Grundlagen/Wärmepumpe

Die Wärmepumpe entzieht einer Umgebungsquelle – Luft, Erdreich, Grundwasser oder Abwärme – Wärme auf niedrigem Temperaturniveau und hebt sie mit einem Kompressorkreislauf auf ein nutzbares Niveau für Heizung und Trinkwarmwasser an. Anders als ein Heizkessel erzeugt sie keine Wärme aus einem Brennstoff, sondern verschiebt vorhandene Umweltwärme unter Einsatz von Strom; wie viel Strom sie dafür braucht, hängt vom Temperaturhub zwischen Quelle und Vorlauf ab und nicht von einer festen Gerätekonstante. Diese Seite erklärt, was die Leistungszahl ist und wovon sie abhängt, wie sich Leistungszahl, SCOP und Jahresarbeitszahl unterscheiden, wie EPOS-Plan die Wärmepumpe Stunde für Stunde aus ihrem Kennfeld rechnet und was daraus für die Auslegung folgt. Die Bedienung – Katalog, Projektgerät, Konfiguration – beschreibt Programm Dokumentation/Wärmepumpe.

Funktionsprinzip

Ein Kältemittel verdampft auf der kalten Seite bei der Temperatur der Wärmequelle, wird vom Verdichter auf höheren Druck und höhere Temperatur gebracht, gibt die Wärme auf der warmen Seite an Heizung oder Warmwasser ab und entspannt in der Drossel zurück auf das Ausgangsniveau. Der Verdampfer nimmt dabei die Umweltwärme auf, der Verdichter fügt die elektrische Antriebsarbeit hinzu, und der Verflüssiger gibt beides zusammen als Heizwärme ab. Der Kreisprozess funktioniert, weil das Kältemittel bei niedrigem Druck schon bei Temperaturen unter null Grad siedet und bei hohem Druck erst weit über der Vorlauftemperatur wieder kondensiert; der Verdichter stellt mit dem Druckunterschied das Temperaturgefälle her, das die Wärme vom kalten zum warmen Ende „pumpt“. Hersteller weisen das Verhalten eines Geräts als Kennfeld aus – Leistungszahl und Wärmeleistung zu jeder Quell- und Vorlauftemperatur –, und genau mit diesem Kennfeld rechnet EPOS-Plan (Kennfeld und Rechnung je Stunde).

Wärmepumpe mit Wärmequelle, Kreisprozess, Pufferspeicher und Heizkreis; Energieflüsse bei 50 kW Heizlast. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

Die Heizwärme ist die Summe aus Umweltwärme und Strom, die Leistungszahl COP ist Heizwärme durch Strom. Sie hängt am Abstand zwischen Quelle und Vorlauf: Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe am Erdreich arbeitet im Winter mit Sole um 0 °C, eine Luft-Wasser-Wärmepumpe am kältesten Tag mit der kalten Außenluft. Der Pufferspeicher entkoppelt Laufzeit und Bedarf und überbrückt Sperrzeiten.

Beispiel. Ein Gebäude braucht am kältesten Tag (−12 °C) 50 kW. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit 35 °C Vorlauf erreicht im Prinzipbild einen COP von rund 4,0: Sie nimmt 12,6 kW Strom auf und 37,4 kW Umweltwärme aus dem Erdreich. Mit der Außenluft als Quelle sinkt der COP auf rund 3,0, mit 55 °C Vorlauf auf 2,7 (Erdreich) und 2,2 (Außenluft).

Leistungszahl und Temperaturhub

Die Leistungszahl (COP, coefficient of performance) ist das Verhältnis der abgegebenen Wärmeleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung in einem Betriebspunkt:

$\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}=\frac{{\dot{Q}}_{\mathrm{H}}}{P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}}=\frac{{\dot{Q}}_{\mathrm{Q}}+P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}}{P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}}$

mit der Heizleistung ${\dot{Q}}_{\mathrm{H}}$, der Verdampferleistung ${\dot{Q}}_{\mathrm{Q}}$ aus der Quelle und der Leistungsaufnahme $P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}$ des Verdichters. Ein COP von 4 bedeutet: Von vier Teilen Heizwärme stammen drei aus der Umwelt und einer aus dem Netz. Die Leistungszahl ist keine Gerätekonstante, sondern eine Funktion der beiden Temperaturen, zwischen denen die Wärmepumpe arbeitet.

Die Carnot-Grenze. Den theoretischen Höchstwert setzt der Carnot-Prozess zwischen der Temperatur der Wärmeabgabe $T_{\mathrm{V}}$ und der Temperatur der Wärmeaufnahme $T_{\mathrm{Q}}$, beide als Absoluttemperaturen in Kelvin:

${\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}}_{\mathrm{C}}=\frac{T_{\mathrm{V}}}{T_{\mathrm{V}}-T_{\mathrm{Q}}}$

Im Nenner steht der Temperaturhub, der Abstand zwischen Quelle und Vorlauf. Je kleiner er ist, desto größer wird die erreichbare Leistungszahl: Ein kleiner Hub heißt wenig Verdichtungsarbeit je Kilowattstunde Wärme. Reale Maschinen erreichen von der Carnot-Grenze nur einen Teil, den Gütegrad ${\eta }_{\mathrm{G}}=\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}/{\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}}_{\mathrm{C}}$; er liegt bei Kompressionswärmepumpen in der Größenordnung von 0,4 bis 0,5 und fasst die Verluste des Verdichters, die Druckverluste und die nötigen Temperaturabstände an Verdampfer und Verflüssiger zusammen. Diese Abstände (Grädigkeiten) vergrößern den wirklichen Hub gegenüber dem Abstand der Wassertemperaturen: Das Kältemittel verdampft einige Kelvin unter der Quelle und kondensiert einige Kelvin über dem Vorlauf. Als Faustwert kostet jedes Grad höherer Vorlauftemperatur rund 2,5 Prozent Leistungszahl, und jedes Grad kältere Quelle etwa ebenso viel.

Links die Leistungszahl über dem Temperaturhub zwischen Quelle und Vorlauf für 35 und 55 °C Vorlauf, gestrichelt die Carnot-Grenze, als Punkte die Normpunkte des Ausweises; rechts der Teillastfaktor, mit dem die Leistungszahl in einer Taktstunde sinkt. Prinzipbild nach dem Carnot-Modell mit Gütegrad 0,45, keine Herstellerkennlinie; C_d und Mindestlaufzeit aus dem Rechenkern.

