Niedertemperaturheizung in Kombination mit einer dezentralen
Boiler-Wärmepumpe
Fabian Ochs1, Peter Krimbacher
2, Dietmar Siegele
1, Wolfgang Feist
1,3
1Universität Innsbruck, AB Energieeffizientes Bauen, Innsbruck, Österreich
2OVUM Heiztechnik GmbH, Österreich
3Passivhaus Institut, Darmstadt, Deutschland
Technikerstrasse. 13, A-6020 Innsbruck, email: [email protected]
KURZFASSUNG
Durch Gebäude- und Anlagensimulation wird die
technische Machbarkeit eines innovativen
Konzepts zur dezentralen Trinkwarm-
wassererwärmung für Mehrfamiliengebäude
untersucht. Die dezentrale Boiler-Wärmepumpe
(WP) nutzt den Rücklauf der Heizung (hier
Fußbodenheizung) als Wärmequelle. In dieser
Studie stehen die technischen Aspekte im
Vordergrund, welche die Basis für eine spätere
eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bilden.
Untersucht werden die Vorteile gegenüber
herkömmlichen Versorgungskonzepten zur
Wärmeverteilung in Mehrfamiliengebäuden (wie
z.B. 2-Leiter, 4-Leiter Zirkulation und 4-Leiter mit
Frischwasserstation). Berücksichtigt werden
müssen dazu Leitungs- und Speicherverluste,
Effizienz der Energiebereitstellung - insbesondere
der Wärme-pumpe(n), und Raumkomfort.
Für Mehrfamilienhäuser ist die Trinkwasser-
erwärmung mittels dezentraler Boiler-WP
insbesondere für sehr effiziente Gebäude (NZEBs)
wie z.B. PH vorteilhaft gegenüber herkömmlichen
Versorgungskonzepten aufgrund der deutlich
reduzierten Leitungsverluste in Kombination mit
der relativ geringeren Effizienz der WP bei den für
die Trinkwarmwasserbereitung notwendigen
hohen Temperaturen.
ABSTRACT
Low temperature heating system in combination
with a decentral boiler heat pump
By means of building and system simulation the
technical feasibility of an innovative concept of
decentral domestic hot water preparation for multi-
family houses is investigated. A decentral boiler heat
pump uses the return flow of the heating system (here
floor heating) as heat source. In this study, the
technical aspects are in the focus of the investigation,
which build the basis for a later economic feasibility
study. The advantages of the investigated system
compared to conventional supply concepts for heat
distribution in multi-family houses (such as e.g. 2-
pipe, 4-pipe circulation and 4-pipe with freshwater
station) are investigated. The storage and distribution
losses, the efficiency of the energy supply - in
particular of the used heat pump(s), as well as the
thermal comfort must be taken into consideration.
For multi-family houses, the domestic hot water
preparation by means of decentralised boiler heat
pumps is beneficial compared to conventional supply
and distribution concepts especially for very efficient
buildings (NZEBs) such as e.g. PH due to the
significantly reduced distribution losses in
combination with the relative low efficiency of the
heat pump at the high temperatures required for the
domestic hot water preparation.
EINLEITUNG
Herkömmliche Versorgungskonzepte für Warm-
wasser und Heizung in Mehrfamilienhäusern mit
zentraler Wärmebereitstellung erweisen sich i.d.R als
entweder mäßig effizient (wie z.B. 2-Leiter, 4-Leiter
Zirkulation) oder investitionsintensiv (4-Leiter mit
Frischwasserstation). Insbesondere in Kombination
mit Wärmepumpen (WP) sind erstere nicht zu
empfehlen, da die notwendige Vorlauftemperatur von
55 °C (TWW + Heizung) beim Zweileitersystem
bzw. >60 °C bei der Zirkulation (aufgrund der
Legionellen-problematik (siehe z.B. AK 49 PHI)) zu
zu geringen Jahresarbeitszahlen führt. In
Kombination mit den etwaigen Speicher- und
Verteilverlusten fällt häufig die (prognostitierte)
Effizienz solcher Systeme derart gering aus, dass auf
Wärmepumpenlösungen im Mehrfamilienhaus
verzichtet wird und stattdessen konventionelle
Lösungen auf Basis fosiler Energieträger ausgeführt
werden.
Der zunehmende Anteil erneuerbarer Energieträger
(v.a. Wind und PV) im Stromnetz macht andererseits
Lösungen mit Wärmepumpen atraktiv. In diesem
Beitrag wird ein innovativer Ansatz einer zentralen
Heizungs-WP mit Niedertemperaturheizung und
einer dezentralen Boiler-WP vorgestellt und
simulationstechnisch untersucht.
KONZEPT DER DEZENTRALEN
TRINKWARMWASSERBEREITUNG
MITTLES BOILER-WÄRMEPUMPE
Konzept
Das Konzept der dezentralen Boiler-Wärmepumpe
(Boiler-WP) ist in Abb. 1 schematisch dargestellt.
