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Flächenheizung/-kühlung mit Wärmepumpe im Gebäudebestand

Um den effizienten Einsatz von Wärmepumpen bei bestehenden Wohngebäuden zu ermöglichen, muss die Wärmeübergabe detailliert betrachtet werden. Und dies nicht nur mit Blick auf den Heizeinsatz im Winter. Denn alle Arten von Flächenheizsystemen eignen sich mit ihrer großen Übergabefläche auch zum Kühlen im Sommer. Worauf der Fachmann bei der Auslegung im Heiz- und Kühlfall achten muss, zeigt Frank Hartmann in diesem Beitrag.

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Die Heizungsmodernisierung wurde in der Vergangenheit oft nur als reiner Kessel tausch realisiert, während die Wärmeübergabe oft im Abseits stand. Dies hat sich nicht zuletzt aufgrund der erweiterten Fördermöglichkeiten im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) geändert. Insbesondere wenn eine Heizwärmepumpe im Gebäudebestand eingesetzt wird, muss der Fachmann die Wärmeübergabe genau prüfen und planen. Denn aus der Funktionsweise und effizienten Betriebsweise der Wärmepumpe resultiert eine deutlich größere Bedeutung der Wärmeübergabesysteme, als es bei Kesseln der Fall ist.

Die Wärmeübergabe heute und morgen

In bestehenden Wohngebäuden erfolgt laut Statista.com die Beheizung noch immer zu 75 % mit den fossilen Energieträgern Erdgas (49,5 %) und Heizöl (25 %). Dabei könnte die Wärmepumpe auch im Gebäudebestand eine ebenso relevante Rolle spielen, wie sie es im Neubau schon tut. Die DIN EN 15450 „Planung von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen“ trifft im Abschnitt „Systemanforderungen“ die Aussage, „dass ein Wärmepumpensystem so zu planen ist, dass die höchstmögliche Jahresarbeitszahl (SPF) in Bezug auf die gewählte Wärmequelle erreicht wird“. Dabei gilt: Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ist, desto höher fällt die Jahresarbeitszahl aus, d. h. die Effizienz der Anlage steigt. Dieses Grundprinzip lässt sich aus den Herstellerangaben zum COP (Coefficient of Performance), also am Verhältnis von Quellen- und Senkentemperatur an einem bestimmten Betriebspunkt, gleichermaßen erkennen.

Mit Blick auf eine möglichst hohe Effizienz werden Wärmepumpen idealerweise mit einem niedrig temperierten Flächenheiz- und -kühlsystem kombiniert. In Verbindung mit reversiblen Heizwärmepumpen sollte der Fachmann sowohl den effizienten Heiz- als auch den Kühlbetrieb betrachten, um damit den aktuellen und künftigen Anforderungen an das Raumklima im Winter und im Sommer zu entsprechen.

Wärmeübergabe und Jahresarbeitszahl

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist ein empirischer Wert zur Beurteilung der Gesamteffizienz einer Wärmepumpenanlage unter Berücksichtigung vieler Randparameter. Sie kann nach VDI 4650 „Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen“ ermittelt werden. Dabei wird die im Jahresverlauf zugeführte (elektrische) Energie zur abgegebenen (thermischen) Energie ins Verhältnis gesetzt. Die JAZ ist Bestandteil der Planung einer Wärmepumpenanlage. Umso wichtiger ist es in diesem Zusammenhang, die Wärmeübergabe optimal auf einen möglichst effizienten Betrieb der Wärmepumpe auszulegen.

Die DIN EN 15450 nennt in Anhang C „Standard-Mindestwerte zur Jahresarbeitszahl“ und verweist des Weiteren auf etwaige JAZ-Mindestwerte in nationalen Anhängen. Als BEG-Anforderung an Wärmepumpen legt das Bafa bestimmte JAZ-Mindestwerte fest, deren Nachweis gemäß VDI 4650 zu führen ist. Für einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe ist eine optimale Abstimmung der Wärmequellenanlage mit der Wärmenutzungsanlage unabdingbare Planungsgrundlage. Obwohl die Wärmenutzungsanlage auch die zentrale Trinkwassererwärmung (QTWW) umfasst, wird im Folgenden nur die Wärmeübergabe an den Raum (QRH) betrachtet. Während bei der Trinkwassererwärmung eine hygienisch notwendige Mindesttemperatur gefordert wird, ist die Vorlauftemperatur im Heizfall die relevante Stellgröße für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb. Während der Heizperiode verringert sich die Differenz zwischen Wärmequellen- und Wärmesenkentemperatur von der Auslegungs-Außentemperatur hin zur Heizgrenztemperatur des Gebäudes. Bei einer genauen und konsequenten Auslegung der Flächenheizung wird im dynamischen Prozess der außentemperaturgeführten Heizungsregelung die Quellen-Senken-Differenz weiter verringert.