Normpunkte. Damit Geräte vergleichbar sind, werden Leistungszahl und Wärmeleistung an festgelegten Temperaturpaaren gemessen (DIN EN 14511). Die Schreibweise nennt die Quelle mit ihrer Temperatur und den Vorlauf: A2/W35 ist Außenluft (air) mit 2 °C und Wasser (water) mit 35 °C Vorlauf, B0/W35 Sole (brine) mit 0 °C, W10/W35 Grundwasser mit 10 °C; die Punkte A7/W35 und A−7/W35 beschreiben eine milde und eine kalte Stunde der Luft-Wasser-Wärmepumpe. EPOS-Plan zeigt im Katalog den COP bei A2/W35 als Vergleichsspalte und liest für Planwerte und die Vorprüfung der Erdwärmesonde den Normpunkt des Wärmepumpentyps aus dem Kennfeld – Luft A2, Sole B0, Wasser W10, jeweils bei 35 °C Vorlauf. Ein Normpunkt ist ein Messpunkt auf dem Kennfeld, kein Jahreswert: Er sagt, wie gut die Maschine bei diesen zwei Temperaturen ist, nicht, wie oft sie dort arbeitet.

Beispiel. Bei 2 °C Quelle und 35 °C Vorlauf (A2/W35) beträgt der Temperaturhub 33 K und die Carnot-Grenze (35 + 273,15) / 33 = 9,3; mit dem Gütegrad 0,45 bleiben rund 4,2. Bei −7 °C Quelle wächst der Hub auf 42 K, die Grenze sinkt auf 7,3 und die Leistungszahl auf 3,3. Derselbe Hub von 33 K bei 55 °C Vorlauf (Quelle dann 22 °C) ergäbe fast dieselbe Leistungszahl, denn im Zähler steht die Absoluttemperatur; in Wirklichkeit trifft der hohe Vorlauf aber auf dieselbe kalte Quelle, der Hub wächst auf 53 K (A2/W55), und die Leistungszahl fällt auf 2,8.

COP, SCOP und Jahresarbeitszahl

Drei Kennzahlen mit ähnlichem Namen beschreiben drei verschiedene Dinge:

• Die Leistungszahl COP ist ein Punktwert: eine Maschine, zwei Temperaturen, Volllast, Prüfstand. Sie steht im Datenblatt und im Kennfeld und ist die Eingangsgröße jeder Rechnung.
• Der SCOP (seasonal coefficient of performance, DIN EN 14825) ist ebenfalls ein Prüfstandswert, aber über eine Heizperiode gewichtet: Für eine genormte Klimazone und ein Auslegungsgebäude werden die Stunden je Außentemperatur gezählt, die Maschine an vier Teillastpunkten gemessen und die Ergebnisse zu einer Jahreskennzahl zusammengefasst; die Norm rechnet dabei die Verluste des Taktens unterhalb der kleinsten Modulationsleistung mit dem Teillastkoeffizienten $C_{\mathrm{d}}$ ein. Der SCOP vergleicht Geräte unter gleichen Bedingungen, kennt aber weder das wirkliche Gebäude noch die wirkliche Hydraulik. EPOS-Plan rechnet keinen SCOP; es übernimmt aus der Norm nur den Teillastansatz mit $C_{\mathrm{d}}$ (Teillast und Takten).
• Die Jahresarbeitszahl JAZ ist das Verhältnis der im Jahr abgegebenen Wärme zum im Jahr aufgenommenen Strom einer bestimmten Anlage in einem bestimmten Gebäude – kein Gerätewert, sondern das Ergebnis des ganzen Systems aus Wärmequelle, Heizkurve, Speicher, Regelung, Sperrzeiten und Nachheizung. Die VDI 4650 Blatt 1 beschreibt ein Kurzverfahren, das die Jahresarbeitszahl aus Normpunkten und Korrekturfaktoren schätzt und Raumheizung und Trinkwassererwärmung getrennt ausweist. EPOS-Plan rechnet kein Kurzverfahren, sondern bildet die Jahresarbeitszahl aus der Stundensimulation:

$\mathrm{J}\mathrm{A}\mathrm{Z}=\frac{\sum _{h=1}^{8760}{Q}_{\mathrm{W}\mathrm{P}}(h)}{\sum _{h=1}^{8760}{W}_{\mathrm{e}\mathrm{l}}(h)}{\mathrm{J}\mathrm{A}\mathrm{Z}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{t}\mathrm{H}\mathrm{e}\mathrm{i}\mathrm{z}\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{b}}=\frac{\sum Q_{\mathrm{W}\mathrm{P}}+\sum Q_{\mathrm{H}\mathrm{S}}}{\sum W_{\mathrm{e}\mathrm{l}}+\sum Q_{\mathrm{H}\mathrm{S}}}$

Die Wärme $Q_{\mathrm{W}\mathrm{P}}$ ist die Erzeugung am Gerät einschließlich der Speicherladung, also vor den Speicherverlusten; der Strom $W_{\mathrm{e}\mathrm{l}}$ ist der Verdichterstrom der Kennlinie einschließlich des Mehrstroms aus dem Takten. Der Heizstab geht mit der Leistungszahl 1 ein, deshalb senkt er die Jahresarbeitszahl mit Heizstab umso stärker, je mehr Wärme er liefert. Nicht enthalten sind Pumpen und Hilfsenergie, die Abtauung einer Luft-Wasser-Wärmepumpe und der Strom einer reversiblen Wärmepumpe im Kühlbetrieb, der eine eigene Arbeitszahl der Kälte bekommt. Ist für die Anlage ein eigener Vorlauf der Trinkwassererwärmung gesetzt, weist EPOS-Plan die Jahresarbeitszahl außerdem je Kanal aus – Heizung und Trinkwasser getrennt, mit dem jeweils zugeordneten Heizstabanteil –, wie es die VDI 4650 Blatt 1 für die Bilanzgrenze vorsieht. Die Zahl steht nur im Ergebnis, wenn sie aus den auf 0,01 MWh gerundeten Jahressummen bis auf 5 Prozent genau ist; bei sehr kleinen Mengen steht ein Strich.

Beispiel. Liefert eine Wärmepumpe im Jahr 50 MWh Wärme und nimmt dafür 14 MWh Strom auf, beträgt ihre Jahresarbeitszahl 50 / 14 = 3,57. Deckt ein Heizstab zusätzlich 1 MWh, werden daraus (50 + 1) / (14 + 1) = 3,40: Ein Heizstabanteil von zwei Prozent der Wärme kostet fünf Prozent Arbeitszahl.

