49<br />

5.2 Wärmequelle ......................................................................50<br />

5.3 Weitere Vors<strong>ch</strong>riften ..........................................................52<br />

S<strong>ch</strong>alls<strong>ch</strong>utz..................................................................52<br />

Raumbelüftung .............................................................52<br />

Aufstellung und Zugängli<strong>ch</strong>keit ...................................52<br />

6. Betriebsoptimierung und Erfolgskontrolle.................53<br />

6.1 Instrumentierung ................................................................53<br />

6.2 Manuelle Datenaufzei<strong>ch</strong>nung und Auswertung ...............55<br />

6.3 Automatis<strong>ch</strong>e Datenaufzei<strong>ch</strong>nung und Auswertu ng .......55<br />

6.4 Erfolgskontrolle ..................................................................57<br />

6.5 Betriebsüberwa<strong>ch</strong>ung........................................................57<br />

Benennungen, Formelzei<strong>ch</strong>en, Abkürzungen.......................59<br />

Index 60

RAVEL<br />

INDEX<br />

5

1. <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

1.1. RAVEL und die <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?<br />

Die Wärmepumpe (Abkürzung: WP) ist eine Einri<strong>ch</strong>tung,<br />

die einen Wärmestrom bei niedriger Temperatur aufnimmt<br />

und mittels Zufuhr ho<strong>ch</strong>wertigerer <strong>Energie</strong> bei höherer<br />

Temperatur wieder abgibt. Sie arbeitet na<strong>ch</strong> dem Kreisprozess-Prinzip.<br />

Dabei erfolgt der Wärmetransport mit<br />

einem Arbeitsmittel, das während des Kreisprozesses<br />

seinen Aggregatszustand (flüssig, gasförmig) ändert.<br />

☞ Kreisprozess<br />

und Funktionsweise der Wärmepumpe<br />

werden ausführli<strong>ch</strong> in Heft 1, Abs<strong>ch</strong>nitte 2.1 und 3.2,<br />

bes<strong>ch</strong>rieben<br />

Was hat die <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik mit RAVEL zu tun?<br />

<strong>Wärmepumpen</strong> brau<strong>ch</strong>en do<strong>ch</strong> zusätzli<strong>ch</strong>en Strom! Das<br />

stimmt nur bedingt, denn RAVEL sieht die <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

als Teil eines Gesamtkonzepts zur<br />

effizienteren Wärme- und Stromproduktion. Dies bedeutet<br />

einerseits, dass elektris<strong>ch</strong>e Widerstandsheizungen –<br />

überall dort, wo es mit vernünftigem Aufwand mögli<strong>ch</strong> ist –<br />

dur<strong>ch</strong> <strong>Wärmepumpen</strong> ersetzt werden. Und andererseits<br />

soll beim Bau von Wärmekraftkopplungsanlagen eine<br />

Umweltstrategie verfolgt werden, das heisst, trotz<br />

Stromproduktion mit fossilen <strong>Energie</strong>trägern, soll die<br />

Umwelt weniger belastet werden als bisher. Dies ist<br />

mögli<strong>ch</strong>, wenn ein Teil des WKK-Stromes in Elektro-<br />

Thermo-Verstärkern eingesetzt wird (Bild 1). Und die Wärmepumpe<br />

ist der klassis<strong>ch</strong>e Fall eines Elektro-Thermo-<br />

Verstärkers: sie ma<strong>ch</strong>t aus 1 Teil Elektrizität 3 Teile<br />

Wärme.<br />

☞ Diese<br />

Zusammenhänge werden in Heft 1, Abs<strong>ch</strong>nitte<br />

2.5 und 3.4, bes<strong>ch</strong>rieben<br />

Abgrenzung<br />

Diese Publikation befasst si<strong>ch</strong> auss<strong>ch</strong>liessli<strong>ch</strong> mit me<strong>ch</strong>anis<strong>ch</strong><br />

angetriebenen Elektromotor-<strong>Wärmepumpen</strong> mit<br />

hermetis<strong>ch</strong> oder halbhermetis<strong>ch</strong> gebautem Motor und<br />

Verdi<strong>ch</strong>ter. Also ans<strong>ch</strong>lussfertige <strong>Wärmepumpen</strong>, die in<br />

der Fabrik serienmässig hergestellt, geprüft und ledigli<strong>ch</strong><br />

aus Versand- oder Montagegründen getrennt werden.<br />

10<br />

1 0 0 90<br />

Kessel<br />

1. <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

Moderne konventionelle Verglei<strong>ch</strong>sanlage<br />

Wärmekraftkopplung<br />

10<br />

100 60<br />

9 0<br />

BHKW<br />

30<br />

ETV<br />

10<br />

20<br />

3 0<br />

Elektro-Thermo-Verstärker<br />

20<br />

umweltneutral<br />

erzeugter Strom<br />

Eine Wärmepumpe ma<strong>ch</strong>t hier aus 1 Teil<br />

Strom 3 Teile Wärme. Andere Elektro-<br />

Thermo-Verstärker sind beispielsweise<br />

Abwärmenutzungsanlagen. Diese ma<strong>ch</strong>en<br />

aus 1 Teil Strom sogar 7...25 Teile Wärme!<br />

Primärenergie (Gas)<br />

Wärme<br />

Elektrizität<br />

Bild 1: Mit Blockheizkraftwerken in Verbindung mit Elek tro-<br />

Thermo-Verstärkern – hier eine Wärmepumpe – kann prak tis<strong>ch</strong><br />

umweltneutral Strom produziert werden. Dabei müs sen<br />

Blockheizkraftwerk und Wärmepumpe ni<strong>ch</strong>t zwingend am<br />

glei<strong>ch</strong>en Ort gebaut werden.<br />

5

1. <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

6<br />

HA (W PHA)<br />

W EA<br />

W PA<br />

W QA W P<br />

SPA<br />

K<br />

Jahesarbeitszahl JAZ<br />

Coefficient of Performance COP<br />

QWP JAZ =<br />

- QSPA<br />

W WP + W P,V + W P,K + W SR + W A + W C<br />

Jahesnutzungsgrad der W ärm eerzeugungsanlage ηWEA<br />

ηWEA =<br />

KEA<br />

W Q V<br />

KE<br />

Leistungszahl ε<br />

QWP<br />

PWP<br />

Bilanzgrenzen<br />

HA Heizungsanlage; au<strong>ch</strong> WPHA für <strong>Wärmepumpen</strong>heizungsanlage<br />

(diese Bezei<strong>ch</strong>nung ist aber nur sinnvoll<br />

für eine monovalente Anlage)<br />

WEA Wärmeerzeugungsanlage<br />

WPA <strong>Wärmepumpen</strong>anlage<br />

WQA Wärmequellenanlage<br />

WP Wärmepumpe<br />

SPA Spei<strong>ch</strong>eranlage<br />

KEA Kesselanlage<br />

WNA Wärmenutzungsanlage<br />

WV Wärmeverteilung<br />

WA Wärmeabgabe<br />

Weitere Abkürzungen<br />

WQ Wärmequelle<br />

V Verdampfer<br />

K Verflüssiger (Kondensator)<br />

SP Spei<strong>ch</strong>er<br />

KE Kessel<br />

Bild 2: Bilanzgrenzen und Definition der Kennzahlen<br />

SP<br />

Q WEA<br />

W NA<br />

W A<br />

W V<br />

QWP<br />

COP =<br />

PWP + P V + P K + P SR + P A<br />

W WP + W P,V + W P,K + W SR + W A + W C + W KEA + W KEA,H<br />

Leistungen (Momentanwerte oder Mittelwerte über kurze Zeitdauer)<br />

Q · WP Heizleistung der Wärmepumpe<br />

PWP Verdi<strong>ch</strong>ter-Leistungsaufnahme der Wärmepumpe<br />

PV Leistungsanteil zur Überwindung des Verdampferdruckabfalls<br />

PK Leistungsanteil zur Überwindung des Verflüssigerdruckabfalls<br />

PSR Leistungsaufnahme der Steuerung und Regelung innerhalb<br />

der Wärmepumpe<br />

PA mittlere Leistungsaufnahme der Abtaueinri<strong>ch</strong>tung<br />

<strong>Energie</strong>mengen (Jahreswerte)<br />

QWP von der Wärmepumpe produzierte Wärmemenge<br />

QSPA Wärmeverluste der Spei<strong>ch</strong>eranlage<br />

QWEA von der ganzen Wärmeerzeugungsanlage produ zierte<br />

Wärmemenge<br />

WWP Verdi<strong>ch</strong>ter-<strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> der Wärmepumpe<br />

WP,V <strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> der Verdampferpumpe<br />

WP,K <strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> der Verflüssigerpumpe<br />

WSR <strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> der Steuerung und Regelung<br />

WA <strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> der Abtaueinri<strong>ch</strong>tung<br />

WC <strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> der Carterheizung<br />

WKEA Brennstoffverbrau<strong>ch</strong> der Kesselanlage<br />

WKEA,H Hilfsenergieverbrau<strong>ch</strong> der Kesselanlage

1.2 Definitionen<br />

Bilanzgrenzen und Kennzahlen<br />

Da in eins<strong>ch</strong>lägigen Normen, Ri<strong>ch</strong>tlinien und Publikationen<br />

unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong>e und teilweise au<strong>ch</strong> unzweckmässige<br />

Definitionen vorliegen, hat RAVEL<br />

Bilanzgrenzen und Kennzahlen praxisgere<strong>ch</strong>t neu<br />

definiert (Bild 2). Bisherige Bezei<strong>ch</strong>nungen wurden<br />

übernommen und Widersprü<strong>ch</strong>e konnten weitgehend<br />

vermieden werden. Die Europäis<strong>ch</strong>e Norm über<br />

<strong>Wärmepumpen</strong> EN 255 wurde berücksi<strong>ch</strong>tigt (diese<br />

enthält allerdings nur Definitionen innerhalb der Bilanzgrenze<br />

«Wärmepumpe»).<br />

Elektro-Thermo-Verstärkung<br />

Eine neue Kennzahl ist die Elektro-Thermo-Verstärkung<br />

ETV (siehe Bild 1), die zur Beurteilung eines Gesamtkonzepts<br />

zur effizienteren Wärme- und Stromproduktion<br />

herangezogen wird. Für <strong>Wärmepumpen</strong> wird<br />

sie folgendermassen definiert:<br />

Substitution fossil erzeugter Wärme<br />

ETV =<br />

Elektrizitäts-Mehraufwand für diese Substitution<br />

Mit genügender Genauigkeit für die Praxis kann in den<br />

meisten Fällen<br />

ETV = Jahresarbeitszahl JAZ<br />

angenommen werden. (Bei bivalenten Anlagen ergibt si<strong>ch</strong><br />

damit ein kleiner Fehler, da ni<strong>ch</strong>t berücksi<strong>ch</strong>tigt wird, dass<br />

der Kessel einer konventionellen Anlage mehr Strom<br />

brau<strong>ch</strong>en würde als der kleinere Kessel der <strong>Wärmepumpen</strong>anlage.)<br />

Bauarten<br />

<strong>Wärmepumpen</strong> werden na<strong>ch</strong> den gewählten Wärmeträgermedien<br />

bezei<strong>ch</strong>net. Eine Zusammenstelung mit<br />

einem Beispiel zur Kurzbezei<strong>ch</strong>nung zeigt die Tabelle 3.<br />

Kompakt-<strong>Wärmepumpen</strong> (Bild 4 oben) werden im<br />

Herstellerwerk ans<strong>ch</strong>lussfertig zusammengebaut, mit Arbeitsmittel<br />

gefüllt und betriebsbereit zum Aufstellungsort<br />

geliefert. Vorteile sind:<br />

– Einfa<strong>ch</strong>e Installation<br />

– Zur Erstellung der <strong>Wärmepumpen</strong>anlage brau<strong>ch</strong>t es<br />

keine spezielle Fa<strong>ch</strong>bewilligung<br />

– Keine besondere Di<strong>ch</strong>tigkeitskontrolle des Arbeitsmittelkreislaufes<br />

an Ort und Stelle nötig<br />

Split-<strong>Wärmepumpen</strong> (Bild 4 unten) sind Geräte, bei<br />

denen ein Teil der Wärmepumpe separat aufgestellt wird<br />

1. <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

Bezei<strong>ch</strong>nung VerdampVerflüsfersiger Wasser-Wasser-Wärmepumpe Wasser Wasser<br />

Luft-Wasser-Wärmepumpe Luft Wasser<br />

Sole-Wasser-Wärmepumpe Sole Wasser<br />

Luft-Luft-Wärmepumpe<br />

Beispiel zur Kurzbezei<strong>ch</strong>nung<br />

Luft Luft<br />

Bauart Wasser-Wasser<br />

Verdampfereintrittstemperatur 10°C<br />

Verflüssigeraustrittstemperatur 45°C<br />

Kurzbezei<strong>ch</strong>nung W10/W45<br />

Tabelle 3: Gebräu<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong>e <strong>Wärmepumpen</strong>bauarten<br />

Wärmequellenanlage<br />

Verdampfer<br />

Arbeitsmittelleitungen<br />

Heizungsanlage<br />

Heizungsanlage<br />

Bild 4: Kompakt-Wärmepumpe (oben) und Split-Wärme pumpe<br />

(unten)<br />

7

1. <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

8<br />

Einsatzberei<strong>ch</strong>: ab etwa 500 kW Heizleistung<br />

Bild 5: Turboverdi<strong>ch</strong>ter<br />

Hauptsä<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong>e Einsatzberei<strong>ch</strong>e:<br />

– hermetis<strong>ch</strong> bis etwa 50 kW Heizleistung<br />

– halbhermetis<strong>ch</strong> 30 bis 200 kW Heizleistung<br />

Bild 6: Hubkolbenverdi<strong>ch</strong>ter hermetis<strong>ch</strong> (oben) und halbhermetis<strong>ch</strong><br />

(unten)<br />

(z.B. der Verdampfer einer Luft-Wasser-Wärmepumpe)<br />

und dur<strong>ch</strong> Arbeitsmittelleitungen vor Ort mit dem Rest der<br />

Anlage verbunden wird. Vortei le sind:<br />

– Optimale Plazierung<br />

– Lei<strong>ch</strong>terer Transport und Einbringung<br />

Na<strong>ch</strong>teilig ist, dass eine Fa<strong>ch</strong>bewilligung für die<br />

Ortsmontage der Arbeitsmittelleitungen nötig ist und dass<br />

Planungsabwei<strong>ch</strong>ungen Ni<strong>ch</strong>terfüllung von Herstellerangaben<br />

zur Folge haben können.<br />

1.3 Bauteile<br />

Verdi<strong>ch</strong>ter<br />

Turboverdi<strong>ch</strong>ter (Bild 5), werden vorwiegend für grössere<br />

Leistungen gebaut. Sie gelten als gut erprobt und<br />

zuverlässig. Charakteristis<strong>ch</strong> ist ein grosser<br />

Volumenstrom bei einem kleinen Verdi<strong>ch</strong>tungsverhältnis.<br />

Sie sind kompakt gebaut, vers<strong>ch</strong>leiss- und s<strong>ch</strong>wingungsarm<br />

und haben einen hohen Wirkungsgrad. Für<br />

grössere Verdi<strong>ch</strong>tungsverhältnisse werden mehrere<br />

Laufräder hintereinander ges<strong>ch</strong>altet. Entwicklungstrends<br />

sind verbesserte Laufräder für höhere Drehzahlen, für<br />

doppelseitige Gasansaugung und für das Arbeitsmittel<br />

R22 bzw. für R12-Ersatzstoffe.<br />

Hermetis<strong>ch</strong>e Hubkolbenverdi<strong>ch</strong>ter (Bild 6 oben) sind<br />

wohl die meisteingesetzten Verdi<strong>ch</strong>ter in der Hauste<strong>ch</strong>nik<br />

– erprobt und millionenfa<strong>ch</strong> bewährt. Die Hauptgründe<br />

hierfür sind die günstigen Kosten und Leistungsgrössen.<br />

Weitere Merkmale sind:<br />

– Kompakte Bauart<br />

– Praktis<strong>ch</strong> keine Arbeitsmittelverluste<br />

– Geringe S<strong>ch</strong>allemissionen<br />

– Einfa<strong>ch</strong>e Montage<br />

– Bei Defekt ist allerdings ein Ersatz des ganzen<br />

Verdi<strong>ch</strong>ters notwendig<br />

Halbhermetis<strong>ch</strong>e Hubkolbenverdi<strong>ch</strong>ter (Bild 6 unten)<br />

sind ebenfalls bewährt und erprobt. Sie wurden nur aus<br />

Kostengründen bei den kleineren Leistungsgrössen von<br />

der hermetis<strong>ch</strong>en Bauart verdrängt. Vorteilig ist:<br />

– Leistungsregelung mittels Zylinderabs<strong>ch</strong>altung<br />

– Bei Defekt können sowohl der Elektromotor (z.B.<br />

Wicklung) als au<strong>ch</strong> der Verdi<strong>ch</strong>terteil (z.B. Di<strong>ch</strong>tungsringe,<br />

Ventilplatten) einfa<strong>ch</strong> revidiert werden<br />

Hubkolbenverdi<strong>ch</strong>ter sind laufend optimiert worden. Sie<br />

sind zwar für eine bestimmte Drehzahl konstruiert, lassen<br />

si<strong>ch</strong> aber au<strong>ch</strong> mit zwei Drehzahlen betriebssi<strong>ch</strong>er<br />

einsetzen. Sie werden im Berei<strong>ch</strong> zwis<strong>ch</strong>en 50 und 150<br />

kW Heizleistung mittelfristig gesehen kaum ersetzt

werden. Wesentli<strong>ch</strong>e Verbesserungen der letzten Jahre<br />

sind:<br />

– Optimierung des Elektromotors<br />

– Verminderung des Totraumes<br />

– Reduktion des inneren Druckabfalls (neue Ventil- und<br />

Austrittskonstruktionen)<br />

Die wi<strong>ch</strong>tigsten Rotationsverdi<strong>ch</strong>ter sind in Bild 7<br />

zusammengestellt. Es sind dies Rollkolben-, Spiral- und<br />

S<strong>ch</strong>raubenverdi<strong>ch</strong>ter. Merkmale sind:<br />

– Wenige Einzelteile dank einfa<strong>ch</strong>er Bauart<br />

– Vibrationsarmer Lauf, weil keine oszillierenden Bewegungen<br />

auftreten<br />

– Besserer Wirkungsgrad wegen kontinuierli<strong>ch</strong>er Verdi<strong>ch</strong>tung<br />

– Stetige Leistungsregelung mittels Drehzahlsteuerung<br />

gibt höhere Leistungszahlen und längere Nutzungszeit<br />

infolge kleinerer <strong>Energie</strong>verluste und geringerer<br />

Materialabnutzung dur<strong>ch</strong> kontinuierli<strong>ch</strong>en Betrieb<br />

– Hohe Betriebssi<strong>ch</strong>erheit, weil keine Flüssigkeitss<strong>ch</strong>läge<br />

auftreten<br />

Die Rollkolbenverdi<strong>ch</strong>ter und Spiralverdi<strong>ch</strong>ter sind als<br />

Ersatz für die hermetis<strong>ch</strong>en Hubkolbenverdi<strong>ch</strong>ter<br />

vorgesehen. Der Scroll-Verdi<strong>ch</strong>ter (ein Spiralverdi<strong>ch</strong>ter)<br />

dürfte zurzeit die forts<strong>ch</strong>rittli<strong>ch</strong>ste Verdi<strong>ch</strong>terbauart sein.<br />

Dank moderenen Fertigungsmethoden wird er zukünftig<br />

vermehrt angeboten werden.<br />

S<strong>ch</strong>raubenverdi<strong>ch</strong>ter besitzen in der Regel ein fest<br />

vorgegebenes Druck-Volumen-Verhältnis. Merkmale sind:<br />

– Hoher Wirkungsgrad<br />

– Ruhiger Lauf<br />

– Kleine Abmessungen<br />

– Wenig rotierende Teile, d.h. geringer Vers<strong>ch</strong>leiss<br />

– Aufwendigere S<strong>ch</strong>mierölkühlung<br />

Verdampfer<br />

Der Verdampfer überträgt die von der Wärmequelle<br />

gelieferte Wärme auf den internen Arbeitsmittelkreislauf<br />

(Bild 8). Für flüssige Wärmequellen werden Rohrbündel-,<br />

Koaxial- und Platten-Wärmetaus<strong>ch</strong>er eingesetzt, und für<br />

Luft sind es meist lamellierte Röhren-Wärmetaus<strong>ch</strong>er.<br />

☞ Ausführli<strong>ch</strong>e<br />

Bes<strong>ch</strong>reibung aller Wärmetaus<strong>ch</strong>erbauarten<br />

in Heft 2, Kapitel 2<br />

Es gibt grundsätzli<strong>ch</strong> zwei Verdampfungsarten, nämli<strong>ch</strong><br />

Trockenexpansion und Überflutung. Die meisten<br />

Verdampfer werden als Trockenexpansionsverdampfer<br />

betrieben. Der Rohrbündel-Wärmetaus<strong>ch</strong>er wird aber in<br />

einigen Fällen au<strong>ch</strong> als überflutender Verdampfer gebaut.<br />

Für das Prinzip ents<strong>ch</strong>eidend ist ledigli<strong>ch</strong> die Arbeitsmittel-<br />

Temperatur ϑ<br />

Eintritt<br />

effektiv<br />

ϑAM<br />

theoretis<strong>ch</strong><br />

1. <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

Hauptsä<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong>e Einsatzberei<strong>ch</strong>e:<br />

– Rollkolbenverdi<strong>ch</strong>ter bis 12 kW Heizleistung<br />

– Spiralverdi<strong>ch</strong>ter 12 bis 60 kW Heizleistung<br />

– S<strong>ch</strong>raubenverdi<strong>ch</strong>ter 100 bis 500 kW Heizleistung<br />

Bild 7: Rotationsverdi<strong>ch</strong>ter<br />

ϑWQ = Temperatur Wärmequelle<br />

ϑAM = Temperatur Arbeitsmittel<br />

Wärmefluss<br />

ϑWQ<br />

5 K<br />

Austritt<br />

Bild 8: Temperaturverlauf in einem Koaxial-Verdampfer<br />

9

1. <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

10<br />

Temperatur ϑ<br />

Eintritt<br />

ϑAM = Temperatur Arbeitsmittel<br />

ϑWN = Temperatur Wärmenutzung<br />

ϑAM<br />

Wärmefluss<br />

ϑWN<br />

Bild 9: Temperaturverlauf in einem Verflüssiger<br />

M embrane<br />

Feder<br />

Blende<br />

Fühlerdruck<br />

Verdampferdruck<br />

Kolben<br />

Bild 10: Thermostatis<strong>ch</strong>es Expansionsventil<br />

5 K<br />

Austritt<br />

Fühler<br />

führung. Beim überflutenden Verdampfer strömt das<br />

Wärmeträgermedium dur<strong>ch</strong> die Rohre und das Arbeitsmittel<br />

befindet si<strong>ch</strong> im Mantelraum. Bei der Trockenexpansion<br />

ist es umgekehrt.<br />

Verflüssiger<br />

Der Verflüssiger (oft au<strong>ch</strong> «Kondensator» genannt)<br />

überträgt die Wärme des Arbeitsmittelkreislaufes an den<br />

Wärmeträger der Wärmenutzungsanlage (Bild 9). Es<br />

werden die glei<strong>ch</strong>en Wärmetaus<strong>ch</strong>erbauarten wie beim<br />

Verdampfer verwendet.<br />

Expansionsventil<br />

Das Expansionsventil regelt den Arbeitsmittelzufluss zum<br />

Verdampfer. Wel<strong>ch</strong>e Parameter au<strong>ch</strong> immer benutzt<br />

werden – Druckabfall, effektiver Druck, Temperatur oder<br />

eine Kombination dieser Parameter – die Aufgabe bleibt<br />

stets dieselbe: die kontinuierli<strong>ch</strong>e Regelung des<br />

Arbeitsmittelflusses. Da in der <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik mit<br />

stets s<strong>ch</strong>wankenden Betriebszuständen zu re<strong>ch</strong>nen ist,<br />

wird – abgesehen von Sonderfällen – in der Praxis das<br />

thermostatis<strong>ch</strong>e Expansionsventil eingesetzt (Bild 10). Es<br />

kann eine relativ konstante Überhitzung am Verdampferausgang<br />

aufre<strong>ch</strong>terhalten und ist justierbar. Na<strong>ch</strong>teilig ist,<br />

dass bei grossen Leistungss<strong>ch</strong>wankungen ni<strong>ch</strong>t in allen<br />

Betriebszuständen ein si<strong>ch</strong>erer Betrieb mögli<strong>ch</strong> ist (zu<br />

grosse Überhitzung oder Flüssigkeitss<strong>ch</strong>läge). Trotzdem<br />

ist es aus Preisgründen bei Kleinanlagen heute no<strong>ch</strong> ni<strong>ch</strong>t<br />

wegzudenken.<br />

Si<strong>ch</strong>erheitseinri<strong>ch</strong>tungen<br />

Vers<strong>ch</strong>iedene Si<strong>ch</strong>erheitseinri<strong>ch</strong>tungen sorgen für die<br />

Einhaltung der zugelassenen Betriebsgrenzen (Bild 11):<br />

– Ho<strong>ch</strong>- und Niederdruckpressostaten zur Überwa<strong>ch</strong>ung<br />

der Grenzwerte in Verflüssiger und Verdampfer<br />

– Öldrucksi<strong>ch</strong>erheitss<strong>ch</strong>alter zur Überwa<strong>ch</strong>ung der<br />

S<strong>ch</strong>mierung<br />

– Heissgasthermostat zur Überwa<strong>ch</strong>ung der Heissgastemperatur<br />

– Druckentlastungsventil, Sollbru<strong>ch</strong>stellen, Bre<strong>ch</strong>platten<br />

zum S<strong>ch</strong>utze vor Explosion bzw. extrem hohen<br />

Drücken<br />

– Wicklungs<strong>ch</strong>utzthermostat (Klixon) zur Temperaturüberwa<strong>ch</strong>ung<br />

des Elektromotors<br />

– Frosts<strong>ch</strong>utzthermostat zum S<strong>ch</strong>utze des Verdampfers<br />

vor örtli<strong>ch</strong>er Vereisung

– Strömungswä<strong>ch</strong>ter zum S<strong>ch</strong>utze des Verdampfers vor<br />

örtli<strong>ch</strong>er Vereisung und des Verflüssigers vor Überhitzung<br />

Si<strong>ch</strong>erheitseinri<strong>ch</strong>tungen sollen immer als Si<strong>ch</strong>erheitsund<br />

nie als S<strong>ch</strong>altorgan dienen. Dabei muss ein<br />

genügend grosser Abstand zwis<strong>ch</strong>en den Sollwerten von<br />

Steuerung/Regelung und den Si<strong>ch</strong>erheitseinri<strong>ch</strong>tungen<br />

gewährleistet sein.<br />

Weitere Einri<strong>ch</strong>tungen im Arbeitsmittelkreislauf sind Filtertrockner<br />

und Feu<strong>ch</strong>tigkeitsanzeiger (als S<strong>ch</strong>utz vor<br />

Rückständen bzw. Feu<strong>ch</strong>tigkeit) sowie Arbeitsmittelsammler<br />

und Sauggasakkumulator.<br />

Abtauvorri<strong>ch</strong>tung<br />

In der Praxis werden zwei Arten der Abtauung angewandt:<br />

– Die Heissgasbypass-Abtauung, bei der ein Teil des<br />

Heissgases dem Verdampfer zugeführt wird<br />

– Die Umkehrung der Kreislaufri<strong>ch</strong>tung dur<strong>ch</strong> Vierwegeventil<br />

(Bild 12)<br />

Je na<strong>ch</strong> Abtauprinzip kann die Abtauung die Nettoleistung<br />

und/oder den Betrieb der Wärmepumpe erhebli<strong>ch</strong><br />

beeinflussen. Energetis<strong>ch</strong> gesehen ist die Umkehrung<br />

vorteilhafter. Die Heissgasabtauung brau<strong>ch</strong>t unbedingt<br />

eine gegebene minimale Druckdifferenz, die<br />

Umkehrabtauung eine grössere momentane<br />

Wärmeentnahmeleistung.<br />

Die Abtaudauer und der Abtauzyklus hängen von der<br />

Luftverteilung über dem Verdampfer, dem Lamellenabstand,<br />

der Lufttemperatur, der Luftfeu<strong>ch</strong>tigkeit und dem<br />

Verflüssigungsdruck ab. Bei der Aufstellung des<br />

Verdampfers ist unbedingt darauf zu a<strong>ch</strong>ten, dass der<br />

Abtaubetrieb ni<strong>ch</strong>t dur<strong>ch</strong> Kaltluftzufuhr via<br />

S<strong>ch</strong>werkraftzirkulation beeinflusst wird.<br />

1.4 Arbeitsmittel<br />

Die Stoffverordnung des Bundes regelt die Zulassung und<br />

den Umgang mit Arbeitsmitteln (häufig au<strong>ch</strong> «Kältemittel»<br />

genannt):<br />

� Verordnung über umweltgefährdende Stoffe.<br />

Änderung vom 14. August 1991. (Bezugsquelle: EDMZ,<br />

3000 Bern)<br />

Obwohl die Wärmepumpe diese Stoffe in einem<br />

hermetis<strong>ch</strong> abges<strong>ch</strong>lossenen Kreislauf praktis<strong>ch</strong> verlustlos<br />

verwendet, kann das Arbeitsmittel im Betrieb dur<strong>ch</strong><br />

Materialermüdung oder bei unfa<strong>ch</strong>gemässer Stillegung<br />

10<br />

WQ-<br />

Austritt<br />

9<br />

WQ-<br />

Eintritt<br />

Verdampfer<br />

A<br />

B<br />

Expansionsventil<br />

Verdi<strong>ch</strong>ter<br />

5<br />

7<br />

1. <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

1<br />

2<br />

6<br />

3<br />

4<br />

Verflüssiger<br />

8<br />

Heizungs-<br />

Rücklauf<br />

Heizungs-<br />

Vorlauf<br />

1 Ho<strong>ch</strong>druckpressostat<br />

2 Niederdruckpressostat<br />

3 Heissgasthermostat<br />

4 Wicklungss<strong>ch</strong>utzthermostat<br />

5 Öldurckpressostat<br />

6 Filtertrockner<br />

7 S<strong>ch</strong>auglas<br />

8 Druckentlastungsventil<br />

9 Frosts<strong>ch</strong>utzthermostat bei Wasser-Wasser-Wärmepumpe<br />

10 Strömungswä<strong>ch</strong>ter bei Sole-Wasser-Wärmepumpe<br />

A Heissgasbypassleitung für die Abtauung bei Luft-Wasser-<br />

Wärmepumpe<br />

B Entlastungsbypass als Starthilfe<br />

Bild 11: Si<strong>ch</strong>erheitseinri<strong>ch</strong>tungen<br />

"Verflüssiger"<br />

Verdi<strong>ch</strong>ter<br />

Verdampfer Verflüssig er<br />

Vierwegventil<br />

Mengenregler Mengenregler<br />

Verdi<strong>ch</strong>ter<br />

Vierwegventil<br />

Mengenregler Mengenregler<br />

"Verdampfer"<br />

Bild 12: Abtauung na<strong>ch</strong> dem Umkehrprinzip. Oben: Heizbetrieb.<br />

Unten: Abtaubetrieb.<br />

11

1. <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

Ozonzerstörungspotential<br />

1<br />

0,5<br />

0<br />

12<br />

R123<br />

HFCKW<br />

R22<br />

R11 R12<br />

FCKW<br />

Verbot<br />

ab 1994<br />

für Neuanlagen<br />

R502<br />

0 R134a 1 2 3 4<br />

FKW<br />

Treibhauseffekt<br />

In der S<strong>ch</strong>weiz gilt bezügli<strong>ch</strong> FCKW:<br />

Verbot für Neuanlagen (Pro- Ab 1.1.1994<br />

duktion und Import)<br />

(EG, USA : ab 1.1.1996)<br />

Wartung und Unterhalt Nur dur<strong>ch</strong> Fa<strong>ch</strong>leute, sonst<br />

aber keine Eins<strong>ch</strong>ränkungen<br />

Bild Entsorgungspfli<strong>ch</strong>t 14: <strong>Wärmepumpen</strong>-Wassererwärmer Ab 1.1.1992(Quelle:<br />

Max Diener<br />

AG, Ausbildungspfli<strong>ch</strong>t 8952 S<strong>ch</strong>lieren)<br />

Ab 1.1.1993<br />

Bild 13: Arbeitsmittel und Umweltbelastung<br />

unkontrolliert entwei<strong>ch</strong>en und die Umwelt belasten. Eine<br />

Übersi<strong>ch</strong>t gibt Bild 13.<br />

Die Umstellung auf weniger umweltbelastende Stofe ist<br />

nötig, weil vollhalogenierte Kohlenwasserstoffe,<br />

sogenannte FCKW, ab 1.1.1994 in der S<strong>ch</strong>weiz ni<strong>ch</strong>t<br />

mehr in Neuanlagen verwendet werden dürfen. Ihr Vorteil<br />

lag vor allem darin, dass höhere Vorlauftemperaturen<br />

(R12) oder tiefe Verdampfungstemperaturen (R502)<br />

errei<strong>ch</strong>t werden konnten.<br />

Die <strong>ch</strong>emis<strong>ch</strong>e Industrie ist weltweit daran, Ersatzstoffe zu<br />

entwickeln und mögli<strong>ch</strong>st ras<strong>ch</strong> anzubieten. Heute steht<br />

vor allem R134a als R12-Ersatz mit geringer<br />

Umweltbelastung im Vordergrund. Eine vom Bundesamt<br />

für <strong>Energie</strong>wirts<strong>ch</strong>aft finanzierte Untersu<strong>ch</strong>ung zeigte,<br />

dass ein Austaus<strong>ch</strong> von R12 gegen R134a bei bestehenden<br />

Anlagen mit sauberer Arbeitsweise ohne grosse<br />

Leistungsänderung und ohne Probleme mit der<br />

Materialverträgli<strong>ch</strong>keit mögli<strong>ch</strong> ist.<br />

Das lange bewärte Arbeitsmittel R22 (HFCKW, teilhalogeniert)<br />

ist in der S<strong>ch</strong>weiz weiterhin ohne Eins<strong>ch</strong>ränkung<br />

zugelassen. Dieses Arbeitsmittel ist aber bei<br />

tiefen Verdampfungstemperaturen (z.B. Luft-Wasser-<br />

Wärmepumpe im monovalenten Betrieb) und glei<strong>ch</strong>zeitig<br />

hohen Verflüssigungstemperaturen infolge stoffspezifis<strong>ch</strong><br />

bedingter hoher Austrittsgastemperatur instabil. Deshalb<br />

ist es notwendig, einerseits die Betriebsrandbedingungen<br />

der Hersteller unbedingt einzuhalten, und andererseits ist<br />

es wi<strong>ch</strong>tig, Anlagen in monovalenter Betriebsweise mit tiefen<br />