Nur an den wenigsten Tagen der Heizperiode ist eine Vorlauftemperatur von mehr als z. B. 30 °C erforderlich. Die VDI 4645 „Heizungsanlagen mit Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern – Planung, Errichtung, Betrieb“ fordert im Abschnitt 9.3 Wärmeübergabe“ eine „möglichst niedrige Vorlauftemperatur im gesamten Heizbetrieb zu halten, um eine hohe Effizienz der Wärmepumpe zu erreichen“. Im Anhang B zeigt die VDI 4645 ein Auslegungsbeispiel nebst Optimierung durch die Absenkung der maximalen Vorlauftemperatur im Auslegungsfall durch einen engeren Verlegeabstand. Gleiches ist in der Praxis auch für die Wand- und Deckenheizung/-kühlung möglich.

Flächenheizung/-kühlung in der Modernisierung

Für die Modernisierung von Wohngebäuden mit Flächenheiz- und -kühlsystemen gibt es zum einen spezielle Fußboden-Dünnschichtsysteme, die wenig Aufbauhöhe erfordern. Alternativ oder ergänzend bieten sich auch Wand- und Deckenflächensysteme an – etwa, wenn ein wertvoller Fußbodenbelag unberührt bleiben soll, eine ohnehin neue Wandoberflächengestaltung vorgesehen ist oder falls die verfügbare Fußbodenfläche nicht ausreicht.

Übrigens: Eine Wandheizung darf im Vergleich zu Boden- und Deckensystemen eine höhere maximale Oberflächentemperatur aufweisen. Trotzdem werden immer noch gute Jahresarbeitszahlen in der Wärmeübergabe erreicht. Bei der Modernisierung trifft der Heizungsfachmann in Häusern, die in den späten 1970er-Jahren und besonders ab den 1990er-Jahren gebaut wurden, teilweise auf bestehende Fußbodenheizungen. Mit Blick auf die Gesamteffizienz und einen effizienten Wärmepumpenbetrieb muss er diese hinsichtlich der Systemtemperaturen genau untersuchen und selbige ggf. anpassen. Denn bei Bodenbelägen mit einem Wärmeleitwiderstand Rλ von mehr als 0,10 bis 0,12 m²K/W wurde die Reduzierung der Wärmestromdichte q früher oft mit einer Erhöhung der Vorlauftemperatur kompensiert (Bild B). Wegen der niedrigen Systemtemperaturen kann man bei Flächenheiz- und -kühlsystemen eher von einer Temperierung als von einer Heizung sprechen. Beide Systeme verbinden die generell größeren Volumenströme aufgrund der geringen Spreizungen/Temperaturdifferenzen (Bild C - klick für PDF Version).

Solarthermie integrieren

Mit den niedrigen Vor- und Rücklauftemperaturen von Flächenheizungen lässt sich das Potenzial für die solarthermische Heizungsunterstützung erschließen. Insbesondere Decken und Böden bieten eine über die gesamte Dynamik der Heizperiode optimale Wärmesenke für die solarthermische Wärmequellenanlage. Denn die meiste Zeit dominieren Rücklauftemperaturen < 30 °C, was den Ansatz der solaren Rücklauftemperaturhochhaltung bildet, um die solare Deckungsrate nachhaltig zu maximieren. Die Nutzung von Solarthermie reduziert die Energiekosten und die Umweltbelastung. Die Trinkwassererwärmung kann die meiste Zeit im Sommer rein solarthermisch erfolgen. In dieser Zeit ruht die Wärmepumpe. Eine entsprechende Wärmequellenanlage kann ggf. für die passive Kühlung genutzt oder natürlich regeneriert werden.
Die Aufwendungen und Kosten zur Warmwasserbereitung werden deutlich reduziert und Ressourcen geschont. Und weil sich durch den Solarthermieeinsatz die jährliche Betriebszeit der Wärmepumpe verringert, verlängert sich auch ihre Gesamtlebensdauer.