Kennfeld und Rechnung je Stunde

EPOS-Plan rechnet die Wärmepumpe nicht mit einer Formel, sondern mit dem Kennfeld des Geräts, so wie es Hersteller ausweisen und wie es sich nach VDI 3805 einlesen lässt: Je Vorlaufstufe (etwa 35, 45 und 55 °C) führt das Gerät eine Kennlinie über der Quelltemperatur, und jede Kennlinie besteht aus Stützstellen mit drei Werten – Quelltemperatur, Leistungszahl COP und Wärmeleistung ${\dot{Q}}_{\mathrm{H}}$. Die elektrische Leistung folgt daraus in jeder Stunde als $P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}={\dot{Q}}_{\mathrm{H}}/\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}$. Die Nennleistung aus dem Katalog ist dabei keine Kapazität der Rechnung: Was die Wärmepumpe in einer Stunde höchstens liefern kann, sagt allein die Wärmeleistung der Kennlinie; die Nennleistung geht nur in die hydraulische Grenze der Bivalenzrechnung ein. Gerechnet wird ausschließlich mit den Kennlinien des Projektgeräts, nicht mit denen des Katalogsatzes.

Leistungszahl über der Quelltemperatur für drei Vorlaufstufen, Betriebslinie mit Heizkurve und Bivalenztemperatur; rechts die Vorlaufwahl über die Heizkurve. Prinzipbild nach dem Carnot-Modell mit Gütegrad 0,45, keine Herstellerkennlinie.

Das Kennfeld nennt COP und Wärmeleistung je Vorlaufstufe an einigen Stützstellen der Quelltemperatur. EPOS-Plan interpoliert dazwischen linear, kappt über der obersten Stützstelle und verlängert unter der untersten, wenn die Projekteinstellung es erlaubt. Mit Anlagenkopplung folgt der Vorlauf der Heizkurve, und die Wärmepumpe rechnet zwischen den zwei Vorlaufstufen, die ihn einschließen. Unter der Bivalenztemperatur schalten Teilparallel- und Alternativbetrieb die Wärmepumpe ab, und der Kessel heizt.

Beispiel. Bei 0 °C Quelltemperatur sinkt der COP im Prinzipbild von rund 4,0 bei 35 °C Vorlauf über 3,2 bei 45 °C auf 2,7 bei 55 °C. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit einer Heizkurve von 55 °C bei −12 °C bis 35 °C bei +10 °C fährt bei 0 °C Außentemperatur 44 °C Vorlauf und erreicht einen COP von rund 3,3, bei +10 °C rund 5,6.

Interpolation, Kappung und Extrapolation

Innerhalb einer Kennlinie sind die Stützstellen nach der Quelltemperatur geordnet. Liegt die Quelltemperatur der Stunde zwischen zwei Stützstellen ${\vartheta }_0$ und ${\vartheta }_1$, werden Leistungszahl und Wärmeleistung je für sich linear interpoliert, etwa

$\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}({\vartheta }_{\mathrm{Q}})={\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}}_0+({\vartheta }_{\mathrm{Q}}-{\vartheta }_0)\cdot \frac{{\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}}_1-{\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}}_0}{{\vartheta }_1-{\vartheta }_0}$

und erst danach die elektrische Leistung als Quotient gebildet. Eine Kennlinie mit nur einer Stützstelle gilt konstant. Über der wärmsten Stützstelle wird gekappt: Es gelten die Werte dieser Stützstelle, denn eine Verlängerung nach oben würde Leistungszahlen versprechen, die das Datenblatt nicht belegt; die betroffenen Stunden werden gezählt und einmal je Gerät im Protokoll genannt. Unter der kältesten Stützstelle hängt das Verhalten von der Projekteinstellung Extrapolation der WP-Kennlinie erlauben ab (vorbelegt eingeschaltet, Programm Dokumentation): Eingeschaltet verlängert der Lauf die Kennlinie mit der Steigung der zwei untersten Stützstellen linear nach unten und vermerkt das einmal je Gerät und Vorlauf im Protokoll; ausgeschaltet bricht der Lauf mit einer Meldung ab, die Gerät und Untergrenze nennt. Zwei Ausnahmen gibt es: Für die Kanäle Trinkwasser und Prozesswärme wird unter der untersten Stützstelle nicht verlängert, sondern der Kanal ist in dieser Stunde gesperrt, und eine Wärmepumpe, deren Quelle ein von einem anderen Erzeuger geladener Pufferspeicher ist (Booster), wird auch nach unten gekappt. Wer die Extrapolation nutzt, sollte wissen, dass die verlängerte Kennlinie keine Untergrenze kennt – bei sehr kalten Quellen fallen Leistungszahl und Leistung weiter, als es ein Gerät mit Einsatzgrenze tun würde.

Vorlauf je Stunde

Welche Kennlinie des Kennfelds in einer Stunde gilt, entscheidet der Vorlauf. Ohne Anlagenkopplung rechnet die Wärmepumpe das ganze Jahr mit der Vorlaufstufe aus Auslegung für Verteilung; eine Kennlinie für diese Stufe muss vorhanden sein, sonst bricht der Lauf ab. Mit Anlagenkopplung bestimmt der gerechnete Vorlauf des Heizkreises die Kennlinie – bei mehreren gekoppelten Gebäuden das mit dem Bedarf gewichtete Mittel ihrer Heizkurven (Anlagenkopplung und Regelung). Liegt dieser Vorlauf zwischen zwei Vorlaufstufen, werden beide Kennlinien an der Quelltemperatur ausgewertet und danach Leistungszahl und Wärmeleistung je für sich linear über den Vorlauf gewichtet; das gilt immer, ohne Schalter. Liegt der Vorlauf unter der untersten Stufe, rechnet die unterste Kennlinie (die Wärmepumpe ist dann etwas zu pessimistisch bewertet); liegt er über der obersten, rechnet mit erlaubter Extrapolation die oberste Kennlinie, ohne Extrapolation bricht der Lauf ab. Ist ein Bivalenzobjekt vorhanden, wird der Vorlauf zuvor auf den Höchstvorlauf des Geräts gedeckelt (Einsatzgrenzen).