Vorlauftemperaturen zu planen (mögli<strong>ch</strong>st unter<br />

45°C).<br />

1.5 Spezielle Anwendungen<br />

<strong>Wärmepumpen</strong> zur Wärmerückgewinnung und<br />

Abwärmenutzung<br />

Hier gilt es besonders, die spezifis<strong>ch</strong>en Anforderungen<br />

der jeweiligen Anwendung zu berücksi<strong>ch</strong>tigen<br />

(insbesondere wärmequellenseitig). Oft ist es sinnvoller,<br />

die Wärmequelle zur Wärmepumpe zu führen als umgekehrt.<br />

«Massges<strong>ch</strong>neiderte» Split-Anlagen sind teuer<br />

und bergen mehr Risiken (grosse Füllmengen,<br />

Leckgefahr, Leistungsabwei<strong>ch</strong>ungen).<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>-Wassererwärmer<br />

Als Wärmequelle für <strong>Wärmepumpen</strong>-Wassererwärmer<br />

(Bild 14) ist ni<strong>ch</strong>t weiter nutzbare Abwärme vorgesehen.<br />

Dies ist leider oft fals<strong>ch</strong> interpretiert worden, und deshalb

ist der <strong>Wärmepumpen</strong>-Wassererwärmer als<br />

«Wärmedieb» in Verruf geraten. Es gibt aber zahlrei<strong>ch</strong>e<br />

sinnvolle Anwendungsmögli<strong>ch</strong>keiten (z.B. Restaurants,<br />

Metzgereien usw.). Zu berücksi<strong>ch</strong>tigen ist, dass diese<br />

Geräte in der Regel keine Abtaung besitzen.<br />

Kleinwärmepumpe<br />

Die Kleinwärmepumpe ist heute praktis<strong>ch</strong> serienreif. Mit 4<br />

kW Wärmeleistung substituiert sie beispielsweise in einem<br />

Einfamilienhaus mit 8 kW Wärmeleistungsbedarf mehr als<br />

70% fossile Brennstoffe. Mit Aussenluft als überall zur<br />

Verfügung stehender Wärmequelle und dank der<br />

geringen elektris<strong>ch</strong>en Leistungsaufnahme von 1,3 kW aus<br />

einer 230-Volt-Steckdose, ist eine einfa<strong>ch</strong>e Realisierung<br />

mögli<strong>ch</strong>. Im Kanton Züri<strong>ch</strong> muss dafür der bestehende<br />

Heizkessel ni<strong>ch</strong>t an die Luftreinhalteverordnung angepasst<br />

werden.<br />

Das Herzstück bildet eine kompakte Verdi<strong>ch</strong>ter- und<br />

Verflüssigereinheit (z.B. Rollkolbenverdi<strong>ch</strong>ter und Koaxial-<br />

Rippenrohrverflüssiger) mit geringen Abmessungen. Die<br />

Kleinwärmepumpe wird beispielsweise an der Wand<br />

neben dem Heizkessel montiert und an der<br />

Rücklaufleitung anges<strong>ch</strong>lossen (Bild 15). Die Regeleinheit<br />

ist vorverdrahtet und steckerfertig.<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>-Entfeu<strong>ch</strong>ter<br />

Raumluftentfeu<strong>ch</strong>ter oder Wäs<strong>ch</strong>etrockens<strong>ch</strong>ränke mit<br />

einer Wärmepumpe sind ein spezielles Einsatzgebiet.<br />

Betreffend Jahresnutzungsgrad und Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keit ist<br />

no<strong>ch</strong> wenig Erfahrung vorhanden. Das Gesamtgebiet der<br />

Wäs<strong>ch</strong>etrocknung wird ausführli<strong>ch</strong> behandelt in:<br />

� Nipkow, Jürg und Werner Gygli: Wäs<strong>ch</strong>etrocknen<br />

im Mehrfamilienhaus. Bern: Bundesamt für<br />

Konjunkturfragen, 1992. (Bezugsquelle: EDMZ, 3000 Bern,<br />

Best.-Nr. 724.397.23.52 d)<br />

1.6 Entwicklungstendenzen<br />

Einerseits stammen alle Komponenten, die man in der<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik verwendet, aus der Kälte- und<br />

Klimate<strong>ch</strong>nik. Es sind also meist bewährte und langerprobte<br />

Produkte. Andererseits wei<strong>ch</strong>t der Einsatzberei<strong>ch</strong><br />

der Wärmepumpe von diesen Geräten ab. Seit 1974 –<br />

dem Jahr der «Wiederentdeckung» der Wärmepumpe –<br />

galt deshalb die Devise, die Randbedingungen so zu<br />

gestalten, dass die Einsatzgrenzen eingehalten werden<br />

konnten. Neue Erkenntnisse gab es deshalb vielmehr aus<br />

Entwicklungen auf der Komponentenebene<br />

1. <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

Effizientere Wärmetaus<strong>ch</strong>er (verbesserte Wärmeübertragung<br />

dur<strong>ch</strong> berippte Rohrbündel oder Plat tentaus<strong>ch</strong>er)<br />

ergeben kompaktere Bauweise und kleinere<br />

Arbeitsmittelfüllung.<br />

Mikroprozessorte<strong>ch</strong>nik ermögli<strong>ch</strong>t bessere Leistungszahlen<br />

und grössere Betriebssi<strong>ch</strong>erheit: Wegfall<br />

störungsanfälliger Kapillarleitungen; s<strong>ch</strong>nelle re Sensoren<br />

und Regler überwa<strong>ch</strong>en sowohl Tempe ratur- als au<strong>ch</strong><br />

Druckseite.<br />

Elektronis<strong>ch</strong>e Expansionsventile sorgen für bessere<br />

Leistungszahlen: Überwa<strong>ch</strong>ung der Zustandsgrössen im<br />

Kreisprozess, dadur<strong>ch</strong> Verkleinerung der Überhitzung und<br />

bessere Ausnutzung der Verdampfer flä<strong>ch</strong>e.<br />

Der Rotationsverdi<strong>ch</strong>ter – insbesondere der Scroll-<br />

Verdi<strong>ch</strong>ter im Kleinleistungsberei<strong>ch</strong> – wird zukünftig den<br />

Hubkolbenverdi<strong>ch</strong>ter immer mehr verdrängen (letzerer ist<br />

zwar preisgünstig und millionenfa<strong>ch</strong> bewährt, aber te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong><br />

ausgereizt). Die Rotationsverdi<strong>ch</strong>ter eignen si<strong>ch</strong> für<br />

kontinuierli<strong>ch</strong>e Drehzahlsteuerung, und dies verspri<strong>ch</strong>t<br />

einen no<strong>ch</strong> effizienteren <strong>Energie</strong>einsatz, obwohl no<strong>ch</strong><br />

zahlrei<strong>ch</strong>e Fragen ni<strong>ch</strong>t beantwortet sind (z.B.<br />

Auswirkungen im Arbeitskreis bei Fördermengenänderungen,<br />

Ölrückführung, Netzeinfluss des<br />

Inverters).<br />

Kasten 16<br />

Bild 15: Bivalente Kleinwärmepumpe für beste hende Einfamilienhäuser<br />

(Quelle: Hoval Herzog AG, 8706 Feldmeilen)<br />

13

1. <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik<br />

14<br />

dieser Si<strong>ch</strong>t als aus derjenigen der eigentli<strong>ch</strong>en<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik. Wenn von neuen Entwicklungen<br />

die Rede ist, ist es deshalb wohl ri<strong>ch</strong>tig, in erster Linie Entwicklungstendenzen<br />

der Komponentenhersteller zu<br />

betra<strong>ch</strong>ten. Kasten 16 zeigt eine Zusammenstellung.

2. Planungshinweise<br />

2.1 Betriebsverhalten<br />

Im Gegensatz zum Heizkessel ist die Wärmepumpe ein<br />

«dynamis<strong>ch</strong>er Wärmeerzeuger». Bei gegebener<br />

Apparategrösse ändern si<strong>ch</strong> – je na<strong>ch</strong> Randbedingung –<br />

Heiz-, Kühl- sowie Aufnahmeleistung und damit natürli<strong>ch</strong><br />

au<strong>ch</strong> die Leistungszahl. Hauptursa<strong>ch</strong>e dafür ist der<br />

Umstand, dass si<strong>ch</strong> die Temperaturen von Wärmequelle<br />

und Wärmenutzung laufend ändern:<br />

– Je niedriger die Verdampfungstemperatur, desto<br />

niedriger die Heizleistung (Bild 17)<br />

– Je höher die Verflüssigungstemperatur, desto niedriger<br />

die Heizleistung (Bild 18)<br />

– Je kleiner der Temperaturhub zwis<strong>ch</strong>en Wärmequelle<br />

und Wärmenutzung, desto besser die Lei stungszahl<br />

� Ein Grad Verdampfungstemperaturänderung ergibt<br />

3...4% Heizleistungsänderung. Ein Grad Verflüssigungstemperaturänderung<br />

ergibt 1...2% Heizleistungsänderung.<br />

Die wi<strong>ch</strong>tigste Aufgabe der Planung ist es, das dynamis<strong>ch</strong>e<br />

Verhalten der Wärmepumpe zu berücksi<strong>ch</strong>tigen<br />

und die Anlage so auszulegen, dass die Einsatzgrenzen<br />

ni<strong>ch</strong>t übers<strong>ch</strong>ritten werden. Die Wärmepumpe darf nie für<br />

si<strong>ch</strong> allein betra<strong>ch</strong>tet werden, sondern sie muss immer als<br />

Teil des Gesamtsystems gesehen werden. Dur<strong>ch</strong><br />

Bere<strong>ch</strong>nung «von Hand» oder mit Hilfe von<br />

Re<strong>ch</strong>enprogrammen können heute<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>anlagen mit guter Genauigkeit bere<strong>ch</strong>net<br />

und au<strong>ch</strong> optimiert werden.<br />

☞ Fallbeispiel in Kapitel 4<br />

2.2 Temperatur-Leistungs-Diagramm<br />

Das Betriebsverhalten einer <strong>Wärmepumpen</strong>anlage kann<br />

übersi<strong>ch</strong>tli<strong>ch</strong> im Temperatur-Leistungs-Diagramm<br />

dargestellt werden. Dieses zeigt oben die Heizkurven und<br />

weitere Temperaturen, und unten werden<br />

Wärmeleistungsbedarf und Heizleistung der<br />

Wärmepumpe in Funktion der Aussentemperatur<br />

dargestellt (Bild 19). Bezügli<strong>ch</strong> der Aussentemperatur<br />

ergeben si<strong>ch</strong> folgende wi<strong>ch</strong>tigen Betriebspunkte:<br />

– Auslegepunkt: auf diese Temperatur ist das<br />

Wärmeabgabesystem dimensioniert<br />

– Bivalenzpunkt: bei dieser Temperatur wird bei<br />

bivalentem Betrieb der Heizkessel freigegeben<br />

Heizleistung WP [%]<br />

Δϑ = 1 7 K<br />

2. Planungshinweise<br />

170 MAX.<br />

150<br />

100<br />

ϑ1 ϑ2<br />

MIN.<br />

W ärm equellentem peratur [ °C]<br />

Bild 17: Leistungsänderung wärmequellenseitig 3...4% pro<br />

Kelvin Verdampfungstemperaturänderung<br />

Heizleistung WP [%]<br />

100<br />

80<br />

60<br />

Δϑ = 20 K<br />

ϑ1 ϑ2<br />

MAX.<br />

MIN.<br />

Vorlauftem peratur [ °C]<br />

Bild 18: Leistungsänderung wärmenutzungsseitig 1...2% pro<br />

Kelvin Verflüssigungstemperaturänderung<br />

15

2. Planungshinweise<br />

16<br />

Aussenlufttemperatur<br />

[°C]<br />

Vorlauf- / Rücklauftem peratur [°C]<br />

-15<br />

7 0<br />

-10<br />

-5<br />

6 0<br />

+10<br />

4 0<br />

3 0<br />

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 310 330 360<br />

[Tage]<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0<br />

Bild 21: Bivalent-paralleler Betrieb<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

1 5 2 0<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

Au sleg epunkt<br />

Leistun g [kW ]<br />

Heizungsvorlauf<br />

Heizungsrücklauf<br />

Bivalen zp unkt<br />

Verflüssiger-Austritt:<br />

Heizleistung WP variabel<br />

Heizleistung WP konstant<br />

Wärmeleistungsbedarf<br />

Heizleistung WP variabel<br />

Heizleistung WP konstant<br />

Heizgrenze<br />

Bild 19: Temperatur-Leistungs-Diagramm für bivalent-pa rallelen<br />

Betrieb mit annähernd konstanter (z.B. Grundwas ser) und stark<br />

variabler <strong>Wärmepumpen</strong>-Heizleistung (z.B. Aus senluft)<br />

Aussenlufttemperatur<br />

[°C]<br />

-15<br />

-10<br />

-5<br />

0<br />

+5<br />

+10<br />

+15<br />

Auslegepunkt<br />

0<br />

Kessel<br />

5 0<br />

+5<br />

+15<br />

Auslegepunkt<br />

Bivalenzpunkt<br />

Wärmepumpe<br />

Wärmepumpe<br />

Heizgrenze<br />

Bandlast<br />

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 310 330 360<br />

[Tage]<br />

Bild 20: Monovalenter Betrieb<br />

Heizgrenze<br />

Bandlast<br />

– Heizgrenze: ab dieser Temperatur ist ein Heizbetrieb<br />

notwendig<br />

Bild 19 zeigt das Temperatur-Leistungs-Diagramm für<br />

bivalent-parallelen Betrieb (siehe nä<strong>ch</strong>ster Abs<strong>ch</strong>nitt) bei<br />

zwei grundsätzli<strong>ch</strong> vers<strong>ch</strong>iedenen Wärmequellen<br />

(Auslegung auf Bivalenzpunkt):<br />

– Annähernd konstante Heizleistung: die resultierende<br />

Verflüssiger-Austrittstemperatur verläuft parallel zur<br />

Rücklauftemperatur (z.B. Grundwasser als<br />

Wärmequelle)<br />

– Stark variable Heizleistung: die Temperaturdifferenz<br />

über dem Verflüssiger wird mit steigender<br />

Aussentemperatur grösser (z.B. Aussenluft als<br />

Wärmequelle)<br />

2.3 Betriebsarten<br />

Monovalenter Betrieb<br />

Beim monovalenten Betrieb (Bild 20) ist die Wärmepumpe<br />

der einzige Wärmeerzeuger. Die maximal mögli<strong>ch</strong>e<br />

Heizsystemtemperatur ist deshalb dur<strong>ch</strong> die maximal<br />

zulässige Verflüssigeraustrittstemperatur von Arbeitsmittel<br />

und Wärmepumpe gegeben.<br />

Bivalent-paralleler Betrieb<br />

Beim bivalent-parallelen Betrieb (Bilder 19 und 21) ist<br />

neben der Wärmepumpe no<strong>ch</strong> ein zusätzli<strong>ch</strong>er Wärmeerzeuger<br />

vorhanden (in der Regel ein Heizkessel).<br />

«Parallel» bedeutet, dass unterhalb des Bivalenzpunktes<br />

beide Wärmeerzeuger parallel arbeiten. Mit einem Bivalenzpunkt<br />

bei 50% der erforderli<strong>ch</strong>en Heizleistung kann<br />

80...90% des Jahreswärmebedarfs dur<strong>ch</strong> die<br />

Wärmepumpe gedeckt werden. Es müssen folgende<br />

Anforderungen erfüllt sein:<br />

– Die maximale Rücklauftemperatur des Heizsystems<br />

darf die maximal zugelassene Verflüssigereintrittstemperatur<br />

ni<strong>ch</strong>t übers<strong>ch</strong>reiten<br />

– Die Vorlauftemperatur des Heizsystems darf im<br />

Bivalenzpunkt ni<strong>ch</strong>t höher sein als die maximale<br />

Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

– Die hydraulis<strong>ch</strong>e S<strong>ch</strong>altung und die Dur<strong>ch</strong>flüsse<br />

müssen so ausgelegt sein, dass die Leistung in jedem<br />

Betriebszustand abgegeben und die maximal zulässige<br />

Verflüssigeraustrittstemperatur nie übers<strong>ch</strong>ritten<br />

werden kann<br />

Bivalent-alternativer Betrieb

Beim bivalent-alternativen Betrieb (Bild 22) erfolgt im Bivalenzpunkt<br />

eine eindeutige Ums<strong>ch</strong>altung von der<br />

Wärmepumpe auf den Kessel und umgekehrt. Damit<br />

liegen für jede Betriebsart klare Verhältnisse vor, die die<br />

Auslegung eher etwas einfa<strong>ch</strong>er ma<strong>ch</strong>en als beim<br />

bivalent-parallelen Betrieb. Es müssen folgende<br />

Anforderungen erfüllt sein:<br />

– Die Vorlauftemperatur des Heizsystems darf im<br />

Bivalenzpunkt ni<strong>ch</strong>t höher sein als die maximale<br />

Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

– Beim Ums<strong>ch</strong>alten muss der jeweils ni<strong>ch</strong>t benötigte<br />

Wärmeerzeuger hydraulis<strong>ch</strong> abgetrennt werden<br />

– Die Rücks<strong>ch</strong>altung muss mit einem einstellbaren<br />

Si<strong>ch</strong>erheitsabstand erfolgen<br />

Sonderfall «monoenergetis<strong>ch</strong>er Betrieb»<br />

Da die maximale Leistung einer Anlage nur während<br />

relativ kurzer Zeit zur Verfügung stehen muss, wird für<br />

Einfamilienhäuser oft als Lösung eine Luft-Wasser-<br />

Wärmepumpe mit elektris<strong>ch</strong>er Zusatzheizung zur<br />

Spitzenlastdeckung empfohlen (elektris<strong>ch</strong>e Gesamtleistung<br />

< 10 kW). Bild 23 zeigt die Zusammenhänge.<br />

Die monoenergetis<strong>ch</strong>e Betriebsweise ist einerseits wegen<br />

der niedrigen Investitionskosten interessant, andererseits<br />

aber lastmässig ni<strong>ch</strong>t ganz unproblematis<strong>ch</strong>. Trotz der<br />

Annahme, dass die elektris<strong>ch</strong>e Zusatzheizleistung mit<br />

dem elektris<strong>ch</strong>en Ans<strong>ch</strong>lusswert der Wärmepumpe (PNT-<br />

Wert) gekoppelt ist und bei sinkender Aussentemperatur<br />

au<strong>ch</strong> die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe sinkt,<br />

kann im Winter bei extremen Aussenluftzuständen das<br />

bereits stark belastete Netz no<strong>ch</strong> zusätzli<strong>ch</strong> belastet<br />

werden.<br />

Die Auslegung der Spitzendeckung erfolgt auf den PNT-<br />

Wert entspre<strong>ch</strong>end L2W35. Wenn eine sol<strong>ch</strong>e Lösung gewählt<br />

wird, sollte unbedingt die Hands<strong>ch</strong>altung bevorzugt<br />

werden, da die automatis<strong>ch</strong>e Zus<strong>ch</strong>altung naturgemäss<br />

mehr <strong>Energie</strong> brau<strong>ch</strong>t. Zudem sollte an sehr kalten Tagen<br />

auf die Na<strong>ch</strong>tabsenkung verzi<strong>ch</strong>tet werden, damit keine<br />

S<strong>ch</strong>nellaufheizung erforderli<strong>ch</strong> ist (bei jeder<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>heizungsanlage empfehlenswert).<br />

Aussenlufttemperatur<br />

[°C]<br />

-15<br />

-10<br />

-5<br />

0<br />

+5<br />

+10<br />

+15<br />

Auslegepunkt<br />

Kessel<br />

Bivalenzpunkt<br />

W ärm epum pe<br />

2. Planungshinweise<br />

Heizgrenze<br />

Bandlast<br />

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 310 330 360<br />

[Tage]<br />

Bild 22: Bivalent-alternativer Betrieb<br />

QZusatzheizung 2 kW<br />

ϑa<br />

[°C]<br />

-1 2<br />

P<br />

QMAX<br />

-10 QW<br />

-8<br />

-6<br />

-4<br />

-2<br />

0<br />

0<br />

Zus<strong>ch</strong>altpunkt<br />

Zusatzheizung<br />

500 1000<br />

Q<br />

[kW]<br />

1 1<br />

1 0<br />

9<br />

8<br />

ungedeckt<br />

Anteil Zusatzheizung<br />

WP-Anteil >9 5%<br />

Sum m enhäufigkeit [ h/ a]<br />

Bild 23: Monoenergetis<strong>ch</strong>er Betrieb einer Luft--Wasser-<br />

Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus<br />

17

2. Planungshinweise<br />

18<br />

ϑV,A<br />

Direktnutzung<br />

Indirektnutzung<br />

ϑV,E<br />

W P<br />

Bild 24: Direktnutzung und Indirektnutzung der Wärme quelle<br />

EIN<br />

WP<br />

WP SP<br />

WA<br />

AUS<br />

EIN<br />

WP SP<br />

WA<br />

AUS<br />

Bild 25: Stufenladung (oben) und S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung (unten)<br />

2.4 Einsatzbedingungen<br />

Direkt- oder Indirektnutzung?<br />

Die Direktnutzung (Bild 24 oben) hat den grossen Vorteil,<br />

dass das Temperaturniveau der Wärmequelle voll genutzt<br />

werden kann. Es muss aber Verunreinigung, Vers<strong>ch</strong>lammung,<br />

Erosion und Korrosion im Verdampfer wie folgt<br />

verhindert werden:<br />

– Fa<strong>ch</strong>männis<strong>ch</strong>e Entsandung des Brunnens<br />

– Filter in der Zuleitung zur Wärmepumpe<br />

– Maximale und minimale Dur<strong>ch</strong>flussges<strong>ch</strong>windigkeiten<br />

bea<strong>ch</strong>ten zur Vermeidung von Erosion, Ablagerungen,<br />

Vereisung und S<strong>ch</strong>wingungsbrü<strong>ch</strong>en an den Verdampferröhren<br />

– Für korrosive Abluft (z.B. Stallabwärme) ist ein<br />

korrosionsbeständiger Verdampfer zu verwenden; in<br />

bestimmten Fällen ist zudem eine Filterung der Abluft<br />

notwendig<br />

Natürli<strong>ch</strong>en Wärmequellen können mit der Zeit ihre Qualität<br />

ändern. Au<strong>ch</strong> dur<strong>ch</strong> eine einmalige Wasseranalyse<br />

kann auf die Dauer keine absolute Garantie gegeben<br />

werden. Es ist deshalb empfehlenswert, wenn keine<br />

langjährigen praktis<strong>ch</strong>en Erfahrungen vorliegen, eine<br />

Indirektnutzung mit Zwis<strong>ch</strong>enkreislauf vorzusehen (Bild<br />

24 unten). Falls ein aggressives Medium als Wärmequelle<br />

dient, ist ein Wärmetaus<strong>ch</strong>er aus korrosionsbeständigem<br />

Material zu wählen, der problemlos gereinigt werden<br />

kann. Ferner gilt es zu bea<strong>ch</strong>ten, dass die Zwis<strong>ch</strong>enkreislauftemperatur<br />

unter 0°C fallen kann. Die ri<strong>ch</strong>tige Wahl<br />

des Frosts<strong>ch</strong>utzmittels ist deshalb von grosser Bedeutung.<br />

☞ Wärmetaus<strong>ch</strong>er-Auslegung<br />

siehe Heft 2, Abs<strong>ch</strong>nitt<br />

3.2<br />

Gleitende oder konstante Verflüssigeraustrittstemperatur?<br />

Die Steuerung und Regelung der Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

kann gleitend oder konstant erfolgen. Dies ist<br />

einerseits dur<strong>ch</strong> die Art der Ladung mögli<strong>ch</strong>:<br />

– Bei Stufenladung (Bild 25 oben) des Spei<strong>ch</strong>ers mit<br />

konstantem Dur<strong>ch</strong>fluss wird die aktuelle Verflüssigereintrittstemperatur<br />

stufenweise mit jedem<br />

Dur<strong>ch</strong>gang um die Temperaturdifferenz über dem<br />

Verflüssiger angehoben<br />

– Bei S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung (Bild 25 unten) des Spei<strong>ch</strong>ers wird<br />

mit einer Laderegelung die Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

– unabhängig von der aktuellen Rücklauftemperatur<br />

– auf einen bestimmten Sollwert geregelt

Andererseits kann no<strong>ch</strong> zusätzli<strong>ch</strong> eine Witterungsführung<br />

erfolgen:<br />

– Ein- und Auss<strong>ch</strong>altpunkt bei Stufen- und S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>t ladung<br />

– Ladetemperatur bei der S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung<br />

Der Einfluss auf die Jahresarbeitszahl ist ziemli<strong>ch</strong><br />

komplex, weil neben der Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

au<strong>ch</strong> der grössere Hilfsenergieverbrau<strong>ch</strong> und die kleinere<br />

Temperaturdifferenz im Verfüssiger bei der Stufenladung<br />

berücksi<strong>ch</strong>tigt werden muss. Der Unters<strong>ch</strong>ied zwis<strong>ch</strong>en<br />

gleitender und konstanter Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

beträgt si<strong>ch</strong>er weniger als 10%.<br />

☞ Abs<strong>ch</strong>nitte 2.6 und 3.4<br />

Wahl des Arbeitsmittels<br />

Die Wahl des Arbeitsmittels erfolgt anlagespezifis<strong>ch</strong> dur<strong>ch</strong><br />

die Planerin oder den Planer. Die Bestimmung der<br />

Einsatzgrenze des verwendeten Arbeitsmittels ist<br />

hingegen Sa<strong>ch</strong>e des Herstellers. Ein angemessener<br />

Si<strong>ch</strong>erheitsabstand zwis<strong>ch</strong>en Betriebs- und Si<strong>ch</strong>erheitsberei<strong>ch</strong><br />

muss dur<strong>ch</strong> die Planung si<strong>ch</strong>ergestellt<br />

werden.<br />

☞ Abs<strong>ch</strong>nitt 1.4<br />

Wahl des Frosts<strong>ch</strong>utzmittels<br />

Mit Erdrei<strong>ch</strong> als Wärmequelle und bei indirekter Nutzung<br />

von Gewässern ist ein Zwis<strong>ch</strong>enkreislauf notwendig. Hier<br />

werden Frosts<strong>ch</strong>utzmittel eingesetzt. Der Bund veröffentli<strong>ch</strong>t<br />

eine Liste der zugelassenen Stoffe. Das in der<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik heute meistens verwendete<br />

Äthylenglycol hat wesentli<strong>ch</strong> bessere Eigens<strong>ch</strong>aften als<br />

die früher oft verwendeten Stoffe auf Propylenbasis.<br />

Die Konzentration muss entspre<strong>ch</strong>end der Anwendung<br />

gewählt werden. Den Frosts<strong>ch</strong>utzmitteln werden vom Hersteller<br />

Inhibitoren beigegeben, wel<strong>ch</strong>e die metallis<strong>ch</strong>en<br />

Werkstoffe vor Korrosion s<strong>ch</strong>ützen. Deshalb ist die vom<br />

Hersteller angegebene minimale Konzentration unbedingt<br />

einzuhalten. Die von Wasser stark abwei<strong>ch</strong>enden<br />

Stoffwerte des Wasser-Glykol-Gemis<strong>ch</strong>es müssen bei der<br />

Auslegung berücksi<strong>ch</strong>tigt werden. Bild 26 gibt<br />

Korrekturfaktoren für Förderhöhe und Förderstrom an, die<br />

auf neueren Erfahrungen basieren.<br />

2.5 Wärmequellen<br />

Die Eigens<strong>ch</strong>aften der Wärmepumpe mit der temperaturund<br />

mengenmässigen Verfügbarkeit der Wärmequelle zu<br />

koordinieren, ist die wi<strong>ch</strong>tigste Aufgabe der Planung. Eine<br />

Korrekturfaktor [-]<br />

2.0<br />

1.9<br />

1.8<br />

1.7<br />

1.6<br />

1.5<br />

1.4<br />

1.3<br />

1.2<br />

1.1<br />

1.0<br />

2. Planungshinweise<br />

Fördermenge 50% Glykol<br />

Förderhöhe 50% Glykol<br />

Fördermenge 30% Glykol<br />

Förderhöhe 30% Glykol<br />

Temperatur [°C]<br />

Bild 26: Korrekturfaktoren für Förderstrom und Förderhöhe eines<br />

Wasser-Glykol-Gemis<strong>ch</strong>es (Quelle: Bieri Pumpenbau AG, 3110<br />

Münsingen)<br />

19

2. Planungshinweise<br />

20<br />

Temperatur [°C]<br />

Infiltration Exfiltration<br />

Erdrei<strong>ch</strong> in 1 m Tiefe<br />

20<br />

mittlere Aussenluft-Temperatur<br />

Fluss oder See<br />

16<br />

12<br />

8<br />

4<br />

Grundwasser<br />

Oberflä<strong>ch</strong>engewässer<br />

Bild 029:<br />

Beeinflussung des Grundwassers dur<strong>ch</strong> Infiltration und<br />

Exfiltration<br />

- 4<br />

erhöhte Infiltration infolge<br />

Grundwasserabsenkung<br />

S O N D J F M A M J J A<br />

Bild 27: Temperaturverläufe von unbeeinflussten Wärme quellen<br />

(ohne Wärmeentzug)<br />

Terr ain<br />

ϑmin. ϑmax.<br />

8 10 12 14 16 [°C]<br />

3<br />

Gru n d w assersp ieg el<br />

4<br />

Tiefe unter<br />

Terrain [m ]<br />

Terr ain<br />

0 1 2 3 4 5 [ M o n at e]<br />

Grundwassertemperatur Zeitli<strong>ch</strong>e Verzögerung<br />

Bild 28: Temperaturverlauf des Grundwassers<br />

0<br />

1<br />

2<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

11<br />

fals<strong>ch</strong> dimensionierte Wärmequelle hat katastrophale<br />

Auswirkungen auf Betriebssi<strong>ch</strong>erheit, Leistung und<br />

Wärmeertrag. Bild 27 zeigt typis<strong>ch</strong>e Temperaturverläufe<br />

gebräu<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong>er Wärmequellen.<br />

Eine Einteilung der Wärmequellen ist grundsätzli<strong>ch</strong> na<strong>ch</strong><br />

deren Herkunft (natürli<strong>ch</strong>e Wärmequellen und<br />

Abwärmenutzung) und na<strong>ch</strong> deren Aggregatszustand<br />

(fest, flüssig, gasförmig) mögli<strong>ch</strong>.<br />

✎ Die physikalis<strong>ch</strong>en Eigens<strong>ch</strong>aften spre<strong>ch</strong>en eindeutig<br />

für flüssige Wärmequellen. Der Wärmegewinn aus 1 m³<br />

Wasser, das um 5 K abgekühlt wird, beträgt beispielsweise<br />

5,8 kWh. Für einen glei<strong>ch</strong> grossen Wärmegewinn müssten<br />

verglei<strong>ch</strong>sweise rund 3500 m³ Luft um 5 K abgekühlt<br />

werden!<br />

Grundwasser<br />

Als Grundwasser bezei<strong>ch</strong>net man alle unter der Erdoberflä<strong>ch</strong>e<br />

vorkommenden Gewässer. Es zirkuliert in<br />

porösem Gestein (S<strong>ch</strong>otter, Sand) und gilt aus folgenden<br />

Gründen als ideale Wärmequelle:<br />

– «Ideales» Temperaturniveau für <strong>Wärmepumpen</strong><br />

– Relativ konstante Temperatur<br />

– Mä<strong>ch</strong>tigkeit der Grundwasservorkommen<br />

– Sauberkeit<br />

Grundwasser, wel<strong>ch</strong>es ni<strong>ch</strong>t dur<strong>ch</strong> Infiltration eines<br />

Oberflä<strong>ch</strong>engewässer beeinflusst wird, weist in der Regel<br />

eine mittlere Temperatur von 9...11°C auf und ist damit<br />

wärmer als das Jahresmittel der Aussenlufttemperatur.<br />

Diese höhere Temperatur ist vorwiegend dur<strong>ch</strong> Sonneneinstrahlung<br />

und die isolierende Wirkung der<br />

S<strong>ch</strong>needecke bedingt. Die geothermis<strong>ch</strong>e Wärmestrahlung<br />

aus dem Erdinnern kann praktis<strong>ch</strong> verna<strong>ch</strong>lässigt<br />

werden. Die Lufttemperatur beeinflusst die<br />

Grundwassertemperatur mit zunehmender Tiefe weniger.<br />

Die jahreszeitli<strong>ch</strong>e Verzögerung der Maximal- und<br />

Minimalwerte nimmt mit zunehmender Tiefe zu. Die<br />

maximale S<strong>ch</strong>wankung beträgt nur etwa 5 K (Bild 28).<br />

Grundwasser kann aber dur<strong>ch</strong> Infiltration von<br />

Oberflä<strong>ch</strong>engewässern ents<strong>ch</strong>eidend beeinflusst werden<br />

(Bild 29). Darauf ist unbedingt zu a<strong>ch</strong>ten.<br />

Grundwasser ist in den meisten Fällen ni<strong>ch</strong>t aggressiv.<br />

Eine Wasseranalyse ist aber trotzdem empfehlenswert.<br />

Folgende Grenzwerte sind einzuhalten:<br />

– pH-Wert (freies CO2) ≥ 7<br />

– Eisenoxydgehalt ≤ 0,15 mg/l<br />

– Mangangehalt ≤ 0,1 mg/l<br />

Me<strong>ch</strong>anis<strong>ch</strong>e Verunreinigung (Sand) tritt nur bei unfa<strong>ch</strong>männis<strong>ch</strong><br />

erstellten Filterbrunnenanlagen auf. Nur

fa<strong>ch</strong>männis<strong>ch</strong> erstellte Brunnen garantieren einen<br />

einwandfreien Betrieb (Bild 30). Praxisri<strong>ch</strong>twerte für<br />

Bohrdur<strong>ch</strong>messer sind:<br />

– 150 mm für 50...150 l/min<br />

– 300 mm für150...300 l/min<br />

– 800 mm für 600...1200 l/min<br />

Zusammenfassend kann gesagt werden:<br />

– Bei Fluss- oder Seenähe muss eine mögli<strong>ch</strong>e Infiltration<br />

bea<strong>ch</strong>tet werden<br />

– Wasserfassung und Rückgabe muss hydrologis<strong>ch</strong>en<br />

Grundsätzen entspre<strong>ch</strong>en<br />

– Eine Wasseranalyse ist unbedingt empfehlenswert<br />

– Behördli<strong>ch</strong>e Bewilligung nötig (wird nur erteilt, wenn<br />

keine Trinkwassernutzung erfolgt)<br />

Oberflä<strong>ch</strong>engewässer<br />

Die relativ grossen Temperaturs<strong>ch</strong>wankungen von<br />

Oberflä<strong>ch</strong>engewässern (Fluss,- See- und Ba<strong>ch</strong>wasser)<br />

lassen einen monovalenten Betrieb mit Direktnutzung in<br />

der Regel ni<strong>ch</strong>t zu. Es findet deshalb meist eine indirekte<br />

Nutzung statt: Die Wärmequelle gibt ihre Wärme an einen<br />

Wärmetaus<strong>ch</strong>er ab, der dur<strong>ch</strong> einen Zwis<strong>ch</strong>enkreislauf mit<br />

der Wärmepumpe verbunden ist. Der Zwis<strong>ch</strong>enkreislauf<br />

enthält ein Frosts<strong>ch</strong>utzgemis<strong>ch</strong>, damit die Verdampfungstemperatur<br />

unter 0°C sinken darf. Der Wärmeentzug<br />

aus Oberflä<strong>ch</strong>engewässern ist grundsätzli<strong>ch</strong> auf zwei<br />