Die Heizung der Wohnungen erfolgt zentral z.B.
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- 379 -
(hier) über eine modulierende WP. Die
Wärmeübergabe in den Wohnungen erfolgt über eine
Niedertemperaturheizung (hier Fußbodenheizung).
Die Regelung des zentralen Wärmeversorgers erfolgt
über die Rücklauftemperatur. In den Wohnungen
befindet sich je eine Boiler-Wärmepumpe für die
Trinkwassererwärmung, welche den Rücklauf der
Fußbodenheizung als Wärmequelle für den
Verdampfer verwendet. Der Kondensator erwärmt
das Trinkwasser in einem Trinkwasserspeicher.
Abbildung 1: Schema der Wärmeversorgung eines
MFH mittels zentraler Heizungs-Wärmepumpe und
dezentraler Boiler-Wärmepumpe (Boiler-WP)mit
Trinkwarmwasserspeicher (BS) und
direktelektrischer Nachheizung (BH)
Boiler-Wärmepumpe
Die technischen Daten der verwendeten Boiler-WP
sind:
Kältemittel: R600a
Thermische Leistung: 1.5 kW (src,in = 20 °C,
snk,in = 45 °C)
Quellentemperatur: 18 °C bis 35 °C
Maximaltemperatur der WP: 60 °C
SPF Boiler-WP nach EN 16147
o SPF(TWW) = 4.1 bei 28 °C (2.7 bei 20 °C
Quelltemperatur)
o SPF(WP) = 5.2 bei 28 °C (3.5 bei 20 °C
Quelltemperatur)
Volumen des Trinkwarmwasserspeichers 150 l
(Variante 200 … 300 l)
Speicherdurchmesser D = 0.4 m, Speicherhöhe
(H = 1.2 m)
Wärmedämmung des Speichers 7.5 cm
(Varianten 2.5, 5, 7.5, 10 cm, vgl. Abb. 4) PU
mit = 0.028 W/(m K), vgl. Abschnitt Modell
der Boiler-WP)
Solltemperatur 55 °C (Hysterese 5 K, Sensor
50 % von H)
Heizstab 1.2 KW (für Nachheizung, derzeit nicht
berücksichtigt)
AUFGABENSTELLUNG UND
METHODE
Durch Gebäude- und Anlagensimulation werden
zunächst die technischen Aspekte des
vorgeschlagenen Konzepts untersucht und die
Vorteile gegenüber herkömmlichen
Versorgungskonzepten (wie z.B. 2-Leiter, 4-Leiter
Zirkulation und 4-Leiter mit Frischwasserstation)
gezeigt. Die Ergebnisse dienen als Basis für die
Überprüfung der wirtschaftlichen Machbarkeit des
Konzepts.
Berücksichtigt werden müssen dazu Effizienz der
Energiebereitstellung (insbesondere der eingesetzten
Wärmepumpe(n)), Leitungsverluste und
Raumkomfort.
Folgende Fragen sind dazu zunächst zu beantworten:
Effizienz der zentralen Heizungs-WP
Effizienz der Boiler-WP
Gesamteffizienz unter Berücksichtigung der
Wärmpumpenkaskade
Leitungsverluste (anteilig pro Wohnung)
Erhöhung HWB/Heizlast bzw. Heizzeit
Komfort im Sommer (Verbesserung durch
Kühlung?)
Komfort in der Übergangszeit, Optimierung des
Regelkonzepts in der Übergangszeit
Es ist dabei zu berücksichtigen, dass die
Gesamteffizienz von der Länge der Heizzeit abhängt
da während dieser Trinkwarmwasser mit einer
Wärmepumpenkaskade (vgl. Abb. 2) bereitet wird. COPH
Abbildung 2: COP einer Wärmepumpenkaskade
als Funktion des COP der Trinkwassererwärmung
mit der Leistungszahl der zentralen WP (COPH)
als Parameter
Somit hängt die Gesamteffizienz u.a. vom Verhältnis
des Heizwärmebedarfs und des
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 51
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3
2
3
4
5
6
CO
Pto
t
COPTWW
Wohnung
BS WW
(45 °C)
KW
(10 °C)
BH
T
FH (parallele Heizkreise)
Boiler-WP
Zentrale
WP
FH (35/30 °C)
T
control
control T
min. 50 %
Gebäude (parallele Wohnungen)
(55 °C)
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- 380 -
Trinkwarmwasserbedarfs ab. Entsprechend werden
zwei verschiedene Gebäudestandards untersucht:
Passivhausstandard (PH) mit
HWB = 15 kWh/(m² a) und
Niedrigenergiehausstandard (NEH) mit
HWB = 45 kWh/(m² a)
Der Entzug von Energie aus dem Rücklauf der
Fußbodenheizung zur Trinkwarmwasserbereitung
kann zur Kühlung im Sommer und damit zur
Erhöhung des thermischen Komforts beitragen. Die
sommerliche Erwärmung wird stark von der
Annahme der inneren Quellen (Belegungs- und
Lastprofil) und den solaren Gewinnen (bzw. der
Verschattung) und vom Nachtlüftungskonzept
beeinflusst.