Quelltemperatur je Quellart

Die Quelltemperatur ist die Eingangsgröße der Kennlinie; einen Abstand zwischen Quelle und Verdampfung rechnet EPOS-Plan bei Kennlinien-Wärmepumpen nicht, denn der steckt schon im Kennfeld des Datenblatts. Woher die Temperatur je Stunde kommt, hängt von der Wärmequelle der Anlage ab:

Quelle	Quelltemperatur der Stunde
Außenluft (Luft-Wasser)	Außentemperatur der Klimaregion aus den Klimadaten; die Luft-Wasser-Wärmepumpe rechnet immer damit, sofern nicht die Raumluft gewählt ist
Raumluft (Aufstellraum)	konstante Lufttemperatur des Aufstellraums, vorbelegt 15 °C, zulässig 0 bis 35 °C; die entzogene Wärme wirkt nicht auf das Gebäude
Konstante Temperatur	der eingetragene Wert, etwa für Grundwasser oder Abwärme auf festem Niveau
Quellprofil, CSV-Datei	12 Monats-, 365 Tages- oder 8 760 Stundenwerte in °C
Erdreich, Kollektor	Jahresgang der Erdreichtemperatur in der Verlegetiefe (Vorgabe 1,5 m) nach dem Modell von Kusuda, ohne Rückwirkung des Entzugs
Erdreich, Sonde	ohne Sondenlänge eine Konstante aus der mittleren Jahrestemperatur; mit Sondenlänge die Soletemperatur eines Sondenfelds, das die Abkühlung durch den Wärmeentzug der Vorstunden und Vorjahre mitrechnet (Grundlagen/Wärmequelle Erdreich)
Pufferspeicher	Temperatur des Quellspeichers; je Stunde wird ihm die Verdampferwärme ${\dot{Q}}_{\mathrm{H}}-P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}$ entnommen, und ein leerer Speicher begrenzt die Leistung

Grundwasser hat keine eigene Quellart: Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe rechnet mit konstanter Temperatur, einem Profil oder einer Datei. Welche Eingaben dazu gehören, beschreibt Programm Dokumentation: Quelle.

Teillast und Takten

Die Wärmeleistung der Kennlinie ist die Volllast der Stunde. Braucht das Gebäude weniger, liefert die Wärmepumpe genau die verlangte Menge $Q$, und zwar mit der Leistungszahl der Volllast: Der Strom ist $Q/\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}$, die Laufzeit $Q/{\dot{Q}}_{\mathrm{H}}$ der Stunde. Ein eigenes Modell der Modulation – ein besserer oder schlechterer COP bei mittlerer Drehzahl – gibt es nicht; die Leistungszahl ändert sich mit der Teillast nur durch das Takten. Dazu führt das Gerät im Katalog eine Mindestleistung $P_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}$, die kleinste Leistung, auf die der Verdichter herunterregeln kann. Liegt die in einer Stunde verlangte Wärme darunter, muss die Maschine ein- und ausschalten, und jeder Anlauf kostet: Mit dem Lastverhältnis

$\mathrm{C}\mathrm{R}=\frac{Q}{P_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\cdot 1\mathrm{h}}$

sinkt die Leistungszahl nach dem Ansatz der DIN EN 14825 auf

${\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}}_{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{k}\mathrm{t}}=\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}\cdot ff=\frac{\mathrm{C}\mathrm{R}}{C_{\mathrm{d}}\cdot \mathrm{C}\mathrm{R}+(1-C_{\mathrm{d}})}$

für $0<\mathrm{C}\mathrm{R}<1$; darüber bleibt $f=1$. Der Teillastkoeffizient $C_{\mathrm{d}}$ stammt aus dem Datenblatt; ist er nicht gepflegt, gilt der Normwert 0,9. Die Wärme der Stunde bleibt, der Strom steigt um den Mehrstrom $P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}\cdot (1/f-1)$, und dieser Mehrstrom zählt in die Jahresarbeitszahl. Außerdem zählt der Lauf die Starts: in einer Taktstunde so viele Mindestläufe von 10 Minuten, wie die Wärme braucht, höchstens sechs je Stunde; ohne Takten ein Start je Laufphase. Ein Gerät ohne Mindestleistung gilt als „moduliert bis null“ und rechnet ohne Taktabschlag. Das rechte Bild oben zeigt den Teillastfaktor über dem Lastverhältnis: Bei halber Mindestleistung kostet das Takten rund zehn Prozent Strom, bei einem Fünftel schon vierzig Prozent, bei einem Zehntel verdoppelt sich der Strom fast. Deshalb lohnt es sich, eine Wärmepumpe nicht auf die Spitze zu überdimensionieren, und deshalb hilft ein Pufferspeicher, der kleine Bedarfe zu längeren Läufen bündelt.

Beispiel. Eine Wärmepumpe mit 4 kW Mindestleistung und einem COP von 4,0 soll in einer milden Stunde 2 kWh liefern. Das Lastverhältnis ist 2 / 4 = 0,5, der Teillastfaktor mit $C_{\mathrm{d}}$ = 0,9 ergibt 0,5 / (0,45 + 0,1) = 0,91, die Leistungszahl der Stunde 3,64. Statt 0,50 kWh Strom braucht die Stunde 0,55 kWh, der Mehrstrom beträgt 0,05 kWh; die Zahl der Starts ist drei, weil die 2 kWh drei Mindestläufe von 10 Minuten mit 4 kW verlangen.

Abtauung

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe vereist bei feuchter Luft um den Gefrierpunkt den Verdampfer und muss ihn regelmäßig abtauen, meist durch Umkehr des Kreisprozesses; das kostet Wärme und Strom. EPOS-Plan rechnet keine Abtauung: weder einen Abschlag nahe 0 °C noch eine Abhängigkeit von der Luftfeuchte. Gerechnet wird allein mit dem Kennfeld – und Herstellerkennlinien enthalten die Abtauverluste in den Normpunkten üblicherweise schon, so dass sie über die Stützstellen um den Gefrierpunkt in die Rechnung eingehen. Wer ein Kennfeld selbst anlegt, sollte deshalb Werte eintragen, in denen die Abtauung berücksichtigt ist. Der Ergebnisbericht nennt diese Modellgrenze ausdrücklich.

Einsatzgrenzen, Bivalenz und Heizstab

Bivalenter Betrieb. Mit Bivalenter Betrieb bekommt die Anlage einen Abschaltpunkt in °C – die Bivalenztemperatur – und eine Betriebsart. Im Parallelbetrieb läuft die Wärmepumpe immer, und der zweite Erzeuger deckt, was sie nicht schafft; im Teilparallelbetrieb schaltet sie ab, sobald die Außentemperatur den Abschaltpunkt erreicht oder unterschreitet; im Alternativbetrieb erst, wenn die Außentemperatur darunter liegt. Verglichen wird in allen Fällen mit der Außentemperatur der Klimaregion, auch bei Sole- und Wasser-Wasser-Geräten, deren Quelle gar nicht kalt wird – der Abschaltpunkt beschreibt die Heizlast des Gebäudes, nicht die Quelle. Ohne Bivalenter Betrieb läuft die Wärmepumpe ohne Abschaltpunkt. Einen Übergabeschritt an den Kessel gibt es nicht: Die Wärmepumpe liefert in jeder Stunde, was Kennfeld, Grenzen und Sperren zulassen, und der offene Rest läuft in der Erzeugerfolge zum nächsten Erzeuger.