Arten mögli<strong>ch</strong>:<br />

– Register im Fliessgewässer (Bild 31); es fliesst eine<br />

sehr grosse Wassermenge dur<strong>ch</strong> das Register und die<br />

Abkühlung ist entspre<strong>ch</strong>end sehr klein<br />

– Das Wasser wird in einem Filterbrunnen gesammelt<br />

und zu einem Wärmetaus<strong>ch</strong>er gepumpt (Bild 32)<br />

Für die Register-Lösung ist es empfehlenswert, mit einer<br />

mittleren logarithmis<strong>ch</strong>en Temperaturdifferenz von<br />

maximal 5...6 K zu re<strong>ch</strong>nen. Zur Dimensionierung der<br />

Wärmetaus<strong>ch</strong>erflä<strong>ch</strong>e kann man k-Werte von 200...300<br />

W/m²K annehmen (Strömungsges<strong>ch</strong>windigkeit > 0,5 m/s).<br />

Es ist empfehlenswert, einen Si<strong>ch</strong>erheitszus<strong>ch</strong>lag von<br />

etwa 25% für eine mögli<strong>ch</strong>e Vers<strong>ch</strong>mutzung des<br />

Registers zu ma<strong>ch</strong>en. Die ras<strong>ch</strong> na<strong>ch</strong>fliessende<br />

Wärmequelle (Ba<strong>ch</strong>- und Flusswasser) verhindert eine<br />

Eisbildung. Der Rohrabstand muss im Minimum 4 cm<br />

betragen. Zudem muss das Register dur<strong>ch</strong> bauli<strong>ch</strong>e<br />

Massnahmen gegen Geröll ges<strong>ch</strong>ützt werden. Bei stehenden<br />

Gewässern ist diese Lösung nur bedingt brau<strong>ch</strong>bar.<br />

Der Vorteil der Filterbrunnen-Lösung ist die praktis<strong>ch</strong><br />

vers<strong>ch</strong>mutzungsfreie Wasserentnahme. Ein monovalenter<br />

Betrieb ist häufig mögli<strong>ch</strong>.<br />

Zusammenfassend kann gesagt werden:<br />

0<br />

0,5<br />

Bild 1,031:<br />

Nutzung dur<strong>ch</strong> Register<br />

1,5<br />

2,0<br />

2,5<br />

-2 Grundwasserspiegel<br />

=<br />

VOPT, d2<br />

=<br />

VMAX, d2<br />

Brunnendur<strong>ch</strong>messer<br />

d2<br />

= =<br />

VOPT, d1<br />

Absenkung WP [m] VOPT = ½ V MAX.<br />

2. Planungshinweise<br />

d1<br />

VMAX, d1<br />

ΔϑE − ΔϑA<br />

Δϑ =<br />

Entnahmemenge ln V ΔϑE<br />

ΔϑA<br />

V · MAX = Maximale Entnahmemenge na<strong>ch</strong> längerem<br />

Pumpversu<strong>ch</strong><br />

F l u s s<br />

Re<strong>ch</strong>en<br />

Seitenkanal<br />

Grobfilter Stützmauerwerk<br />

Temperatur [°C]<br />

2<br />

1<br />

0<br />

-1<br />

-3<br />

ΔϑE<br />

von WP zu WP<br />

Eintritt<br />

Flu sst em p er at u r<br />

W ärmeträgermedium<br />

Austritt<br />

V · OPT = Optimale Entnahmemenge für <strong>Wärmepumpen</strong><br />

Temperatur [°C]<br />

Bild 30: Ergiebigkeitskurven Eintritt für Grundwasserbrun nen anhand<br />

2<br />

2<br />

von Pumpversu<strong>ch</strong>en<br />

1<br />

0<br />

-1<br />

-2<br />

Austritt<br />

Wärmequelle<br />

Zw is<strong>ch</strong>enkreislauf<br />

Austritt<br />

Eintritt<br />

Bild 32: Nutzung mit Filterbrunnen und Zwis<strong>ch</strong>enkreis<br />

ΔϑA<br />

1<br />

0<br />

-1<br />

-2<br />

Δϑ1 = 1K<br />

Δϑ2 = 3 K<br />

21

2. Planungshinweise<br />

22<br />

– Ein Zwis<strong>ch</strong>enkreislauf ergibt tiefere Verdampfungstemperaturen<br />

und damit s<strong>ch</strong>le<strong>ch</strong>tere Lei stungszahlen<br />

– Angebot oft s<strong>ch</strong>wankend (z.B. Ba<strong>ch</strong>)<br />

– Realisierung eher s<strong>ch</strong>wierig (speziell die Register-<br />

Lösung)<br />

– Bewilligungsverfahren und Unterhalt sind bei der<br />

Registerlösung mögli<strong>ch</strong>erweise sehr aufwendig<br />

Erdrei<strong>ch</strong><br />

Die Wärme des Erdrei<strong>ch</strong>s bis etwa 2 m Tiefe liefert<br />

vorwiegend die Sonne. Die geothermis<strong>ch</strong>e Wärme beträgt<br />

ledigli<strong>ch</strong> einige Prozente. Die Wärmekapazität des<br />

Erdrei<strong>ch</strong>s hängt von dessen Bes<strong>ch</strong>affenheit und<br />

Wassergehalt ab. Die Nutzung kann auf zwei Arten<br />

erfolgen:<br />

– Horizontal mit Erdregister (Bild 33)<br />

– Vertikal mit Erdwärmesonden (Bild 34)<br />

Erdregister sind eher als «Sonnenkollektoren» zu<br />

qualifizieren, die au<strong>ch</strong> die Wärmespei<strong>ch</strong>erkapazität des<br />

Erdrei<strong>ch</strong>s nutzen. Bodenbes<strong>ch</strong>affenheit und Witterung<br />

sind dabei bezügli<strong>ch</strong> Wärmeentzug massgebend. Bei<br />

stetigem <strong>Energie</strong>entzug sinkt die Erdrei<strong>ch</strong>temperatur<br />

relativ stark. Falls die Erdkollektorflä<strong>ch</strong>e ni<strong>ch</strong>t genügend<br />

gross gema<strong>ch</strong>t wird, ist die Kombination mit einer<br />

Entlastungseinri<strong>ch</strong>tung sinnvoll (z.B. unverglaster<br />

Solarabsorber, Da<strong>ch</strong>register).<br />

Bei Erdwärmesonden entsteht dur<strong>ch</strong> die Auskühlung des<br />

Erdrei<strong>ch</strong>s eine Art «Temperaturtri<strong>ch</strong>ter» (Bild 35), der von<br />

der spezifis<strong>ch</strong>en Sondenleistung (W/m) abhängt. Intensive<br />

Entnahme bedeutet steilen Tri<strong>ch</strong>terverlauf und tiefe<br />

Sondentemperatur. Die Jahresarbeitszahl ist umso<br />

besser, je geringer der Wärmeentzug pro Meter Sondenlänge<br />

ist. In den Betriebspausen erholt si<strong>ch</strong> das<br />

Erdrei<strong>ch</strong> in der Sondenumgebung wieder. Diese ist<br />

zwingend notwendig, weil der geringe Wärmena<strong>ch</strong>fluss<br />

aus dem Erdinnern ni<strong>ch</strong>t ausrei<strong>ch</strong>t, um die Dimensionierungsbedingungen<br />

aufre<strong>ch</strong>t zu halten.<br />

Beide Systeme – obwohl grundsätzli<strong>ch</strong> vers<strong>ch</strong>ieden –<br />

haben si<strong>ch</strong> in mehrheitli<strong>ch</strong> kleineren Anlagen gut bewährt.<br />

Die Erdwärmenutzung – ohne wesentli<strong>ch</strong>e Nutzung der<br />

geothermis<strong>ch</strong>e Wärme – ist speziell für monovalenten<br />

Betrieb geeignet. Besonders wi<strong>ch</strong>tig sind nämli<strong>ch</strong><br />

genügend lange Erholungsperioden für das Erdrei<strong>ch</strong>.<br />

Deshalb ist der bivalent-parallele Betrieb, wegen der<br />

langen ununterbro<strong>ch</strong>enen Betriebszeiten, ni<strong>ch</strong>t sinnvoll.<br />

Ein bivalent-alternativer Betrieb ist denkbar, bedeutet aber<br />

einen wesentli<strong>ch</strong> kleineren Anteil am Gesamtwärmebedarf.<br />

Es bleibt also nur der monovalente Betrieb<br />

oder allenfalls eine bivalente Anlage, bei wel<strong>ch</strong>er der

Heizkessel ni<strong>ch</strong>t mehr als etwa 10% des<br />

Gesamtwärmebedarfs übernehmen muss.<br />

Aussenluft<br />

Aussenluft als Wärmequelle hat den grossen Vorteil, dass<br />

sie überall verfügbar ist und keine Bewilligung brau<strong>ch</strong>t.<br />

Sie hat jedo<strong>ch</strong> einige Na<strong>ch</strong>teile, die ihre Nutzung im<br />

monovalenten Betrieb in Frage stel len:<br />

– Gegenläufigkeit von Wärmequellentemperatur und<br />

Heizsystemtemperatur<br />

– Kondenswasserbildung ab 6...7°C Aussentemperatur<br />

führt zu Eisbildung und ma<strong>ch</strong>t eine Abtauung<br />

notwendig<br />

– Geräus<strong>ch</strong>probleme infolge der grosse Luftmengen<br />

– Relativ grosser Platzbedarf<br />

Ausnahmen für monovalenten Betrieb können di<strong>ch</strong>te und<br />

gut wärmegedämmte Bauten mit kleinem Wärmeleistungsbedarf<br />

(weniger als 10 kW) oder eine Vorwärmung<br />

der Aussenluft über einen Kiespei<strong>ch</strong>er sein.<br />

Ausserordentli<strong>ch</strong> wi<strong>ch</strong>tig sind sorgfältige s<strong>ch</strong>allte<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>e<br />

Abklärungen, unabhängig davon, ob es si<strong>ch</strong> um eine<br />

Innen- oder Aussenaufstellung handelt. Die<br />

Lärms<strong>ch</strong>utzverordnung und örtli<strong>ch</strong>e Vors<strong>ch</strong>riften sind<br />

unbedingt zu bea<strong>ch</strong>ten. Nötigenfalls ist ein Akustiker<br />

beizuziehen.<br />

Geothermis<strong>ch</strong>e Wärme<br />

Mit Tiefbohrungen kann geothermis<strong>ch</strong>e Wärme höherer<br />

Temperatur gewonnen werden. Dieses Wasser kann, je<br />

na<strong>ch</strong> Temperaturniveau, direkt genutzt oder dur<strong>ch</strong> eine<br />

Wärmepumpe auf ein nutzbares Temperaturniveau<br />

angehoben werden. Damit eine wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong> vertretbare<br />

Nutzung mögli<strong>ch</strong> ist, darf die Arbeitszahl kaum unter 4,0<br />

liegen. Die geothermis<strong>ch</strong>e Wärmenutzung gehört in den<br />

Berei<strong>ch</strong> der Grosste<strong>ch</strong>nologie (Bild 36) und wird hier<br />

deshalb ni<strong>ch</strong>t weiter behandelt.<br />

Abwärme<br />

Da Abwärmeanfall und Wärmebedarf oft ni<strong>ch</strong>t übereinstimmen,<br />

ist eine genaue Analyse erforderli<strong>ch</strong>. Dabei<br />

ents<strong>ch</strong>eidet si<strong>ch</strong>, ob das Problem mit einem Spei<strong>ch</strong>er<br />

(kälte- und/oder wärmeseitig) gelöst werden kann. Eine<br />

sinnvolle Spei<strong>ch</strong>erbewirts<strong>ch</strong>aftung erlaubt eine optimale<br />

Nutzung im Teillastberei<strong>ch</strong> und kann zudem zur<br />

Leistungsspitzenbegrenzung benutzt werden (ergibt<br />

finanzielle Vorteile).<br />

Tem peratur [°c]<br />

9<br />

8<br />

7<br />

6<br />

5<br />

4<br />

3<br />

2<br />

1<br />

0<br />

-1<br />

2. Planungshinweise<br />

Wärmeaufnahme<br />

dur<strong>ch</strong> Sonne,<br />

Regen, Kollektoren<br />

Wärmeleistung<br />

vom erwärmten<br />

Erdrei<strong>ch</strong> in die<br />

kälteren Rohre<br />

-2 Wärmepumpe Wärmepumpe<br />

einges<strong>ch</strong>altet<br />

ausges<strong>ch</strong>altet<br />

-3<br />

Kondensation<br />

0 3 6 9 12 15 von Wasserdampf<br />

18 21 24<br />

um die kalten Rohre, Zeit [h]<br />

Wärmeübergang<br />

verbessert<br />

Bild 35: Erdtemperaturverlauf einer Erdsonde in 25 m Tie fe mit<br />

und ohne <strong>Wärmepumpen</strong>betrieb<br />

Eisbildung<br />

332 kJ/kg S<strong>ch</strong>melzwärme<br />

nutzbar,<br />

Wärmeübergang<br />

verbessert.<br />

In Grenzen halten.<br />

Temperatur [°C]<br />

20<br />

10<br />

0<br />

-10<br />

Bild 33: Erdregister<br />

100.0 cm<br />

40.0 cm<br />

2 2 .5 cm<br />

1 2.5 cm<br />

7.5 cm<br />

2.5 cm<br />

ϑEIN<br />

Bild 34: Erdwärmesonde<br />

natürli<strong>ch</strong>e Erdtemperatur in 1 m Tiefe<br />

Erdtem peratur bei W ärmeentzug nur aus Erdrei<strong>ch</strong><br />

Erdtem peratur bei zu kleinem Erdkollektor<br />

Erdtem peratur in Verbindung mit ϑAUS Unterda<strong>ch</strong>kollektor<br />

von WP<br />

20°C < zu ϑ WP < 70°C "Thermalwasser"<br />

Direkte Nutzung mit Wärmetaus<strong>ch</strong>er (ϑ > ϑVL,MAX)<br />

Indirekte Nutzung mit Wärmepumpe (ϑ < ϑVL,MAX)<br />

Bild 36: Geothermis<strong>ch</strong>e Wärme<br />

50...150 m<br />

Hinterfüllung<br />

300...20 00 m<br />

23

2. Planungshinweise<br />

Bild 37: Wel<strong>ch</strong>es ist die beste Wärmequelle?<br />

24<br />

Eine besonders interessante Wärmequelle ist Abwasser,<br />

vor allem wegen der relativ hohen Temperatur. Folgendes<br />

muss dabei bea<strong>ch</strong>tet werden:<br />

– Wegen Verunreinigung meistens nur indirekt nutzbar<br />

(entspre<strong>ch</strong>ende Materialwahl, automatisiertes<br />

Reinigungsverfahren vorsehen)<br />

– Oft mengenmässig zu geringes Angebot für eine<br />

lohnende Nutzung<br />

– Für öffentli<strong>ch</strong>e Abwässer ist eine Bewilligung not wendig<br />

Abluft als Wärmequelle mit direkter Nutzung ohne<br />

Wärmepumpe begegnet man sehr oft bei Wärmerückgewinnungsanlagen.<br />

Für eine indirekte Nutzung über<br />

eine Wärmepumpe ist sie vor allem zur Wassererwärmung<br />

interessant. Abluft kann korrosiv oder<br />

verunreinigt sein (Landwirts<strong>ch</strong>aft, Industrie).<br />

Wel<strong>ch</strong>es ist die beste Wärmequelle?<br />

Diese Frage lässt si<strong>ch</strong> nur s<strong>ch</strong>wer beantworten, weil<br />

unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong>e Beurteilungskriterien mögli<strong>ch</strong> sind. Im<br />

Sinne des <strong>Energie</strong>sparens und des Umwelts<strong>ch</strong>utzes ist eigentli<strong>ch</strong><br />

nur das Temperaturniveau massgebend. Demna<strong>ch</strong><br />

liesse si<strong>ch</strong> folgende Rangliste erstellen (Bild 37): 1.<br />

Abwärme – 2. Grundwasser – 3. Erdwärme – 4.<br />

Aussenluft. (Geothermis<strong>ch</strong>e Wärme würde eigentli<strong>ch</strong> an<br />

die erste Stelle gehören, wird hier aber, als Grosste<strong>ch</strong>nologie,<br />

ni<strong>ch</strong>t berücksi<strong>ch</strong>tigt.)<br />

Jede Wärmequelle hat ihre Vor- und Na<strong>ch</strong>teile. Deshalb<br />

kann nur dur<strong>ch</strong> eine sorgfältige, objektbezogene Analyse<br />

eine konkrete Antwort geben werden. Bei der Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keitsbere<strong>ch</strong>nung<br />

sollten unbedingt zusätzli<strong>ch</strong>e<br />

Einflüsse wie Umwelts<strong>ch</strong>utz, Ressourcen, Recycling und<br />

graue <strong>Energie</strong> mitberücksi<strong>ch</strong>tigt werden.<br />

2.6 Planungszielwerte<br />

Die Bere<strong>ch</strong>nung von <strong>Wärmepumpen</strong>anlagen ist anspru<strong>ch</strong>svoll.<br />

Dies sollte aber die Planerin oder den Planer<br />

ni<strong>ch</strong>t dazu verleiten, die Wärmepumpe als<br />

«unbere<strong>ch</strong>enbar» zu taxieren. Es sollte vielmehr eine<br />

Herausforderung sein, alles daran zu setzen, gute<br />

Anlagen zu bauen. Die Kennzahlen in Tabelle 39 sollen<br />

dabei als Zielwerte dienen. Die Leistungszahlen gelten für<br />

die Auslegung bei bestimmten Randbedingungen und<br />

sind vom Hersteller zu garantieren. Die<br />

Jahresarbeitszahlen gelten für den Betrieb unter<br />

we<strong>ch</strong>selhaften Bedingungen und sind vom Planer zu<br />

garantieren.

Vers<strong>ch</strong>iedene Grössen, wel<strong>ch</strong>e die Jahresarbeitszahl<br />

beeinflussen, führen immer wieder zu Diskussionen.<br />

Einige dieser Einflussgrössen werden na<strong>ch</strong>folgend<br />

bespro<strong>ch</strong>en und deren Auswirkungen auf eine kleinere<br />

und eine grössere Anlage bere<strong>ch</strong>net (Tabelle 38).<br />

☞ Die<br />

verwendeten Zahlenwertformeln werden in<br />

Abs<strong>ch</strong>nitt 3.2 erklärt. Der Einfa<strong>ch</strong>heit halber wird mit<br />

der Leistungsdifferenz ΔP gere<strong>ch</strong>net (ni<strong>ch</strong>t mit der<br />

Druckdifferenz Δp verwe<strong>ch</strong>seln!).<br />

Einflussgrösse «Produktetoleranz»<br />

Es ist unbedingt empfehlenswert, Serienprodukte mit<br />

gesi<strong>ch</strong>erten Leistungsangaben zu verwenden. Bei kleinen<br />

Serien, deren Leistungszahl im Praxiseinsatz ni<strong>ch</strong>t<br />

überwa<strong>ch</strong>t und gegebenenfalls korrigiert werden kann, ist<br />

übli<strong>ch</strong>erweise mit einer Produktetoleranz von ±10% zu<br />

re<strong>ch</strong>nen.<br />

Einflussgrösse «Druckverlust von Verdampfer und<br />

Verflüssiger»<br />

Oft weisen <strong>Wärmepumpen</strong> glei<strong>ch</strong>er Leistung sehr<br />

unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong>e Druckverluste über den Wärmetaus<strong>ch</strong>ern<br />

auf. Dabei kann es si<strong>ch</strong> um Produkte unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong>er<br />

Hersteller handeln, aber au<strong>ch</strong> beim<br />

glei<strong>ch</strong>en Hersteller sind grössere Unters<strong>ch</strong>iede innerhalb<br />

einer Baureihe, je na<strong>ch</strong> Leistungsgrösse, mögli<strong>ch</strong>. Es ist<br />

deshalb wi<strong>ch</strong>tig, dass immer vers<strong>ch</strong>iedene<br />

<strong>Wärmepumpen</strong> miteinander vergli<strong>ch</strong>en werden.<br />

✎ Wie verändert si<strong>ch</strong> die Jahresarbeitszahl, wenn in den<br />

beiden Anlagen gemäss Tabelle 38 je ein Wärmepumpe mit<br />

einem um 40 kPa grösseren Druckabfall über Verdampfer<br />

bzw. Verflüssiger eingesetzt wird? Für die kleinere Anlage<br />

ergibt si<strong>ch</strong>:<br />

ΔPVerd.-Pumpe = 40 kPa · 1,2 m³/h / (3600 · 0,10)<br />

= 0,133 kW<br />

ΔPVerfl.-Pumpe = 40 kPa · 0,9 m³/h / (3600 · 0,10)<br />

= 0,100 kW<br />

ΔW = 2500 h · (0,133 + 0,100) kW<br />

= 583 kWh<br />

JAZklein = 25'000 kWh / (8333 + 583) kWh<br />

= 2,80<br />

Analog gere<strong>ch</strong>net für die grössere Anlage:<br />

ΔPVerd.-Pumpe = 40 kPa · 12 m³/h / (3600 · 0,25)<br />

= 0,533 kW<br />

ΔPVerfl.-Pumpe = 40 kPa · 9 m³/h / (3600 · 0,25)<br />

= 0,400 kW<br />

ΔW = 2500 h · (0,533 + 0,400) kW<br />

2. Planungshinweise<br />

25

2. Planungshinweise<br />

Wärmequelle<br />

Leistungs- Kleinere Anlage Jahres- Grössere Jahresnut-<br />

Betriebsart<br />

zahl*arbeits Anlage zungs<br />

Betriebsart Nutzung<br />

Monovalent, S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung,<br />

zahl**grad*** konstante ε Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

von JAZ 47 °C ηWEA<br />

Heizleistung Grundwasser<br />

10 kW 100 kW<br />

Jahreswärmebedarf monovalent<br />

25'000 kWh 250'000 kWh<br />

Betriebsstunden – Direktnutzung<br />

3,5...4,0 2500 h/a 3,0...3,5 2500 h/a=<br />

JAZ<br />

Jahresstrombedarf – Indirektnutzung WPA 3,3...3,8 8333 kWh 2,8...3,3 83'333 kWh = JAZ<br />

Jahresarbeitszahl Oberflä<strong>ch</strong>engewässer JAZ<br />

Verdampferdur<strong>ch</strong>fluss<br />

monovalent<br />

(Δϑ Indirektnutzung<br />

= 5 K)<br />

Verflüssigerdur<strong>ch</strong>fluss<br />

Abwasser<br />

(Δϑ monovalent<br />

= 10 K)<br />

Indirektnutzung<br />

Druckabfall Verflüssiger<br />

Erdrei<strong>ch</strong><br />

Pumpenwirkungsgrad<br />

monovalent<br />

3,0<br />

3,1...3,6<br />

1,2 m³/h<br />

0,9 m³/h<br />

3,4...3,9<br />

25 kPa<br />

0,10<br />

3,0<br />

2,6...3,1<br />

12 m³/h<br />

= JAZ<br />

9 m³/h<br />

2,9...3,4 = JAZ<br />

25 kPa<br />

0,25<br />

Tabelle – Erdregister 38: Die beiden Verglei<strong>ch</strong>sanlagen 3,1...3,4 2,6...2,9 sind so ausge = JAZlegt,<br />

dass – Erdsonden sie mit unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong>en 3,3...3,6 Randbedingungen 2,8...3,1 = auf JAZdie<br />

glei<strong>ch</strong>e Aussenluft Jahresarbeitszahl von 3,0 kommen. Damit kön nen sehr<br />

einfa<strong>ch</strong> – EFH, monovalent Verglei<strong>ch</strong>sre<strong>ch</strong>nungen 2,5...2,9mit<br />

2,0...2,5 Lei stungsdifferenzen = JAZ<br />

angestellt – bivalent-parallel****<br />

werden. 2,8...3,2 2,3...2,7 1,3...2,3<br />

– bivalent-alternativ**** 3,0...3,4 2,5...2,9 1,5...2,5<br />

* Bezogen auf die Jahresmittelwerte der entspre<strong>ch</strong>en den<br />

Verdampfereintrittstemperatur und 40...45°C Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

** Bei Verflüssigeraustrittstemperatur 40...45°C<br />

*** Bilanzgrenze = Wärmeerzeugungsanlage; Kessel im<br />

Jahresnutzungsgrad enthalten, je na<strong>ch</strong> Deckungs grad<br />

ergeben si<strong>ch</strong> sehr unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong>e Werte<br />

**** Bivalenzpunkt 0...3°C<br />

Tabelle 39: Zielwerte für die Kennzahlen von Elektromotorwärmepumpen<br />

im s<strong>ch</strong>weizeris<strong>ch</strong>en Mittelland. Bei monovalentem<br />

Betrieb sind Jahresarbeitszahl der <strong>Wärmepumpen</strong>anlage<br />

und Jahresnutzungsgrad der Wärmeerzeugungsanlage<br />

identis<strong>ch</strong>. Als Wert für die Elektro-Thermo-<br />

Verstärkung ETV kann in der Praxis die Jahresar beitszahl<br />

verwendet werden.<br />

26<br />

JAZgross<br />

= 2333 kWh<br />

= 250'000 kWh / (83'333 + 2333) kWh<br />

= 2,92<br />

Einflussgrösse «Druckverlust der Erdwärmesonden»<br />

Bei Anlagen mit Erdwärmesonden sind die Druckverluste<br />

für unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong>e Sondendur<strong>ch</strong>messer, Sondenlängen,<br />

Sondenzahlen usw. sorgfältig zu optimieren. Unters<strong>ch</strong>iede<br />

von 100 kPa zwis<strong>ch</strong>en zwei Varianten sind keine<br />

Seltenheit.<br />

✎ Wie verändert si<strong>ch</strong> die Jahresarbeitszahl, wenn in den<br />

beiden Anlagen gemäss Tabelle 38, je eine<br />

Erdsondenanlage mit 100 kPa mehr Druckabfall eingebaut<br />

wird? Für die kleinere Anlage ergibt si<strong>ch</strong> folgendes Bild:<br />

ΔPVerd.-Pumpe = 100 kPa · 1,2 m³/h / (3600 · 0,10)<br />

= 0,333 kW<br />

ΔW = 2500 h · 0,333 kW = 833 kWh<br />

JAZklein = 25'000 kWh / (8333 + 833) kWh<br />

= 2,73<br />

Und für die grössere Anlage:<br />

ΔPVerd.-Pumpe = 100 kPa · 12 m³/h / (3600 · 0,25)<br />

= 1,333 kW<br />

ΔW = 2500 h · 1,333 kW = 3333 kWh<br />

JAZgross = 250'000 kWh / (83333 + 3333) kWh<br />

= 2,88<br />

Einflussgrösse «Betriebsart»<br />

Stufenladung und in bestimmten Fällen au<strong>ch</strong> eine<br />

Witterungsführung bei S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung ergeben theoretis<strong>ch</strong><br />

eine bessere Jahresarbeitszahl als bei S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung auf<br />

einen konstanten Festwert, weil mit tieferen Verflüssigeraustrittstemperaturen<br />

gefahren werden kann (siehe<br />

Abs<strong>ch</strong>nitt 2.4). Das ganze funktioniert aber nur, wenn die<br />

Anlage auf eine wesentli<strong>ch</strong> kleinere Temperaturdifferenz<br />

über dem Verflüssiger ausgelegt wird. In der Regel ist<br />

dazu etwa der doppelte Dur<strong>ch</strong>fluss erforderli<strong>ch</strong>, was den<br />

Druckabfall über dem Verflüssiger vervierfa<strong>ch</strong>t – und dies<br />

muss unbedingt berücksi<strong>ch</strong>tigt werden.<br />

✎ Wie verändert si<strong>ch</strong> die Jahresarbeitszahl, wenn in den<br />

beiden Anlagen gemäss Tabelle 38 – anstelle von 2500 h<br />

mit 47 °C entspre<strong>ch</strong>end einem ε = 3,4 – wie folgt gefahren<br />

wird:<br />

500 h mit 45°C entspre<strong>ch</strong>end ε = 3,5<br />

1000 h mit 42 °C entspre<strong>ch</strong>end ε = 3,75<br />

1000 h mit 39 °C entspre<strong>ch</strong>end ε = 4,0<br />

Das entspre<strong>ch</strong>end gewi<strong>ch</strong>tete dur<strong>ch</strong>s<strong>ch</strong>nittli<strong>ch</strong>e ε wird<br />

dadur<strong>ch</strong> von 3,4 auf 3,8 verbessert. Die JAZ dürfte also

au<strong>ch</strong> etwa um 0,4 Punkte besser ausfallen, also 3,4 anstatt<br />

3,0<br />

Dur<strong>ch</strong> die Verdoppelung des Dur<strong>ch</strong>lusses wird aber der<br />

Druckabfall über dem Verflüssiger vervierfa<strong>ch</strong>t.<br />

(Vereinfa<strong>ch</strong>end wird angenommen, dass der Wegfall des<br />

Ladeventils dur<strong>ch</strong> den erhöhten Druckverlust im Ladekreis<br />

kompensiert wird.) Somit ergibt si<strong>ch</strong> für die kleinere Anlage:<br />

(100 kPa · 1,8 m³/h) - (25 kPa · 0,9 m³/h)<br />

ΔPVerfl.-Pumpe =<br />

3600 · 0,10<br />

= 0,438 kW<br />

ΔW = 2500 h · 0,438 kW = 1095 kWh<br />

JAZklein<br />

25'000 kWh<br />

=<br />

25'000/3,4 kWh + 1095 kWh<br />

= 2,96<br />

Und für die grössere Anlage:<br />

(100 kPa · 18 m³/h) - (25 kPa · 9 m³/h)<br />

ΔPVerfl.-Pumpe =<br />

3600 · 0,25<br />

= 1,750 kW<br />

ΔW = 2500 h · 1,750 kW = 4375 kWh<br />

JAZgross<br />

250'000 kWh<br />

=<br />

250'000/3,4 kWh + 4375 kWh<br />

= 3,21<br />

� Ob mit Stufenladung tatsä<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong> eine bessere<br />

Jahresarbeitszahl erzielt wird, muss sehr sorgfältig geprüft<br />

werden. Der höhere Pumpenstromverbrau<strong>ch</strong> s<strong>ch</strong>mälert den<br />

Gewinn der tieferen Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

(Beispiel). Ausserdem führt die kleinere Temperaturdifferenz<br />

über dem Verflüssiger no<strong>ch</strong> zu einer zusätzli<strong>ch</strong>en<br />

Vers<strong>ch</strong>le<strong>ch</strong>terung der Leistungszahl.<br />

2.7 Kosten<br />

Investitionskosten<br />

Für erste Abklärungen ist es praktis<strong>ch</strong>, wenn spezifis<strong>ch</strong>e<br />

Investitionskosten bekannt sind. In Tabelle 40 sind Zahlen<br />

für <strong>Wärmepumpen</strong>, Erdwärmesonden und<br />

Grundwasserbrunnen zusammengestellt.<br />

☞ Wie<br />

eine seriöse Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keitsre<strong>ch</strong>nung gema<strong>ch</strong>t<br />

wird, wird in Abs<strong>ch</strong>nitt 4.7 gezeigt<br />

Elektrizitätstarife<br />

Erklärtes Ziel von RAVEL ist eine Umweltstrategie. Dies<br />

bedeutet, dass rund ein Drittel des in Wärmekraftkoppelungsanlagen<br />

produzierten Stromes zum<br />

Antrieb von Elektrowärmepumpen eingesetzt werden soll<br />

(Bild 1). Daneben sollten au<strong>ch</strong> bestehende Elektroheizungen<br />

na<strong>ch</strong> und na<strong>ch</strong>, wo immer dies mögli<strong>ch</strong> ist,<br />

dur<strong>ch</strong> Elektrowärmepumpen ersetzt werden. Es ist also<br />

Nennheizleistung<br />

[kW]<br />

Luft-Wasser<br />

L2W35<br />

[Fr./kW]<br />

Wärmepumpe<br />

Sole-Wasser<br />

S0W35<br />

[Fr./kW]<br />

2. Planungshinweise<br />

Wasser-<br />

Wasser<br />

W10W35<br />

[Fr./kW]<br />

bis 20 900...1300 700...1100 600...900<br />

21...50 800...1000 550...800 400...600<br />

51...100 750...900 450...600 350...450<br />

101...200 650...800 350...450 250...350<br />

201..300 550...600 250...400 200...300<br />

301...500 400...450 230...260 180...200<br />

Erdwärmesonden inkl. Verbindungsleitungen<br />

Benötigte Sondenlänge Spezifis<strong>ch</strong>e Kosten<br />

[m/kW]<br />

[Fr./m]<br />

ca. 15 110...130<br />

Entnahme- und Rückgabebrunnen<br />

für Grundwasser<br />

Nennheizleistung Brunnen-∅ Spez. Kosten<br />

[kW]<br />

[mm]<br />

[Fr./m]<br />

bis 70 150 400...500<br />

71...140 300 600...800<br />

141...550 800 700...1000<br />

Tabelle 40: Spezifis<strong>ch</strong>e Kosten von <strong>Wärmepumpen</strong> und Wärmequellen<br />

bezogen auf Nennheizleistung bzw. Lauf meter<br />

(Preisbasis 1992)<br />

Bere<strong>ch</strong>nungsbeispiel<br />

Grundpreis (Zählergebühr) 25 Fr./Monat<br />

Arbeitspreis (Winter):<br />

– Ho<strong>ch</strong>tarif (6.00-22.00 h) 13 Rp./kWh<br />

– Niedertarif (22.00-6.00 h) 9 Rp./kWh<br />

Leistungspreis je Monat 12 Fr./kW<br />

Betriebsdaten:<br />

– Leistungsaufnahme 20 kW<br />

– Heizleistung 60 kW<br />

– <strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> im HT 30'000 kWh<br />

– <strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> im NT 15'000 kWh<br />

<strong>Energie</strong>kosten:<br />

– Grundpreis (12 Monate x 25 Fr.) 300 Fr./a<br />

– Stromkosten<br />

HT (0,13 Fr. x 30'000 kWh) 3900 Fr./a<br />

NT (0,09 Fr. x 15'000 kWh) 1350 Fr./a<br />

– Leistungspreis (Spitzensperre) entfällt<br />

Total <strong>Energie</strong>kosten:<br />

– Pro Jahr 5550 Fr./a<br />

– Pro kWh (555'000 Rp./45'000 kWh) 12,3 Rp./kWh<br />

Mehrkosten mit Leistungspreis:<br />

– Pro Jahr (8 Mt. x 20 kW x 12 Fr.) +1920 Fr./a<br />

– Pro kWh (192'000 Rp./45'000 kWh) +4,3 Rp./kWh<br />

Entwicklung der Elektrizitätstarife in der S<strong>ch</strong>weiz in Rp./kWh<br />

(Erhebung bei 162 Elektrizitätswerken):<br />

1985 1986 1987 1988 1989 1990<br />

13,50 13,78 13,85 14,00 14,17 14,44<br />

Kasten 41<br />

27

2. Planungshinweise<br />

28<br />

eine energie- und umweltpolitis<strong>ch</strong>e Notwendigkeit, dass<br />

Elektrowärmepumpen gebaut werden. Dies sollte dur<strong>ch</strong><br />

einen angemessenen Elektrizitätstarif honoriert werden.<br />

Die S<strong>ch</strong>weizeris<strong>ch</strong>en Elektrizitätswerke sind in Ihrer<br />

Tarifgestaltung heute grundsätzli<strong>ch</strong> autonom. Weder Bund<br />

no<strong>ch</strong> Kantone haben die Tarife gesetzli<strong>ch</strong> geregelt. Auf<br />

Bundesebene besteht seit 1989 die «Empfehlung für<br />

Tarife von leitungsgebundenen <strong>Energie</strong>n», wel<strong>ch</strong>e jedo<strong>ch</strong><br />

ni<strong>ch</strong>t verbindli<strong>ch</strong> ist. Gewisse Tarifvors<strong>ch</strong>riften sind im<br />

Rahmen des <strong>Energie</strong>nutzungsbes<strong>ch</strong>lusses von 1990<br />

vorgesehen. Die Elektrizitätstarife unterstehen zudem der<br />

Kontrolle des Preisüberwa<strong>ch</strong>ers. Die folgenden<br />

Überlegungen können deshalb nur einen<br />

Diskussionsbeitrag zur zukünftigen Tarifgestaltung liefern.<br />

Für eine konkurenzfähige Wärmeversorgung sollte die<br />

Kilowattstunde Wärme aus einer <strong>Wärmepumpen</strong>anlage<br />

ni<strong>ch</strong>t mehr kosten als eine Kilowattstunde konventionell<br />

erzeugter Wärme. Heute ergäbe dies, mit einer<br />

Jahresarbeitszahl von 3,0 und einem Gaspreis von 4<br />

Rp./kWh gere<strong>ch</strong>net, einen mittleren Elektrizitätspreis von<br />

12 Rp./kWh. Als «Gegenleistung» zum günstigen Tarif<br />

könnte mit einer unterbre<strong>ch</strong>baren Stromversorgung<br />

gearbeitet werden, da eine 1- bis 2stündige Sperre der<br />

Wärmepumpe keine nennenswerte Komforteinbusse<br />

ergibt. Kasten 41 zeigt das Wüns<strong>ch</strong>bare an einem Beispiel.