Folgende Aspekte müssen zudem berücksichtigt
werden:
Es entstehen keine Wärmeverluste bei der
Verteilung von Trinkwarmwasser im Vergleich
zur Zirkulation bzw. Frischwasserstation
(Einfluss 1. Ordnung)
Demgegenüber stehen Wärmeverluste des
Trinkwarmwasserspeichers im Sommer (Einfluss
1. Ordnung)
Im Winter (bzw. während der Heizzeit) erfolgt
die Trinkwarmwassererwärmung über eine
Wärmepumpenkaskade (Einfluss 1. Ordnung)
Durch den Einsatz der Boiler-WP kommt es
abhängig vom Gebäudestandard zu einer
Verlängerung der Heizzeit und entsprechend zu
höheren Wärmeverluste der Heizungsverteilung
(Effekt 2. Ordnung)
Der Strombedarf der Zirkulationspumpe erhöht
sich (Betrieb 8760 h/a) (2. Ordnung)
Etwaige Speicherverluste in der Heizzentrale
entfallen (Pufferspeicher für Frischwassermodule
bei 4-Leiter bzw. Wärmeübergabestation bei 2-
Leiter) (2. Ordnung)
MATHEMATISCHES MODELL UND
RANDBEDINGUNGEN
Last – Heizwärme- und Trinkwarmwasserbedarf
Gebäude
Die Simulation erfolgt am Beispiel eines
Mehrfamilienhauses. Eine Wohnung des
Mehrfamilienhauses wird vereinfacht durch ein 1-
Zonen Model dargestellt. Das Gebäudemodell wird
in Anlehnung an das Besttestmodel nach VDI 6020
aufgebaut und auf 90 m² hochskaliert, siehe Abb. 3.
Für den Aufbau des Gebäudemodells in zwei
Varianten mit dem Gebäudestandard PH
(HWB = 15 kWh/(m² a) inkl. Lüftung mit WRG) und
NEH (HWB = 45 kWh/(m² a)) werden die
Bauteilkennwerte (Wand, Fenster) entsprechend
angepasst. Beide Gebäudestandards werden jeweils
mit Fußbodenheizung simuliert. Es wird davon
ausgegangen, dass 50 % der 8 Heizkreise aktiv sind.
Abbildung 3: BESTTEST (48 m²) wird auf 90 m²,
3 Personen) hochskaliert
Für die Ermittlung des Heizwärmebedarfs der
Referenzvariante wird eine Soll-
Wohnraumtemperatur von 20 °C angenommen (on-
off-Regelung nach der operativen Zonentemperatur).
Es wird dabei von einer Temperaturdifferenz zum
Nachbarn von 1 K ausgegangen.
Gebäudemodell
Für die Simulation des Gebäudes und der
Anlagentechnik wird die Simulationsumgebung
Matlab/Simlunk mit dem CARNOT Blockest
(Hafner, 1999) verwendet. Darin wird für die
Modellierung der Wand das sog. Beukenmodell
(Feist, 1994) eingesetzt, das die Wärmeleitung
zwischen einzelnen Materialschichten des
Wandaufbaus als RC-(Widerstands-Kapazitäten-)
Netzwerk beschreibt. Die Bauteiltemperaturknoten
liegen dabei auf der Oberfläche und beliebig
zwischen oder in den Schichten. Bei aktivierten
Bauteilen (aktive Beuteile wie Fußboden- oder
Wandheizung bzw. -kühlung oder
Betonkernaktivierung) treten zusätzlich
Wärmeleistungen auf. Die Außenoberfläche bzw. die
Innenoberfläche der Wand ist jeweils an zwei
Temperaturknoten gekoppelt, einen Strahlungsknoten
und einen Luftknoten.
Auf der Innenseite wird der Wärmeübergang
zwischen Wand und Raumknoten ebenfalls in die
Anteile Konvektion und Strahlung unterteilt. Dabei
wird ein sogenanntes 2*-Modell angewendet, dass
von (Feist 1994) als bester Kompromiss aus
Rechenzeit und Genauigkeit dargestellt wird. Dabei
wird der Wärmeaustausch im Raum in zwei
Temperaturknoten aufgeteilt, einen konvektiven
Knoten und einen Strahlungsknoten.
Mit dem verwendeten Gebäudemodell können die
Einflüsse der Rücklaufabkühlung der
Fußbodenheizung durch den Betrieb der Boiler-WP
sowohl in Bezug auf die Effizienz der WP als auch in
Bezug auf die Beeinflussung der Gebäudebilanz
ausreichend genau abgebildet werden.
Die Simulation erfolgt mit Klimadaten aus
Meteonorm für den Standort Innsbruck.