Heizstab. Der Heizstab der Anlage mit seiner Leistung aus dem Katalog läuft als letzte Stufe der Stunde, nach allen Erzeugern und nach der Speicherentladung: Er deckt den dann noch offenen Bedarf bis zu seiner Leistung mit der Leistungszahl 1. Ein Sperrfenster kann ihn mitsperren. Der Bivalenzpunkt im Ergebnis ist die höchste Außentemperatur einer Stunde, in der vor dem Heizstab noch Bedarf offen war – also die wärmste Stunde, in der die Wärmepumpe mit allem, was ihr zur Seite steht, nicht ausgekommen ist.

Gerätegrenzen. Ein Gerät kann nicht jeden Vorlauf: Der Höchstvorlauf der Anlage (leer: der Auslegungsvorlauf) deckelt den gerechneten Vorlauf, und die Gruppe Gerätegrenzen beschreibt Spreizung, Mindestvolumenstrom und Rücklauf. Leere Felder nehmen die Vorgabe des Kältemittels – Höchstvorlauf 55 °C für R410A und R32, 70 °C für Propan (R290), 80 °C für CO₂ (R744) und R1234ze(E) –, ohne Kältemittel die allgemeine Vorgabe. Bei CO₂ wertet die Rechnung Leistung und Leistungszahl oberhalb eines Bezugsrücklaufs je Kelvin ab, weil der warme Rücklauf dort die Leistungszahl bestimmt (CO₂-Wärmepumpe). Mit gesetzter Einbindung und Anlagenkopplung entsteht daraus ein Bivalenzobjekt mit Betriebsbereichen: Unter dem Höchstvorlauf liefert die Wärmepumpe höchstens das Kleinere aus Kennfeldleistung und hydraulischer Grenze; darüber wärmt sie im Vorwärmbetrieb vor und der Kessel hebt nach, oder nur der Kessel heizt. Der Rechenweg steht unter Anlagenkopplung und Regelung, die Eingaben unter Gerätegrenzen.

Sperrzeiten und Betriebsmodus. In einer gesperrten Stunde liefert die Wärmepumpe nichts und lädt auch keinen Speicher; ein Fahrplan kann die Leistung auf einen Anteil begrenzen. Der Betriebsmodus entscheidet, was sie über den Bedarf hinaus tut: laufzeitoptimiert fährt sie volle Kennfeldleistung und lädt mit dem Überschuss die Speicher ihrer Senke, leistungsoptimiert deckt sie genau den Bedarf, PV-optimiert lädt sie nur so weit, wie Photovoltaik-Überschuss der Stunde reicht. Die Speicherladung rechnet mit der Leistungszahl der Heizkennlinie der Stunde; nur die Trinkwassererwärmung mit eigenem Vorlauf und der CO₂-Kreisprozess haben einen eigenen COP.

Kennzahlen

Kennzahl	Bedeutung	typischer Bereich
Leistungszahl (COP)	Verhältnis Wärmeleistung zu Stromaufnahme in einem Betriebspunkt	2,5 – 5,0
SCOP	saisonale Leistungszahl nach DIN EN 14825: Prüfstandswert über eine genormte Heizperiode mit Teillastpunkten; Gerätevergleich, kein Anlagenwert	3,0 – 5,0
Jahresarbeitszahl (JAZ)	Wärmeertrag zu Strombedarf über ein ganzes Jahr, Kennzahl des Systems statt des Geräts	3,0 – 4,5
Bivalenzpunkt	Außentemperatur, unterhalb derer ein zweiter Erzeuger oder ein Heizstab benötigt wird	−5 bis 0 °C
Heizstabanteil	Anteil elektrischer Zusatzheizung an der Jahreswärme bei sinnvoller Auslegung	< 5 %
Mindestleistung, Cd	kleinste Modulationsleistung des Verdichters und Teillastkoeffizient; darunter taktet das Gerät	20 – 40 % der Nennleistung; Cd 0,9

Bivalenzdiagramm: Heizlast und Wärmepumpenleistung über der Außentemperatur. Oberhalb des ersten Bivalenzpunkts („Kessel hilft unter …“) heizt die Wärmepumpe allein, darunter wärmt sie vor und der Kessel hebt nach; unterhalb des zweiten Bivalenzpunkts („Kessel allein …“) heizt nur der Kessel. Die Marke „Kennfeld …“ zeigt, wo die Leistung der Wärmepumpe ohne Grenze der Heizflächen die Heizlast schneiden würde; der Abschaltpunkt ist die eingegebene Außentemperatur, unter der die Wärmepumpe abschaltet. Beispieldiagramm aus synthetischen Reihen, kein Simulationsergebnis.

Typische Größen

Einsatzfall	Heizlast	übliche Vorlauftemperatur	Betriebsweise
Einfamilienhaus (Neubau)	6 – 10 kW	30 – 35 °C, Fußbodenheizung	monovalent
Mehrfamilienhaus (Bestand)	40 – 80 kW	45 – 55 °C, Heizkörper	meist bivalent mit Kessel
Gewerbe / Bürogebäude	80 – 150 kW	35 – 45 °C, Flächenheizung	monovalent oder bivalent, oft reversibel

Was das für die Auslegung bedeutet

Aus dem Zusammenhang zwischen Temperaturhub und Leistungszahl folgen die Regeln der Auslegung, und die Simulation macht sichtbar, was jede davon im konkreten Gebäude wert ist:

• Vorlauftemperatur senken. Der Vorlauf ist die Stellgröße, die der Planer am ehesten in der Hand hat: größere Heizflächen, ein hydraulischer Abgleich und eine flache Heizkurve senken den Hub in jeder Stunde des Jahres. Mit Anlagenkopplung rechnet EPOS-Plan die Heizkurve des Gebäudes stündlich nach und wählt die Kennlinie dazu, so dass sich die Wirkung einer anderen Auslegung der Heizflächen unmittelbar in der Jahresarbeitszahl zeigt.
• Bivalenzpunkt und Größe. Eine Wärmepumpe, die die ganze Spitzenlast deckt, ist groß, teuer und taktet in den vielen milden Stunden; eine bivalente Anlage mit Abschaltpunkt oder Parallelbetrieb lässt den zweiten Erzeuger die wenigen kalten Stunden übernehmen. Als Faustregel der Planung deckt eine Wärmepumpe, die auf etwa 60 bis 70 Prozent der Heizlast ausgelegt ist, über 90 Prozent der Jahreswärme; wie viel es im Gebäude wirklich ist, sagt der Lauf über Deckung, Bivalenzpunkt und Heizstabanteil.
• Wärmequelle. Die Quelle bestimmt die kalte Seite des Hubs: Außenluft ist ausgerechnet dann am kältesten, wenn die Heizlast am größten ist, Erdreich und Grundwasser bleiben über das Jahr nahezu konstant und verlangen dafür Erschließung (Grundlagen/Wärmequelle Erdreich); Abwärme auf 20 bis 30 °C ist die beste Quelle, wenn es sie gibt.
• Mindestleistung und Speicher. Ein Gerät mit kleiner Mindestleistung und ein Pufferspeicher, der kleine Bedarfe zu Läufen bündelt, halten den Taktabschlag klein; die Sperrzeiten des Netzbetreibers überbrückt derselbe Speicher.
• Trinkwasser trennen. Der hohe Vorlauf der Trinkwassererwärmung drückt die Arbeitszahl; ein eigener Vorlauf für das Trinkwasser, eine Booster-Wärmepumpe oder eine Nachheizung für die letzten Kelvin halten die Hauptmaschine im günstigen Bereich (Wärmepumpe mit Trinkwassererwärmung).

Beispiel. Dasselbe Gebäude mit 50 kW Heizlast bei −12 °C wird einmal mit Heizkörpern für 55 °C und einmal nach Vergrößerung der Heizflächen für 45 °C Vorlauf am kältesten Tag ausgelegt. Bei 0 °C Außentemperatur, einer häufigen Heizstunde, fährt die erste Anlage im Prinzipbild rund 44 °C Vorlauf mit einem COP von 3,3, die zweite rund 40 °C mit einem COP von 3,6: Für dieselbe Wärme braucht die zweite Anlage in dieser Stunde rund 10 Prozent weniger Strom. Über das Jahr summiert sich das in der Jahresarbeitszahl, und der Lauf zeigt zugleich, ob die kleinere Spreizung der Heizflächen mit der Mindestleistung des Geräts noch zu längeren Läufen statt zu mehr Takten führt.

CO₂-Wärmepumpe (R744)

Mit dem Kältemittel CO₂ (R744) arbeitet die Wärmepumpe anders als mit den üblichen Kältemitteln. CO₂ hat seinen kritischen Punkt bei 31,1 °C und 73,8 bar. Wird die Wärme oberhalb dieses Drucks abgegeben (transkritischer Betrieb), verflüssigt das CO₂ nicht bei gleichbleibender Temperatur, sondern kühlt als Gas ab. Der Wärmeübertrager heißt dann Gaskühler: Die Temperatur des CO₂ fällt vom heißen Austritt des Verdichters bis zum Austritt aus dem Gaskühler, und das Heizwasser steigt im Gegenstrom vom Rücklauf auf den Vorlauf. Dieser Temperaturgleit passt zu einem Heizwasser mit großer Spreizung, etwa Trinkwasser von 10 auf 65 °C: Beide Temperaturlinien liegen dicht beieinander, der Prozess nähert sich dem Idealprozess mit gleitender Wärmesenke (Lorenz-Prozess).

CO₂-Kreisprozess im Druck-Enthalpie-Bild, gezeichnet für die Kältemaschine: unter- und transkritischer Betrieb, Gaskühler, Systemvarianten und Wärmerückgewinnung. Bei der Wärmepumpe ist die Wärme des Gaskühlers die Nutzwärme, sein Austritt folgt dem Rücklauf. Prinzipbild ohne Maßstab.

Der Rücklauf ist die Leitgröße. Das CO₂ verlässt den Gaskühler knapp über der Rücklauftemperatur des Heizwassers; der Abstand heißt Approach. Je kälter dieser Austritt, desto weniger Energie verliert das Kältemittel bei der Entspannung und desto größer ist die nutzbare Wärme je Kilogramm. Ein kalter Rücklauf, wie ihn ein geschichteter Speicher in seiner untersten Zone bietet, liefert deshalb eine hohe Leistungszahl; ein warmer Rücklauf von 40 bis 50 °C, wie ihn Heizkörper erzeugen, lässt sie steil fallen. Bei anderen Kältemitteln ist es umgekehrt: Dort bestimmt vor allem der Vorlauf die Leistungszahl, der Rücklauf spielt eine kleine Rolle.

Pinch und Vorlauf. Die Wärmekapazität des CO₂ hat nahe der pseudokritischen Temperatur eine Spitze, seine Temperaturlinie ist dort stark gekrümmt. Die engste Stelle zwischen CO₂ und Heizwasser liegt deshalb oft im Innern des Gaskühlers und nicht an einem Ende. Die Rechnung prüft an mehreren Stellen entlang des Gaskühlers, dass das CO₂ überall mindestens um den Pinch wärmer ist als das Wasser. Daraus folgt ein kleinster Hochdruck, der den verlangten Vorlauf überhaupt möglich macht. Erreicht kein Druck bis zur Grenze Hochdruck max. den Vorlauf, ist die Stunde „Vorlauf nicht erreichbar“: Die Wärmepumpe liefert am höchsten erreichbaren Vorlauf, den Rest deckt der zweite Erzeuger.

Wahl des Hochdrucks. Der Hochdruck ist beim CO₂ keine feste Größe, sondern eine Stellgröße: Je Stunde sucht die Rechnung den Druck mit der größten Leistungszahl, nach unten begrenzt durch den Mindestdruck der Pinch-Prüfung, nach oben durch Hochdruck max.. Ohne Nebenbedingung liegt das Optimum vor allem am Austritt des Gaskühlers; bei hohem Vorlauf und kaltem Rücklauf bindet der Pinch, und der Druck liegt dann über dem Optimum. Liegen Rücklauf und Vorlauf tief, etwa bei Flächenheizung oder Vorwärmung, kann das CO₂ unter dem kritischen Punkt verflüssigen (subkritischer Betrieb). Die Betriebsart folgt bei der Wärmepumpe aus dem gefundenen Druck; eine feste Umschaltgrenze gibt es nicht.

Gütegrad-Deckel. Damit die Rechnung keine unphysikalisch hohe Leistungszahl liefert, begrenzt der Gütegrad höchstens (Vorgabe 0,45) die Leistungszahl gegen die des Lorenz-Prozesses. Für eine gleitende Senke gilt als mittlere Temperatur der Wärmeabgabe T_m = (θ_V − θ_R) / ln(T_V / T_R) und als ideale Leistungszahl COP_L = T_m / (T_m − T_Q); T sind Absoluttemperaturen, θ Celsiustemperaturen von Vorlauf und Rücklauf, T_Q ist die Quelltemperatur.