Heizen und Kühlen mit einem System

Schon zu Beginn der Konzeptentwicklung/Planung ist festzulegen, was Wärmepumpe und Flächenheizung/-kühlung leisten sollen. Für beide Systeme ist es wichtig, ob der Auftraggeber nur einen reinen Heizbetrieb oder zusätzlich eine Kühlung im Sommer möchte. Die Auslegung der Flächenkühlung kann dabei entweder nach der Heizlast (Ankühlung) oder nach der Kühllast (Vollkühlung) erfolgen. Wird eine definierte Solltemperatur im Raum gewünscht, die nicht überschritten werden sollte (z. B. 26 °C), wird eine Vollkühlung notwendig sein, die entsprechend der errechneten Kühllast (VDI 2078) ausgelegt wird. Ist lediglich eine spürbare Absenkung der Raumtemperatur im Verhältnis zur Außentemperatur von einigen Kelvin gewünscht, reicht eine Ankühlung, welche nach der Heizlast ausgelegt wird. Die Ankühlung verhält sich hydraulisch analog zum Heizbetrieb. Hinweis: Der Fachbereich Flächenheizung/-kühlung im BDH hat vor einiger Zeit am Beispiel eines realen EFH-Bauvorhabens einen Vergleich von Ankühl- und Vollkühlleistung im Verhältnis zur gerechneten Kühllast erstellt (Bild E - klick für PDF Version).

Flächenkühlung und Taupunkt

Bei jeglicher Art der Flächenkühlung ist eine Taupunktunterschreitung im und am Bauteil zu vermeiden. Um bauliche Schäden durch Kondensat auszuschließen, ist die Vorlauftemperatur im Kühlbetrieb stets oberhalb des Taupunktes zu halten. Dies kann über einen dynamischen Taupunktwächter oder durch die Sicherstellung einer nicht unterschreitbaren Mindest-Vorlauftemperatur erfolgen, z. B. von 18 °C. Dies kann sowohl am Heiz-/Kühlkreisverteiler mittels der systemintegrierten Einzelraumregelung als auch über die Wärmepumpenregelung erfolgen. Wie dies genau geschieht, ist im Rahmen der Detailplanung als wichtige sicherheitstechnische Schnittstelle beider Systeme festzulegen. Die notwendige oder gewünschte Kühlleistung ist wichtig für die Planung der Wärmepumpe als auch für die Auslegung der gewünschten Art der Flächenkühlung.

Passive und aktive Kühlung

Für den Kühlbetrieb erfolgt bei der Flächenheizung/-kühlung eine Umschaltung des Heizkreises. Dieser wird dann von der Wärmequelle zur entweder passiv oder aktiv genutzten Wärmesenke. Für eine passive Flächenkühlung ist eine erdgekoppelte Wärmequellenanlage erforderlich, z. B. eine Erdwärmesonde oder eine Grundwasser-Brunnenanlage. Die für die passive Kühlung zu nutzende Wärmequellenanlage muss hinsichtlich der möglichen Kälteleistung geprüft werden. Nur dann lässt sich feststellen, ob die gewünschte Kälteleistung ausreicht, um die gewünschte Kühllast zu kompensieren.

Sollte dies nicht der Fall sein, kann der Fachmann entweder versuchen, die Wärmequellenanalage entsprechend zu optimieren, was sich zusätzlich auch auf den Heizbetrieb günstig auswirken kann. Oder es kommt bei der Sole/Wasser-Wärmepumpenanlage die aktive Kühlung zum Einsatz. Dazu wird der Kältekreis umgekehrt und der Verdichter bleibt in Betrieb. Durch die Prozessumkehr im Kältekreis wird der Verdampfer zum Verflüssiger und der Verflüssiger zum Verdampfer. Luft/Wasser-Wärmepumpen können generell nur aktiv kühlen.

 

Fazit

Die Flächenheizung/-kühlung trägt nicht nur als Niedrigtemperatursystem zu einem effizienten Betrieb der Wärmepumpe bei, sondern ist auch in der Doppelfunktion ein ideales Wärmeübergabesystem zum Heizen und Kühlen. Für die solarthermische Heizungsunterstützung bieten die niedrigen Rücklauftemperaturen der Flächenheizung weiterhin eine optimale Wärmesenke für eine Solarwärmeanlage. Dadurch lassen sich hohe solare Deckungsraten erzielen.