Trinkwarmwasser
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- 381 -
Es wird von 3 Bewohnern (pro Wohnung)
ausgegangen, welche einen Trinkwarmwasserbedarf
von ca. 25 l/d/P (bei 60 °C Energieäquivalent) haben.
Es wird jeweils mit dem Trinkwarmwasserzapfprofil
nach EN 16147 (Medium) gerechnet. Beispielhaft ist
ein Tageszyklus in Abb. 4 dargestellt.
Abbildung 4: Trinkwarmwasserprofil mit
Solltemperatur und Zapftemperatur an einem
beispielhaften Tag (oben) sowie dazugehöriger
Verlauf der Speichertemperaturen (mitte) und
Belademassenstrom (unten)
Die Ermittlung des Gesamtwärmebedarfs (für
Heizung und Trinkwarmwasser) erfolgt durch
Multiplikation mit der Anzahl der Wohnungen.
Modell der Boiler-Wärmepumpe
Die Boiler-WP wird mit einem sog. Performance
Map Modell derart abgebildet, dass sich bei
Simulation mit Prüfbedingungen nach EN 16147 der
entsprechende Wert der Jahresarbeitszahl nach
Prüfprotokoll ergibt. Das Kennfeld (COP
Performance Map) wird mittels Carnot Leistungszahl
unter Verwendung eines Gütegrades gebildet.
(1)
Der Gütegrad wird mittels inverser Simmulation
angepasst um die entsprechende Leistungszahl nach
Prüfprotokoll in der Simulation zu erzielen. Der
Trinkwarmwasserspeicher der Boiler-WP wird mit
einem Finite Differenzenmodell abgebildet.
Es ist in Abb. 5 zu erkennen, dass die Dicke der
Dämmung relativ großen Einfluss auf die Arbeitszahl
der Boiler-WP aufgrund der Wärmeverluste des
Speichers hat (In Abb 5 ist zu erkennen, dass diese
min. 5 cm (PU mit = 0.028 W/(m K)) betragen
sollte). Die Arbeitszahl PFTWW nimmt mit
zunehmender Dämmung aufgrund der abnehmenden
Wärmeverluste zu. Dahingegen nimmt die
Arbeitszahl PFWP aufgrund der höheren mittleren
Speichertemperatur leicht ab (Letzteres ist ein
Optimierungsproblem der Regelung der Boiler-WP,
welches hier nicht weiter berücksichtig wird). Für die
WP wird ein Carnot-Gütegrad von CARNOT = 0.36
ermittelt.
Abbildung 5: Arbeitszahl (PF) der Boiler-WP
abhängig vom Dämmstandard des
Trinkwarmwasserspeichers Anmerkung zur
EN16147: PF(TWW) inkl. und PF(WP) ohne
Wärmeverluste des Pufferspeichers
System
Die Zentralheizung wird vereinfacht mittels einer
ideal modulierenden Wärmequelle (z.B. WP oder
Gasboiler) abgebildet. Diese wird in Betrieb gesetzt
sobald die Sollrücklauftemperatur unterschritten wird
(vgl. Heizkurve).
Die konventionelle Anlagentechnik wird
entsprechend mit den Komponenten Wärmeversorger
(ideal modulierendes Gerät), Rohrleitungen,
Fußbodenheizung, Boiler-WP und Regelung mit
Modellen des CARNOT Blockset abgebildet. Für die
Simulation der Anlagentechnik wird eine Heizkurve
hinterlegt. Die Heizkurve (Rücklaufsolltemperatur
als Funktion der Umgebungstemperatur, vgl. Tabelle
1) wird auf Basis von Erfahrungswerten
implementiert und anschließend angepasst, wobei
eine weiter Optimierung möglich wäre, hier jedoch
nicht weiter berücksichtigt wird.
Tabelle 1: Heizkurve für PH und NEH
PH NEH
Umgebungs-
temperatur amb / [°C] -15 0 15 -15 0 15
Sollrücklauf-
temperatur RL / [°C] 26 24 19 35 28 19
0 5 10 15 2010
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
/
[°C
]
t / [h]
0 5 10 15 2010
20
30
40
50
60
/
[°C
]
0 5 10 15 200
0.5
1
md
ot
/ [k
g/s
]
t / [h]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0
1
2
3
4
5
6
0 0.05 0.1 0.15
Qlo
ss /
[kW
h]
PF
/ [-
]
dWD / [m]
WP TWW
Speicheraustritts-
temperatur
Trinkwarmwasser-
solltemperatur
[ ⁄]
⁄
Speicher-
temperaturen
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- 382 -
ERGEBNISSE DER GEBÄUDE- UND
ANLAGENSIMULATION
Für die Auswertung werden die Effizienz der
Wärmepumpen, die Leitungsverluste (anteilig pro
Wohnung), die Erhöhung des HWB und der Heizlast
sowie die Verlängerung der Heizzeit berücksichtigt.