Beispiel. Quelle 15 °C, Heizwasser von 10 auf 65 °C: T_m beträgt rund 310 K, die ideale Leistungszahl rund 14,3. Eine Leistungszahl von 4,5 entspricht einem Gütegrad von rund 0,31; der Deckel von 0,45 greift erst bei kleinem Temperaturhub. Ein Carnot-Vergleich am Vorlauf würde gerade den Fall benachteiligen, in dem das CO₂ gut ist.

Inneres Kennfeld. EPOS-Plan löst den Kreisprozess nicht in jeder Stunde neu, sondern baut beim Laden einmal je Gerät ein inneres Kennfeld über Quelle, Vorlauf und Rücklauf. Es hält je Punkt die Leistungszahl, den Leistungsfaktor gegenüber dem Nennpunkt, den Hochdruck und die Betriebsart und wird in der Stunde dreifach linear gelesen. Die Heizkennlinie des Datenblatts liest die Simulation dann nicht mehr; sie dient nur dem Anpassen an die Datenblattpunkte. Die Abwertung nach dem Rücklauf entfällt, weil der Kreisprozess den Rücklauf selbst rechnet. Bedient die Wärmepumpe in einer Stunde mehrere Kanäle, teilt sie die Stunde auf; die Leistungszahl der Stunde ist dann die Summe der Wärmen geteilt durch die Summe der Wärmen je Leistungszahl des Kanals.

Grenzen: Der Abstand der Verdampfung zur Quelle hat je Quellart eine Vorgabe, die eine eigene Setzung ohne belegte Quelle ist; angepasste Datenblattpunkte ersetzen sie. Die Abtauung bildet der Kreisprozess nicht ab, eine Kennlinie aus dem Datenblatt enthält sie dagegen. Der Kreisprozess gilt nur für das Heizen; der Kühlbetrieb rechnet weiter über die Kühlkennlinie. Die Eingabe im Programm beschreibt Wärmepumpe: CO₂-Kreisprozess.

Wärmepumpe mit Trinkwassererwärmung

Die Trinkwassererwärmung stellt andere Anforderungen als die Heizung: Der Speicher soll auf 50 bis 60 Grad kommen, die Heizkurve verlangt oft nur 30 bis 45 Grad. Die Wärmepumpe lädt den Speicher deshalb in einer eigenen Betriebsart mit höherem Vorlauf, meist über ein Register oder einen außenliegenden Übertrager. Der Speicher erreicht dabei höchstens den Vorlauf abzüglich der Grädigkeit des Übertragers, einiger Kelvin. Der höchste Vorlauf ist zudem keine feste Gerätegröße: Er hängt vom Kältemittel und von der Quelltemperatur ab, weil der Verdichter nur in einem begrenzten Einsatzbereich aus Verdampfungs- und Kondensationstemperatur arbeitet. Datenblätter nennen den Höchstvorlauf daher oft nur oberhalb einer Mindest-Außentemperatur. Als Größenordnung für den reinen Wärmepumpenbetrieb gelten je nach Kältemittel etwa 55 bis 75 Grad, bei CO₂ (R744) bis etwa 90 Grad.

Trinkwassererwärmung mit Teilladung und Nachheizung: Die Wärmepumpe erwärmt bis zur erreichbaren Speichertemperatur, die Nachheizung hebt bis zum Sollwert. Prinzipbild, Beispielwerte.

Reicht die erreichbare Temperatur nicht bis zum Sollwert, teilt sich die Ladung: Die Wärmepumpe übernimmt die Teilladung bis zu ihrer Grenze, ein Heizstab oder Kessel die Nachheizung. Im Beispiel des Bildes erwärmt die Wärmepumpe das Wasser von 10 auf 50 Grad, die Nachheizung von 50 auf 60 Grad; bezogen auf den Temperaturhub entfallen 80 Prozent auf die Wärmepumpe und 20 Prozent auf die Nachheizung. Im Feld bleibt der Anteil des Heizstabs meist klein und tritt vor allem bei der Legionellenschaltung auf. Das Warmwasser hat gegenüber der Raumheizung den größeren Temperaturhub und deshalb die niedrigere Arbeitszahl; die VDI 4650 Blatt 1 weist die Jahresarbeitszahl für Raumheizung und Trinkwassererwärmung getrennt aus.

Kombispeicher. Ein Kombispeicher versorgt Heizung und Warmwasser aus einem Speicher. Liegt sein Sollwert über dem Heizvorlauf der Wärmepumpe, lädt sie ihn am Vorlauf der Trinkwassererwärmung, sonst am Heizvorlauf. Liegt der Sollwert des Speichers über dem Vorlauf der Trinkwassererwärmung, lädt die Wärmepumpe bis zu diesem Vorlauf; den Rest bis zum Sollwert übernimmt die Nachheizung wie bei der Teilladung. Strom und Wärme der Ladung eines Kombispeichers teilen sich nach dem Bedarf der Stunde auf Heizung und Warmwasser auf; daraus folgen die Jahresarbeitszahlen je Kanal.

Hygiene. Das DVGW-Arbeitsblatt W 551 unterscheidet Großanlagen und Kleinanlagen. Bei Großanlagen (Speicher über 400 Liter oder mehr als 3 Liter Inhalt in einer Leitung zwischen Erwärmer und Entnahmestelle) verlangt es mindestens 60 Grad am Austritt des Erwärmers und mindestens 55 Grad in der Zirkulation. In Ein- und Zweifamilienhäusern gelten 60 Grad als empfohlene Reglertemperatur, 50 Grad als untere Betriebstemperatur. Eine Wärmepumpe erreicht 60 Grad am Austritt oft nur mit Nachheizung, deshalb bleibt der Heizstab oder Kessel für die thermische Desinfektion nötig.

Brauchwasser-Wärmepumpen

Eine Brauchwasser-Wärmepumpe (Warmwasser-Wärmepumpe) ist ein Kompaktgerät: eine kleine Luft-Wasser-Wärmepumpe sitzt auf einem Trinkwasserspeicher, dessen Verflüssiger als Register am oder im Speicher liegt. Ein Heizstab dient als Zusatz, mitunter gibt es ein zweites Register für einen weiteren Erzeuger wie Solarthermie oder Kessel. Das Gerät versorgt nur das Warmwasser, nicht die Heizung.

Brauchwasser-Wärmepumpe: Wärmepumpenteil auf dem Speicher, Verflüssiger als Register, Heizstab, Luft als Quelle. Prinzipbild.