3. Auslegung<br />

3.1. Standards<strong>ch</strong>altungen<br />

Die speziellen Eigens<strong>ch</strong>aften der Wärmepumpe erlauben<br />

es ni<strong>ch</strong>t – wie es in der Heizungste<strong>ch</strong>nik leider oft übli<strong>ch</strong><br />

ist – bei Sanierungen und Erweiterungen die neuen Teile<br />

der Anlage für si<strong>ch</strong> allein zu betra<strong>ch</strong>ten und<br />

dementspre<strong>ch</strong>end mit geringstem Aufwand einzubauen.<br />

Die Einflüsse der Anlage auf die Randbedingungen der<br />

Wärmepumpe sind so vielfältig, dass zwar eine<br />

bes<strong>ch</strong>ränkte Funktionstü<strong>ch</strong>tigkeit mit vielen<br />

Kompromissen errei<strong>ch</strong>t werden kann, die optimale<br />

Funktionstü<strong>ch</strong>tigkeit der Gesamtanlage aber weit verfehlt<br />

wird. Deshalb ist es wi<strong>ch</strong>tig, alle Einzelteile der Anlage<br />

und deren Auswirkungen sorgfältig zu prüfen und immer<br />

die Gesamtanlage als Einheit zu betra<strong>ch</strong>ten. Dies ist mit<br />

erhebli<strong>ch</strong>em Arbeitsaufwand verbunden und man läuft<br />

trotzdem Gefahr, irgend eine «Kleinigkeit» zu über sehen.<br />

� Standards<strong>ch</strong>altungen zu verwenden ist der si<strong>ch</strong>erste<br />

Weg, um gute Anlagen zu bauen und dur<strong>ch</strong> zufriedene<br />

Besitzer Erfolg zu haben. Experimentieren lohnt si<strong>ch</strong> ni<strong>ch</strong>t!<br />

RAVEL hat deshalb einen Katalog bewährter<br />

Standards<strong>ch</strong>altungen zusammengestellt und veröffentli<strong>ch</strong>t:<br />

☞ Heft<br />

5 «Standards<strong>ch</strong>altungen»<br />

Dort sind au<strong>ch</strong> weitere wi<strong>ch</strong>tige Hinweise zu Themen zu<br />

finden, die hier ni<strong>ch</strong>t weiter behandelt werden,<br />

insbesondere:<br />

– Hydraulik mit Dimensionierungsri<strong>ch</strong>tlinien<br />

– Messinstrumente und vorbereitete Messstellen zur<br />

Qualitätssi<strong>ch</strong>erung<br />

– Freigabekriterien für bivalente Anlagen<br />

– Wassererwärmung<br />

3.2 Drei Formeln<br />

Bei der Auslegung einer Anlage interessieren immer<br />

wieder die glei<strong>ch</strong>en drei Fragen: «Wie gross muss der<br />

Dur<strong>ch</strong>fluss sein?», «Wie gross ist die Druckdifferenz bei<br />

diesem Dur<strong>ch</strong>fluss?» und s<strong>ch</strong>liessli<strong>ch</strong> «Wie gross ist der<br />

Leistungsbedarf, um diesen Dur<strong>ch</strong>fluss zu<br />

bewerkstelligen?». Die drei vereinfa<strong>ch</strong>ten Formeln in<br />

Kasten 42 beantworten diese Fragen mit genügender<br />

Genauigkeit.<br />

Dur<strong>ch</strong>fluss<br />

V · [m³/h] = 0,86 Q· [kW]<br />

Δϑ [K]<br />

Druckdifferenz<br />

Δp [kPa] = 100 · ( V· [m³/h]<br />

kV [m³/h] )2<br />

oder umgestellt:<br />

V · [m³/h] = 0,1 · kV [m³/h] · Δp [kPa]<br />

Pumpenleistung<br />

Phydraul. [kW] = Δp [kPa] · V· [m³/h]<br />

3600<br />

oder mit ηPumpe = Phydraul. / PPumpe:<br />

PPumpe [kW] = Δp [kPa] · V· [m³/h]<br />

3600 · ηPumpe [-]<br />

Formelzei<strong>ch</strong>en und Benennungen<br />

V ·<br />

= Dur<strong>ch</strong>fluss [m³/h]<br />

Q ·<br />

= Wärmeleistung [kW]<br />

Δϑ = Temperaturdifferenz [K]<br />

Δp = Druckdifferenz [kPa]<br />

= kV-Wert [m³/h]<br />

kV<br />

Phydraul. = hydraulis<strong>ch</strong>e Leistung der Pumpe [kW]<br />

PPumpe = Leistungsaufnahme der Pumpe [kW]<br />

ηPumpe = Pumpenwirkungsgrad [-]<br />

3. Auslegung<br />

Wi<strong>ch</strong>tiger Hinweis: Diese Formeln gelten für Wasser von<br />

5...95°C. Es handelt si<strong>ch</strong> um Zahlenwert glei<strong>ch</strong>ungen, deren<br />

Einheiten mathematis<strong>ch</strong> nur aufgehen, wenn au<strong>ch</strong> die<br />

Faktoren mit allen Einheiten eingesetzt werden, was in der<br />

Praxis aber kaum je gema<strong>ch</strong>t wird.<br />

Der Faktor «0,86» berücksi<strong>ch</strong>tigt die spezifis<strong>ch</strong>e<br />

Wärmekapazität und die Di<strong>ch</strong>te von Wasser:<br />

3600 [s/h] · 1000 [W/kW]<br />

0,86 [m³K/kWh] =<br />

4190 [Ws/kgK] · 1000 [kg/m³]<br />

Die beiden Faktoren «100» bzw. «0,1» berücksi<strong>ch</strong>tigen den<br />

Referenzdruck von 1 bar, bei dem die k V-Werte<br />

messte<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong> bestimmt werden:<br />

100 [kPa] = 1 [bar]<br />

0,1 [1/ kPa] = 1/100 [kPa]<br />

Und s<strong>ch</strong>liessli<strong>ch</strong> re<strong>ch</strong>net der Faktor «3600» no<strong>ch</strong> Stunden in<br />

Sekunden um:<br />

3600 [s/h] = 3600 [s] / 1 [h]<br />

Kasten 42<br />

29

3. Auslegung<br />

30<br />

Temperatur [°C]<br />

60<br />

50<br />

40<br />

3 0<br />

20<br />

10<br />

0<br />

Austritt<br />

ϑVerflüssigung, MAX<br />

(Ho<strong>ch</strong> druckp ressostat )<br />

ϑVerflüssigung<br />

ϑK,MAX<br />

W ärm enutzung<br />

W ärmequelle<br />

ϑVerdampfung<br />

ϑVerdampfung, MIN<br />

ϑV,MIN<br />

(Niederdruckpressostat)<br />

Bild 43: Temperaturniveaus einer Wärmepumpe<br />

Eintritt<br />

5K<br />

5K ΔϑV ΔϑK 5 K<br />

5 K<br />

3.3 Fehlervermeidung<br />

Die Planungsannahmen dienen ledigli<strong>ch</strong> der Festlegung<br />

der erforderli<strong>ch</strong>en Leistungsdaten in den gegebenem<br />

Auslegepunkten (z.B. Aussenlufttemperatur und<br />

dazugehörige Vorlauftemperatur im Auslegepunkt, im Bivalenzpunkt<br />

oder an der Heizgrenze). In der<br />

Betriebsrealität sieht die Sa<strong>ch</strong>e dann ganz anders aus als<br />

man es si<strong>ch</strong> in der Planung eigentli<strong>ch</strong> vorgestellt hat. Es<br />

ist deshalb wi<strong>ch</strong>tig, mögli<strong>ch</strong>st alle Einflüsse der Anlage auf<br />

die Auslegedaten hin zu überprüfen. Es sollte bereits im<br />

voraus der Einfluss veränderter Randbedingungen<br />

erkannt und allfällige Korrekturen in Betra<strong>ch</strong>t gezogen<br />

werden.<br />

Am einfa<strong>ch</strong>sten können diese Zusammenhänge anhand<br />

von Bild 43 erklärt werden. An den beiden Enden der<br />

Temperaturskala stehen die beiden Grenztemperaturen:<br />

– Maximal mögli<strong>ch</strong>e Verflüssigungstemperatur,<br />

gegeben dur<strong>ch</strong> die Einstellung des Ho<strong>ch</strong>druckpressostaten<br />

– Minimal mögli<strong>ch</strong>e Verdampfungstemperatur,<br />

gegeben dur<strong>ch</strong> die Einstellung des Niederdruckpressostaten<br />

Die Übers<strong>ch</strong>reitung dieser Temperaturen führt zu einer<br />

Ho<strong>ch</strong>druck- bzw. Niederdruckstörung, wel<strong>ch</strong>e si<strong>ch</strong> aus<br />

Si<strong>ch</strong>erheitsgründen ni<strong>ch</strong>t selbsttätig aufhebt, sondern von<br />

Hand zurückgestellt werden muss. Um dies zu vermeiden,<br />

wird die tatsä<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong>e Verflüssigungs- bzw.<br />

Verdampfungstemperatur der Anlage mit einem<br />

definierten Si<strong>ch</strong>erheitsabstand von etwa 5 K auf diese<br />

Grenztemperaturen ausgelegt. Damit ein Wärmetransport<br />

stattfindet, ist weiter eine Temperaturdifferenz von etwa 5<br />

K zwis<strong>ch</strong>en Verflüssigungstemperatur und Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

bzw. zwis<strong>ch</strong>en Verdampfungstemperatur<br />

und Verdampferaustrittstemperatur notwendig.<br />

Die ges<strong>ch</strong>ilderten Temperaturniveaus sind im tatsä<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong>en<br />

Betrieb ni<strong>ch</strong>t so s<strong>ch</strong>ön konstant wie in Bild 43,<br />

sondern sie bewegen si<strong>ch</strong> auf und ab und beeinflussen<br />

si<strong>ch</strong> gegenseitig. Die Kunst der Planung besteht nun<br />

darin, dafür zu sorgen, dass die beiden<br />

Grenztemperaturen in keinem Betriebsfall über- bzw.<br />

unters<strong>ch</strong>ritten werden. In den Tabellen 44 bis 47 sind die<br />

wi<strong>ch</strong>tigsten Fehler und deren Vermeidung für die am<br />

häufigsten eingesetzten Wärmequellen<br />

zusammengestellt.

ϑV,E<br />

ϑV,A<br />

3. Auslegung<br />

GRUNDWASSER Planungsannahmen Betriebsrealität<br />

Grundwassertemperatur = konstant = 10°C Grundwassertemperatur ist ortsabhängig<br />

(6...15°C)<br />

WP<br />

Verdampferaustrittstemperatur = konstant = 4°C Verdamperaustrittstemperatur ändert si<strong>ch</strong> je na<strong>ch</strong><br />

(Auflage Bewilligung)<br />

Grundwassereintrittstemperatur und Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

Verdampferleistung = konstant<br />

Heizleistung = konstant<br />

Konstante Grundwassermenge von konstant guter<br />

Qualität<br />

Auswirkungen Ursa<strong>ch</strong>en Beispiele<br />

Niederdruckstörung, Einfrieren des Grundwassers<br />

im Verdampfer bzw. im Zwis<strong>ch</strong>enwärmetaus<strong>ch</strong>er<br />

Ho<strong>ch</strong>druckstörung<br />

Geforderte Raumtemperatur wird ni<strong>ch</strong>t errei<strong>ch</strong>t<br />

Notwendige Verdampferleistung kann ni<strong>ch</strong>t zugeführt<br />

werden:<br />

– Zu kleiner Verdampferdur<strong>ch</strong>fluss infolge<br />

Auslegungsfehler oder Vers<strong>ch</strong>mutzung<br />

– Höhere Verdampferleistung als erwartet infolge<br />

tieferer Vorlauftemperatur (Beispiel<br />

1)<br />

– Tiefere Wärmequellentemperatur als erwartet<br />

(Beispiele 1 und 3)<br />

Verflüssigerleistung kann ni<strong>ch</strong>t abgeführt werden:<br />

– Zu kleiner Verflüssigerdur<strong>ch</strong>fluss infolge<br />

Auslegungsfehler oder Vers<strong>ch</strong>mutzung<br />

– Höhere Verflüssigerleistung als erwartet infolge<br />

höherer Wärmequellentemperatur (Beispiel 2)<br />

Wegen zu tiefer Wärmequellentemperatur kann<br />

die erforderli<strong>ch</strong>e Heizleistung bzw. Vorlauftemperatur<br />

ni<strong>ch</strong>t errei<strong>ch</strong>t werden (Beispiel 3)<br />

Empfehlungen Faustregeln<br />

– Verdampferseitig speziell bea<strong>ch</strong>ten: maximal mögli<strong>ch</strong>e Wärmequellenleistung,<br />

minimal auftretende Wärmequellentemperatur, minimal<br />

zugelassene Verdampferaustrittstemperatur<br />

– Verflüssigerseitig speziell bea<strong>ch</strong>ten: quellen- und verbrau<strong>ch</strong>erseitige<br />

Leistungss<strong>ch</strong>wankungen, Si<strong>ch</strong>erheitsabstand zur maximal zugelassenen<br />

Verflüssigungstemperatur mindestens 5 K<br />

– Bei Neuanlagen Wärmeabgabesystem aufgrund der Forderungen der<br />

Wärmepumpe auslegen – und ni<strong>ch</strong>t umgekehrt!<br />

– Verdampferaustrittsregelung empfehlenswert bei Temperaturs<strong>ch</strong>wankungen<br />

der Wärmequelle > 8 K<br />

– Bei fehlender Langzeiterfahrung eine Indirektnutzung vorsehen (eine<br />

Wasseranalyse ist immer eine «Momentaufnahme»)<br />

– Entnahmebrunnen dur<strong>ch</strong> qualifizierte Fa<strong>ch</strong>firma bauen lassen<br />

Tabelle 44: Hinweise zur Fehlervermeidung bei Grundwasser als Wärmequelle<br />

Verdampferleistung = variabel<br />

Heizleistung = variabel<br />

Ni<strong>ch</strong>t optimal ausgeführte Entnahmebrunnen,<br />

Wasserspiegelsenkungen und Umwelteinflüsse<br />

können diese Annahmen gefährden<br />

Auslegungsdaten (W10/W50):<br />

– Verdampferleistung = 225 kW<br />

– Verflüssigerleistung = 300 kW<br />

– Vorlauf-/Rücklauftemperatur = 50/40°C<br />

– Eintritts-/Austrittstemperatur Verdampfer =<br />

10/4°C<br />

– Verflüssigungstemperatur = 55°C<br />

Beispiel 1: Bei Vorlauftemperatur 35°C steigt die<br />

Verdampferleistung auf 269 kW. Damit sinkt die<br />

Verdampferaustrittstemperatur auf 10 - (6 ·<br />

269/225) = 2,8°C anstatt der geforderten 4°C.<br />

Wenn nun no<strong>ch</strong> zusätzli<strong>ch</strong> die<br />

Grundwassertemperatur unter 10°C sinkt, sieht<br />

das Resultat no<strong>ch</strong> s<strong>ch</strong>limmer aus.<br />

Beispiel 2: Bei Wärmequellentemperatur 15°C<br />

steigt die Verflüssigerleistung auf 353 kW. Damit<br />

kann die Vorlauftemperatur auf 40 + (10 ·<br />

353/300) = 52°C ansteigen, d.h.<br />

Si<strong>ch</strong>erheitsabstand nur no<strong>ch</strong> 3 K!<br />

Beispiel 3: Bei Verdampfereintrittstemperatur<br />

6°C wird nur eine Verdampferleistung von 184 kW<br />

bzw. eine Verflüssigerleistung von 252 kW<br />

errei<strong>ch</strong>t, entspre<strong>ch</strong>end einer Vorlauftemperatur<br />

von 40 + (10 · 252/300) = 48°C anstatt 50°C.<br />

Zudem beträgt dann die<br />

Verdampferaustrittstemperatur gerade no<strong>ch</strong> 6 - (6<br />

· 184/225) = 1,1°C.<br />

– Fördermenge der Grundwasserfassung auf weniger als 50% der maximal<br />

mögli<strong>ch</strong>en Filterbrunnenleistung auslegen<br />

– Verdampferdur<strong>ch</strong>fluss na<strong>ch</strong> W10/W35 auslegen<br />

– Wärmetaus<strong>ch</strong>erauslegung bei Indirektnutzung ebenfalls na<strong>ch</strong> W10/W35<br />

– Grundwasserabkühlung < 8 K, Erfahrungswert 4...5 K<br />

31

3. Auslegung<br />

OBERFLÄCHENWASSER Planungsannahmen Betriebsrealität<br />

WP<br />

Oberflä<strong>ch</strong>enwassertemperatur = in etwa konstant Grosse Temperaturs<strong>ch</strong>wankung des Oberflä<strong>ch</strong>enwassers<br />

(wesentli<strong>ch</strong> grösser als bei<br />

Grundwasser)<br />

32<br />

ϑV,A<br />

Direktnutzung<br />

ϑV,E<br />

Indirektnutzung<br />

WP<br />

Verdampferaustrittstemperatur = konstant<br />

≥ 2°C<br />

Verdampferleistung = konstant<br />

Heizleistung = konstant<br />

Konstante Oberflä<strong>ch</strong>enwassermenge von<br />

konstant guter Qualität<br />

Auswirkungen Ursa<strong>ch</strong>en Beispiele<br />

Niederdruckstörung, Einfrieren des Oberflä<strong>ch</strong>enwassers<br />

im Verdampfer bzw. im Zwis<strong>ch</strong>enwärmetaus<strong>ch</strong>er<br />

Ho<strong>ch</strong>druckstörung<br />

Geforderte Raumtemperatur wird ni<strong>ch</strong>t errei<strong>ch</strong>t<br />

Notwendige Verdampferleistung kann ni<strong>ch</strong>t zugeführt<br />

werden:<br />

– Zu kleiner Verdampferdur<strong>ch</strong>fluss infolge<br />

Auslegungsfehler oder Vers<strong>ch</strong>mutzung<br />

– Höhere Verdampferleistung als erwartet infolge<br />

tieferer Vorlauftemperatur<br />

– Tiefere Wärmequellentemperatur als erwartet<br />

(Beispiel 1)<br />

Verflüssigerleistung kann ni<strong>ch</strong>t abgeführt werden:<br />

– Zu kleiner Verflüssigerdur<strong>ch</strong>fluss infolge<br />

Auslegungsfehler oder Vers<strong>ch</strong>mutzung<br />

– Höhere Verflüssigerleistung als erwartet infolge<br />

höherer Wärmequellentemperatur (Beispiel 2)<br />

Wegen zu tiefer Wärmequellentemperatur kann<br />

die erforderli<strong>ch</strong>e Heizleistung bzw. Vorlauftemperatur<br />

ni<strong>ch</strong>t errei<strong>ch</strong>t werden (Beispiel 1)<br />

Empfehlungen Faustregeln<br />

– Ohne langfristig gesi<strong>ch</strong>erte Daten und grosse praktis<strong>ch</strong>e Erfahrung ist<br />

eine Realisierung problematis<strong>ch</strong><br />

– Monovalenter Betrieb mit Direktnutzung ist in der Regel ni<strong>ch</strong>t mögli<strong>ch</strong><br />

– Indirektnutzung mit Filterbrunnen ist die si<strong>ch</strong>erste Lösung<br />

– Verdampferseitig speziell bea<strong>ch</strong>ten: maximal mögli<strong>ch</strong>e Wärmequellenleistung,<br />

minimal auftretende Wärmequellentemperatur, minimal<br />

zugelassene Verdampferaustrittstemperatur<br />

– Verflüssigerseitig speziell bea<strong>ch</strong>ten: quellen- und verbrau<strong>ch</strong>erseitige<br />

Leistungss<strong>ch</strong>wankungen, Si<strong>ch</strong>erheitsabstand zur maximal zugelassenen<br />

Verflüssigungstemperatur mindestens 5 K<br />

– Bei Neuanlagen Wärmeabgabesystem aufgrund der Forderungen der<br />

Wärmepumpe auslegen – und ni<strong>ch</strong>t umgekehrt!<br />

– Verdampferaustrittsregelung empfehlenswert bei Temperaturs<strong>ch</strong>wankungen<br />

der Wärmequelle > 8K (bei Flusswasser immer der Fall)<br />

– Verflüssigeraustrittstemperaturregelung empfehlenswert<br />

– Filterbrunnen dur<strong>ch</strong> qualifizierte Fa<strong>ch</strong>firma bauen lassen<br />

– Gewährleistung der Betriebssi<strong>ch</strong>erheit erfordert einen relativ grossen<br />

Aufwand<br />

Tabelle 45: Hinweise zur Fehlervermeidung bei Oberflä <strong>ch</strong>enwasser als Wärmequelle<br />

Minimal zulässige Verdamperaustrittstemperatur<br />

von 2°C wird bei zu tiefer Oberflä<strong>ch</strong>enwassertemperatur<br />

unters<strong>ch</strong>ritten (au<strong>ch</strong> bei zu<br />

tiefer Verflüssigeraustrittstemperatur)<br />

Verdampferleistung = variabel (stärker variabel<br />

als Grundwasser)<br />

Heizleistung = variabel (stärker variabel als<br />

Grundwasser)<br />

Mengens<strong>ch</strong>wankungen, Erosion, Korrosion,<br />

Algenbildung, Wandermus<strong>ch</strong>eln, Geröll usw.<br />

gefährden diese Annahmen<br />

Auslegungsdaten (W10/W50):<br />

– Verdampferleistung = 225 kW<br />

– Verflüssigerleistung = 300 kW<br />

– Vorlauf-/Rücklauftemperatur = 50/40°C<br />

– Eintritts-/Austrittstemperatur Verdampfer =<br />

10/4°C<br />

– Verflüssigungstemperatur = 55°C<br />

Beispiel 1: Bei Verdampfereintrittstemperatur<br />

4°C wird nur eine Verdampferleistung von 173 kW<br />

bzw. eine Verflüssigerleistung von 240 kW<br />

errei<strong>ch</strong>t, entspre<strong>ch</strong>end einer Vorlauftemperatur<br />

von 40 + (10 · 240/300) = 48°C anstatt 50°C.<br />

Zudem beträgt dann die<br />

Verdampferaustrittstemperatur gerade no<strong>ch</strong> 4 - (6<br />

· 173/225) = -0,6°C., d.h. akute Frostgefahr!<br />

Beispiel 2: Bei Wärmequellentemperatur 15°C<br />

steigt die Verflüssigerleistung auf 353 kW. Damit<br />

kann die Vorlauftemperatur auf 40 + (10 ·<br />

353/300) = 52°C ansteigen, d.h.<br />

Si<strong>ch</strong>erheitsabstand nur no<strong>ch</strong> 3 K!<br />

– Verdampferdur<strong>ch</strong>fluss im Zwis<strong>ch</strong>enkreis na<strong>ch</strong> W10/W35 auslegen<br />

– Wärmetaus<strong>ch</strong>erauslegung bei Indirektnutzung ebenfalls na<strong>ch</strong> W10/W35

ERDREICH (Erdwärmesonden, Erdregister) Planungsannahmen Betriebsrealität<br />

Unbegrenzte, konstante Wärmequellenleistung In Wirkli<strong>ch</strong>keit ist<br />

WP<br />

– die Wärmeflussdi<strong>ch</strong>te gering<br />

– die Entzugsdauer bes<strong>ch</strong>ränkt<br />

– das Jahresangebot konstant gegeben<br />

ϑV,E<br />

ϑV,A<br />

WP<br />

Erdregister mit solarer Na<strong>ch</strong>ladung:<br />

Sonnenkollektor vor Erdregister ni<strong>ch</strong>t empfehlenswert,<br />

weil dann das Erdregister um die<br />

Rohre zu stark austrocknet und so die<br />

Entzugsleistung vers<strong>ch</strong>le<strong>ch</strong>tert<br />

Geforderte Raumtemperatur wird ni<strong>ch</strong>t errei<strong>ch</strong>t<br />

Angebli<strong>ch</strong> besonders leistungsfähige Sonden<br />

werden bevorzugt<br />

Auslegung auf mögli<strong>ch</strong>st lange Laufzeiten<br />

Mögli<strong>ch</strong>st knappe Auslegung allein aufgrund von<br />

Leistungsdaten<br />

3. Auslegung<br />

Messungen ergaben keine wesentli<strong>ch</strong>en Unters<strong>ch</strong>iede<br />

Zu lange Laufzeiten führen zu Überbelastung des<br />

Erdrei<strong>ch</strong>s infolge zu kurzer Erhohlungszeiten<br />

Ni<strong>ch</strong>t die Leistungsdaten, sondern die Nutzungszeiten<br />

sind letztendli<strong>ch</strong> ents<strong>ch</strong>eidend<br />

Auswirkungen Ursa<strong>ch</strong>en Beispiel<br />

Niederdruckstörung<br />

Notwendige Verdampferleistung kann ni<strong>ch</strong>t zuge- Auslegungsdaten:<br />

führt werden:<br />

– Verdampferleistung = 6 kW<br />

– Erdrei<strong>ch</strong> «ers<strong>ch</strong>öpft» (siehe Beispiel)<br />

– Verflüssigerleistung = 10 kW<br />

– Zu kleiner Verdampferdur<strong>ch</strong>fluss infolge – Zulässige Entzugsleistung der Erdwärme-<br />

Auslegungsfehler oder fals<strong>ch</strong>er Frosts<strong>ch</strong>utzsonden = 6 kW während maximal 16 Betriebsmittel-Konzentrationstunden<br />

bei 8 h Erholungszeit<br />

Ein Tageswärmebedarf von mehr als 160 kWh<br />

Ho<strong>ch</strong>druckstörung<br />

Verflüssigerleistung kann ni<strong>ch</strong>t abgeführt werden:<br />

– Zu kleiner Verflüssigerdur<strong>ch</strong>fluss infolge<br />

Auslegungsfehler oder Vers<strong>ch</strong>mutzung<br />

führt zu mehr als 16 Betriebsstunden pro Tag.<br />

Dadur<strong>ch</strong> wird das Erdrei<strong>ch</strong> zu stark belastet und<br />

Permafrostbildung kann die Folge sein.<br />

Infolge «ers<strong>ch</strong>öpftem» Erdrei<strong>ch</strong> kann die erforderli<strong>ch</strong>e<br />

Heizleistung bzw. Vorlauftemperatur<br />

ni<strong>ch</strong>t errei<strong>ch</strong>t werden<br />

Empfehlungen Faustregeln<br />

– <strong>Wärmepumpen</strong>leistung ni<strong>ch</strong>t zu knapp auslegen (genügend lange<br />

Erholungszeiten)<br />

– Entzugsleistung niedrig halten<br />

– Bei Erdwärmesonden Länge, Anzahl und Dur<strong>ch</strong>messer auf mögli<strong>ch</strong>st<br />

geringen Druckverlust optimieren<br />

– Bei Erdregister Stranglänge und Anzahl der Stränge auf mögli<strong>ch</strong>st<br />

geringen Druckverlust optimieren<br />

– Bei Neuanlagen Wärmeabgabesystem aufgrund der Forderungen der<br />

Wärmepumpe auslegen – und ni<strong>ch</strong>t umgekehrt!<br />

– Erdwärmesonden dur<strong>ch</strong> qualifizierte Fa<strong>ch</strong>firma bauen lassen<br />

– Jährli<strong>ch</strong>e Entzugsdauer maximal 2000 h<br />

– Entzugsleistung aufgrund S0W35 bestimmen<br />

Für Erdwärmesonden gilt (s<strong>ch</strong>weizeris<strong>ch</strong>es Mittelland):<br />

– Entzugsleistung pro Laufmeter Sonde 50 W/m<br />

– Sondenlänge pro Kilowatt Heizleistung 15 m/kW<br />

Für Erdregister gilt (s<strong>ch</strong>weizeris<strong>ch</strong>es Mittelland):<br />

– Maximale Jahresentzugsmenge pro Quadratmeter Erdregisterflä<strong>ch</strong>e 70<br />

kWh/m²a<br />

– Entzugsleistung pro Quadratmeter Erdregisterflä<strong>ch</strong>e ohne solare<br />

Na<strong>ch</strong>ladung 15...20 W/m², mit solarer Na<strong>ch</strong>ladung 30...40 W/m²<br />

– Erdregisterflä<strong>ch</strong>e pro Kilowatt Heizleistung ohne solare Na<strong>ch</strong>ladung<br />

42...55 m², mit solarer Na<strong>ch</strong>ladung 20...27 m²<br />

Tabelle 46: Hinweise zur Fehlervermeidung beim Erdrei<strong>ch</strong> als Wärmequelle (Erdwärmesonden, Erdregister)<br />

33

3. Auslegung<br />

AUSSENLUFT Planungsannahmen Betriebsrealität<br />

Heizleistung = konstant<br />

– Heizleistung an der Heizgrenze etwa 2,5mal<br />

grösser als im Auslegepunkt<br />

– Heizleistungsabnahme dur<strong>ch</strong> Vereisung des<br />

Verdampfers<br />

WP<br />

– Beeinflussung dur<strong>ch</strong> örtli<strong>ch</strong> erhöhte Luftfeu<strong>ch</strong>tigkeit<br />

– Beeinträ<strong>ch</strong>tigung dur<strong>ch</strong> Abtaubetrieb<br />

34<br />

WP<br />

Heissgastemperaturstörung<br />

Geforderte Raumtemperatur wird ni<strong>ch</strong>t errei<strong>ch</strong>t<br />

Re<strong>ch</strong>neris<strong>ch</strong>e minimale Aussentemperatur im<br />

Auslegepunkt ist die tiefste je vorkommende<br />

Aussentemperatur<br />

Wärmequellenanlage wird mit der Wärmepumpe<br />

geliefert und stellt deshalb keine Ansprü<strong>ch</strong>e an<br />

die Planung<br />

Unterbre<strong>ch</strong>ung bei Abtaubetrieb kann verna<strong>ch</strong>lässigt<br />

werden<br />

Fals<strong>ch</strong>e Auslegung oder fehlender Auss<strong>ch</strong>altbefehl<br />

führt zu Störung infolge unzulässig tiefer<br />

Aussentemperatur<br />

Wegen zu tiefer Aussenlufttemperatur kann die<br />

erforderli<strong>ch</strong>e Heizleistung bzw. Vorlauftemperatur<br />

ni<strong>ch</strong>t errei<strong>ch</strong>t werden.<br />

Kurzfristig können wesentli<strong>ch</strong> tiefere Aussentemperaturen<br />

vorkommen und während dieser<br />

Zeit kann die Wärmepumpe die geforderte Heizleistung<br />

ni<strong>ch</strong>t erbringen<br />

– Sekundärmassnahmen (Kanäle, S<strong>ch</strong>alldämpfer)<br />

reduzieren die Nennluftmenge<br />

– Kondensatbildung, Abtauwasserrückstau,<br />

Vereisung, Aufstellungsräume mit<br />

«Was<strong>ch</strong>kü<strong>ch</strong>enklima» usw. führen zu unerwarteten<br />

Problemen<br />

Längere Abtauzeiten als erwartet (z.B. infolge zu<br />

kleiner Druckdifferenz bei Heissgasabtauung)<br />

Auswirkungen Ursa<strong>ch</strong>en Beispiel<br />

Niederdruckstörung<br />

Notwendige Verdampferleistung kann ni<strong>ch</strong>t zuge- Auslegungsdaten:<br />

führt werden:<br />

– Verdampferleistung = 75 kW bei<br />

– Aussenlufttemperatur zu tief (fals<strong>ch</strong>e Aus- L-10/W50<br />

legung oder fehlender Auss<strong>ch</strong>altbefehl bei – Verdampferleistung = 161 kW bei W15/W35<br />

bivalentem Betrieb)<br />

– Vorlauf-/Rücklauftemperatur = 50/40°C<br />

– Zu kleiner Verdampferdur<strong>ch</strong>satz infolge – Verflüssigungstemperatur = 55°C<br />

Auslegungsfehler, Vereisung, Vers<strong>ch</strong>mutzung Bei 15°C Aussentemperatur ergibt si<strong>ch</strong> eine<br />

oder zu hohem Druckabfall im Kanal<br />

Temperaturdifferenz über dem Verflüssiger von:<br />

10 K ·161 kW / 75 kW = 22 K<br />

Ho<strong>ch</strong>druckstörung<br />

Verflüssigerleistung kann ni<strong>ch</strong>t abgeführt werden:<br />

– Viel höhere Verflüssigerleistung als erwartet<br />

(bis zu 2,5fa<strong>ch</strong>, siehe Beispiel)<br />

– Zu kleiner Verflüssigerdur<strong>ch</strong>fluss infolge<br />

Auslegungsfehler oder Vers<strong>ch</strong>mutzung<br />

Wenn der Auss<strong>ch</strong>altpunkt fest auf die tiefste<br />

Rücklauftemperatur von 40°C eingestellt ist, führt<br />

dies im Extremfall zu einer Vorlauftemperatur von<br />

62°C, was zwangsläufig eine Ho<strong>ch</strong>druckstörung<br />

zur Folge hat.<br />

Empfehlungen Faustregeln<br />

– In der Regel nur für bivalenten Betrieb geeignet<br />

– Monovalenter Betrieb kann in Kleinstanlagen mit weniger als 10 kW<br />

Heizleistung und sehr niedriger Vorlauf-/Rücklauftemperatur geprüft<br />

werden (dasselbe gilt für den monoenergetis<strong>ch</strong>en Betrieb, siehe<br />

Abs<strong>ch</strong>nitt 2.3)<br />

– Art der Abtauung und deren Auswirkungen sorgfältig prüfen<br />

– Frühzeitig S<strong>ch</strong>alls<strong>ch</strong>utzmassnahmen berücksi<strong>ch</strong>tigen<br />

– Bei der Auslegung unbedingt berücksi<strong>ch</strong>tigen, dass die Verflüssigerleistung<br />

ausserordentli<strong>ch</strong> grossen S<strong>ch</strong>wankungen unterworfen ist (bis<br />

zu 2,5fa<strong>ch</strong>!)<br />

– Auslegung auf kleine Temperaturdifferenz über dem Verflüssiger und<br />

niedrige Vorlauf-/Rücklauftemperatur sowie witterungsgeführte<br />

Auss<strong>ch</strong>alttemperatur vorsehen<br />

Tabelle 47: Hinweise zur Fehlervermeidung bei Aussenluft als Wärmequelle<br />

Abhilfe: Auslegung auf kleinere Temperaturdifferenz<br />

über dem Verflüssiger und niedrigere<br />

Vorlauf-/Rücklauftemperatur oder witterungsgeführte<br />

Auss<strong>ch</strong>alttemperatur<br />

Wegen der stark variablen Heizleistung ist die Aufstellung von Faustregeln<br />

gefährli<strong>ch</strong>. Tendenziell am wenigsten Probleme ergeben si<strong>ch</strong>, bei:<br />

– mögli<strong>ch</strong>st kleiner Temperaturdifferenz über dem Verflüssiger, d.h.<br />

mögli<strong>ch</strong>st grossem Dur<strong>ch</strong>fluss (bedeutet aber hohen Pumpenstromverbrau<strong>ch</strong>!)<br />

– Auslegung der Wärmeabgabe auf mögli<strong>ch</strong>st tiefe Vorlauf-/Rücklauftemperatur<br />

(bei Sanierungen ni<strong>ch</strong>t mehr beeinflussbar!)