Es erfolgt zudem eine Untersuchung des Einflusses
auf den Raumkomfort (getrennt nach Winter,
Sommer und Übergangszeit).
Als Referenz wird der Heizwärmebedarf der
Wohnung mit den zwei Dämmstandards (PH, NEH)
ermittelt (on-off-Regelung nach der operativen
Zonentemperatur mit einer Heizung mit unendlich
hoher Leistung). Die Wohnung nach PH Standard hat
einen Heizwärmebedarf von 13.0 kWh/(m² a) bei
einer Heizlast von 1.31 kW bzw. 15 W/m² und bei
NEH-Standard einen HWB von 37.5 kWh/(m² a) bei
einer Heizlast von 2.19 kW bzw. 24 W/m².
Die Regelung über die Rücklauftemperatur
(entsprechend der Heizkurve vgl. Abschnitt Last –
Heizwärme- und Trinkwarmwasserbedarf) erhöht
beim NEH den HWB auf 42.5 kWh/(m² a) statt
37.5 kWh/(m² a). Beim PH bleibt der HWB nahezu
unverändert: 12.8 kWh/(m² a) statt 12.6 kWh/(m² a).
Der Heizwärmebedarf und die Heizzeit erhöhen sich
durch den Betrieb der Boiler-WP (aufgrund der
Rücklaufabkühlung). Die Heizzeit verlängert sich
beim PH von 124 auf 166 Tage (d.h. um 42 Tage),
beim NEH von 194 auf 223 (d.h. um 29 Tage). Der
Heizwärmebedarf erhöht sich dabei von
14.5 kWh/(m² a) auf 17.0 kWh/(m² a) beim PH und
von 46.2 kWh/(m² a) auf 53.2 kWh/(m² a) beim
NEH.
Der thermische Komfort kann im Winter problemlos
gehalten werden. Der Kühleffekt ist in der
Übergangszeit erkennbar jedoch kaum relevant. Im
(Kern-)Sommer ist eine deutliche Abnahme der
Raumtemperatur zu erkennen, vgl. Abb. 6. Es ist
zudem zu erkennen, dass die eingestellte Heizkurve
im PH relativ gut funktioniert, beim NEH aber noch
opimiert werden könnte - die Raumtemperaturen
liegen teilweise deutlich über 20 °C.
Die Trinkwarmwasser-Speicherverluste reduzieren
den HWB im Falle der Boiler-WP - in etwa um den
gleichen Betrag fallen jedoch interne Gewinne durch
die Verluste der zentralen
Trinkwarmwasserverteilung weg.
SYSTEMVERGLEICH
Für die Beurteilung des Konzepts der Boiler-WP ist
neben der Quantifizierung der Reduktion der
Leitungsverluste (welche offensichtlich geringer sind
im Vergleich zu konventionellen Systemen) die
Ermittlung des Gesamtstrombedarfs (bzw. PE-
Bedarfs) für Heizung und Trinkwarmwasser zu
berücksichtigen.
NEH
PH
Abbildung 6: Verlauf der Heizleistung und der
Zonentemperatur mit und ohne Boilerpumpenbetrieb
für NEH (oben) und PH (unten) Die Leitungsverluste werden für die verschiedenen
konventionellen Konzepte rechnerisch ermittelt und
gegenübergestellt. Die Berechnung und der
Vergleich der Verteilverluste erfolgen am Beispiel
eines Referenz-Mehrfamilienhauses MFH mit 5
Etagen mit 10 Wohneinheiten und je 90 m² EBF (vgl.
Abschnitt Mathematisches Modell und
Randbedingungen). Die Wohnungen werden über
einen Steigstrang versorgt.
Es werden Berechnungen der Leitungsverluste einer
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-10
0
10
20
30
qd
ot /
[W/m
2]
t / [h]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-20
-10
0
10
20
30
/
[°C
]t / [h]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-5
0
5
10
15
qd
ot /
[W/m
2]
t / [h]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-20
-10
0
10
20
30
/
[°C
]
t / [h]
mit Boiler-WP
ohne Boiler-WP
mit Boiler-WP
ohne Boiler-WP
[
⁄]
⁄
[
⁄]
⁄
Umgebungstemp.
ohne Boiler-WP
mit
Boiler-
WP
Umgebungstemperatur
ohne Boiler-WP
mit
Boiler-
WP
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- 383 -
4-Leiter Zirkulation (35 °C Heizung, 60 °C
TWW), einer
4-Leiter Versorgung mit Frischwasserstation
(35 °C Heizung 55 °C TWW) und einer
2-Leiter Versorgung (55 °C)
Durchgeführt. Gleichzeitigkeitsfaktoren werden nach
Recknagel/ Sprenger/Schramek angesetzt. Die
Kellertemperatur wird für die Berechnung der
Leitungswärmeverluste mit 18 °C angesetzt. Die
Leitungsverluste werden dabei für drei verschiedene
Ausführungen (50 %, 100 % und 200 % DN, linearer
Wärmebrückenverlustkoeffizient nach PHPP)
berechnet. Die Wärmeverluste der zentralen
Varianten werden denen des 2-Leiter-
Niedertemperatursystems mit
dezentraler TWW mit Boiler-WP bzw.
dezentraler direktelektrischer TWW (im
Durchflussprinzip d.h. ohne Speicherverluste als
eher theoretischer Vergleich aufgrund der hohen
erfoderlichen el. Anschlussleistung von über
40 kW)
gegenübergestellt.