Als Wärmequelle dient Luft aus dem Aufstellraum (Umluft), die Abluft der Wohnungslüftung oder Außenluft über Kanäle. Typische Größenordnungen:

Größe	Spanne
Speicherinhalt	100 bis 300 l
Heizleistung der Wärmepumpe	etwa 0,8 bis 2 kW
Leistungsaufnahme	etwa 0,3 bis 0,6 kW
Heizstab	1,2 bis 3 kW
höchste Warmwassertemperatur nur mit Wärmepumpe	etwa 50 bis 65 °C
COP nach EN 16147	etwa 2,3 bis 4,3, je nach Lufttemperatur der Prüfung

Die EN 16147 prüft das Gerät über einen 24-Stunden-Zapfzyklus mit Bereitschaftsverlusten. Ergebnis ist der COP für die Warmwasserbereitung bei einem Zapfprofil (M, L oder XL) und einer Prüfbedingung wie „Luft 20 °C, Kaltwasser 10 °C, Speicher 53 °C“; bei kühlerer Luft fällt der COP deutlich niedriger aus. Wie Zapfprofile aufgebaut sind, steht auf der Seite Brauchwasser-Zapfprofile.

Wirkung auf den Aufstellraum. Bei Umluftbetrieb entzieht das Gerät dem Raum Wärme: Die Luft gibt etwa die Heizleistung abzüglich der elektrischen Leistung ab, bei 1,5 kW Heizleistung und COP 3 rund 1 kW, solange der Verdichter läuft. Der Raum kühlt und entfeuchtet sich um einige Kelvin. In einem beheizten Raum holt die Heizung die entzogene Wärme zurück; die Arbeitszahl des Geräts allein überschätzt dann den Nutzen. Günstiger ist ein unbeheizter Aufstellraum oder der Betrieb mit Abluft, dessen Wärmeangebot der Luftvolumenstrom begrenzt.

Kopplung mit Photovoltaik. Der Speicher ist ein Wärmespeicher für Überschussstrom: Über den SG-Ready-Kontakt oder eine Freigabe durch den Wechselrichter lädt das Gerät bei hohem PV-Ertrag auf eine höhere Speichertemperatur und hebt so den Eigenverbrauch.

Einsatz und Grenzen

Am wirtschaftlichsten arbeitet eine Wärmepumpe bei niedriger Vorlauftemperatur, also mit Flächenheizung im Neubau oder sanierten Bestand; hohe Vorlauftemperaturen unsanierter Heizkörperanlagen (etwa 70/55 °C) mindern die Leistungszahl deutlich. Die Wahl der Wärmequelle ist ein Kompromiss: Außenluft ist überall verfügbar, liefert aber ausgerechnet an kalten Tagen die schlechtesten Temperaturen; Erdreich und Grundwasser bleiben übers Jahr nahezu konstant, verlangen dafür Erschließung und Genehmigung (siehe Grundlagen/Wärmequelle Erdreich); Abwärme aus Prozessen ist die günstigste Quelle, steht aber nicht überall zur Verfügung. Ob eine Anlage möglichst lange am Stück oder bevorzugt bei verfügbarem Solarstrom läuft, ist eine Frage der Betriebsstrategie und wird je Maschine festgelegt. An sehr kalten Tagen deckt üblicherweise nicht eine überdimensionierte Wärmepumpe die Spitze, sondern ein bivalent zugeschalteter zweiter Erzeuger oder ein Heizstab, mitunter zeitlich begrenzt durch Sperrzeiten des Netzbetreibers. Ein hoher Trinkwarmwasseranteil auf höherem Temperaturniveau lässt sich über eine getrennte Wärmesenke oder ein zweistufiges Booster-Konzept von der eigentlichen Heizung entkoppeln, damit die Hauptmaschine im effizienten Bereich bleibt. Für die Planung solcher Anlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern ist die VDI 4645 die einschlägige Richtlinie.

Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Spitzenlastkessel und Pufferspeicher. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

In EPOS-Plan

EPOS-Plan rechnet die Wärmepumpe mit dem vollständigen Herstellerkennfeld. Im Projekt stellt die Kachel Wärmepumpe der Startseite die Maschinen in der „Wärmepumpen Verwaltung“ aus dem Katalog zusammen; den Katalog pflegt man unter Administration → Wärme- und Kälteerzeugung → Wärmepumpen. In der Verwaltung wählt die Detailansicht unter „Auslegung für Verteilung“ den Vorlauf und damit die Kennlinie, mit der ohne Anlagenkopplung gerechnet wird; Wärmequelle, Wärmesenke, Betriebsmodus und die übrigen Laufparameter stellt die Simulationskonfiguration (Menü Projekt → Simulation…) je Anlage ein. Einbindung, ein durchgerechnetes Beispiel, das Zusammenspiel mit anderen Erzeugern und die Fallstricke stehen auf Programm Dokumentation/Wärmepumpe, Abschnitte Einbindung, Beispiel, Zusammenspiel und Fallstricke; der Rechenweg steht unter Berechnung: Wärmepumpe. Wie die Wärmepumpe mit Anlagenkopplung am gerechneten Vorlauf, mit Sperrzeiten und mit der Übergabegrenze ihrer Einbindung rechnet, erklärt Anlagenkopplung und Regelung.

Siehe auch

• Grundlagen/Wärmequelle Erdreich – Erdwärmesonde und -kollektor als Wärmequelle
• Grundlagen/Hydraulikschemata – Wärmepumpe mit und ohne Booster, Warmwasser über Umschaltventil
• Grundlagen/Pufferspeicher – Speicher als Wärmequelle und zur Bewirtschaftung
• Grundlagen/Anlagenkopplung und Regelung – Heizkreis, Heizkurve, Fahrplan und Übergabegrenze; der Rechenweg leitet den Vorlauf her, an dem die Wärmepumpe ihre Kennlinie wählt
• Erzeuger und Speicher auswählen – der zugehörige Schritt im Programmablauf

Grundlagen

• Klimadaten
• Wärmebedarfsrechnung
• Strombedarf und Lastprofile
• Brauchwasser
• Prozesswärme
• Gebäudemodell VDI 6007
• Bauteile am Erdreich
• Brauchwasser-Zapfprofile
• Gemeinjahr und Feiertage
• Wärmepumpe
• Wärmequelle Erdreich
• BHKW
• Solarkollektoren
• Photovoltaik
• Wechselrichter
• Kessel und Spitzenlast
• Kühlung
• Pufferspeicher
• Stromspeicher
• Hydraulikschemata
• Anlagenkopplung und Regelung
• Vergleich Energiebilanz
• Kostenrechnung
• Erlösrechnung
• Wirtschaftlichkeitsrechnung