3.4 Spei<strong>ch</strong>er<br />

Hydraulis<strong>ch</strong>e Entkopplung<br />

Auf der <strong>Wärmepumpen</strong>seite und der Verbrau<strong>ch</strong>erseite<br />

sind Kreisläufe mit unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong>en Dur<strong>ch</strong>flüssen. Diese<br />

müssen voneinander entkoppelt werden. Im einfa<strong>ch</strong>sten<br />

Fall ges<strong>ch</strong>ieht dies dur<strong>ch</strong> einen Bypass. Um au<strong>ch</strong> no<strong>ch</strong><br />

glei<strong>ch</strong>zeitig den Leistungsübers<strong>ch</strong>uss aufnehmen zu können,<br />

wird bei der Wärmepumpe im Normalfall ein sehr<br />

«dicker» Bypass in Form eines Spei<strong>ch</strong>ers gebaut<br />

(Ausnahme: siehe Kasten 48).<br />

Te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>er Spei<strong>ch</strong>er, Wärmespei<strong>ch</strong>er<br />

Der Verflüssiger hat nur einen sehr kleinen Wasserinhalt.<br />

Seine Verhaltensweise glei<strong>ch</strong>t einem Dur<strong>ch</strong>lauferhitzer.<br />

Dies würde, infolge Überleistung während der meisten<br />

Zeit der Heizperiode, zu einer viel zu hohen<br />

S<strong>ch</strong>althäufigkeit führen. Deshalb ist eine minimale<br />

Spei<strong>ch</strong>ergrösse erforderli<strong>ch</strong>. In bestimmten Fällen ist au<strong>ch</strong><br />

no<strong>ch</strong> eine grössere Spei<strong>ch</strong>erfähigkeit zur Überbrückung<br />

betriebli<strong>ch</strong> bedingter Unterbü<strong>ch</strong>e wüns<strong>ch</strong>enswert. Es ist<br />

zweckmässig, wie folgt zu unters<strong>ch</strong>ei den:<br />

– Te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>er Spei<strong>ch</strong>er – gewissermassen als<br />

«notwendiges Übel» – zur Gewährleistung einer<br />

maximal zulässigen S<strong>ch</strong>althäufigkeit<br />

– Wärmespei<strong>ch</strong>er zur Spei<strong>ch</strong>erung grösserer<br />

Wärmemengen über einen längeren Zeitraum<br />

Funktionen, Definitionen und Bere<strong>ch</strong>nungshinweise<br />

enthält Tabelle 51.<br />

Stufenladung, S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung<br />

Ferner muss na<strong>ch</strong> der Art der Spei<strong>ch</strong>erladung unters<strong>ch</strong>ieden<br />

werden:<br />

– Bei der Stufenladung ges<strong>ch</strong>ieht die Ladung stufenweise<br />

in mehreren Dur<strong>ch</strong>gängen mit steigender<br />

Verflüssigeraustrittstemperatur. Sie wird bevorzugt bei<br />

kleineren Anlagen mit einer Heizgruppe angewandt<br />

(siehe au<strong>ch</strong> Kasten 49).<br />

– Bei der S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung erfolgt die Ladung s<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tweise<br />

in einem einzigen Dur<strong>ch</strong>gang mit konstanter<br />

Verflüssigeraustrittstemperatur.<br />

Die wi<strong>ch</strong>tigsten Unters<strong>ch</strong>eidungsmerkmale und Auslegungsempfehlungen<br />

sind in Tabelle 52 zusammengestellt.<br />

Anlagen ohne Spei<strong>ch</strong>er<br />

3. Auslegung<br />

Dem te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>en Spei<strong>ch</strong>er werden bei Klein- und Kleinstanlagen<br />

oft die Investitionskosten, der Platz bedarf und die<br />

Wärmeverluste vorgeworfen. Ein te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>er Spei<strong>ch</strong>er hat<br />

aber so viele Vorteile, dass ein Verzi<strong>ch</strong>t nur in seltensten<br />

Fällen gere<strong>ch</strong>tfertigt ist.<br />

� Auf einen te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>en Spei<strong>ch</strong>er sollte nur verzi<strong>ch</strong>tet<br />

werden, wenn die folgenden Voraussetzungen vollständig<br />

erfüllt sind:<br />

– Annähernd konstante Wärmequellenleistung (maxi -<br />

mal 5 K Temperaturs<strong>ch</strong>wankung)<br />

– Heizwasservolumen der Anlage grösser als 15 l/kW<br />

– Gute Spei<strong>ch</strong>erfähigkeit des Wärmeabgabe systems<br />

(z.B. träge Fussbodenheizung)<br />

– Keine oder nur wenige Thermostatventile (im Einfamilienhaus<br />

mögli<strong>ch</strong>, steht aber bei mehr als vier Parteien<br />

im Widerspru<strong>ch</strong> zur verbrau<strong>ch</strong>sabhängigen<br />

Heizkostenabre<strong>ch</strong>nung, die eine individuelle Raumtemperaturregelung<br />

vors<strong>ch</strong>reibt)<br />

– Steuerung, Regelung und Hydraulik müssen von der<br />

Quelle bis zur Abgabe als Gesamtsystem ausgelegt,<br />

einreguliert und optimiert werden<br />

– Ein hydraulis<strong>ch</strong>er Abglei<strong>ch</strong> ist unabdi ngbar notwendig<br />

Kasten 48<br />

Wann ist Stufenladung sinnvoll?<br />

Stufenladung ist billig und ergibt eher eine etwas bessere<br />

Jahresarbeitszahl als S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung. Dem ste hen aber<br />

vers<strong>ch</strong>iedene s<strong>ch</strong>wer kalkulierbare Faktoren gegenüber<br />

(siehe Tabellen 52 bis 55):<br />

– Zusätzli<strong>ch</strong>er Pumpenstromverbrau<strong>ch</strong> (siehe letztes<br />

Beispiel in Abs<strong>ch</strong>nitt 2.6)<br />

– Vorlauftemperaturs<strong>ch</strong>wankungen<br />

– Rückwirkung auf Verdampfer beim Anfahren<br />

– Unterdeckung beim ersten Dur<strong>ch</strong>gang<br />

Insbesondere der letzgenannte Punkt könnte nur verhindert<br />

werden, wenn die Temperaturdifferenz über dem<br />

Verflüssiger entspre<strong>ch</strong>end der Auslege temperaturdifferenz<br />

gewählt würde. Damit würde aber die Stufenladung so gut<br />

wie sinnlos, weil si<strong>ch</strong> im besten Fall nur an der Heizgrenze<br />

wenigstens zwei Dur<strong>ch</strong>gänge ergäben.<br />

� Eine Stufenladung ist nur unter den folgenden<br />

Voraussetzungen zu empfehlen:<br />

– Kleinanlage (vor allem wegen des Preisvorteils!)<br />

– Eine einzige Heizgruppe<br />

– Nur für te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>e Spei<strong>ch</strong>er<br />

Kasten 49<br />

35

3. Auslegung<br />

36<br />

Formelzei<strong>ch</strong>en<br />

QSP<br />

Q<br />

= Spei<strong>ch</strong>erkapazität [kWh]<br />

· K = Heizleistung Verflüssiger [kW]<br />

VSP<br />

V<br />

= Spei<strong>ch</strong>erinhalt [m³]<br />

· K<br />

ϑEIN<br />

= Verflüssigerdur<strong>ch</strong>fluss [m³/h]<br />

= Eins<strong>ch</strong>alttemperatur [°C]<br />

ϑAUS = Auss<strong>ch</strong>alttemperatur [°C]<br />

ϑVL/RL = Vorlauf-/Rücklauftemperatur [°C]<br />

ϑK,MAX = max. Verflüssigeraustrittstemperatur [°C]<br />

ϑLadung = Ladetemperatur [°C]<br />

ΔϑK = Temperaturdifferenz über Verflüssiger [K]<br />

ΔϑBivalenz = Temperaturdiff. VL-RL Bivalenzpunkt [K]<br />

ΔϑAuslegung = Temperaturdiff. VL-RL Auslegepunkt [K]<br />

Kasten 50<br />

Funktionen<br />

Temperaturdifferenz über dem Verflüssiger, Ein- und<br />

Auss<strong>ch</strong>altpunkt<br />

Na<strong>ch</strong>dem festgelegt wurde, wel<strong>ch</strong>er Spei<strong>ch</strong>ertyp<br />

(te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>er Spei<strong>ch</strong>er oder Wärmespei<strong>ch</strong>er?) und wel<strong>ch</strong>e<br />

Ladungsart (Stufenladung oder S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung?)<br />

eingesetzt werden soll, müssen vor allem drei Grössen<br />

festgelegt werden:<br />

– Die Temperaturdifferenz über dem Verflüssiger<br />

bestimmt Fördermenge, Förderhöhe und<br />

Stromverbrau<strong>ch</strong> der Verflüssigerpumpe<br />

– Der Eins<strong>ch</strong>altpunkt des oberen Spei<strong>ch</strong>erfühlers<br />

bestimmt, wann der Spei<strong>ch</strong>er «leer» ist und die<br />

Wärmepumpe einges<strong>ch</strong>altet werden muss<br />

– Der Auss<strong>ch</strong>altpunkt des unteren Spei<strong>ch</strong>erfühlers (oder<br />

Fühler im Rücklauf zur Wärmepumpe) legt fest, wann<br />

der Spei<strong>ch</strong>er «voll» ist und die Wärmepumpe<br />

ausges<strong>ch</strong>altet werden muss<br />

Auslegungsempfehlungen und Beispiele sind in den<br />

Tabellen und Bildern 52 bis 55 zusammengestellt. Als<br />

Auslegetemperaturdifferenz der Wärmenutzungsanlage<br />

wurde generell 15 K gewählt (Fussbodenheizungen werden<br />

oft auf 10 K ausgelegt).<br />

Te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>er Spei<strong>ch</strong>er Wärmespei<strong>ch</strong>er<br />

Funktionen<br />

– Hydraulis<strong>ch</strong>e Entkopplung<br />

– Reduzierte S<strong>ch</strong>althäufigkeit (Anforderung Elektri zitätswerk,<br />

längere Lebensdauer des Verdi<strong>ch</strong>ters)<br />

– Wärmequelle für die Abtauung (nur bei Luft-Wasser-Wärmepumpe)<br />

Definition<br />

Maximale S<strong>ch</strong>althäufigkeit n = 2...3<br />

Spei<strong>ch</strong>erinhalt VSP,MIN für eine bestimmte maximale<br />

S<strong>ch</strong>althäufigkeit n<br />

VSP,MIN [m³] = 0,22 Q· K [kW]<br />

n [-] · Δϑ [K]<br />

ΔϑStufenladung = (<br />

ϑK,MAX - ϑAUS<br />

ΔϑS<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung = ϑLadung - ϑRL [K]<br />

2<br />

+ ϑRL) [K]<br />

Q · K und Δϑ sind auf 50% Last zu beziehen (grösste S<strong>ch</strong>althäufigkeit).<br />

Wenn diese auf den Auslegepunkt (monova lente<br />

Anlagen) bzw. auf den Bivalenzpunkt (bivalente Anlagen)<br />

bezogen werden, ist man meist auf der si<strong>ch</strong>eren Seite.<br />

Als zusätzli<strong>ch</strong>e Funktionen gegenüber dem te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>en Spei <strong>ch</strong>er<br />

erfolgt eine Wärmespei<strong>ch</strong>erung über einen länge ren Zeitraum:<br />

– Grösserer Anteil Niedertarifstrom<br />

– Überbrückung längerer Sperrzeiten (dazu muss allerdings der<br />

Zeitpunkt bekannt sein)<br />

– Überbrückung von Angebotslücken der Wärmequelle (speziell<br />

bei Abwärmenutzung)<br />

Definition<br />

Maximale S<strong>ch</strong>althäufigkeit n < 2<br />

Spei<strong>ch</strong>erinhalt VSP für eine bestimmte Spei<strong>ch</strong>erkapazität Q<br />

Q [kWh]<br />

VSP [m³] = 0,86<br />

Δϑ [K]<br />

Für Δϑ ist die für das Spei<strong>ch</strong>ervermögen massgebende<br />

Temperaturdifferenz im betra<strong>ch</strong>teten Betriebspunkt einzusetzen,<br />

in der Regel:<br />

ΔϑStufenladung = (<br />

ϑK,MAX - ϑAUS<br />

ΔϑS<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung = ϑLadung - ϑRL [K]<br />

2<br />

+ ϑRL) [K]<br />

VSP muss als nutzbarer Spei<strong>ch</strong>erinhalt zur Verfügung stehen. Der<br />

tatsä<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong>e Spei<strong>ch</strong>erinhalt ist deshalb um das Vo lumen über<br />

dem Eins<strong>ch</strong>altfühler, das Volumen unter dem Aus s<strong>ch</strong>altfühler und<br />

evtl. die Mis<strong>ch</strong>zone zu vergrössern.<br />

Tabelle 51: Unters<strong>ch</strong>eidung te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>er Spei<strong>ch</strong>er und Wärmespei<strong>ch</strong>er (Formelzei<strong>ch</strong>en siehe Kasten 50)

WP<br />

WP<br />

ΔϑK = 8 K<br />

ΔϑK = 8 K<br />

EIN<br />

< 33°<br />

AUS<br />

> 44°<br />

EIN<br />

< 33°<br />

AUS<br />

> 44°<br />

28°<br />

29°<br />

Stufenladung S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung<br />

36°<br />

ε = 4 ,0 ε = 3,5<br />

ε = 3,0<br />

ε = 4,0 ε = 3,5<br />

ε = 3,75<br />

44° 52°<br />

ε = 3,5<br />

37° 45°<br />

Bes<strong>ch</strong>reibung<br />

Der Spei<strong>ch</strong>er wird stufenweise in mehreren Dur<strong>ch</strong>gängen mit steigender<br />

Verflüssigeraustrittstemperatur geladen. Der Spei<strong>ch</strong>er kann ni<strong>ch</strong>t auf eine<br />

exakte Endtemperatur geladen werden. Diese s<strong>ch</strong>wankt um die Temperaturdifferenz<br />

über dem Verflüssiger.<br />

Vorteile: Tiefere Verflüssigungstemperatur<br />

Geringere Kosten (keine Laderegelung)<br />

Na<strong>ch</strong>teile: Spei<strong>ch</strong>ertemperatur s<strong>ch</strong>le<strong>ch</strong>ter beherrs<strong>ch</strong>bar<br />

Vorlauftemperaturs<strong>ch</strong>wankungen beim Laden<br />

Unterdeckung im ersten Dur<strong>ch</strong>gang<br />

Grössere Verflüssigerpumpenleistung<br />

Spei<strong>ch</strong>erkapazität ni<strong>ch</strong>t maximal genutzt<br />

S<strong>ch</strong>le<strong>ch</strong>tere S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tung<br />

Rückwirkung auf Verdampfer (spez. Anfahren!)<br />

Verflüssigerdur<strong>ch</strong>fluss V ·<br />

K<br />

V · K [m³/h] = 0,86 · Q · K [kW] / ΔϑK [K]<br />

Es muss ein Kompromiss getroffen werden:<br />

– Mögli<strong>ch</strong>st grosser Dur<strong>ch</strong>fluss, damit Verflüssigungstemperatur tief,<br />

Spei<strong>ch</strong>ertemperaturs<strong>ch</strong>wankung klein und Spei<strong>ch</strong>erkapazität gross<br />

– Mögli<strong>ch</strong>st kleiner Dur<strong>ch</strong>fluss, damit Verflüssigerpumpenleistung klein<br />

Empfehlung Auslegetemperaturdifferenz Verflüssiger ΔϑK:<br />

Wärmequelle annähernd konstant<br />

– monovalent<br />

– bivalent-parallel<br />

– bivalent-alternativ<br />

Wärmequelle stark variabel<br />

– monovalent<br />

– bivalent-parallel<br />

– bivalent-alternativ<br />

ΔϑK = 0,5 · ΔϑAuslegung<br />

ΔϑK = 0,7 · ΔϑBivalenz<br />

ΔϑK = 0,7 · ΔϑBivalenz<br />

ΔϑK = 0,5 · ΔϑAuslegung<br />

ΔϑK = 0,5 · ΔϑBivalenz<br />

ΔϑK = 0,5 · ΔϑBivalenz<br />

WP<br />

48°<br />

ΔϑK = 15 K<br />

EIN<br />

< 33°<br />

AUS<br />

> 37°<br />

48°<br />

3. Auslegung<br />

28° 48°<br />

48°<br />

ε = 3 ,2 5 ε = 3,25 ε = 3 ,25<br />

ε = 3,2 5<br />

Hinweis: Der Unters<strong>ch</strong>ied der Leistungszahlen von Stufenladung und<br />

S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung ist weniger gross als hier dargestellt, wenn au<strong>ch</strong> der<br />

zusätzli<strong>ch</strong>e Pumpenstromverbrau<strong>ch</strong> der Stufenladung berücksi<strong>ch</strong>tigt wird<br />

(siehe letztes Beispiel in Abs<strong>ch</strong>nitt 2.6)<br />

Bes<strong>ch</strong>reibung<br />

Der Spei<strong>ch</strong>er wird in einem Dur<strong>ch</strong>gang mit konstanter Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

s<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tend geladen. Es kann exakt auf einen bestimmten<br />

Sollwert geladen werden. Dieser Sollwert kann witterungsgeführt sein.<br />

Vorteile: Exakte Beherrs<strong>ch</strong>ung der Spei<strong>ch</strong>ertemperatur<br />

Konstante Vorlauftemperatur garantiert<br />

Keine Unterdeckung<br />

Kleinere Verflüssigerpumpenleistung<br />

Maximale Nutzung der Spei<strong>ch</strong>erkapazität<br />

Bessere S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tung<br />

Keine Rückwirkung auf den Verdampfer<br />

Na<strong>ch</strong>teile: Höhere Verflüssigungstemperatur<br />

Höhere Kosten (Laderegelung)<br />

Verflüssigerdur<strong>ch</strong>fluss V ·<br />

K<br />

V · K [m³/h] = 0,86 · Q · K [kW] / ΔϑK [K]<br />

Im allgemeinen gilt:<br />

– Bei annähernd konstanter Wärmequellenleistung kann auf minimalen<br />

Dur<strong>ch</strong>fluss dimensioniert werden (bei Witterungsführung evtl. höherer<br />

Dur<strong>ch</strong>fluss sinnvoll)<br />

– Bei variabler Wärmequellenleistung muss in der Regel mit höherem<br />

Dur<strong>ch</strong>fluss gefahren werden<br />

Empfehlung Auslegetemperaturdifferenz Verflüssiger ΔϑK:<br />

Wärmequelle annähernd konstant<br />

– monovalent<br />

ΔϑK = ΔϑAuslegung<br />

– bivalent-parallel<br />

ΔϑK = ΔϑBivalenz<br />

– bivalent-alternativ<br />

ΔϑK = ΔϑBivalenz<br />

Wärmequelle stark variabel<br />

– monovalent<br />

ΔϑK = 0,5 · ΔϑAuslegung<br />

– bivalent-parallel<br />

ΔϑK = 0,7 · ΔϑBivalenz<br />

– bivalent-alternativ<br />

ΔϑK = 0,7 · ΔϑBivalenz<br />

Eins<strong>ch</strong>alttemperatur ϑEIN<br />

Damit auf der Wärmenutzungsseite kein «Leerdur<strong>ch</strong>gang» auf Rücklauftemperaturniveau erfolgt, muss ϑEIN mindestens so ho<strong>ch</strong> wie die maximale Rücklauftemperatur<br />

sein. Dur<strong>ch</strong> Spei<strong>ch</strong>erverluste kann na<strong>ch</strong> längerem Unterbru<strong>ch</strong> eine zu tiefe Vorlauftemperatur auftretenen, was si<strong>ch</strong> aber normalerweise<br />

kaum störend auswirkt (Ausnahmen: Lüftung ohne WRG, Wassererwärmung). Bei Stufenladung kann eine zeitweilige Unterdeckung infolge zu tiefer<br />

Rücklauftemperatur während des ersten Dur<strong>ch</strong>gangs ni<strong>ch</strong>t verhindert werden.<br />

Auss<strong>ch</strong>alttemperatur ϑAUS<br />

ϑAUS ≤ ϑK,MAX - ΔϑK mit der Bedingung ϑAUS > ϑEIN (sonst kann Wasser zwis<strong>ch</strong>en ϑAUS und ϑEIN ni<strong>ch</strong>t aus dem Spei<strong>ch</strong>er!)<br />

Mit Aussenluft als Wärmequelle ist ΔϑK stark variabel. Es muss der grösste vorkommende Wert eingesetzt werden. Wenn dabei die Bedingung ϑAUS > ϑ<br />

EIN ni<strong>ch</strong>t eingehalten werden kann, muss der Auss<strong>ch</strong>altpunkt (und evtl. au<strong>ch</strong> der Eins<strong>ch</strong>altpunkt) witterungsgeführt werden.<br />

Ladetemperatur ϑLadung<br />

Damit die Auss<strong>ch</strong>altung funktioniert, gilt: ϑLadung > ϑAUS<br />

Tabelle 52: Zusammenfassung Spei<strong>ch</strong>erladung (Formelzei<strong>ch</strong>en siehe Kasten 50)<br />

37

3. Auslegung<br />

Stufenladung, monovalent<br />

Auslegung der Wärmenutzungsanlage:<br />

ϑVL/RL = 48/33°C<br />

Temperaturdifferenz zwis<strong>ch</strong>en Vorlauf und<br />

Rücklauf im Auslegepunkt:<br />

ΔϑAuslegung = 15 K<br />

Max. Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

ϑK,MAX = 52°C<br />

d.h. Si<strong>ch</strong>erheitsabstand gemäss Bild 43<br />

nur 3 K!<br />

Die Endtemperatur des Spei<strong>ch</strong>ers ist<br />

zufällig und befindet si<strong>ch</strong> innerhalb der<br />

bezei<strong>ch</strong>neten Flä<strong>ch</strong>e.<br />

Bei stark variabler Wärmequelle ist ei ne<br />

Witterungsführung der Ein- und<br />

Auss<strong>ch</strong>alttemperaturen notwendig, damit ϑ<br />

AUS > ϑEIN immer erfüllt ist.<br />

� Während des ersten Dur<strong>ch</strong>gangs<br />

kann bei tiefer Aussentemperatur eine<br />

Unterdeckung infolge zu tiefer Vorlauftemperatur<br />

ni<strong>ch</strong>t verhindert werden (siehe<br />

Kasten 49).<br />

S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung, monovalent<br />

Auslegung der Wärmenutzungsanlage:<br />

ϑVL/RL = 48/33°C<br />

Temperaturdifferenz zwis<strong>ch</strong>en Vorlauf und<br />

Rücklauf im Auslegepunkt:<br />

ΔϑAuslegung = 15 K<br />

Die vorgegebene zulässige Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

ϑK,MAX = 52°C<br />

wird si<strong>ch</strong>er ni<strong>ch</strong>t übers<strong>ch</strong>ritten, weil<br />

Ladetemperatur<br />

ϑLadung = 48°C<br />

Bei stark variabler Wärmequelle ist ei ne<br />

Witterungsführung der Ein- und<br />

Auss<strong>ch</strong>alttemperaturen notwendig.<br />

38<br />

Wärmequelle annähernd konstant Wärmequelle stark variabel<br />

Vorlauf- / Rücklauftemperatur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

ϑA U S<br />

ϑEIN<br />

ϑK, M A X .<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

ΔϑK<br />

1 0 0<br />

Auslegepunkt<br />

Leistung [kW]<br />

W ärmeleistungsbedarf<br />

Heizleistung WP<br />

ΔϑK = 0,5 · 15 K = 8 K<br />

ϑEIN = 33°C Festwert<br />

ϑAUS = 44°C Festwert<br />

Vorlauf- / Rücklauftemperatur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

ϑEI N<br />

ϑK,M A X.<br />

Heizgrenze<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

ϑL ad u n g<br />

ΔϑK<br />

ϑA U S<br />

Leistung [kW]<br />

Auslegepunkt<br />

ΔϑK = 15 K<br />

Bild 53: Beispiele zur Auslegung monovalenter Anlagen<br />

Wärmeleistungsbedarf<br />

Heizleistung WP<br />

ϑEIN = 33°C Festwert<br />

ϑAUS = 37°C Festwert<br />

ϑLadung = 48°C Festwert<br />

Heizgrenze<br />

Vorlauf- / Rücklauftemperatur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

ϑA U S<br />

ϑEIN<br />

ϑK,M A X.<br />

ϑEI N<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

ΔϑK<br />

Leistung [kW]<br />

Auslegepunkt<br />

Heizleistung W P<br />

Wärmeleistungsbedarf<br />

Heizgrenze<br />

ΔϑK<br />

ϑA U S<br />

ΔϑK = 0,5 · 15 K = 8 K (8...20 K)<br />

ϑEIN = 33...27°C witterungsgeführt<br />

ϑAUS = 44...32°C witterungsgeführt<br />

Vorlauf- / Rücklauftemperatur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

ϑEI N<br />

ϑK,M A X.<br />

ϑEI N<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

ϑL ad u n g<br />

ΔϑK<br />

ϑA U S<br />

Leistung [kW]<br />

Auslegepunkt<br />

Heizleistung W P<br />

W ärmeleistungsbedarf<br />

Heizgrenze<br />

ΔϑK<br />

ϑA U S<br />

ΔϑK = 0,5 · 15 K = 8 K (8...20 K)<br />

ϑEIN = 33...27°C witterungsgeführt<br />

ϑAUS = 44...32°C witterungsgeführt<br />

ϑLadung = 48°C Festwert

Stufenladung, bivalent-parallel<br />

Auslegung der Wärmenutzungsanlage:<br />

ϑVL/RL = 55/40°C<br />

Temperaturdifferenz zwis<strong>ch</strong>en Vorlauf und<br />

Rücklauf im Bivalenzpunkt:<br />

ΔϑBivalenz = 9 K<br />

Max. Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

ϑK,MAX = 52°C<br />

d.h. Si<strong>ch</strong>erheitsabstand gemäss Bild 43<br />

nur 3 K!<br />

Die Endtemperatur des Spei<strong>ch</strong>ers ist<br />

zufällig und befindet si<strong>ch</strong> innerhalb der<br />

bezei<strong>ch</strong>neten Flä<strong>ch</strong>e.<br />

� Während des ersten Dur<strong>ch</strong>gangs<br />

kann in der Nähe des Bivalenzpunktes<br />

eine Unterdeckung infolge zu tiefer<br />

Vorlauftemperatur ni<strong>ch</strong>t verhindert werden<br />

(siehe Kasten 49).<br />

S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung, bivalent-parallel<br />

Auslegung der Wärmenutzungsanlage:<br />

ϑVL/RL = 55/40°C<br />

Temperaturdifferenz zwis<strong>ch</strong>en Vorlauf und<br />

Rücklauf im Bivalenzpunkt:<br />

ΔϑBivalenz = 9 K<br />

Die vorgegebene zulässige Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

ϑK,MAX = 52°C<br />

wird si<strong>ch</strong>er ni<strong>ch</strong>t übers<strong>ch</strong>ritten, weil<br />

Ladetemperatur<br />

ϑLadung = 44°C<br />

Wärmequelle annähernd konstant Wärmequelle stark variabel<br />

Vorlauf- / Rücklauftemperatur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

ϑEI N<br />

ϑK,M A X.<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

ΔϑK<br />

ϑA U S<br />

Leistung [kW]<br />

Auslegepunkt<br />

Heizleistung WP<br />

W ärm eleistungsbedarf<br />

Bivalenzpunkt<br />

ΔϑK = 0,7 · 9 = 7 K<br />

ϑEIN = 40°C Festwert<br />

ϑAUS = 46°C Festwert<br />

Vorlauf- / Rücklauftemperatur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

ϑEI N<br />

ϑK,M A X.<br />

Heizgrenze<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

ΔϑK<br />

ϑA U S<br />

Leistung [kW]<br />

Auslegepunkt<br />

ΔϑK = 9 K<br />

Heizleistung WP<br />

Wärmeleistungsbedarf<br />

Bild 54: Beispiele zur Auslegung bivalent-paralleler Anlagen<br />

Bivalenzpunkt<br />

Heizgrenze<br />

ϑEIN = 40°C Festwert<br />

ϑAUS = 43°C Festwert<br />

ϑLadung = 44°C Festwert (> 43°C)<br />

ϑLa d u n g<br />

Vorlauf- / Rücklauftemperatur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

ϑEI N<br />

ϑK,M A X.<br />

3. Auslegung<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

ΔϑK<br />

ϑA U S<br />

Leistung [kW]<br />

Auslegepunkt<br />

Heizleist ung W P<br />

W ärmeleistungsbedarf<br />

Bivalenzpunkt<br />

ΔϑK = 0,5 · 9 = 5 K (3...8 K)<br />

ϑEIN = 40°C Festwert<br />

ϑAUS = 44°C Festwert<br />

Vorlauf- / Rücklauftemperatur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

ϑEI N<br />

ϑK,M A X.<br />

Heizgrenze<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

ϑLa d u n g<br />

ϑA U S<br />

Leistung [kW]<br />

Auslegepunkt<br />

Heizleist ung W P<br />

W ärmeleistu ngsbedarf<br />

Bivalenzpunkt<br />

Heizgrenze<br />

ΔϑK = 0,7 · 9 = 7 K (4...10 K)<br />

ϑEIN = 40°C Festwert<br />

ϑAUS = 42°C Festwert<br />

ϑLadung = 44°C Festwert (> 42°C)<br />

ΔϑK<br />

ΔϑK<br />

39

3. Auslegung<br />

Stufenladung, bivalent-alternativ<br />

Auslegung der Wärmenutzungsanlage:<br />

ϑVL/RL = 65/50°C<br />

Temperaturdifferenz zwis<strong>ch</strong>en Vorlauf und<br />

Rücklauf im Bivalenzpunkt:<br />

ΔϑBivalenz = 9 K<br />

Max. Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

ϑK,MAX = 52°C<br />

d.h. Si<strong>ch</strong>erheitsabstand gemäss Bild 43<br />

nur 3 K!<br />

Die Endtemperatur des Spei<strong>ch</strong>ers ist<br />

zufällig und befindet si<strong>ch</strong> innerhalb der<br />

bezei<strong>ch</strong>neten Flä<strong>ch</strong>e.<br />

� Während des ersten Dur<strong>ch</strong>gangs<br />

kann in der Nähe des Bivalenzpunktes<br />

eine Unterdeckung infolge zu tiefer<br />

Vorlauftemperatur ni<strong>ch</strong>t verhindert werden<br />

(siehe Kasten 49).<br />

S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung, bivalent-alternativ<br />

Auslegung der Wärmenutzungsanlage:<br />

ϑVL/RL = 65/50°C<br />

Temperaturdifferenz zwis<strong>ch</strong>en Vorlauf und<br />

Rücklauf im Bivalenzpunkt:<br />

ΔϑBivalenz = 9 K<br />

Die vorgegebene zulässige Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

ϑK,MAX = 52°C<br />

wird si<strong>ch</strong>er ni<strong>ch</strong>t übers<strong>ch</strong>ritten, weil<br />

Ladetemperatur<br />

ϑLadung = 48°C<br />

40<br />

Wärmequelle annähernd konstant Wärmequelle stark variabel<br />

Vorlauf- / Rücklauftemperatur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

ϑK,M A X.<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

Leistung [kW]<br />

Auslegepunkt<br />

ΔϑK<br />

ϑAU S<br />

ϑEIN<br />

Wärmeleistungsbedarf<br />

Bivalenzpunkt<br />

ΔϑK = 0,7 · 9 K = 7 K<br />

ϑEIN = 40°C Festwert<br />

ϑAUS = 45°C Festwert<br />

Vorlauf- / Rücklauftemperatur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

Heizleistung WP<br />

ϑK, M A X.<br />

Heizgrenze<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

Leistung [kW]<br />

Auslegepunkt<br />

ΔϑK = 9 K<br />

ΔϑK<br />

ϑL ad u n g<br />

ϑEIN<br />

W ärmeleistungsbedarf<br />

Bivalenzpunkt<br />

ϑEIN = 40°C Festwert<br />

ϑAUS = 43°C Festwert<br />

ϑLadung = 48°C Festwert<br />

Bild 55: Beispiele zur Auslegung bivalent-alternativer Anlagen<br />

ϑAU S<br />

Heizleistung WP<br />

Heizgrenze<br />

Vorlauf- / Rücklauftemperatur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

ϑK,M A X.<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

Leistung [kW]<br />

Auslegepunkt<br />

ΔϑK<br />

ϑAU S<br />

ϑEI N<br />

W ärmeleistungsbedarf<br />

Bivalenzpunkt<br />

Heizleistung W P<br />

ΔϑK = 0,5 · 9 K = 5 K (5...7 K)<br />

ϑEIN = 40°C Festwert<br />

ϑAUS = 44°C Festwert<br />

Vorlauf- / Rücklauftemperatur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

