Wärmepumpe

Die Wärmepumpe hebt Wärme von einem niedrigen auf ein nutzbares Temperaturniveau. Wie viel Strom sie dafür braucht, ist keine Gerätekonstante, sondern hängt vom Betriebspunkt ab – von der Temperatur der Wärmequelle und von der geforderten Vorlauftemperatur. Genau deshalb rechnet EPOS-Plan nicht mit einer pauschalen Jahresarbeitszahl, sondern mit dem vollständigen Kennfeld des Herstellers.

Leistungszahl und Jahresarbeitszahl

Der theoretische Grenzwert folgt aus dem Carnot-Prozess: Je kleiner der Temperaturhub zwischen Quelle und Senke, desto höher die erreichbare Leistungszahl. Reale Maschinen erreichen davon etwa 40 bis 50 Prozent. Als Faustwert kostet jedes Grad höhere Vorlauftemperatur rund zweieinhalb Prozent Leistungszahl – zwischen 35 und 55 Grad Vorlauf liegt damit rund ein Drittel Effizienzunterschied. Die Leistungszahl beschreibt einen Betriebspunkt, die Jahresarbeitszahl das ganze Jahr. In EPOS-Plan ist sie deshalb Ergebnis und nicht Eingabe: Sie ergibt sich aus der stündlichen Bilanz und fällt umso niedriger aus, je häufiger die Maschine bei tiefen Quellentemperaturen und hoher Vorlauftemperatur arbeiten muss.

Kennfeld und Interpolation

Für jede Vorlauftemperatur enthält das Kennfeld zu jeder Quellentemperatur die Wärmeleistung und die Leistungszahl. In der Simulation wird für jede Stunde zwischen den Stützstellen linear interpoliert; damit entsprechen Leistung und Stromaufnahme dem tatsächlichen Betriebspunkt. Unterschreitet die Temperatur den hinterlegten Bereich, weist das Programm darauf hin und fragt, ob extrapoliert werden soll – ein bewusster Stopp, weil Extrapolation außerhalb des geprüften Bereichs schnell unrealistisch wird. Kennfelder lassen sich aus dem Katalog übernehmen, selbst anlegen oder nach VDI 3805 einlesen.

Wärmequellen

Die Außenluft ist am einfachsten zu erschließen, liefert aber die schlechtesten Temperaturen genau dann, wenn der Bedarf am höchsten ist. Erdreich und Grundwasser bieten über das Jahr nahezu konstante Quellentemperaturen und damit stabilere Leistungszahlen. Abwärme aus Prozessen, Abluft oder Abwasser liegt oft auf hohem Niveau, steht aber nur begrenzt und meist nur während der Betriebszeiten zur Verfügung. EPOS-Plan bildet all das über die wählbare Wärmequelle ab: Außenluft aus den Klimadaten, konstante Quellentemperatur, ein Pufferspeicher als Quelle mit begrenztem Inhalt und einstellbarer Regeneration, ein eigenes Quellprofil aus Monats- und Wochenwerten oder ein als CSV eingelesenes Stundenprofil.

Vorlauftemperatur und Wärmesenke

Die Vorlauftemperatur ist die wichtigste Stellschraube der Effizienz und wird vom Heizsystem bestimmt – Flächenheizung, Heizkörper im Bestand oder Warmwasserbereitung. Weil Warmwasser ein deutlich höheres Niveau verlangt als die Raumheizung, lässt sich in EPOS-Plan je Maschine eine Wärmesenke festlegen: der gesamte Bedarf, nur Warmwasser oder nur Heizung. Damit werden getrennte Erzeuger für beide Aufgaben realistisch abbildbar, statt eine einzige Maschine dauerhaft auf dem höheren Niveau fahren zu lassen.