Der Gesamtstrombedarf für die Heizungs- und
Warmwasserversorgung wird dann unter
Berücksichtigung der Leitungsverlustberechnung und
unter Berücksichtung der jeweiligen Arbeitszahl der
Wärmepumpe(n) ermittelt. In Tabelle 2 und 3 werden
die Leitungslängen und die Rohrdimensionen für die
untersuchten Fälle zusammengefasst.
Die Gegenüberstellung der Wärmelieferung für
Heizung und Trinkwarmwasser (Bedarf und
Verluste) für die untersuchten Varianten erfolgt in
Abb. 7, linke Hälfte für das PH und rechte Hälfte für
das NEH. Gezeigt werden der Fall mit
Leitungsdämmung DN100% und DN50%. Die
Strombedarfe sind in Abb. 8 für alle drei
untersuchten Dämmstandards (DN200%, DN100%
und DN50%) dargestellt.
Tabelle 2: Länge und Dimension von Trink-
warmwasserleitungen bei 4-Leiter Zirkulation (Z)
sowie 4-Leiter mit Frischwasserstation (FW)
4-Leiter Z 4-Leiter FW
L / [m]
DN /
[mm] L / [m]
DN /
[mm]
Keller (Stich- und
Steigleitungen) 8 40 16 50
Keller (Zirkulation) 3 12 - -
EG (Steigl.) 3 32 6 40
OG1 (Steigleitung) 3 32 6 40
OG2 (Steigleitung) 3 32 6 32
OG3 (Steigleitung) 3 25 6 32
DG (Steigleitung) +
alle Stichleitungen 50 16 100 20
Zirkulation
(Steigleitung) 59 12 - -
Tabelle 3: Länge und Dimension von
Heizungsleitungen bei 4-Leiter bzw. kombinierte
Heizungs- und Trinkwarmwassserleitungen beim 2-
Leitersystem für PH und NEH
4-Leiter 2-Leiter
NEH PH NEH PH
L /
[m]
DN /
[mm]
DN /
[mm]
L /
[m]
DN /
[mm]
DN /
[mm]
Keller (Stich-
und Steig-L.) 16 32 40 16 50 50
EG
(Steig-L.) 6 25 32 6 40 50
OG1
(Steig-L.) 6 25 32 6 40 50
OG2
(Steig-L.) 6 20 25 6 40 50
OG3
(Steig-L.) 6 20 20 6 32 40
DG (Steig-L.)
+ alle Stich-L. 100 20 20 100 20 32
Für die Berechnung des Strombedarfs wird jeweils
für das PH und das NEH die Jahresarbeitszahl der
WP vereinfacht für die fünf verschiedenen Varianten
ermittelt. Diese sind in Tabelle 4 zusammengefasst.
Tabelle 4: Jahresarbeitszahl der WP für PH und
NEH für Heizen und Trinkwarmwasser (TWW) für
die fünf verschiedenen Varianten der
Wärmeversorgung bzw. -verteilung
Heizen TWW
NEH PH NEH PH
4-Leiter (Z) *) 3.52 4.04 2.67 2.67
4-Leiter (FW) *) 3.52 4.04 3.23 3.23
2-Leiter **) 2.87 2.87
Dez. Boiler-WP ***) 3.52 4.04 3.36 3.47
Dez. DE 3.52 4.04 1 1
*) Bsp. Einer Luft-Wasser WP, ***) gewichtet mit
Kaskadenbetrieb 2.34 (NEH) und 2.51 (PH),
Sommerbetrieb 4.97 (NEH + PH);
Es ist in den Diagrammen zu erkennen, dass …
offensichtlich, die Variante mit dezentraler
TWW sowohl im PH als auch im NEH die
geringste Wärmelieferung, jedoch den höchsten
Strombedarf aufweist.
die Wärmeverluste und somit die
Gesamtwärmelieferung sich bei den anderen
Varianten nur unwesentlich unterscheiden wenn
der Dämmstandard ausreichend hoch ist.
jedoch bei geringerem Dämmstandard (DN50%)
die Verteilverluste der zentralen Varianten
deutlich höher liegen als die der dezentralen und
dabei die Verluste der beiden 4-Leitervarianten
in derselben Größenordnung liegen und diese
etwas höher sind als die der 2-Leitervariante.