ϑK,M A X.<br />

Heizgrenze<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

Leistung [kW]<br />

Auslegepunkt<br />

ϑLa d u n g<br />

ϑAU S<br />

ϑEI N<br />

Wärmeleistungsbedarf<br />

Bivalenzpunkt<br />

Heizleistung WP<br />

Heizgrenze<br />

ΔϑK = 0,7 · 9 K = 7 K (7...10 K)<br />

ϑEIN = 40°C Festwert<br />

ϑAUS = 42°C Festwert<br />

ϑLadung = 48°C Festwert<br />

ΔϑK<br />

ΔϑK

4. Fallbeispiel<br />

4.1 Ausgangslage<br />

In einem Wohn- und Ges<strong>ch</strong>äftshaus im s<strong>ch</strong>weizeris<strong>ch</strong>en<br />

Mittelland soll eine Wärmepumpe mit Grundwasser als<br />

Wärmequelle gebaut werden. Die Auslegedaten der<br />

einzelnen Gruppen sind in Tabelle 56 zusammengestellt.<br />

Bei –10°C Aussentemperatur beträgt die maximal<br />

vorkommende Vorlauftemperatur 55°C. Dies ist für einen<br />

monovalenter Betrieb mit R22 als Arbeitsmittel zu ho<strong>ch</strong>.<br />

Der Ents<strong>ch</strong>eid fiel deshalb auf eine bivalent-parallele<br />

Anlage mit einem Bivalenzpunkt von etwa 2...5°C. Das<br />

Prinzips<strong>ch</strong>ema zeigt Bild 57.<br />

Die in Tabelle 56 zusammengestellten Zahlen gelten für<br />

die Pumpen-, aber ni<strong>ch</strong>t für die Ventil-Dur<strong>ch</strong>flüsse, wie oft<br />

fäls<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong>erweise angenommen wird. Für die Ventile<br />

gelten nämli<strong>ch</strong> teilweise höhere Temperaturdifferenzen<br />

und damit werden natürli<strong>ch</strong> deren Dur<strong>ch</strong>flüsse und<br />

Druckabfälle (wi<strong>ch</strong>tig zur Bestimmung der Ventilautorität)<br />

entspre<strong>ch</strong>end kleiner! Au<strong>ch</strong> für den Gesamtdur<strong>ch</strong>fluss und<br />

die si<strong>ch</strong> daraus ergebenden Temperaturen gelten<br />

selbstverständli<strong>ch</strong> die Ventil- und ni<strong>ch</strong>t die Pumpen-<br />

Dur<strong>ch</strong>flüsse. Die Ergebnisse sind in Tabelle 58<br />

zusammengestellt.<br />

WP<br />

Bild 57: Prinzips<strong>ch</strong>ema zum Fallbeispiel<br />

SP<br />

KE<br />

Auslegung und Abglei<strong>ch</strong> der Gruppen<br />

Gruppe Leistung<br />

SIA 384/2<br />

[kW]<br />

Vorlauftemperatur<br />

[°C]<br />

Rücklauftemperatur<br />

[°C]<br />

4. Fallbeispiel<br />

Dur<strong>ch</strong>fluss<br />

Pumpe<br />

[m³/h]<br />

A 10 55 45 0,86<br />

B 30 45 35 2,58<br />

C 25 55 40 1,43<br />

D 20 45 35 1,72<br />

Weitere Vorgaben:<br />

– Jahresenergiebedarf gemäss<br />

SIA 380/1 mit effektiver Nutzung<br />

bere<strong>ch</strong>net 172'000 kWh/a<br />

– Auslegetemperatur -10°C<br />

– Bivalenzpunkt 2...5°C<br />

– Heizgrenze 12°C<br />

– Grundwassertemperatur 10°C konstant<br />

– Temperaturdifferenz Verdampfer 5 K<br />

– S<strong>ch</strong>althäufigkeit 2mal pro Std.<br />

– Ladetemperatur konstant oder<br />

witterungsgeführt<br />

� SIA-Empfehlung 384/2: Wärmeleistungsbedarf von<br />

Gebäuden. Züri<strong>ch</strong>: S<strong>ch</strong>weizeris<strong>ch</strong>er Ingenieur- und Ar <strong>ch</strong>itekten-Verein<br />

(SIA), 1982. – SIA-Empfehlung 380/1: <strong>Energie</strong><br />

im Ho<strong>ch</strong>bau. Züri<strong>ch</strong>: S<strong>ch</strong>weizeris<strong>ch</strong>er Ingenieur- und<br />

Ar<strong>ch</strong>itekten-Verein (SIA), 1988. –(Bezugsquelle: SIA,<br />

Postfa<strong>ch</strong>, 8039 Züri<strong>ch</strong>)<br />

Tabelle 56: Zusammenfassung der Ausgangslage<br />

A B C D<br />

41

4. Fallbeispiel<br />

Gruppe Leistung<br />

42<br />

Vorlauftemperatur<br />

Rücklauftemperatur<br />

[°C]<br />

Dur<strong>ch</strong>flussVentil<br />

[kW] [°C]<br />

[m³/h]<br />

A 10 55 45 0,86<br />

B 30 55 35 1,29<br />

C 25 55 40 1,43<br />

D 20 55 35 0,86<br />

Gesamt 85 55 38,5 4,44<br />

Tabelle 58: Ventil-Dur<strong>ch</strong>flüsse und Gesamtdur<strong>ch</strong>fluss im<br />

Auslegepunkt bei –10°C Aussentemperatur; die resultie rende<br />

Hauptrücklauftemperatur beträgt 38,5°C<br />

Vorlauf- / Rücklauftem peratur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentem p eratur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

Leistun g [kW ]<br />

Au sleg epunkt<br />

Heizgre nze<br />

Bild 59: Statis<strong>ch</strong> bere<strong>ch</strong>nete (gestri<strong>ch</strong>elt) und tatsä<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong><br />

gemessene Heizkurven und <strong>Energie</strong>kennlinien (ausgezogen)<br />

sind sehr unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong><br />

4.2 Temperatur-Leistungs-Diagramm<br />

Der maximal erforderli<strong>ch</strong>e Wärmeleistungsbedarf ergibt<br />

si<strong>ch</strong> aus der Bere<strong>ch</strong>nung gemäss SIA 384/2, und an der<br />

Heizgrenze ist der Wärmebedarf gemäss gängiger<br />

Theorie null. Entspre<strong>ch</strong>end variiert die Temperaturdifferenz<br />

von Vor- und Rücklauf zwis<strong>ch</strong>en der Auslegetemperaturdifferenz<br />

und null. Diese statis<strong>ch</strong>e Betra<strong>ch</strong>tungsweise<br />

deckt si<strong>ch</strong> erfahrungsgemäss ni<strong>ch</strong>t mit<br />

dem dynamis<strong>ch</strong>en Betrieb der Praxis. Messungen an<br />

bestehenden Anlagen zeigen folgendes Verhalten: An der<br />

Heizgrenze ergibt si<strong>ch</strong> ein bea<strong>ch</strong>tli<strong>ch</strong>er Sprung auf eine<br />

Bandlast und auf der anderen Seite wird die<br />

Maximalleistung gemäss SIA 384/2 meist ni<strong>ch</strong>t errei<strong>ch</strong>t<br />

(Bild 59)!<br />

� Bei bestehenden Wärmeabgabesystemen sollten<br />

<strong>Energie</strong>kennlinie und Heizkurven immer messte<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong><br />

bestimmt werden. Bei Neuanlagen müssen die Werte der<br />

statis<strong>ch</strong>en Bre<strong>ch</strong>nung mögli<strong>ch</strong>st gut den tatsä<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong> in der<br />

Praxis auftretenden dynamis<strong>ch</strong>en Verläufen angepasst<br />

werden.<br />

Eine in der Praxis oft angewandte Methode zur Dimensionierung<br />

von Neuanlagen zeigt Bild 60: Alle Kurven<br />

werden auf 20°C Aussentemperatur bezogen und der<br />

Heizkurven-Fusspunkt wird mit 25°C Vorlauftemperatur<br />

angenommen (ergibt hier eine realistis<strong>ch</strong>e<br />

Heizkurvensteilheit von -1,0). Damit können folgende<br />

Fixpunkte sofort eingezei<strong>ch</strong>net werden:<br />

– Vorlauftemperatur -10/55°C und 20/25°C<br />

– Rücklauftemperatur -10/38,5°C und 20/25°C<br />

– Wärmeleistungsbedarf -10°C / 85 kW und 20°C / 0 kW<br />

4.3 Wärmepumpe<br />

Auswahl der Wärmepumpe<br />

Die passende Wärmepumpe muss aus dem Datenblatt<br />

des Herstellers ausgesu<strong>ch</strong>t werden. Aufgrund der<br />

Vorgabe einer annähernd konstanten Wärmequellentemperatur<br />

von 10°C und einem Bivalenzpunkt von<br />

etwa 2...5°C fiel im vorliegenden Fall die Wahl auf die<br />

Wärmepumpe, deren Datenblatt vereinfa<strong>ch</strong>t in Tabelle 61<br />

zusammengefasst ist. Dur<strong>ch</strong> iteratives Vorgehen kann der<br />

exakte Bivalenzpunkt und die entspre<strong>ch</strong>enden<br />

Temperaturen und Leistungen im Temperatur- und<br />

Leistungsdiagramm eingetragen werden

(Verfüssigeraustrittstemperatur witterungsgeführt angenommen):<br />

– Definitiver Bivalenzpunkt = 4°C<br />

– <strong>Wärmepumpen</strong>-Heizleistung im Bivalenzpunkt<br />

entspre<strong>ch</strong>end 4°C Aussentemperatur und 41°C<br />

Vorlauftemperatur: 44 kW<br />

– <strong>Wärmepumpen</strong>-Heizleistung im Auslegepunkt<br />

entspre<strong>ch</strong>end -10°C Aussentemperatur und 47°C<br />

Vorlauftemperatur: 43 kW<br />

Verflüssigerpumpe<br />

Aus der Temperaturdifferenz über dem Verflüssiger und<br />

der dazugehörenden Heizleistung kann der Dur<strong>ch</strong>fluss<br />

der Verflüssigerpumpe im Bivalenzpunkt und der<br />

Druckabfall über dem Verflüssiger bere<strong>ch</strong>net werden<br />

(siehe Abs<strong>ch</strong>nitt 3.2 und Bild 60):<br />

V · P,K<br />

= 0,86 · 44 kW / (41°C - 32,3°C) = 4,4 m³/h<br />

ΔpK = 100 · (4,4 m³/h / 8,6 m³/h)² = 26 kPa<br />

Für die Förderhöhe der Pumpe muss no<strong>ch</strong> der<br />

Druckabfall der Ladeeinri<strong>ch</strong>tung hinzugezählt werden<br />

(Annahme: 10 kPa):<br />

ΔpP,K = 26 kPa + 10 kPa = 36 kPa<br />

Verdampferpumpe<br />

Der Dur<strong>ch</strong>fluss der Verdampferpumpe und der<br />

Druckabfall über dem Verdampfer ergibt si<strong>ch</strong> aus der<br />

gewählten Temperaturdifferenz über dem Verdampfer von<br />

5 K und der Wärmequellenleistung (Heizleistung minus<br />

Antriebsleistung des Kompresors für W10/W35):<br />

V · P,V<br />

= 0,86 · (44,9 - 10,5 kW) / 5 K = 5,9 m³/h<br />

ΔpV = 100 · (5,9 m³/h / 8,6 m³/h)² = 47 kPa<br />

Für die Förderhöhe der Pumpe kommt no<strong>ch</strong> der<br />

Druckabfall der Wärmequellenanlage hinzu (Annahme: 20<br />

kPa):<br />

ΔpP,V = 47 kPa + 20 kPa = 67 kPa<br />

Im vorliegenden Fallbeispiel wurde Grundwasser als<br />

Wärmequelle gewählt. Damit ist die Heizleistung der<br />

Wärmepumpe praktis<strong>ch</strong> konstant. Im Falle einer Luft-<br />

Wasser-Wärmepumpe wäre sie hingegen stark variabel<br />

(Bild 62 und Kasten 63).<br />

4.4 Spei<strong>ch</strong>er<br />

Vorlauf- / Rücklauftem peratur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

32,3<br />

4. Fallbeispiel<br />

3 7,5<br />

28 ,6<br />

25<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentem p eratur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

55<br />

4 7,1<br />

38,5<br />

43<br />

85<br />

1 0 0<br />

Au sleg epunkt<br />

Leistun g [kW ]<br />

44<br />

41<br />

Bivalenzpunkt<br />

3 3<br />

2 2<br />

44,5<br />

Heizgre nze<br />

Bild 60: Temperatur- und Leistungsdiagramm für das Fallbeispiel;<br />

die Wasser-Wasser-Wärmepumpe entspri<strong>ch</strong>t dem<br />

Datenblatt gemäss Tabelle 61<br />

EintrittstemperaturWärmequelle<br />

Heizleistung/Verdi<strong>ch</strong>terleistung bei unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong>en<br />

Vorlauftemperaturen [°C bzw.<br />

kW]<br />

35 40 45 50<br />

10 44,9/10,5 44,1/11,4 43,3/12,3 42,5/13,3<br />

12 46,0/10,6 45,3/11,4 44,5/12,3 44,0/13,3<br />

14 47,6/10,7 46,9/11,5 46,2/12,4 45,5/13,3<br />

16 49,2/10,8 48,4/11,5 47,7/12,4 47,3/13,4<br />

18 50,7/10,8 50,0/11,6 49,4/12,5 48,7/13,5<br />

20 52,3/11,0 51,5/11,7 50,8/12,5 50,3/13,5<br />

Bere<strong>ch</strong>nung der Druckabfälle:<br />

Δp [kPa] = 100 · (V · [m³/h] / kV [m³/h])²<br />

kV-Werte:<br />

– Verdampfer 8,6 m³/h<br />

– Verflüssiger (Kondensator) 8,6 m³/h<br />

Tabelle 61: Vereinfa<strong>ch</strong>tes Datenblatt einer handels übli<strong>ch</strong>en<br />

Wärmepumpe<br />

43

4. Fallbeispiel<br />

44<br />

Vorlauf- / Rücklauftem peratur [°C]<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

32,3<br />

2 8,6<br />

25<br />

2 0<br />

-1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0<br />

Aussentemperatur [°C]<br />

0<br />

2 0<br />

4 0<br />

6 0<br />

8 0<br />

1 0 0<br />

55<br />

4 3,1<br />

38,5<br />

23<br />

85<br />

Leistun g [kW ]<br />

Au sleg epunkt<br />

41<br />

Bivalenzp unkt<br />

40,4<br />

Heizgrenze<br />

Bild 62: Exkurs – Temperatur- und Leistungsdiagramm für das<br />

Fallbeispiel mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe<br />

Exkurs: Luft-Wasser-Wärmepumpe<br />

In Bild 62 sind die Temperatur- und Leistungsverhältnisse<br />

für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe dar gestellt. Die<br />

Wärmepumpe wurde dabei so ausge wählt, dass die<br />

Heizleistung im Bivalenzpunkt von 4°C ebenfalls 44 kW<br />

beträgt. Dur<strong>ch</strong> die starke Variation des Temperaturhubs<br />

zwis<strong>ch</strong>en Verflüssigeraustritt (witterungsgeführt) und<br />

Verdampfereintritt ist die Heizleistung ni<strong>ch</strong>t nur stark<br />

variabel, sondern dem gefordereten Wär meleistungsbedarf<br />

exakt entgegengesetzt. Damit verbunden ist au<strong>ch</strong> eine<br />

massive Vers<strong>ch</strong>le<strong>ch</strong>terung der Leistungszahl bei tiefen<br />

Aussentemperaturen. Deshalb ist der Einsatz einer Luft-<br />

Wasser-Wärmepumpe weit unter dem Bivalenzpunkt in der<br />

Regel weniger interessant.<br />

Kasten 63<br />

3 3<br />

2 2<br />

59<br />

Spei<strong>ch</strong>erinhalt<br />

Der Spei<strong>ch</strong>erinhalt ergibt si<strong>ch</strong> gemäss Abs<strong>ch</strong>nitt 3.4 aus<br />

der <strong>Wärmepumpen</strong>leistung (44 kW im Bivalenzpunkt), der<br />

S<strong>ch</strong>althäufigkeit (2mal pro Stunde) und der für das Spei<strong>ch</strong>ervermögen<br />

massgebenden Temperaturdifferenz im<br />

Bivalenzpunkt (41°C - 32,3°C = 8,7 K):<br />

44 kW<br />

VMIN = 0,22<br />

2 · 8,7 K<br />

= 0,56 m³<br />

Fehlzirkulation über den Spei<strong>ch</strong>er verhindern!<br />

Der maximale Dur<strong>ch</strong>fluss des Hauptvorlaufs beträgt 4,4<br />

m³/h (siehe Tabelle 56). Der Dur<strong>ch</strong>fluss der Verfüssigerpumpe<br />

beträgt ebenfalls 4,4 m³/h (siehe Abs<strong>ch</strong>nitt<br />

«Verflüssigerpumpe»). Wenn der Dur<strong>ch</strong>fluss des<br />

Hauptvorlaufes grösser würde als der Ladedur<strong>ch</strong>fluss<br />

zum Spei<strong>ch</strong>er, entstünde eine Fehlzirkulation über den<br />

kalten Spei<strong>ch</strong>er und die geforderte Vorlauftemperatur<br />

könnte ni<strong>ch</strong>t errei<strong>ch</strong>t werden. Dies muss unter allen<br />

Umständen verhindert werden.<br />

� Es ist ein sorgfältiger hydraulis<strong>ch</strong>er Abglei<strong>ch</strong> der<br />

Anlage notwendig. Bei Glei<strong>ch</strong>heit von Verflüssigerdur<strong>ch</strong>fluss<br />

und Hauptvorlaufdur<strong>ch</strong>fluss kann der Verflüssigerdur<strong>ch</strong>fluss<br />

si<strong>ch</strong>erheitshalber um 10% höher eingestellt werden.<br />

4.5 Heizkessel<br />

Kesselleistung<br />

Aus Bild 60 kann sofort die notwendige Kesselleistung<br />

herausgelesen werden. Sie beträgt<br />

85 kW - 43 kW = 42 kW.<br />

Der ausgewählte Kessel hat folgende Daten:<br />

– Kesselleistung 35...50 kW (die Brennerleistung wird auf<br />

die geforderten 42 kW eingestellt)<br />

– Kesseltemperatur 50...90°C (der Kesselthermostat wird<br />

auf 60°C eingestellt, also 5 K höher als die maximal<br />

geforderte Vorlauftemperatur)<br />

– Minimal zulässige Rücklauftemperatur 38°C<br />

Regelventil, Kesselpumpe<br />

Das Regelventil im Kesselkreis dient einerseits der<br />

Rücklaufho<strong>ch</strong>haltung und andererseits wird damit die<br />

Vorlauftemperatur auf den geforderten Wert geregelt. Der<br />

Dur<strong>ch</strong>fluss des Regelventils bere<strong>ch</strong>net si<strong>ch</strong> aus der

Kesselleistung (42 kW), der Kesseltemperatur (60°C) und<br />

der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe (47°C) wie folgt:<br />

V · S,P = 0,86 · 42 kW / (60°C - 47°C) = 2,8 m³/h<br />

� Die Einspritzung in den Hauptvorlauf ist heikel. Dur<strong>ch</strong><br />

laminare Strömung entstehen lei<strong>ch</strong>t Fehlmessungen.<br />

Deshalb muss dur<strong>ch</strong> geeignete Massnahmen ein turbulenter<br />

Dur<strong>ch</strong>fluss erzwungen werden (z.B. dur<strong>ch</strong> S<strong>ch</strong>ikanen vor<br />

dem Fühler). Au<strong>ch</strong> Regler (mögli<strong>ch</strong>st PID) und Ventil (kurze<br />

Laufzeit, kleiner Mengensprung im Öffnungsberei<strong>ch</strong>)<br />

müssen sehr sorgfältig ausgelegt werden.<br />

Die minimal zulässige Vorlauftemperatur von 38°C wird im<br />

vorliegenden Fall praktis<strong>ch</strong> nur in der Anheizphase<br />

unters<strong>ch</strong>ritten. Ältere Kessel erfordern aber oft wesentli<strong>ch</strong><br />

höhere Rücklauftemperaturen und entspre<strong>ch</strong>end höher<br />

muss dann au<strong>ch</strong> der Kesselthermostat eingestellt werden.<br />

Ein Beispiel zeigt Kasten 64.<br />

4.6 Kennzahlen<br />

Leistungszahl ε (Momentanwert)<br />

In der Praxis wird übli<strong>ch</strong>erweise mit der Leistungszahl ε<br />

gere<strong>ch</strong>net, die si<strong>ch</strong> aus dem Verhältnis der<br />

Momentanwerte von abgegebener Heizleistung zu<br />

aufgenommener Verdi<strong>ch</strong>terleistung ergibt. Als Randbedingung<br />

muss immer die Verdampfereintrittstemperatur<br />

und die Verflüssigeraustrittstemperatur angegeben<br />

werden. Beispielsweise für W10/W47 ergibt si<strong>ch</strong> mit<br />

interpolierten Zahlen aus Tabelle 61:<br />

ε = 43,0 kW / 12,7 kW = 3,39<br />

COP (Momentanwert)<br />

Gemäss Europäis<strong>ch</strong>er Norm EN 255 wird – anstelle der<br />

Leistungszahl gemäss obiger Definition – der Coefficient<br />

of Performance, kurz COP, definiert. Dabei wird – neben<br />

der Verdi<strong>ch</strong>terleistung – au<strong>ch</strong> die Leistungsaufnahme von<br />

Abtaueinri<strong>ch</strong>tung, Steuerung/Regelung und<br />

Fördereinri<strong>ch</strong>tungen (Wirkungsgrad Pumpe = 0,2;<br />

Ventilator = 0,3) brücksi<strong>ch</strong>tigt. Dies gilt allerdings nur für<br />

Bauteile innerhalb der Wärmepumpe. Damit ergibt si<strong>ch</strong> für<br />

W10/W47:<br />

PVerdampferpumpe =<br />

PVeflüssigerpumpe =<br />

47 kPa · 5,9 m³/h<br />

3600 · 0,2<br />

= 0,385 kW<br />

26 kPa · 4,4 m³/h<br />

3600 · 0,2<br />

= 0,159 kW<br />

4. Fallbeispiel<br />

Exkurs: Älterer Kessel mit Kesseltemperatur 70°C und<br />

minimal zulässiger Rücklauftemperatur von 60°C<br />

Der Dur<strong>ch</strong>fluss des Regelventils bere<strong>ch</strong>net si<strong>ch</strong> aus der<br />

Kesselleistung (42 kW), der Kesseltem peratur (70°C) und<br />

der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe (47°C) wie folgt:<br />

V · = 0,86 · 42 kW / (70°C - 47°C) = 1,6 m³/h<br />

Der Dur<strong>ch</strong>fluss der Kesselpumpe ergibt si<strong>ch</strong> aus der<br />

Kesseltemperatur (70°C) und der minimal geforder ten<br />

Rücklauftemperatur (60°C).<br />

V · = 0,86 · 42 kW / (70°C - 60°C) = 3,6 m³/h<br />

Der gegenüber dem Ventildur<strong>ch</strong>fluss wesentli<strong>ch</strong> grössere<br />

Pumpendur<strong>ch</strong>fluss muss über einen Bypass zwis<strong>ch</strong>en Ventil<br />

und Pumpe abgegli<strong>ch</strong>en werden!<br />

Kasten 64<br />

45

4. Fallbeispiel<br />

Aussentem peratur [°C]<br />

-20<br />

-10<br />

30<br />

0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0<br />

46<br />

0<br />

10<br />

20<br />

KE1<br />

WP1<br />

KE2<br />

Grösse KE1<br />

KE2<br />

t [h] 1200<br />

1400<br />

WP2 WP3<br />

Bandlast<br />

Leistung<br />

[kW]<br />

8 0<br />

7 0<br />

6 0<br />

5 0<br />

4 0<br />

3 0<br />

2 0<br />

1 0<br />

0<br />

Jahresstunden<br />

WP1 WP2 WP3<br />

1200 1400 2700<br />

Q · [kW] 12...42<br />

0...12<br />

43 43 22...43<br />

Q [kWh] 32400 51600 60200 87750<br />

integriert 8400<br />

f [-] 0,72 0,72 0,72 0,72<br />

Q [kWh]<br />

korrigiert<br />

29000 37000 43000 63000<br />

ϑK,A [°C] 41...55 43...47 41...43 37,5...41<br />

ηKE,J bzw. ε 0,9 3,5 3,7 3,9<br />

W [kWh] 32220 10570 11620 16150<br />

gleitend Öl Strom Strom Strom<br />

W [kWh] 32220<br />

42060 Strom<br />

konstant Öl (gere<strong>ch</strong>net mit ε = 3,4 = konst.)<br />

Spei<strong>ch</strong>erverluste 5300 h · 0,115 kW = 610 kWh<br />

Verdampferpumpe 3325 h · 0,6 kW = 1995 kWh<br />

Verflüssigerpumpe 3325 h · 0,22 kW = 732 kWh<br />

Carterheizung (5300-3325) h · 0,06 kW<br />

= 119 kWh<br />

Steuerung/Regelung 5300 h · 0,1 kW = 530 kWh<br />

JAZgleitend<br />

(143000 - 610) kWh<br />

= 3,41<br />

41716 kWh<br />

JAZkonstant<br />

t = Jahresstunden<br />

Q ·<br />

= Wärmeleistungsbedarf<br />

Q = Wärmemenge<br />

f = Korrekturfaktor<br />

(143000 - 610) kWh<br />

= 3,13<br />

45436 kWh<br />

ϑK,A = Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

ηKE,J = Jahresnutzungsgrad Kessel<br />

ε = Leistungszahl Wärmepumpe<br />

W = <strong>Energie</strong>menge<br />

JAZ = Jahresarbeitszahl der <strong>Wärmepumpen</strong>anlage<br />

Bild 65: Summenhäufigkeitskurve und daraus abgeleitete<br />

<strong>Energie</strong>bedarfsanteile und Kennzahlen. Der Korrekturfak tor «f»<br />

ist mit grösseren Unsi<strong>ch</strong>erheiten behaftet (siehe Text).<br />

PSteuerung/Regelung = 0,1 kW<br />

43,0 kW<br />

COP =<br />

(12,7 + 0,385 + 0,159 + 0,1) kW<br />

COP = 3,22<br />

Jahresarbeitszahl JAZ<br />

Die Jahresarbeitszahl ist die wi<strong>ch</strong>tigste Kenngrösse für die<br />

Beurteilung einer <strong>Wärmepumpen</strong>anlage. Es werden alle<br />

zugeführten und produzierten <strong>Energie</strong>mengen eines<br />

Jahres miteinander vergli<strong>ch</strong>en. Sie kann mit Hilfe der<br />

Summenhäufigkeitskurve (Bild 65) bere<strong>ch</strong>net werden.<br />

Dabei ergeben si<strong>ch</strong> aber wieder die glei<strong>ch</strong>en Probleme<br />

wie im Leistungs-Temperatur-Diagramm: Die Werte der<br />

statis<strong>ch</strong>en Bere<strong>ch</strong>nung stimmen ni<strong>ch</strong>t mit den<br />

tatsä<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong>en Werten des dynamis<strong>ch</strong>en Betriebs überein.<br />

Dies soll dur<strong>ch</strong> den Faktor «f» korrigiert werden. Dieser<br />

Korrekturfaktor kommt analog au<strong>ch</strong> in der allgemein<br />

bekannten «Hottinger-Formel» vor. Dort wird mit 16...18<br />

«Vollbetriebsstunden» entspre<strong>ch</strong>end einem Faktor von<br />

0,67...0,75 gere<strong>ch</strong>net.<br />

Im vorliegenden Fall konnte der Faktor zuverlässiger<br />

aufgrund der <strong>Energie</strong>bedarfsre<strong>ch</strong>nung mit effektiver<br />

Nutzung gemäss SIA 380/1 festgelegt werden:<br />

172000 kWh<br />

f =<br />

(40800 + 51600 + 60200 + 87750) kWh<br />

f = 0,72<br />

Die Bere<strong>ch</strong>nung der Jahresarbeitszahlen für konstante<br />

und für gleitende Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

(Witterungsführung gemäss <strong>Wärmepumpen</strong>-«Heizkurve»<br />

in Bild 60) sind in Tabelle 65 zusammengestellt.<br />

Elektro-Thermo-Verstärkung ETV<br />

Die Elektro-Thermo-Verstärkung wird wie folgt definiert<br />

(siehe Abs<strong>ch</strong>nitt 1.2):<br />

Substitution fossil erzeugter Wärme<br />

ETV =<br />

Elektrizitäts-Mehraufwand für diese Substitution<br />

Da der Kessel der konventionellen Anlage mehr Strom<br />

brau<strong>ch</strong>t als der kleinere Kessel der <strong>Wärmepumpen</strong>anlage,<br />

kann die Differenz von 911 kWh (Zahlen aus Tabelle 66)<br />

no<strong>ch</strong> im Nenner in Abzug gebra<strong>ch</strong>t werden:<br />

(143000 - 610) kWh<br />

ETVgleitend =<br />

(41716 - 911) kWh<br />

= 3,49<br />

ETVkonstant =<br />

(143000 - 610) kWh<br />

(45436 - 911) kWh<br />

= 3,20<br />

4.7 Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keit

Eine einfa<strong>ch</strong>e «Mil<strong>ch</strong>mäd<strong>ch</strong>enre<strong>ch</strong>nung» zeigt, dass bei<br />

einem dur<strong>ch</strong>s<strong>ch</strong>nittli<strong>ch</strong>en Strompreis von 16 Rp./kWh<br />

(60% Ho<strong>ch</strong>tarif zu 20 Rp./kWh und 40% Niedertarif zu 10<br />

Rp./kWh) und einem Ölpreis von 3,5 Rp./kWh eine<br />

Jahresarbeitszahl in der Grö senordnung von etwa<br />

JAZ = 0,9 16<br />

3,5<br />

= 4,1<br />

notwendig wäre, um mit einer konventionellen Anlage<br />

konkurrieren zu können. Und dabei dürfte die<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>anlage ni<strong>ch</strong>t einmal mehr kosten als die<br />

konventionelle Anlage!<br />

Eine wesentli<strong>ch</strong> seriösere Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keitsre<strong>ch</strong>nung<br />

zeigt Tabelle 66. Die dazu notwendigen Annuitäts- und<br />

Mittelwertfaktoren sind in Tabelle 67 zusammengestellt.<br />

Ausführli<strong>ch</strong>e Hinweise mit vollständigen Tabellen enthält<br />

die folgende RAVEL-Publikation:<br />

� Müller, André und Felix Walter: RAVEL zahlt si<strong>ch</strong><br />

aus. Praktis<strong>ch</strong>er Leitfaden für Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keitsbere<strong>ch</strong>nungen.<br />

Bern: Bundesamt für Konjunkturfragen,<br />

1992. (Bezugsquelle: EDMZ, 3000 Bern, Best.-Nr.<br />

724.397.42.01 d)<br />

Die Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keitsre<strong>ch</strong>nung gemäss Tabelle 66 geht<br />

davon aus, dass der Ölpreis in Zukunft einer um 1%<br />

grösseren Preissteigerung unterworfen sein wird als der<br />

Strompreis (Begründung: stärkere Besteuerung der<br />

fossilen <strong>Energie</strong>träger z.B. dur<strong>ch</strong> CO2-Abgabe). Damit<br />

ergibt si<strong>ch</strong> immer no<strong>ch</strong> eine Jahreskostendifferenz von<br />

2'815 Franken zugunsten der konventionellen Anlage.<br />

Demgegenüber steht eine Substitution von 158'880 kWh –<br />

entspre<strong>ch</strong>end 13'350 kg – Heizöl dur<strong>ch</strong> Strom. Dies<br />

entspri<strong>ch</strong>t gemäss «RAVEL zahlt si<strong>ch</strong> aus» der folgenden<br />

Umweltkosteneinsparung (1,322 ist der Mittelwertfaktor für<br />

7% Zins und Preissteigerung 4%):<br />

13'350 kg · 0,09 Fr./kg · 1,322 = 1588 Fr.<br />

Mehr als die Hälfte der Kostendifferenz von 2815 Fr.<br />

kommt also der Umwelt zugute. (Diese Re<strong>ch</strong>nung<br />

berücksi<strong>ch</strong>tigt den Treibhauseffekt ni<strong>ch</strong>t, verna<strong>ch</strong>lässigt<br />

aber dafür die Umweltkosten der Elektrizität.)<br />

4.8 Computerbere<strong>ch</strong>nung<br />

Einerseits bekommt man nur dur<strong>ch</strong> die Bere<strong>ch</strong>nung «von<br />

Hand» ein «Gefühl» für die Zusammenhänge.<br />

Andererseits kostet sie aber ni<strong>ch</strong>t nur sehr viel Zeit,<br />

sondern es ergeben si<strong>ch</strong> au<strong>ch</strong> zwangsläufig Ungenauigkeiten,<br />

wegen der rein statis<strong>ch</strong>en Betra<strong>ch</strong>-<br />

4. Fallbeispiel<br />

Bezei<strong>ch</strong>nung Annuitätsfaktoren WP Konven-<br />

Nutzungs- Kalkulationszinssatz gleitend tionell<br />

dauer 6% 7% Fr. 8% Fr.<br />

Investitionskosten:<br />

10 Jahre 0,136 0,142 0,149<br />

– 15 Wärmepumpe, Jahre Spei<strong>ch</strong>er 0,103 0,110 16000 0,117<br />

– 20 Wärmequellenanlage<br />

Jahre 0,087 0,094 10500 0,102<br />

– Heizkessel,<br />

Mittelwertfaktoren<br />

Brenner<br />

für Kalkulationszinssatz<br />

7500<br />

7%<br />

11000<br />

– S<strong>ch</strong>alts<strong>ch</strong>rank, Elektroans<strong>ch</strong>luss<br />

7000 4000<br />

Nutzungs- Preissteigerung<br />

– Steuerung, Regelung, Pumpen<br />

10500 9500<br />

dauer 4% 5% 6% 7%<br />

– Kaminanlage<br />

7000 9000<br />

10 Jahre 1,222 1,285 1,353 1,424<br />

– Öltankanlage<br />

12000 30000<br />

–<br />

15<br />

Honorare<br />

Jahre<br />

usw.<br />

1,322 1,421 1,529<br />

27000<br />

1,647<br />

24500<br />

20 Jahre 1,419 1,558 1,713<br />

97500<br />

1,888<br />

88000<br />

Erklärung:<br />

Jährli<strong>ch</strong>e Kapitalkosten:<br />

Investitionskosten x Annuitätsfaktor = jährl. Kapitalkosten<br />

– Kalkulationszins 7%<br />

Wartungskosten x Mittelwertfaktor = mittl. jährl. Wartungskosten<br />

– <strong>Energie</strong>kosten Nutzungsdauer x Mittelwertfaktor 15 Jahre = mittl. jährl. <strong>Energie</strong>kosten<br />

– Annuitätsfaktor 0,110 10725 9680<br />

Tabelle Jährli<strong>ch</strong>e 67: Wartungs- Ausgewählte und Unter- Faktoren zur Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keitsre<strong>ch</strong>nunghaltskosten:<br />

– WP + Kessel 1500 Fr.<br />

– Kessel konv. 800 Fr.<br />

– Preissteigerung 5%<br />

– Nutzungsdauer 15 Jahre<br />

– Mittelwertfaktor 1,421 2132 1137<br />

Jährli<strong>ch</strong>e <strong>Energie</strong>kosten:<br />

– Strompreis HT 20 Rp./kWh<br />

– Strompreis NT 10 Rp./kWh<br />

– Aufteilung HT/NT 60%/40%<br />

– Heizölpreis<br />

– Preissteigerungen<br />

3,5 Rp./kWh<br />

- Strom 5%<br />

- Heizöl 6%<br />

– Nutzungsdauer<br />

– Mittelwertfaktoren<br />

15 Jahre<br />

- Strom 1,421<br />

- Heizöl 1,529<br />

– Strom WP HT 25030 kWh<br />

7114<br />

– Strom WP NT 16686 kWh<br />

2371<br />

– Strom Kessel HT 220 kWh<br />

63<br />

– Strom Kessel NT 146 kWh<br />

21<br />

– Heizöl 32220 kWh<br />

1724<br />

– Strom Kessel HT 766 kWh<br />

218<br />

– Strom Kessel NT 511 kWh<br />

73<br />

– Heizöl 191100kWh<br />

10227<br />

Jahreskosten 24150 21335<br />

Tabelle 66: Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keitsre<strong>ch</strong>nung<br />

47

4. Fallbeispiel<br />

48<br />

tungsweise. Au<strong>ch</strong> eine Optimierung dur<strong>ch</strong> Variantenre<strong>ch</strong>nung<br />

ist in den meisten Fällen viel zu auf wendig.<br />

Deshalb wurde dur<strong>ch</strong> RAVEL in Zusammenarbeit mit dem<br />

Bundesamt für <strong>Energie</strong>wirts<strong>ch</strong>aft eine Software entwickelt,<br />

die eine wesentli<strong>ch</strong> s<strong>ch</strong>nellere und genauere Bere<strong>ch</strong>nung<br />

erlaubt als die ges<strong>ch</strong>ilderte «Handre<strong>ch</strong>nung»:<br />

� Wärmeerzeugungsanlagen-Kalkulationsprogramm W-<br />

CALC bestehend aus den Modulen WP-CALC für<br />

<strong>Wärmepumpen</strong> und WKK-CALC für Wärmekraftkopplungsanlagen.<br />

Bern: Bundesamt für<br />

<strong>Energie</strong>wirts<strong>ch</strong>aft und Bundesamt für Konjunkturfragen,<br />

1993.<br />

Hier einige Besonderheiten des Programms:<br />

– Mit DRY-Meteodaten (speziell für <strong>Energie</strong>anwendungen<br />

entwickelt) wird ein typis<strong>ch</strong>es Jahr tageweise in<br />

Stundens<strong>ch</strong>ritten dur<strong>ch</strong>gere<strong>ch</strong>net. Damit können<br />

Spei<strong>ch</strong>erbewirts<strong>ch</strong>aftung, Quellentemperaturverlauf,<br />

Ferienbetrieb, Tarifaufteilung, Jahresarbeitszahl usw.<br />

wesentli<strong>ch</strong> genauer bere<strong>ch</strong>net werden.<br />

– Dur<strong>ch</strong> die Berücksi<strong>ch</strong>tigung des effektiven Heizenergiebedarfs<br />

mit Darstellung der <strong>Energie</strong>kennlinie<br />

werden häufige Dimensionierungsfehler wesentli<strong>ch</strong><br />

besser erkannt.<br />

– Die Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keitsre<strong>ch</strong>nung na<strong>ch</strong> BKP-Nummern<br />

mit individueller Nutzungsdauer der einzelnen Bauteile<br />

ist wesentli<strong>ch</strong> genauer.