Bivalenz, Heizstab und Sperrzeiten

Eine Wärmepumpe wird selten auf die Norm-Heizlast des kältesten Tages ausgelegt, weil sie dann die überwiegende Zeit des Jahres im ungünstigen Teillastbetrieb liefe. Üblich ist eine Auslegung auf einen Teil der Heizlast mit einem zweiten Erzeuger für die wenigen kalten Tage. Beim Alternativbetrieb übernimmt der zweite Erzeuger unterhalb des Bivalenzpunkts vollständig, beim Parallelbetrieb arbeiten beide zusammen, beim teilparallelen Betrieb schaltet die Wärmepumpe unterhalb einer festgelegten Temperatur ganz ab. Den Bivalenzpunkt gibt EPOS-Plan nicht vor, sondern ermittelt ihn als die höchste Außentemperatur, bei der noch ungedeckter Bedarf auftritt, und weist den Anteil des elektrischen Heizstabs an der Jahreswärme aus – ein Anteil über etwa fünf Prozent deutet auf eine zu kleine Maschine oder eine zu hohe Vorlauftemperatur hin. Sperrzeiten des Netzbetreibers werden als Zeitfenster hinterlegt und verschieben den Bivalenzpunkt sichtbar; die entfallende Wärme muss vorher eingespeichert oder anschließend nachgeholt werden.

Betriebsmodi

Laufzeitoptimiert fährt die Maschine mit maximaler Leistung und füllt den Speicher – lange Laufzeiten, wenige Takte. Leistungsoptimiert liefert genau die momentan benötigte Wärmemenge – geringere Speicherverluste, dafür mehr Modulation. PV-optimiert fährt bevorzugt dann, wenn Solarstrom zur Verfügung steht, und nutzt Puffer und Gebäudemasse als thermischen Speicher; das erhöht den Eigenverbrauch oft wirksamer als zusätzliche Batteriekapazität. Bei mehreren Maschinen bestimmt die Priorität die Einsatzreihenfolge.

Konzept mit Booster-Wärmepumpe

Der Zielkonflikt zwischen effizienter Heizung und hygienischem Warmwasser lässt sich hydraulisch auflösen. Beim Booster-Konzept liefert die zentrale Wärmepumpe Wärme auf niedrigem Niveau mit 35 bis 45 Grad Vorlauf in einen Pufferspeicher und bleibt damit dauerhaft im effizienten Bereich. Eine kleine Booster-Wärmepumpe nutzt diesen Puffer als Quelle mit 30 bis 40 Grad – eine ungewöhnlich gute Quellentemperatur – und hebt die Temperatur auf 60 bis 65 Grad an, um einen Warmwasserpuffer zu laden. Eine Frischwasserstation erwärmt das Trinkwasser im Durchfluss, sodass kein Trinkwasser bevorratet wird und das Legionellenrisiko konstruktiv entfällt.

Der Gewinn liegt in der Jahresarbeitszahl der Hauptmaschine, die nicht mehr für das Warmwasser auf hohe Temperaturen muss, und in der klaren hydraulischen Trennung beider Aufgaben. Dem stehen der zweite Kältekreis, zusätzliche Investition und Wartung gegenüber. Ob sich das rechnet, hängt vor allem vom Warmwasseranteil ab: Je höher er ist – Mehrfamilienhaus, Hotel, Pflegeheim –, desto deutlicher der Vorteil. In EPOS-Plan bilden Sie das Konzept über zwei Wärmepumpen mit unterschiedlichen Wärmesenken ab, jede mit eigener Vorlauftemperatur, eigenem Kennfeld und eigener Priorität; die Booster-Maschine erhält den Pufferspeicher als Wärmequelle. Die zugehörigen Schemata mit Heizkreisen, Zirkulation, Solarthermie und Spitzenlast sind unter Hydraulikschemata dargestellt.

Auslegung in der Praxis

Rechnen Sie Varianten statt Faustformeln: dieselbe Maschine mit 55 und mit 40 Grad Vorlauf, mit und ohne Pufferspeicher, mit und ohne Booster. Aussagekräftig sind vier Größen – der Heizstabanteil, der ermittelte Bivalenzpunkt, die Vollbenutzungsstunden und die minimal erforderliche Spitzenkesselleistung. Für die Planung von Wärmepumpenanlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern ist die VDI 4645 die einschlägige Richtlinie; die dort geforderten Nachweise – Heizlast, Vorlauftemperatur, Betriebsweise, Sperrzeiten, Speicher – entsprechen genau den Eingaben, die EPOS-Plan verlangt.