bei DN50% größenordnungsmäßig die
Trinkwarmwasserspeicherverluste der Boiler-WP
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- 384 -
in derselben Größenordnung liegen wie die
Verteilverluste
bei DN50% die Trinkwarmwasserverluste
nahezu 1/3 der Wärmelieferung für
Trinkwarmwasser ausmachen,
aufgrund des relativ geringen Anteils an
Rohrleitungen, die außerhalb der thermischen
Hülle liegen, und wegen des geringen
Temperaturniveaus der Niedertemperatur-
heizung die Heizungswärmeverluste nicht
relevant sind und entsprechend der Strombedarf
bei den dezentralen Varianten nur marginal vom
Dämmstandard abhängt.
und nicht zuletzt, dass die Variante mit
dezentraler Boiler-WP beim PH immer die
günstigste Lösung darstellt und beim NEH dann,
wenn der Dämmstandard gering ist (hier
DN50%).
PH NEH
Abbildung 7: Spezifische Wärmelieferung (Q) für Trinkwarmwasser und Heizung aufgeteilt in Bedarf und
Leitungs- bzw. Speicherverluste (jedoch ohne etwaige Verluste eines zentralen Wärmespeichers) für PH (linke
Hälfte) und NEH (rechte Hälfte) für je fünf verschiedene Varianten der Wärmebereitstellung und –verteilung;
Die Rohrleitungen sind (oben) mit 100 % des Nenndurchmessers gedämmt (DN100%) und (unten) mit 50 % des
Nenndurchmessers; 4-L(Z): 4-Leiter Zirkulation (35 °C Heizung, 60 °C TWW); 4-L (FW): 4-Leiter Versorgung
mit Frischwasserstation (35 °C Heizung 55 °C TWW); 2-L (FW): 2-Leiter (55 °C) Versorgung; Dez. (B-WP):
Niedertemperatur 2-Leitersystems mit dezentraler Trinkwarmwasserbereitung mit Boiler-Wärmepumpe; Dez.
(DE): Niedertemperatur 2-Leitersystems mit dezentraler direktelektrischer TWW-Bereitung im
Durchflussprinzip, d.h. ohne Speicherverluste
PH NEH
Abbildung 8: Spezifischer Strombedarf (wel) der Wärmepumpe(n) inkl. Hilfsenergie für Trinkwarmwasser und
Heizung inkl. Leitungs- bzw. Speicherverluste (jedoch ohne etwaige Verluste eines zentralen Wärmespeichers)
für PH (linke Hälfte) und NEH (rechte Hälfte) für je fünf verschiedene Varianten der Wärmebereitstellung und –
verteilung; Variiert wird die Dämmstärke der Rohrleitungen von 50 % DN, 100 % DN und 200%DN;
4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE) 4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE)0
10
20
30
40
50
60
Q /
[kW
h/m
2]
4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE) 4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE)0
10
20
30
40
50
60
4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE) 4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE)0
10
20
30
40
50
60
4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE) 4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE)0
10
20
30
40
50
60
Q /
[kW
h/m
2]
4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE) 4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE)0
10
20
30
40
50
60
4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE) 4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE)0
10
20
30
40
50
60
4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE) 4-L (Z) 4-L (FW) 2-L (WÜ) Dez. (B-WP) Dez. (DE)0
5
10
15
20
25
wel /
[kW
h/m
2]
DN100%
DN200%
DN 50%
min
min
Wärmelieferung
(Heizung und TWW)
Leitungsverluste
(TWW)
Leitungsverluste 2L
(Heizung + TWW)
Leitungsverluste
Heizung
Speicherverluste
(Boiler-WP)
Wärmelieferung
(TWW)
HWB
Wärmelieferung
(Heizung)
TWB
DN100%
DN 50%
max
max
Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University
- 385 -
DISKUSSION
Zwischen der besten Variante (Boiler-WP) und der
schlechtesten Variante (direktelektrische Trinkwarm-
wasserversorgung) liegen rund 8 kWh/(m² a). Dies
entspricht knapp 100 % des Gesamtstrombedarfs
beim PH und etwa 50 % beim NEH. Ob die
zusätzliche Investition wirtschaftlich gerechtfertigt
ist, sollte im Einzelfall untersucht werden.
Tendenziell würden die zentralen Varianten noch
etwas schlechter abschneiden, da die Wärmeverluste
eines i.d.R. notwendigen zentralen Pufferspeichers
hier nicht berücksichtigt wurden. Baupraktisch dürfte
der effektive Dämmstandard (inkl. Wärmebrücken)
i.d.R. geringer als DN100% ausfallen, d.h. in der
Praxis kann bei einer DN100% Wärmedämmung mit
DN50% gerechnet werden.
Eine direktelektrische Trinkwarmwassererwärmung
im Durchflussprinzip scheint im Passivhaus ge-
rechtfertigt - der spezifische Strombedarf bleibt mit
rund 17 kWh/(m² a) auf einem akzeptablen Niveau.