5. Bewilligungsverfahren<br />

5.1 Elektrizitätswerk<br />

Bei <strong>Wärmepumpen</strong>anlagen werden grössere Asyn<strong>ch</strong>ronmotoren<br />

im Berei<strong>ch</strong> der Haushaltstromversorgung<br />

eingesetzt. Deren Anlauf kann in s<strong>ch</strong>wa<strong>ch</strong> ausgelegten<br />

Netzen zu unzulässigen Spannungseinbrü<strong>ch</strong>en führen.<br />

<strong>Wärmepumpen</strong> sind deshalb bewilligungspfli<strong>ch</strong>tig. Die<br />

Ans<strong>ch</strong>lussbedingungen sind geregelt in:<br />

� Empfehlungen für den Ans<strong>ch</strong>luss von <strong>Wärmepumpen</strong>anlagen<br />

für Heizung und Wassererwärmung an das Netz<br />

der Elektrizitätswerke. Züri<strong>ch</strong>: Verband S<strong>ch</strong>weizeris<strong>ch</strong>er<br />

Elektrizitätswerke (VSE), 1983. (Bezugsquelle: VSE,<br />

Bahnhofplatz 3, 8023 Züri<strong>ch</strong>, Best.-Nr. 2.29d)<br />

Damit wird eine gesamts<strong>ch</strong>weizeris<strong>ch</strong>e Vereinheitli<strong>ch</strong>ung<br />

der Beurteilung und Bewilligungsverfahren angestrebt. Da<br />

jedes Elektrizitätswerk für sein Netz verantwortli<strong>ch</strong> ist, sind<br />

allerdings örtli<strong>ch</strong>e Abwei<strong>ch</strong>ungen mögli<strong>ch</strong>. Es ist deshalb<br />

unbedingt empfehlenswert, die geltenden<br />

Ans<strong>ch</strong>lussbestimmungen des zuständigen<br />

Elektrizitätswerks frühzeitig in Er fahrung zu bringen.<br />

Ans<strong>ch</strong>lussgesu<strong>ch</strong><br />

Gesu<strong>ch</strong>sformulare können beim zuständigen Elektrizitätswerk<br />

bezogen werden. Neben objektbezogenen<br />

Daten, wie Standort, Wärmeleistungsbedarf, Wärmequelle,<br />

Betriebsart, Heizsystem usw., müssen vor allem<br />

die elektris<strong>ch</strong>en Daten gemäss Tabelle 68 angegeben<br />

werden. Diese Daten findet man in den<br />

Projektierungsunterlagen des <strong>Wärmepumpen</strong>lieferanten<br />

oder auf dem AWP-Norms<strong>ch</strong>ild (Bild 69), wel<strong>ch</strong>es auf<br />

jeder Wärmepumpe angebra<strong>ch</strong>t werden muss.<br />

Mit der Bewilligung können no<strong>ch</strong> weitere te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>e<br />

Bedingungen verbunden sein. Um beispielsweise zu<br />

verhindern, dass na<strong>ch</strong> einem Netzausfall alle anges<strong>ch</strong>lossenen<br />

<strong>Wärmepumpen</strong> glei<strong>ch</strong>zeitig anlaufen, kann<br />

eine Eins<strong>ch</strong>altverzögerung verlangt werden.<br />

Anlaufstrombegrenzung<br />

Mit der heute übli<strong>ch</strong>en Auslegung elektris<strong>ch</strong>er Netze kann<br />

damit gere<strong>ch</strong>net werden, dass über 80% der<br />

<strong>Wärmepumpen</strong> mit Direktanlauf bewilligt werden. Nur in<br />

relativ wenigen Fällen ist der bewilligte maximale<br />

Anlaufstrom kleiner als der LRA-Wert (Tabelle 68). Dann<br />

können folgende Anlaufstrombegrenzungen angewandt<br />

werden:<br />

– Einfa<strong>ch</strong>e Widerstands-Startstufe (bei kleinen Anlagen<br />

die häufigste Variante)<br />

PNT<br />

IMAX<br />

5. Bewilligungsverfahren<br />

Mittlere Aufnahmeleistung<br />

Angabe bei Normdaten (z.B. W10/W35). Zur<br />

Beurteilung der mittleren Netzbelastung.<br />

Maximaler Betriebsstrom<br />

Zur Dimensionierung der Netzzuleitung und de ren<br />

Absi<strong>ch</strong>erung.<br />

cos ϕ Kosinus Phi<br />

Zur Beurteilung der Blindstrombelastung des Netzes.<br />

Blinstromkompensation in der Regel er forderli<strong>ch</strong> bei<br />

PNT > 10 kW.<br />

LRA Blockierstrom<br />

Grösster auftretender Strom beim Start. Zur Be-<br />

IANLAUF<br />

nMAX<br />

urteilung der Netzrückwirkung bei Direktanlauf.<br />

Anlaufstrom<br />

Zur Beurteilung der Netzrückwirkung. Ent spri<strong>ch</strong>t bei<br />

Direktanlauf dem Blockierstrom LRA. Kann mit einer<br />

Starthilfe auf unter 50% reduziert werden.<br />

Maximale Anzahl Anläufe pro Stunde<br />

Zur Beurteilung der Häufigkeit von Netzrückwirkungen.<br />

In der Regel werden 3 Anläufe pro Stunde<br />

zugelassen.<br />

Tabelle 68: Elektris<strong>ch</strong>e Daten, die bei der Bewilligung eine Rolle<br />

spielen<br />

Typ<br />

Normdaten<br />

Heizleistung [Q]<br />

Kälteleistung [Q O]<br />

Aufnahmeleistung<br />

[P NT]<br />

Imax. A<br />

Heizu n g [ H2O]<br />

Verflüssiger [R]<br />

Verdam p fer [ R]<br />

W ärm eq uelle [H2O]<br />

Bild 69: AWP-Norms<strong>ch</strong>ild<br />

max.<br />

Betriebsdruck<br />

Pum pe/ Ventilator<br />

1 2<br />

A .W .P.<br />

Füllung kg<br />

LRA A Si<strong>ch</strong>erung A<br />

V/50Hz<br />

[bar]<br />

No.:<br />

Anno:<br />

Arbeitsmittel<br />

[R]<br />

[kW] [kW] [kW]<br />

kW kW kW kW<br />

A A A A<br />

V V V V<br />

50 Hz<br />

Abtauung Zusatz<br />

49

5. Bewilligungsverfahren<br />

50<br />

Hinweise zur Wärmequelle «Wasser»<br />

– Öffentli<strong>ch</strong>es Interesse geht immer vor (z.B. die Trinkwasserversorgung)<br />

– Grundwasser gilt als öffentli<strong>ch</strong>es Gewässer<br />

– Die Nutzung von Grundwasser und Oberflä<strong>ch</strong>en wasser<br />

ist konzessionspfli<strong>ch</strong>tig<br />

– Eine Konzession ist gebührenpfli<strong>ch</strong>tig und zeitli<strong>ch</strong> begrenzt<br />

– Die Konzession beinhaltet gegebenenfalls au<strong>ch</strong> die<br />

fis<strong>ch</strong>ereire<strong>ch</strong>tli<strong>ch</strong>e Bewilligung<br />

– Au<strong>ch</strong> wenn keine Bewilligung verlangt wird, müs sen<br />

selbstverständli<strong>ch</strong> allfällige andere gesetzli<strong>ch</strong>en Bestimmungen<br />

eingehalten werden<br />

Kasten 70<br />

– Stufenweise Erhöhung der Spannung mit mehreren<br />

Widerständen<br />

– Vollwellen-Sanftanlasser dur<strong>ch</strong> Widerstände mit NTC-<br />

Verhalten<br />

Mit diesen Massnahmen ist in der Regel eine Anlaufstrombegrenzung<br />

auf unter 50% des LRA-Wertes<br />

mögli<strong>ch</strong>. Die Stern-Dreieck-S<strong>ch</strong>altung ist für <strong>Wärmepumpen</strong><br />

ni<strong>ch</strong>t geeignet. Da die S<strong>ch</strong>wungmasse des<br />

Kompressors sehr klein ist, wird beim Ums<strong>ch</strong>alten<br />

praktis<strong>ch</strong> der volle Anlaufstrom wirksam. Wi<strong>ch</strong>tig ist eine<br />

Verdi<strong>ch</strong>ter-Anfahrentlastung, die das Anlaufen gegen<br />

hohen Druck verhindert.<br />

5.2 Wärmequelle<br />

Praktis<strong>ch</strong> alle Wärmequellen – ausser private Abwässer<br />

und Aussenluft – brau<strong>ch</strong>en eine Bewiligung der<br />

zuständigen kantonalen Behörden. Diese kantonalen<br />

Beurteilungen basieren auf dem eidgenössis<strong>ch</strong>en<br />

Gewässers<strong>ch</strong>utzgesetz und dem eidgenössis<strong>ch</strong>en<br />

Fis<strong>ch</strong>ereigesetz. Obwohl versu<strong>ch</strong>t wurde, gesamts<strong>ch</strong>weizeris<strong>ch</strong><br />

eine Vereinheitli<strong>ch</strong>ung zu errei<strong>ch</strong>en,<br />

wei<strong>ch</strong>en die Bewilligungspraktiken der Kantone heute<br />

no<strong>ch</strong> immer voneinander ab. Um Enttäus<strong>ch</strong>ungen und<br />

unnötige Arbeit zu vermeiden, ist es deshalb<br />

empfehlenswert, si<strong>ch</strong> bereits in der Vorprojektphase um<br />

die Bewilligungen zu kümmern. Dies lohnt si<strong>ch</strong> au<strong>ch</strong><br />

deshalb, weil oft finanzielle Begünstigungen mögli<strong>ch</strong> sind.<br />

Grundsätzli<strong>ch</strong> müssen zwei Aspekte bea<strong>ch</strong>tet wer den:<br />

– Wasserwirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>e Vors<strong>ch</strong>riften<br />

– Auflagen des Gewässers<strong>ch</strong>utzes<br />

Diese werden in Bild 71 beispielhaft für den Kanton Züri<strong>ch</strong><br />

dargestellt. Die Vors<strong>ch</strong>riften in anderen Kantonen sind<br />

zwar ähnli<strong>ch</strong>, müssen aber von Fall zu Fall abgeklärt<br />

werden. Weitere Hinweise zur Wärmequelle «Wasser»<br />

enthält Kasten 70.

Konzession<br />

(öffentli<strong>ch</strong>e Auflage<br />

ab 50 l/ min.)<br />

Bew illigung<br />

Wasser-Wasser-<strong>Wärmepumpen</strong><br />

Sole-Wasser-<strong>Wärmepumpen</strong> Luft-Wasser-<br />

Wärmepumpe<br />

keine Konzession<br />

Bew illigung<br />

- Zone S verboten<br />

- Zone A restriktive<br />

Bew illigungspraxis<br />

W asserw irts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>e Konzession Gew ässers<strong>ch</strong>utz-Bew illigung<br />

Konzession<br />

(öffentli<strong>ch</strong>e Auflage<br />

ab 800 kW)<br />

Privatgew ässer:<br />

keine Konzession<br />

Bew illigung<br />

Bew illigung (> 450 Liter<br />

Wärmeträgerflüssigkeit)<br />

- Zone S verboten<br />

keine Konzession<br />

5. Bewilligungsverfahren<br />

ungereinigtes Abw asser:<br />

- Privat keine Bew illigung<br />

- Industrie/ Gew erbe Bew illigung<br />

gereinigtes Abw asser:<br />

Einleitungsbew illigung<br />

keine Konzession keine Konzession<br />

keine Bew illigung<br />

Bild 71: Wasserwirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>e Konzessionen und Gewässers<strong>ch</strong>utz-Bewilligungen am Beispiel des Kantons Züri<strong>ch</strong><br />

51

5. Bewilligungsverfahren<br />

52<br />

dB (A)<br />

Tag<br />

Sanierung Neubau<br />

60 55<br />

Na<strong>ch</strong>t 50 45<br />

Herstellerangaben<br />

Chrrr...<br />

Tag<br />

Na<strong>ch</strong>t<br />

≤ 35 dB (A)<br />

≤ 30 dB (A)<br />

A = 0,1 4 √G<br />

A = Flä<strong>ch</strong>e [m² ]<br />

G = Arbeitsmittelfüllung<br />

[kg]<br />

Bild 72: Weitere Vors<strong>ch</strong>riften, die eingehalten werden müssen<br />

6<br />

2<br />

1 S<strong>ch</strong>alldämmung Gehäuse<br />

1<br />

WP<br />

2 S<strong>ch</strong>wingungsdämpfer<br />

3 Flexible Ans<strong>ch</strong>lüsse<br />

4 S<strong>ch</strong>wingungsdämpfende Aufhängungen<br />

5 S<strong>ch</strong>all- und s<strong>ch</strong>wingungsdämpfende Dur<strong>ch</strong>führungen<br />

6 S<strong>ch</strong>alldämpfer vor oder in Lüftungsöffnung<br />

3<br />

Bild 73: S<strong>ch</strong>alldämmassnahmen im Aufstellungsraum der<br />

Wärmepumpe<br />

4<br />

SP<br />

5<br />

5.3 Weitere Vors<strong>ch</strong>riften<br />

Neben den bisher genannten müssen no<strong>ch</strong> zahlrei<strong>ch</strong>e<br />

weitere Vors<strong>ch</strong>riften und Normen eingehalten werden, wie<br />

z.B. die eidgenössis<strong>ch</strong>e Lärms<strong>ch</strong>utzverordnung, die SIA-<br />

Norm 181 «S<strong>ch</strong>alls<strong>ch</strong>utz», SUVA-Vors<strong>ch</strong>riften,<br />

Baugesetze, feuerpolizeili<strong>ch</strong>e Vors<strong>ch</strong>riften usw. Daneben<br />

sollten unbedingt au<strong>ch</strong> die Herstellerangaben bea<strong>ch</strong>tet<br />

werden. Na<strong>ch</strong>folgend werden nur die wi<strong>ch</strong>tigsten Punkte<br />

aufgeführt.<br />

S<strong>ch</strong>alls<strong>ch</strong>utz<br />

Der Einsatz einer Wärmepumpe bedeutet – wie jeder<br />

andere Einsatz einer te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>en Einri<strong>ch</strong>tung –, dass<br />

unerwüns<strong>ch</strong>te S<strong>ch</strong>allübertragungen mögli<strong>ch</strong> sind (Bilder<br />

72 und 73):<br />

– Belästigung dur<strong>ch</strong> Körper- und Lufts<strong>ch</strong>all im Gebäudeinnern<br />

– Belästigung der Na<strong>ch</strong>bars<strong>ch</strong>aft dur<strong>ch</strong> Lufts<strong>ch</strong>all<br />

Raumbelüftung<br />

Bei kleineren <strong>Wärmepumpen</strong> genügt in der Regel ein<br />

natürli<strong>ch</strong> belüfteter Raum, der mit einer s<strong>ch</strong>alldi<strong>ch</strong>t<br />

s<strong>ch</strong>liessenden Türe vom Wohnberei<strong>ch</strong> getrennt ist. Für<br />

grössere <strong>Wärmepumpen</strong> müssen unter Umständen<br />

weitere Abklärungen getroffen werden. Der notwendige<br />

ins Freie führende Öffnungsquers<strong>ch</strong>nitt kann na<strong>ch</strong> der<br />

Formel in Bild 72 bere<strong>ch</strong>net werden.<br />

Aufstellung und Zugängli<strong>ch</strong>keit<br />

Der Aufstellungsraum der Wärmepumpe ist wie ein<br />

«normaler» Heizraum zu planen. Im Falle einer Luft-<br />

Wasser-Wärmepumpe muss zusätzli<strong>ch</strong> ein Kondensatablauf<br />

vorgesehen werden. Nur eine gut zugängli<strong>ch</strong>e<br />

Installation kann instandgehalten und gewartet werden.<br />

Die Wärmepumpe muss deshalb mindestens von zwei,<br />

besser aber von drei Seiten her zugängli<strong>ch</strong> sein. Die<br />

entspre<strong>ch</strong>enden Herstellerangaben sind zu bea<strong>ch</strong>ten.

6. Betriebsoptimierung und Erfolgskontrolle<br />

6. Betriebsoptimierung und Erfolgskontrolle<br />

☞ Warum<br />

eine Betriebsoptimierung und Erfolgskontrolle<br />

notwendig ist und wie die damit zusammenhängenden<br />

Honorierungsfragen gelöst werden können,<br />

wird ausführli<strong>ch</strong> in Heft 1, Kapitel 6, behandelt.<br />

6.1 Instrumentierung<br />

Die Betriebsoptimierung und Erfolgskontrolle<br />

beginnt bereits bei der Planung der <strong>Wärmepumpen</strong>anlage.<br />

Nur wenn man si<strong>ch</strong> zu diesem frühen Zeitpunkt<br />

über den Ablauf und die notwendige Instrumentierung im<br />

klaren ist, kann später eine einwandfreie Betriebsoptimierung<br />

und Erfolgskontrolle dur<strong>ch</strong>geführt werden. In<br />

den RAVEL-Standards<strong>ch</strong>altungen sind die notwendigen<br />

Messstellen definiert.<br />

☞ Heft<br />

5 «Standards<strong>ch</strong>altungen»<br />

In einem ersten S<strong>ch</strong>ritt wird eine Messstellenliste erstellt<br />

und die einzelnen Messpunkte im Prinzips<strong>ch</strong>ema der<br />

Wärmeerzeugungsanlage eingezei<strong>ch</strong>net. Bild 75 zeigt als<br />

Beispiel das Prinzips<strong>ch</strong>ema des RAVEL-<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>modells (Bild 74). Folgende Gruppen von<br />

Messgrössen sind zu berücksi<strong>ch</strong>tigen:<br />

– Zugeführte ho<strong>ch</strong>wertige <strong>Energie</strong>n, wie Strom, Gas und<br />

Öl<br />

– Abgegebene <strong>Energie</strong>n (Nutzenergien), wie Wärme,<br />

Kälte und Strom<br />

– Betriebsstunden und S<strong>ch</strong>althäufigkeit einzelner<br />

T<br />

T<br />

p<br />

Δp<br />

Aussentemp.<br />

Ladetemp.<br />

kWh<br />

h<br />

Imp.<br />

T<br />

T<br />

WP<br />

W P<br />

W P<br />

p<br />

p<br />

T<br />

T<br />

Bild 74: Dieses <strong>Wärmepumpen</strong>modell (Prinzips<strong>ch</strong>ema siehe Bild<br />

75) wird an RAVEL-Weiterbildungskursen einge setzt. Damit<br />

kann die Einbindung der Wärmepumpe ins Gesamt system<br />

praxisgere<strong>ch</strong>t demonstriert werden. Links der Elektros<strong>ch</strong>alts<strong>ch</strong>rank,<br />

in der Mitte die Wärmepumpe, re<strong>ch</strong>ts der<br />

Spei<strong>ch</strong>er und die «Wärmenutzungsanlage» mit Platten wärmetaus<strong>ch</strong>er.<br />

Bild 75: Prinzips<strong>ch</strong>ema des RAVEL-<strong>Wärmepumpen</strong>modells. Die für eine einwandfreie Betriebsoptimierung und Erfolgskon trolle absolut<br />

notwendigen vier Messgeräte sind hervorgehoben. Temporärmessstellen für wi<strong>ch</strong>tige Systemtemperaturen sind als<br />

Tau<strong>ch</strong>hülsensymbol dargestellt.<br />

Δp<br />

kWh<br />

m³/ h<br />

T<br />

T<br />

T<br />

T<br />

T<br />

T<br />

T<br />

T<br />

T<br />

53

6. Betriebsoptimierung und Erfolgskontrolle<br />

Vorbereitung der Messstellen für eine automatis<strong>ch</strong>e<br />

Datenaufzei<strong>ch</strong>nung<br />

Alle <strong>Energie</strong>zähler müssen mit Impulsausgängen zur<br />

Aufzei<strong>ch</strong>nung der <strong>Energie</strong>flüsse ausgerüstet sein (Beispiel<br />

siehe Bild 80). Bei Wärme- bzw. Kältezählern sollte zudem<br />

no<strong>ch</strong> ein Ausgang für die Dur<strong>ch</strong>flussmenge vorhanden sein.<br />

Eine äusserst wi<strong>ch</strong>tige Forderung bei diesen Ausgängen ist<br />

eine der Messstelle angepasste Auflösung (genügend<br />

Impulse pro <strong>Energie</strong>- bzw. Volumeneinheit). Dies bedeutet,<br />

dass bei maximaler Leistung bzw. maximalem Dur<strong>ch</strong>fluss<br />

Impulsfrequenzen im Berei<strong>ch</strong> von 0,1...1 Hz errei<strong>ch</strong>t werden<br />

sollten.<br />

Zusätzli<strong>ch</strong>e im S<strong>ch</strong>alts<strong>ch</strong>rank auf Klemmen heraus geführte<br />

potentialfreie Kontakte vereinfa<strong>ch</strong>en die Erfassung der<br />

Betriebszustände wi<strong>ch</strong>tiger S<strong>ch</strong>alts<strong>ch</strong>ützen und Melderelais.<br />

Die Aussentemperatur sollte mit mögli<strong>ch</strong>st geringem<br />

Aufwand erfasst werden können. Am einfa<strong>ch</strong>sten ist es,<br />

wenn diese im S<strong>ch</strong>alts<strong>ch</strong>rank ab Klemmen als Normsignal<br />

vorliegt (z.B. 0...10 V).<br />

Tau<strong>ch</strong>hülsen sind bei allen Temperaturmessstellen<br />

einzubauen. Eine li<strong>ch</strong>te Weite von 7 mm ist für praktis<strong>ch</strong> alle<br />

Kabeltemperaturfühler geeignet. Bei jedem Spei<strong>ch</strong>er sollten<br />

mindestens drei Messstellen (oben, Mitte, unten) vorhanden<br />

sein. Hohe S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tspei<strong>ch</strong>er erfordern oft mehr als drei<br />

Messstellen. Teilweise können dafür geeignete Tau<strong>ch</strong>hülsen<br />

au<strong>ch</strong> doppelt genutzt werden: normalerweise mit<br />

Tau<strong>ch</strong>thermometer und während einer automatis<strong>ch</strong>en<br />

Datenaufzei<strong>ch</strong>nung mit Kabeltemperaturfühler.<br />

Kasten 76<br />

54<br />

Anlageteile, wie Kompressoren, Pumpen, Ventilatoren<br />

und Brenner (evtl. mehrstufig)<br />

– Störmeldungen, wie Ho<strong>ch</strong>druckstörung, Niederdruckstörung,<br />

Brennerstörung<br />

– Aussentemperatur<br />

– Wi<strong>ch</strong>tige Systemtemperaturen (jeweils Vor- und<br />

Rücklauf bzw. Ein- und Austritt), wie Verdampfer-,<br />

Verflüssiger- und Spei<strong>ch</strong>ertemperaturen<br />

– Volumenströme an wi<strong>ch</strong>tigen Punkten im System<br />

Unbedingt notwendige Messgrössen, wel<strong>ch</strong>e der<br />

Überprüfung der Kennzahlen und <strong>Energie</strong>verbräu<strong>ch</strong>e<br />

sowie der ri<strong>ch</strong>tigen Funktion der Anlage dienen, müssen<br />

mit qualitativ guten Messgeräten als Dauermessstellen<br />

mit Messwertanzeige zur späteren manuellen Datenaufzei<strong>ch</strong>nung<br />

ausgerüstet werden.<br />

Temporäre Messstellen, die ledigli<strong>ch</strong> kurzzeitig gebrau<strong>ch</strong>t<br />

werden, beispielsweise zum hydraulis<strong>ch</strong>en Abglei<strong>ch</strong> oder<br />

als Hilfsgrössen bei der Betriebsoptimierung, können<br />

au<strong>ch</strong> nur vorbereitet werden:<br />

– Zur Dur<strong>ch</strong>flussmessung absperrbare Pass-Stücke oder<br />

nur die Messwertgeber bzw. Messstrecken ohne die<br />

teuren Mess-, Umformer- und Anzeigeeinheiten<br />

einbauen<br />

– Zur Temperaturmessung Tau<strong>ch</strong>hülsen für Kabeltemperaturfühler<br />

vorsehen<br />

Im Hinblick auf eine spätere automatis<strong>ch</strong>e Datenaufzei<strong>ch</strong>nung<br />

sollten die Hinweise gemäss Kasten Fehler!<br />

Textmarke ni<strong>ch</strong>t definiert. bea<strong>ch</strong>tet werden.<br />

Datum, <strong>Wärmepumpen</strong>anlage Bemer-<br />

Zeit Elektrozähler Wärmezähler Betriebsstundenzähler Startimpulszähler kungen,<br />

Zählerstand Bezug [kWh] Zählerstand Ertrag [kWh] Zählerstand Laufzeit [h] Zählerstand Starts [-] Störungen<br />

Zählerstand wö<strong>ch</strong>entli<strong>ch</strong> am glei<strong>ch</strong>en Wo<strong>ch</strong>entag zum glei<strong>ch</strong>en Zeitpunkt ablesen!<br />

Tabelle 77: Messprotokoll zur manuellen Datenaufzei<strong>ch</strong>nung für das RAVEL-<strong>Wärmepumpen</strong>modell

6.2 Manuelle Datenaufzei<strong>ch</strong>nung und<br />

Auswertung<br />

Dem Betreiber muss klar gema<strong>ch</strong>t werden, dass es in<br />

seinem eigenen Interesse ist, eine gewissenhafte<br />

manuelle Datenaufzei<strong>ch</strong>nung und Auswertung<br />

dur<strong>ch</strong>zuführen. Dazu sind dem Betreiber na<strong>ch</strong> der<br />

Inbetriebnahme vorbereitete Messprotokolle (Tabelle 77)<br />

und eine «Gebrau<strong>ch</strong>sanweisung» für die manuelle<br />

Datenaufzei<strong>ch</strong>nung zu überrei<strong>ch</strong>en. Während der<br />

Betriebsoptimierung ist eine wö<strong>ch</strong>entli<strong>ch</strong>e, mögli<strong>ch</strong>st<br />

immer zur selben Zeit stattfindende Datenaufzei<strong>ch</strong>nung<br />

nötig. Für spezielle Betriebs- und Lastphasen ist sogar –<br />

für kurze Zeit – eine tägli<strong>ch</strong>e Datenaufzei<strong>ch</strong>nung sinnvoll.<br />

Nur auf diese Weise besteht eine gewisse<br />

Wahrs<strong>ch</strong>einli<strong>ch</strong>keit, das Regelverhalten überprüfen zu<br />

können oder Fehlfunktionen zu erfassen (z.B. zu häufiges<br />

Ein- und Auss<strong>ch</strong>alten der Wärmepumpe).<br />

Die Auswertung und Interpretation der Daten muss<br />

laufend dur<strong>ch</strong> den Planer erfolgen. Die so gewonnenen<br />

Erkenntnisse versetzen ihn in die Lage, Mängel zu<br />

eliminieren und dur<strong>ch</strong> gezielte Korrekturen einen<br />

einwandfreien Betrieb zu garantieren.<br />

6.3 Automatis<strong>ch</strong>e Datenaufzei<strong>ch</strong>nung<br />

und Auswertung<br />

Für eine gezielte Systemoptimierung (Spei<strong>ch</strong>erbewirts<strong>ch</strong>aftung,<br />

Spitzenlasten usw.) ist bei grösseren oder<br />

komplexeren Anlagen die Erfassung des zeitli<strong>ch</strong>en<br />

Zusammenspiels der vers<strong>ch</strong>iedenen Komponenten<br />

ents<strong>ch</strong>eidend (Kasten 78). Nur mit Hilfe einer Intensivmessung<br />

mit di<strong>ch</strong>tem Aufzei<strong>ch</strong>nungsintervall<br />

können diese dynamis<strong>ch</strong>en Zusammenhänge und<br />

Funktionsabläufe erfasst werden. Dies bedingt den<br />

Einsatz von Geräten zur automatis<strong>ch</strong>en Datenaufzei<strong>ch</strong>nung.<br />

Vorhandene Gebäudeleitsysteme können unter gewissen<br />

Umständen dafür eingesetzt werden, wenn dies bei der<br />

Planung des Leitsystems bereits ins Pfli<strong>ch</strong>tenheft<br />

aufgenommen wird. Bedingung dafür ist allerdings, dass<br />

die gewüns<strong>ch</strong>ten Daten au<strong>ch</strong> tatsä<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong> ausgelesen und<br />

in einem PC-Tabellenkalkulationsprogramm<br />

weiterverarbeitet werden kö nen (ASCII-Format).<br />

Si<strong>ch</strong>er immer dafür einsetzbar sind sogenannte Datalogger<br />

wel<strong>ch</strong>e mit Eingängen für die Messung von<br />

analogen Signalen (Spannungen, Temperaturen, usw.)<br />

6. Betriebsoptimierung und Erfolgskontrolle<br />

Wann genügt eine manuelle Aufzei<strong>ch</strong>nung und wann ist<br />

eine ergänzende automatis<strong>ch</strong>e Aufzei<strong>ch</strong>nung nötig?<br />

Manuelle Aufzei<strong>ch</strong>nung genügt in der Regel bei Standard-<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>anlagen in Einfamilien häusern (monovalent<br />

und bivalent) und Mehrfamilienhäusern (monovalent,<br />

wenige Gruppen, kurze Verbindungsleitungen).<br />

Eine zusätzli<strong>ch</strong>e automatis<strong>ch</strong>e Aufzei<strong>ch</strong>nung ist bei Ni<strong>ch</strong>t-<br />

Standardanlagen in der Regel sinnvoll, speziell bei<br />

bivalenten und multivalenten Anlagen mit mehreren<br />

Gruppen und langen Verbindungslei tungen. Ausserdem ist<br />

eine automatis<strong>ch</strong>e Aufzei<strong>ch</strong>nung immer dann von Nutzen,<br />

wenn S<strong>ch</strong>wierigkeiten auftreten und deren Ursa<strong>ch</strong>e ni<strong>ch</strong>t<br />

gefunden wird.<br />

Kasten 78<br />

Bild 79: Datalogger (Quelle: Flexum Messte<strong>ch</strong>nik AG,<br />

8636 Wald)<br />

Bild 80: Elektronis<strong>ch</strong>er Elektrozähler mit Impulsausgang (Quelle:<br />

Raus<strong>ch</strong>er & Stoecklin AG, 4450 Sissa<strong>ch</strong>)<br />

55

6. Betriebsoptimierung und Erfolgskontrolle<br />

56<br />

Temperatur [°C]<br />

Temperatur [°C]<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

1 1 : ϑ1 Spei<strong>ch</strong>er 1 2 : ϑ2 Spei<strong>ch</strong> er 1 3 : ϑ3 Spei<strong>ch</strong>er<br />

1 4 : ϑ4 Spei<strong>ch</strong>er 1 5 : ϑ5 Spei<strong>ch</strong>er<br />

0 0 0,5 1,0<br />

Zeit [h]<br />

0 0 0,5 1,0<br />

Zeit [h]<br />

1,5 2,0<br />

1 1 : ϑ1 Spei<strong>ch</strong>er 1 2 : ϑ2 Spei<strong>ch</strong>er 1 3 : ϑ3 Spei<strong>ch</strong>er<br />

1 4 : ϑ4 Spei<strong>ch</strong>er 1 5 : ϑ5 Spei<strong>ch</strong> er<br />

ϑ1 = oberste Spei<strong>ch</strong>ertemperatur<br />

ϑ5 = unterste Spei<strong>ch</strong>ertemperatur<br />

1,5 2,0<br />

Bild 81: Darstellung von Messwerten in Funktion der Zeit. Damit<br />

können au<strong>ch</strong> dynamis<strong>ch</strong>e Vorgänge aufgezeigt wer den, die bei<br />

einer manuellen Aufzei<strong>ch</strong>nung ni<strong>ch</strong>t erkennbar wären. Hier sind,<br />

als Beispiel, die Spei<strong>ch</strong>ertemperaturen des RAVEL-<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>modells dargestellt. Jeweils der er ste Ladevorgang<br />

erfolgte mit und der zweite ohne Last.<br />

Oben: Bei der S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung steigt die Temperatur von oben<br />

na<strong>ch</strong> unten bei einem Fühler na<strong>ch</strong> dem andern relativ ras<strong>ch</strong> an,<br />

sobald die S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tung den Fühler passiert.<br />

Unten: Bei der Stufenladung wird der Spei<strong>ch</strong>er in etwa vier<br />

Dur<strong>ch</strong>gängen geladen. Deutli<strong>ch</strong> erkennbar ist nur die erste<br />

«Stufe», dana<strong>ch</strong> steigen die Temperaturen mehr oder we niger<br />

kontinuierli<strong>ch</strong> an, weil die S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tung infolge der kleinen<br />

Temperaturdifferenz über dem Verflüssiger von etwa 5 K und<br />

des damit verbundenen grossen Dur<strong>ch</strong>flus ses gestört ist.<br />

und digitalen Signalen (Statussignale und Impulse) sowie<br />

einem Programmspei<strong>ch</strong>er und einem Messdatenspei<strong>ch</strong>er<br />

ausgerüstet sind (Bild 79). Folgende Hinweise betreffend<br />

Messsignal und Messfühler sind zu bea<strong>ch</strong>ten:<br />

– Messfühler mit Normsignalausgang (0...1/10 V oder<br />

0/4...20 mA) sind übli<strong>ch</strong>erweise direkt an den<br />

Datalogger anzus<strong>ch</strong>liessen. Vorsi<strong>ch</strong>t gilt aber bei<br />

unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong>en Potentialen der vers<strong>ch</strong>iedenen<br />

Messsignale. Häufig kann zwis<strong>ch</strong>en Momentanwertund<br />

Mittelwertaufzei<strong>ch</strong>nung gewählt werden; bei den<br />

hier vorkommenden Signalen ist eine<br />

Mittelwertaufzei<strong>ch</strong>nung unbedingt vorzuziehen.<br />

– Die in der Hauste<strong>ch</strong>nik am häufigsten verwendeten<br />

Widerstands-Temperaturfühler (Pt 100, Pt 1000,<br />

Ni 1000, Heissleiter) bedürfen einer Linearisierung,<br />

wel<strong>ch</strong>e oft bereits im Datalogger vorgesehen ist<br />

(speziell für Pt 100). Bei man<strong>ch</strong>en Dataloggern können<br />

au<strong>ch</strong> eigene Fühlerlinearisierungen definiert werden.<br />

Bei Temperaturmessungen mit Widerstandsfühlern<br />

muss unbedingt der zusätzli<strong>ch</strong>e Widerstand der Ans<strong>ch</strong>lussleitungen<br />

mitberücksi<strong>ch</strong>tigt werden (z.B.<br />

Kompensation mittels Vierleiters<strong>ch</strong>altung). Infolge der<br />

grösseren Widerstandsänderung pro Grad sind<br />

deshalb au<strong>ch</strong> Fühler mit höheren Widerstandswerten<br />

vorzuziehen (Pt 1000 oder Ni 1000). Au<strong>ch</strong><br />

Temperaturen sollen, wenn mögli<strong>ch</strong>, als Mittelwerte<br />

über den Aufzei<strong>ch</strong>nungsintervall aufgezei<strong>ch</strong>net<br />

werden.<br />

– Die bei Dur<strong>ch</strong>fluss- und <strong>Energie</strong>zählern übli<strong>ch</strong>en<br />

Impulssignale können mit Zählereingängen erfasst<br />

werden, wel<strong>ch</strong>e die meisten Datalogger vorsehen.<br />

Zählereingänge werden mit Relaiskontakten<br />

(potentialfrei) oder mit Transistorausgängen (ni<strong>ch</strong>t<br />

immer potentialfrei) angesteuert. Da Zählereingänge<br />

die Impulse über den gewählten Aufzei<strong>ch</strong>nungsintervall<br />

aufsummieren, muss darauf gea<strong>ch</strong>tet werden, dass der<br />

maximale Zählberei<strong>ch</strong> der Eingänge ni<strong>ch</strong>t übers<strong>ch</strong>ritten<br />

wird.<br />

– Statussignale (z.B. «Pumpe ein» oder «Stufe 2 ein»)<br />

können mit den meisten Dataloggern erfasst werden.<br />

Mittels auf Klemmen im S<strong>ch</strong>alts<strong>ch</strong>rank herausgeführten<br />

Relaiskontakten oder Optokoppler-Ausgängen sind<br />

diese Signale problemlos und insbesondere<br />

ungefährli<strong>ch</strong> zu erfassen.<br />

– Interessanter als Momentanwerte sind bei Statussignalen<br />

Zeitwerte («Betriebsstunden»), wel<strong>ch</strong>e die<br />

Eins<strong>ch</strong>altdauer innerhalb eines Aufzei<strong>ch</strong>nungsintervalls<br />

angeben. Diese Art von Eingang sieht man bei<br />

Dataloggern allerdings eher selten. Diese Messungen

müssen deshalb oft über Zählereingänge dur<strong>ch</strong>geführt<br />

werden (mit Hilfe von fixen externen Zeitimpulsen).<br />

Bei automatis<strong>ch</strong>en Datenaufzei<strong>ch</strong>nungen zur Untersu<strong>ch</strong>ung<br />

des dynamis<strong>ch</strong>en Verhaltens einer Anlage<br />

haben si<strong>ch</strong> Aufzei<strong>ch</strong>nungsintervalle von etwa 10 Minuten<br />

als günstig erwiesen. Na<strong>ch</strong>dem anhand der manuellen<br />

Datenerfassung si<strong>ch</strong>ergestellt wurde, dass eine Anlage<br />

keine grösseren Mängel mehr aufweist, genügen<br />

übli<strong>ch</strong>erweise Intensivmessungen über 1 bis 2 Monate.<br />

Für die Auswertung sind normale Tabellenkalkulationsprogramme<br />

(Excel, SuperCalc, usw.) geeignet.<br />

Einige Beispiele zeigen die Bilder 81 und 83. Der<br />

Datenaustaus<strong>ch</strong> zwis<strong>ch</strong>en Datalogger und Tabellenkalkulationsprogramm<br />

ges<strong>ch</strong>ieht am einfa<strong>ch</strong>sten über ein<br />

ASCII-Datenfile. Intensivmessungen mit oder ohne Datenauswertung<br />

und Dateninterpretation werden au<strong>ch</strong> als<br />

Dienstleistung von vers<strong>ch</strong>iedenen Firmen angeboten.<br />

6.4 Erfolgskontrolle<br />

Abs<strong>ch</strong>luss jeder Betriebsoptimierung bildet die Erfolgskontrolle.<br />

Nur so kann eine einwandfreie zweite<br />

Abnahme (Garantieabnahme) dur<strong>ch</strong>geführt werden. Nun<br />

zeigt si<strong>ch</strong>, ob die Ziel- und Grenzwerte der Kennzahlen<br />

gemäss Kasten 82 au<strong>ch</strong> tatsä<strong>ch</strong>li<strong>ch</strong> errei<strong>ch</strong>t werden.<br />

Voraussetzung dazu ist allerdings, dass si<strong>ch</strong> der Bauherr<br />

diese Kennzahlen hat s<strong>ch</strong>riftli<strong>ch</strong> garantieren lassen.<br />

Die gemessenen <strong>Energie</strong>verbräu<strong>ch</strong>e ermögli<strong>ch</strong>en ferner<br />

die Erstellung einer Jahres-<strong>Energie</strong>bilanz und die<br />

Dur<strong>ch</strong>führung einer Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keitsre<strong>ch</strong>nung.<br />

6.5 Betriebsüberwa<strong>ch</strong>ung<br />

Wenn die Betriebsoptimierung dur<strong>ch</strong>geführt und die<br />

Anlage endgültig abgenommen ist, muss dafür gesorgt<br />

werden, dass au<strong>ch</strong> weiterhin ein einwandfreier Betrieb<br />

gewährleistet ist. Folgende Fragen müssen geklärt sein:<br />

– Ist eine für den Ni<strong>ch</strong>tfa<strong>ch</strong>mann verständli<strong>ch</strong>e Anlagedokumentation<br />

vorhanden? (Na<strong>ch</strong>geführte<br />

S<strong>ch</strong>emata, Funktionsbes<strong>ch</strong>reibung, sämtli<strong>ch</strong>e Reglereinstellungen,<br />

Betriebsinstruktion, wi<strong>ch</strong>tige Adressen<br />

und Telefonnummern)<br />

– Wel<strong>ch</strong>e Betriebsdaten und Ereignisse müssen dur<strong>ch</strong><br />

den Verantwortli<strong>ch</strong>en (z.B. Hauswart), zu wel<strong>ch</strong>en<br />

Zeitpunkten im Messprotokoll eingetragen werden?<br />

– Wie wertet der Betreiber die Messprotokolle aus, und<br />

wann muss er allenfalls einen Fa<strong>ch</strong>mann bei ziehen?<br />

6. Betriebsoptimierung und Erfolgskontrolle<br />

Kennzahlen zur Erfolgskontrolle<br />

4,0<br />

☞ <strong>Wärmepumpen</strong>kennzahlen und deren Bilanz-<br />

3 ,5<br />

grenzen sind 3,17 ausführli<strong>ch</strong> in Bild 3 definiert.<br />

Zielwerte sind in Tabelle 39 zusammengestellt.<br />

Die Leistungszahl ε oder der Coefficient of Performance<br />

2 ,5<br />

COP muss dur<strong>ch</strong> den Hersteller bzw. Lieferan ten der<br />

Wärmepumpe als 2,77 Ziel- und Grenzwert (siehe unten)<br />

2,0<br />

garantiert werden. Da diese Kennzahl als Mo mentanwert<br />

definiert und immer an Randbedingungen gebunden ist<br />

1 ,5<br />

(Verdampfereintritts- und Verflüssigeraustrittstemperatur), ist<br />

ein exakter messte<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>er Na<strong>ch</strong>weis nur mit<br />

1,0<br />

automatis<strong>ch</strong>er Datenaufzei<strong>ch</strong>nung mögli<strong>ch</strong> (Bild 83).<br />

Plausibilitätsbetra<strong>ch</strong>tungen 0,5<br />

sind aber au<strong>ch</strong> mit manueller<br />

Aufzei<strong>ch</strong>nung mögli<strong>ch</strong>.<br />

Leistungszahl [-]<br />

3,0<br />

Die wi<strong>ch</strong>tigste 0 Kennzahl 5 einer Wärmenpumpenanlage 1 0 15 ist 2die 0<br />

Jahresarbeitszahl JAZ. Verdampfer-Eintritt Diese muss in [°C] jedem Falle dur<strong>ch</strong><br />

die Planerin oder den Planer s<strong>ch</strong>riftli<strong>ch</strong> als Ziel- und<br />

Grenzwert (siehe unten) garantiert werden. Die Kontrolle ist<br />

Bild mittels 83: manueller Darstellung Datenaufzei<strong>ch</strong>nung eines Messwertes – in au<strong>ch</strong> Funktion dur<strong>ch</strong> anderer einen<br />

Messwerte. Laien – problemlos Hier, als Beispiel, mögli<strong>ch</strong>. die Leistungszahl in Funktion der<br />

Verdampfereintrittstemperatur mit der Verflüssigeraustrittstemperatur<br />

Bei bivalenten als Anlagen weiterem ist Parameter. es zusätzli<strong>ch</strong> Der Hersteller sinnvoll, gab denfür<br />

Nutzungsgrad der Wärmeerzeugungsanlage ηWEA<br />

L3/W45 eine Leistungszahl von 3,17 an – die ge messene<br />

Leistungszahl garantieren betrug zu lassen. jedo<strong>ch</strong> Eine nur Überprüfung 2,77!<br />

ist allerdings nur<br />

mögli<strong>ch</strong>, wenn au<strong>ch</strong> der <strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> des zusätzli<strong>ch</strong>en<br />

Wärmeerzeugers gemessen wird.<br />

Als weitere wi<strong>ch</strong>tige Kennzahl, die hier ni<strong>ch</strong>t näher<br />

behandelt wird, muss no<strong>ch</strong> die <strong>Energie</strong>kennzahl E erwähnt<br />

werden. Sie berücksi<strong>ch</strong>tigt no<strong>ch</strong> zusätzli<strong>ch</strong> bauli<strong>ch</strong>e und<br />

nutzungsspezifis<strong>ch</strong>e Aspekte. Je na<strong>ch</strong> Gebäudeart<br />

(Neubau, Sanierung) werden Ziel- und Grenzwerte für<br />

Wärme (Heizung und Warmwasser) und für den<br />

allgemeinen Stromverbrau<strong>ch</strong> vorgegeben. Vers<strong>ch</strong>iedene<br />

kantonale <strong>Energie</strong>gesetze s<strong>ch</strong>reiben für den<br />

Heizenergiebedarf (Wärmedämmna<strong>ch</strong>weis na<strong>ch</strong> SIA 380/1)<br />

Grenzwerte für die Planung vor.<br />

� Als absolutes Minimum sollte beim Bau einer<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>anlage die Jahresarbeitszahl als Ziel- und<br />

Grenzwert dem Bauherrn s<strong>ch</strong>riftli<strong>ch</strong> garantiert werden. Den<br />

beiden Werten soll dabei eine unters<strong>ch</strong>iedli<strong>ch</strong>e re<strong>ch</strong>tli<strong>ch</strong>e<br />

Bedeutung beigemessen werden:<br />

– Ni<strong>ch</strong>teinhaltung des Zielwertes sagt nur etwas<br />

über die Qualität der Planung aus, hat aber keine garantiere<strong>ch</strong>tli<strong>ch</strong>en<br />

Folgen<br />

– Ni<strong>ch</strong>teinhaltung des Grenzwertes hat hingegen garantiere<strong>ch</strong>tli<strong>ch</strong>e<br />

Folgen<br />

Wie weit und mit wel<strong>ch</strong>en re<strong>ch</strong>tli<strong>ch</strong>en Konsequenzen die<br />

übrigen Kennzahlen fixiert werden, bleibt den Beteiligten<br />

überlassen. Der Bauherr sollte si<strong>ch</strong> den<br />

Endenergieverbrau<strong>ch</strong> «Wärme» garantieren lassen, und der<br />

Planer sollte si<strong>ch</strong> – als «Rückversi<strong>ch</strong>erung» – vom<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>hersteller eine Garantie über Leistungs zahl<br />

oder COP geben lassen.<br />

Kasten 82<br />

Verflüssiger AUS [°C]<br />

4 0 4 5 5 0<br />

57

6. Betriebsoptimierung und Erfolgskontrolle<br />

Störungen und deren Ursa<strong>ch</strong>en Frühzeitig erkennbar?<br />

(dur<strong>ch</strong> Installateur<br />

oder Betreiber)<br />

Niederdruckstörung<br />

– Arbeitsmittelmangel<br />

– Zu kleine Wärmequellenleistung<br />

– Wärmeträgermangel (Wasser-Glykol-<br />

Gemis<strong>ch</strong>) auf der Wärmequellenseite<br />

– Fehlerhafte Abtauung<br />

– Fehlerhafte Wasseraufbereitung<br />

Ho<strong>ch</strong>druckstörung<br />

– Vers<strong>ch</strong>mutzter Verflüssiger<br />

– Fehlerhafte Wasseraufbereitung<br />

– Fehlerhafte Abtauung<br />

– Wassermangel im Heizungssystem<br />

Überlast Verdi<strong>ch</strong>ter<br />

– Mangel Elektrizitätsversorgung<br />

– S<strong>ch</strong>le<strong>ch</strong>te elektris<strong>ch</strong>e Ans<strong>ch</strong>lüsse<br />

– Defekt im Arbeitsmittelkreislauf<br />

Ventilator<br />

– S<strong>ch</strong>le<strong>ch</strong>te elektris<strong>ch</strong>e Ans<strong>ch</strong>lüsse<br />

– Fehlerhafte Abtauung<br />

Pumpen<br />

– S<strong>ch</strong>le<strong>ch</strong>te elektris<strong>ch</strong>e Ans<strong>ch</strong>lüsse<br />

– Me<strong>ch</strong>anis<strong>ch</strong> blockiert<br />

58<br />

Ja<br />

Ja<br />

Teilweise<br />

Nein<br />

Nein<br />

Nein<br />

Nein<br />

Nein<br />

Ja<br />

Nein<br />

Nein<br />

Nein<br />

Nein<br />

Nein<br />

Nein<br />

Ja<br />

Tabelle 84: Zusammenstellung der häufigsten Störun gen an<br />

WP-Anlagen<br />

– Was ist bei einer Störung zu tun, und wer muss<br />

informiert werden?<br />

– Wel<strong>ch</strong>e Wartungsarbeiten sind wann dur<strong>ch</strong> den<br />

Betreiber zu erledigen? (Filterwe<strong>ch</strong>sel usw.)<br />

– Wer ist dafür verantwortli<strong>ch</strong>, dass bei Änderungen und<br />

Erweiterungen die Anlagedokumentation na<strong>ch</strong>geführt<br />

wird?<br />

Bei den meisten auftretenden Betriebsstörungen handelt<br />

es si<strong>ch</strong> um Ausfälle, die über eine längere Betriebsdauer<br />

entstanden sind. Demzufolge können bei einer<br />

regelmässigen Überprüfung der Wärmepumpe<br />

Totalausfälle weitgehend vermieden werden. In Tabelle<br />

84 sind die häufigsten Störungsursa<strong>ch</strong>en bei<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>anlagen zusammengestellt. Bei minimalen<br />

Grundkenntnissen und guten Betriebsunterlagen könnten<br />

Fehlfunktionen dur<strong>ch</strong> den Installateur oder Betreiber der<br />

Anlage oft frühzeitig erkannt werden.<br />

Bei «massges<strong>ch</strong>neiderten» <strong>Wärmepumpen</strong> grösserer<br />

Bauart, die ni<strong>ch</strong>t aus einer Serienfabrikation stammen,<br />

können zusätzli<strong>ch</strong> konstruktionsbedingte Störquellen<br />

auftreten. Dabei ist vor allem auf Vibrationen zu a<strong>ch</strong>ten,<br />

die na<strong>ch</strong> einiger Zeit zu Rohrbrü<strong>ch</strong>en führen können.<br />

Au<strong>ch</strong> dieses Problem kann dur<strong>ch</strong> eine vorbeugende<br />

Wartung weitgehend gelöst werden.<br />

Zudem führen oft viel zu «grobe» Sollwertpotentiometer<br />

infolge ungenauer Einstellung zu undefinierten<br />

Betriebszuständen und Störungen. Deshalb sollte s<strong>ch</strong>on<br />

bei der Gerätewahl speziell auf die Bedienungsfreundli<strong>ch</strong>keit<br />

gea<strong>ch</strong>tet werden.

RAVEL<br />

Benennungen, Formelzei<strong>ch</strong>en, Abkürzungen<br />

Benennungen und Formelzei<strong>ch</strong>en<br />

Anlaufstrom [A]..............................................................IANLAUF<br />

Aufnahmeleistung bei Normdaten [kW]<br />

........................... PNT<br />

Auss<strong>ch</strong>alttemperatur [°C]................................................ϑAUS<br />

Betriebsstrom, maximal [A].............................................. IMAX<br />

Blockierstrom [A]............................................................LRA<br />

Brennstoffverbrau<strong>ch</strong> der Kesselanlage [kWh] ..............WKEA<br />

Druck [kPa].......................................................................... p<br />

Druckdifferenz [kPa]..........................................................Δp<br />

Dur<strong>ch</strong>fluss, Massenstrom [kg/h]........................................ m ·<br />

Dur<strong>ch</strong>fluss, Volumenstrom [m³/h].......................................V ·<br />

Eins<strong>ch</strong>alttemperatur [°C]..................................................ϑEIN<br />

Elektro-Thermo-Verstärkung [-]..................................... ETV<br />

<strong>Energie</strong>, allg. [J, MJ, Ws, kWh] ..........................................W<br />

<strong>Energie</strong>kennzahl [MJ/m²]....................................................E<br />

<strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> Abtaueinri<strong>ch</strong>tung [kWh]......................WA<br />

<strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> Carterheizung [kWh]..........................WC<br />

<strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> Steuerung/Regelung [kWh]<br />

.............. WSR<br />

<strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> Verdampferpumpe [kWh].................WP,V<br />

<strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> Verdi<strong>ch</strong>ter [kWh]...............................WWP<br />

<strong>Energie</strong>verbrau<strong>ch</strong> Verflüssigerpumpe [kWh] .................WP,K<br />

Heizleistung Verflüssiger [kW].................................. Q · WP, Q · K<br />

Hilfsenergieverbrau<strong>ch</strong> der Kesselanlage [kWh]......... WKEA,H<br />

hydraulis<strong>ch</strong>e Leistung [kW]...........................................Phydraul.<br />

Jahresarbeitszahl [-]........................................................JAZ<br />

Jahresnutzungsgrad Kessel [-].......................................ηKE,J<br />

Korrekturfaktor, allg. [-]........................................................ f<br />

Kosinus Phi [-]..............................................................cos ϕ<br />

kV-Wert [m³/h]...................................................................... kV<br />

Ladetemperatur [°C]......................................................ϑLadung<br />

Leistung Wärme, allg. [W, kW] ............................................Q ·<br />

Leistung, allg. [W, kW] .........................................................P<br />

Leistungsanteil Verdampferdruckabfall [kW]....................PV<br />

Leistungsanteil Verflüssigerdruckabfall [kW] ....................PK<br />

Leistungsaufnahme Abtaueinri<strong>ch</strong>tung, mittl. [kW] ............PA<br />

Leistungsaufnahme Pumpe [kW]................................. PPumpe<br />

Leistungsaufnahme Steuerung/Regelung [kW] .............. PSR<br />

Leistungsaufnahme Verdi<strong>ch</strong>ter [kW]...............................PWP<br />

Leistungszahl Wärmepumpe [-]...........................................ε<br />

Massenstrom [kg/h]............................................................ m ·<br />

Nutzungsgrad, Wirkungsgrad [-]........................................η<br />

Pumpenwirkungsgrad [-]...............................................ηPumpe<br />

Rücklauftemperatur [°C]................................................... ϑRL<br />

S<strong>ch</strong>althäufigkeit, maximale [1/h]<br />

..................................... nMAX<br />

Spei<strong>ch</strong>erinhalt [m³]........................................................... VSP<br />

Spei<strong>ch</strong>erkapazität [kWh]..................................................QSP<br />

Temperatur [°C]...................................................................ϑ<br />

Temperaturdiff. VL-RL im Auslegepunkt [K] ...........ΔϑAuslegung<br />

Temperaturdiff. VL-RL im Bivalenzpunkt [K] ............ ΔϑBivalenz<br />

η<br />

Temperaturdifferenz [K]....................................................Δϑ<br />

Temperaturdifferenz über Verflüssiger [K].................... ΔϑK<br />

Verdampfungstemperatur [°C]................................ϑVerdampfung<br />

Verdampfungstemperatur, minimal [°C] ..............ϑVerdampfung, MIN<br />

Verdampferaustrittstemperatur, minimal [°C] ...............ϑV,MIN<br />

Verflüssigeraustrittstemperatur [°C] ................................ϑK,A<br />

Verflüssigeraustrittstemperatur, maximal [°C] .............ϑK,MAX<br />

Verflüssigerdur<strong>ch</strong>fluss [m³/h].............................................V · K<br />

Verflüssigungstemperatur [°C]................................ϑVerflüssigung<br />

Verflüssigungstemperatur, maximal [°C] ...........ϑVerflüssigung, MAX<br />

Volumenstrom [m³/h]........................................................... V ·<br />

Vorlauftemperatur [°C]......................................................ϑVL<br />

Wärmeleistung, Wärmestrom, allg. [W, kW] ......................Q ·<br />

Wärmemenge Wärmeerzeugungsanlage [kWh].......... QWEA<br />

Wärmemenge Wärmepumpe [kWh] ................................QWP<br />

Wärmemenge, allg. [J, MJ, Ws, kWh] ................................Q<br />

Wärmeverluste der Spei<strong>ch</strong>eranlage [kWh] ....................QSPA<br />

Wirkungsgrad, Nutzungsgrad [-]........................................ η<br />

Zeit [s, h]................................................................................t<br />

Abkürzungen<br />

Abwärmenutzung..........................................................AWN<br />

Austritt.................................................................................. A<br />

Eintritt................................................................................... E<br />

Heizungsanlage................................................................HA<br />

Kessel................................................................................KE<br />

Kesselanlage.................................................................. KEA<br />

Maximalwert...................................................................MAX<br />

Minimalwert.....................................................................MIN<br />

Rücklauf.............................................................................RL<br />

Spei<strong>ch</strong>er............................................................................SP<br />

Spei<strong>ch</strong>eranlage..............................................................SPA<br />

Steuerung/Regelung.........................................................SR<br />

Verdampfer.......................................................................... V<br />

Verflüssiger («Kondensator»)............................................ K<br />

Vorlauf............................................................................... VL<br />

Wärmeabgabe..................................................................WA<br />

Wärmeerzeugungsanlage............................................ WEA<br />

Wärmekraftkopplung..................................................... WKK<br />

Wärmenutzungsanlage.................................................WNA<br />

Wärmepumpe...................................................................WP<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>heizungsanlage.................................WPHA<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>anlage.................................................. WPA<br />

Wärmequelle................................................................... WQ<br />

Wärmequellenanlage....................................................WQA<br />

Wärmerückgewinnung..................................................WRG<br />

Wärmeverteilung..............................................................WV<br />

☞ Vollständiges<br />

Verzei<strong>ch</strong>nis in Heft 1!<br />

59

INDEX<br />

Index<br />

Abgrenzung, 5<br />

Abkürzungen, 59<br />

Abluft, 24<br />

Abtauvorri<strong>ch</strong>tung, 11<br />

Abwärme, 24<br />

Abwärmenutzung, 13<br />

Abwasser, 24<br />

Anlaufstrom, 49<br />

Anlaufstrombegrenzung, 49<br />

Ans<strong>ch</strong>lussgesu<strong>ch</strong>, 49<br />

Arbeitsmittel, 12; 19<br />

Aufnahmeleistung bei Normdaten, 49<br />

Aufstellung, 52<br />

Auslegepunkt, 15<br />

Auslegung, 29<br />

Auss<strong>ch</strong>alttemperatur, 36; 37<br />

Aussenluft, 23; 34; 44<br />

Aussentemperatur, 54<br />

Auswertung, 57<br />

automatis<strong>ch</strong>e Datenaufzei<strong>ch</strong>nung, 55<br />

AWP-Norms<strong>ch</strong>ild, 49<br />

Bauarten, 7<br />

Bauteile, 8<br />

Benennungen, 59<br />

Betriebsarten, 16; 26<br />

Betriebsoptimierung, 53<br />

Betriebsstrom, maximaler, 49<br />

Betriebsstunden, 57<br />

Betriebsüberwa<strong>ch</strong>ung, 57<br />

Betriebsverhalten, 15<br />

Bewilligungsverfahren, 49<br />

Bilanzgrenzen, 6; 7<br />

bivalent-alternativer Betrieb, 17<br />

bivalent-paralleler Betrieb, 16<br />

Bivalenzpunkt, 16<br />

Blindstrom, 49<br />

Blockierstrom, 49<br />

Coefficient of Performance, 45; 57<br />

Computerbere<strong>ch</strong>nung, 48<br />

COP, 45; 57<br />

Datalogger, 56<br />

Dauermessstellen, 54<br />

Definitionen, 6; 7<br />

Direktanlauf, 49<br />

Direktnutzung, 18<br />

Druckdifferenz, 29<br />

Druckverlust, 25<br />

Dur<strong>ch</strong>fluss, 29<br />

Dur<strong>ch</strong>flusszähler, 56<br />

Einheiten, 59<br />

Einsatzbedingungen, 18<br />

Eins<strong>ch</strong>alttemperatur, 36; 37<br />

elektris<strong>ch</strong>e Widerstandsheizung, 5<br />

Elektrizitätstarife, 28<br />

Elektrizitätswerk, 49<br />

Elektro-Thermo-Verstärkung, 5; 7; 46<br />

elektronis<strong>ch</strong>es Expansionsventil, 14<br />

<strong>Energie</strong>kennlinie, 42<br />

<strong>Energie</strong>kennzahl, 57<br />

60<br />

<strong>Energie</strong>zähler, 56<br />

Entwicklungstendenzen, 14<br />

Erdregister, 22<br />

Erdrei<strong>ch</strong>, 22; 33<br />

Erdwärmesonden, 22; 26<br />

Erfolgskontrolle, 53; 57<br />

Europäis<strong>ch</strong>e Norm EN 255, 7<br />

Expansionsventil, 10<br />

Fallbeispiel, 41<br />

Fehlervermeidung, 30<br />

Fehlzirkulation, 44<br />

Filterbrunnenanlage, 21<br />

Formeln, 29<br />

Formelzei<strong>ch</strong>en, 59<br />

Frosts<strong>ch</strong>utzmittel, 19<br />

Funktionsweise der Wärmepumpe, 5<br />

Gebäudeleitsysteme, 55<br />

Geothermis<strong>ch</strong>e Wärme, 23<br />

Gewässers<strong>ch</strong>utz-Bewilligungen, 51<br />

gleitende Verflüssigeraustrittstemperatur, 18<br />

Glykol, 19<br />

Grenzwert, 57<br />

Grundwasser, 20; 31<br />

halbhermetis<strong>ch</strong>er Hubkolbenverdi<strong>ch</strong>ter, 8<br />

Heizgrenze, 16<br />

Heizkessel, 44<br />

Heizkurve, 42<br />

Heizleistung, 15; 16<br />

Heizungsanlage, 6<br />

hermetis<strong>ch</strong>er Hubkolbenverdi<strong>ch</strong>ter, 8<br />

Ho<strong>ch</strong>druckpressostat, 30<br />

hydraulis<strong>ch</strong>e Entkopplung, 35<br />

hydraulis<strong>ch</strong>er Abglei<strong>ch</strong>, 44<br />

Impulsausgänge, 54<br />

Indices, 59<br />

Indirektnutzung, 18<br />

Instrumentierung, 53<br />

Intensivmessung, 55<br />

Investitionskosten, 28<br />

Jahresarbeitszahl, 27; 46; 57<br />

Jahresnutzungsgrad, 27<br />

Kennzahlen, 6; 7; 27; 45; 57<br />

Kesselanlage, 6<br />

Kesselpumpe, 45<br />

Kleinwärmepumpe, 13<br />

Kompakt-<strong>Wärmepumpen</strong>, 7<br />

konstante Verflüssigeraustrittstemperatur, 18<br />

Kosinus Phi, 49<br />

Kosten, 28<br />

Kurzbezei<strong>ch</strong>nung, 7<br />

Leistungszahl, 27; 45; 57<br />

LRA-Wert, 49<br />

Luft-Luft-Wärmepumpe, 7<br />

Luft-Wasser-Wärmepumpe, 7; 44<br />

manuelle Datenaufzei<strong>ch</strong>nung, 55<br />

Messprotokoll, 54; 55<br />

Messstellen, 53<br />

Mikroprozessorte<strong>ch</strong>nik, 14<br />

monoenergetis<strong>ch</strong>er Betrieb, 17<br />

RAVEL

RAVEL<br />

monovalenter Betrieb, 16<br />

Niederdruckpressostat, 30<br />

Normsignalausgang, 56<br />

Nutzungsgrad der Wärmeerzeugungsanlage, 57<br />

Oberflä<strong>ch</strong>engewässer, 21; 32<br />

Planungshinweise, 15<br />

Planungszielwerte, 25<br />

PNT-Wert, 49<br />

potentialfreie Kontakte, 54<br />

Produktetoleranz, 25<br />

Pumpenleistung, 29<br />

Raumbelüftung, 52<br />

RAVEL und die <strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik, 5<br />

Rotationsverdi<strong>ch</strong>ter, 9; 14<br />

S<strong>ch</strong>alls<strong>ch</strong>utz, 52<br />

S<strong>ch</strong>althäufigkeit, 49<br />

S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung, 18; 35<br />

S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung, bivalent-alternativ, 40<br />

S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung, bivalent-parallel, 39<br />

S<strong>ch</strong>i<strong>ch</strong>tladung, monovalent, 38<br />

S<strong>ch</strong>raubenverdi<strong>ch</strong>ter, 9<br />

Scroll-Verdi<strong>ch</strong>ter, 9; 14<br />

Si<strong>ch</strong>erheitseinri<strong>ch</strong>tungen, 10<br />

Sole-Wasser-Wärmepumpe, 7<br />

Spei<strong>ch</strong>er, 35; 44<br />

Spei<strong>ch</strong>eranlage, 6<br />

Split-<strong>Wärmepumpen</strong>, 8<br />

Standards<strong>ch</strong>altungen, 29<br />

Statussignale, 56<br />

Störungen, 58<br />

Stufenladung, 18; 35<br />

Stufenladung, bivalent-alternativ, 40<br />

Stufenladung, bivalent-parallel, 39<br />

Stufenladung, monovalent, 38<br />

Tabellenkalkulationsprogramme, 57<br />

Tau<strong>ch</strong>hülsen, 54<br />

te<strong>ch</strong>nis<strong>ch</strong>er Spei<strong>ch</strong>er, 35; 36<br />

Temperatur-Leistungs-Diagramm, 15; 42<br />

Temperaturdifferenz über dem Verflüssiger, 36<br />

temporäre Messstellen, 54<br />

Turboverdi<strong>ch</strong>ter, 8<br />

Umweltstrategie, 5<br />

Verdampfer, 9; 25<br />

Verdampferpumpe, 43<br />

Verdampfungstemperatur, 15; 30<br />

Verdi<strong>ch</strong>ter, 8<br />

Verflüssiger, 10; 25<br />

Verflüssigeraustrittstemperatur, 18<br />

Verflüssigerdur<strong>ch</strong>fluss, 37<br />

Verflüssigerpumpe, 43<br />

Verflüssigungstemperatur, 15; 30<br />

Verordnung über umweltgefährdende Stoffe, 12<br />

Wärmeabgabe, 6<br />

Wärmeerzeugungsanlage, 6<br />

Wärmekraftkopplung, 5<br />

Wärmenutzungsanlage, 6<br />

Wärmepumpe, Bilanzgrenze, 6<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>-Entfeu<strong>ch</strong>ter, 13<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>-Wassererwärmer, 13<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>anlage, 6<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>heizungsanlage, 6<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>modell, 53<br />

<strong>Wärmepumpen</strong>te<strong>ch</strong>nik, 5<br />

Wärmequelle, 20; 50<br />

Wärmequellenanlage, 6<br />

Wärmerückgewinnung, 13<br />

Wärmespei<strong>ch</strong>er, 35; 36<br />

Wärmetaus<strong>ch</strong>er, 14<br />

Wärmeverteilung, 6<br />

Wärmezähler, 56<br />

Wäs<strong>ch</strong>etrocknung, 13; 14<br />

Wasser-Wasser-Wärmepumpe, 7<br />

Wasseranalyse, 21<br />

Wassererwärmung, 13<br />

Wasserwirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>e Bewilligungen, 51<br />

Widerstands-Temperaturfühler, 56<br />

Wirts<strong>ch</strong>aftli<strong>ch</strong>keit, 47<br />

Witterungsführung, 19<br />

Zielwert, 25; 27; 57<br />

Zugängli<strong>ch</strong>keit, 52<br />

INDEX<br />

61

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