Beim NEH liegt dieser mit rund 25 kWh/(m² a) etwa
8 kWh/(m² a) bzw. 50 % darüber. Aufgrund der
hohen erforderlichen Anschlussleistung (> 40 KW)
und damit hohen Investitionskosten dürfte diese
Variante jedoch in der Praxis nicht relevant sein.
Interessant ist zudem, dass die schlechteste Variante
im Passivhaus auf dem Niveau der besten Variante
des NEH liegt.
Eine endgültige energetische Beurteilung muss
anhand der Primärenergie und der Wirtschaftlichkeit
erfolgen. Je geringer der Konversionsfaktor für
Strom angesetzt wird (sinnvollerweise aus
physikalischen Gründen, d.h. aufgrund des
zunehmenden Anteils erneuerbarer im Stromnetz und
nicht aus politischen) desto weniger kann eine
Investition gerechtfertigt werden. Aufgrund der
aufwändigen jahreszeitlichen Speicher-Technologie
dürfte allerdings auch mittelfristig der Anteil
erneuerbarer im Kernwinter gering bleiben womit
eine verlustarme und effiziente Wärmeversorgung
und -verteilung gerechtfertigt bleiben dürfte.
ZUSAMMENFASSUNG
Das vorgeschlagene Konzept der dezentralen
Trinkwassererwärmung mit Boiler-WP ist technisch
machbar und bietet das Potential einer effizienten
und ökonomischen Wärmeversorgung für
Mehrfamilienhäuser. Das Potential ist größer für
Gebäude mit sehr gutem Energiestandard (NZEB,
z.B. PH) und wenn große Leitungslängen nicht zu
vermeiden sind. Der Vorteil gegenüber
herkömmlichen Systemen, wie z.B. 4-Leiter mit
Zirkulation oder mit Frischwasserstation oder Zwei-
Leiternetzen ist zudem aus offensichtlichen Gründen
abhängig vom Dämmstandard der Leitungen und von
der Länge der Leitungen, welche sich außerhalb der
thermischen Hülle befinden.
Die neue Lösung mit einer dezentralen Boiler-WP
bietet ein System bei dem die Warmwasserbereitung
in Verbindung mit einer Niedertemperaturzentrale
effizient sichergestellt werden kann. Durch den
Niedertemperaturansatz wird die zentrale WP nicht
an den Einsatzgrenze betrieben so dass mit einer
längeren Nutzungsdauer gerechnet werden kann.
Der zusätzliche Platzbedarf muss bei den
Erwägungen berücksichtigt werden. Dies sollte bei
einer auf dieser Arbeit aufbauenden detaillierten
Wirtschaftlichkeits-betrachtung erfolgen.
DANKSAGUNG
Die in dieser Arbeit präsentierten Simulations-
ergebnisse wurden im Rahmen einer Förderung der
Standortagentur, Innsbruck, AT, durchgeführt. Die
Verantwortung für den Inhalt liegt bei den Autoren.
NOMENKLATUR
Formelzeichen
COP - Coefficienct of Performance (Leistungszahl)
DN mm Normdurchmesser
amb °C Umgebungstemperatur
RL °C Rücklauftemperatur
src,in °C Quelleneintrittstemperatur
snk,in °C Senkeneintrittstemperatur
K Vorlauf (Kondensationstemperatur)
K Rücklauf (Verdampfungstemperatur)
- Carnot Gütegrad
DN mm Normdurchmesser
EG,OG,DG - Erd-,Ober-, Dachgeschoß
FW - Frischwasserstation
HWB - Heizwärmebedarf
NEH - Niedrigenergiehaus
PE - Primärenergie
PH - Passivhaus
PHPP - Passivhaus Projektierungspaket
(S)PF - (Seasonal) Performance Factor (Arbeitszahl)
TWW - Trinkwarmwasser
WP - Wärmepumpe
LITERATUR
Feist W., Thermische Gebäudesimulation, Kritische
Prüfung unterschiedlicher Modellansätze. Verlag,
C.F. Müller, 1994.
Feist W., (editor), AK 49 „Energieeffiziente
Warmwassersysteme“, Darmstadt am 29.11.2013.
Hafner, B.; Plettner, J.; Wemhöner, C.: CARNOT
Blockset – User’s Guide, Solar-Institut Jülich, FH
Aachen, 1999.
VDI 6020 Anforderungen an Rechenverfahren zur
Gebäude- und Anlagensimulation –
Gebäudesimulation, Technische Regel, VDI
Verlag, Düsseldorf, Mai 2001.
EN 16147 Wärmepumpen mit elektrisch
angetriebenen Verdichtern ― Prüfungen und
Anforderungen an die Kennzeichnung von
Geräten zum Erwärmen von Brauchwarmwasser.
Recknagel/Sprenger/Schramek, Taschenbuch für
Heizung + Klimatechnik 03/04.
Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University
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