Wärmepumpen gehören zu den führenden Technologien der Wärme- und Warmwasserversorgung im Neubau – und zunehmend auch bei der Heizungsmodernisierung. Ihre Auslegung, Planung, Montage und Einstellung setzt neben Fachwissen und Erfahrung rechnergestützte Planungswerkzeuge zwingend voraus. Denn die Betriebsdaten von Wärmepumpen müssen möglichst genau in ihrer zeitlichen Abhängigkeit berechnet werden, damit die Anlagen jederzeit den gewünschten Wärmeertrag liefern. Wärmepumpen-Planungsprogramme errechnen präzise Prognosen zu den Betriebskosten, zur Jahresarbeitszahl (JAZ) und zur Nutzenergie sowie zur CO₂-Einsparung, zum Stromverbrauch und zur Wirtschaftlichkeit. Simulationsprogramme ermöglichen darüber hinaus die Planung und Optimierung anspruchsvoller Systeme – etwa von Kombinationen mit anderen Energiegewinnungssystemen oder zur Eigenstromnutzung.
Simulieren statt berechnen
Prognosen von Wärmepumpenherstellern oder nach Regelwerken ermittelte Werte unterscheiden sich häufig von den tatsächlichen Erträgen im Betrieb. Das liegt unter anderem daran, dass das Betriebsverhalten und die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpenheizung von zahlreichen Faktoren abhängen. Neben den Gebäude-, Lage- oder Klimadaten müssen auch Wechselwirkungen berücksichtigt werden – etwa zwischen den Quellentemperaturen und den Temperaturanforderungen. Außerdem unterliegen die Leistung und die Temperatur der jeweiligen Wärmequelle ebenso jahreszeitlichen Schwankungen wie der Heiz- und Warmwasserbedarf.
Damit Wärmepumpen den Anforderungen an den Wärmeertrag und den Komfort zu jedem Zeitpunkt im Jahresverlauf genügen, müssen ihre Betriebsdaten möglichst präzise in zeitlicher Abhängigkeit berechnet und überprüft werden. Simulationsrechnungen ermöglichen gegenüber JAZ-Rechnern nach VDI 4650-1 [1], die lediglich fundamentale Daten der Wärmepumpe, der Heizwassertemperaturen oder der Umwälzpumpen-Leistung berücksichtigen, präzise Berechnungen, eine Optimierung der Anlagenkonfiguration sowie realistischere Betriebskosten- und Amortisierungsprognosen. Im Vergleich zu Normverfahren lassen sich zudem höhere JAZ und damit unter Umständen vorteilhaftere Förderkonditionen erzielen.
Allerdings erfordern aufgrund der Wechselwirkungen und Temperaturabhängigkeiten insbesondere Anlagen im Gebäudebestand, Anlagen mit einem hohen Anteil für die Trinkwassererwärmung und bivalente Systeme mit mehreren Wärme-
erzeugern einen hohen Berechnungssaufwand.
Bild: Hottgenroth / ETU Software
Präzise rechnen, einfach optimieren
Simulationsprogramme ermitteln nicht nur automatisch die Betriebsdaten in Abhängigkeit von der Außentemperatur am Standort in der gewünschten zeitlichen Auflösung. Auch die Folgen eines veränderten Nutzungsprofils für die Jahresarbeitszahl und Wirtschaftlichkeit einer Anlage lassen sich berechnen und darstellen. Steigen etwa der Warmwasserverbrauch oder die Anforderung an die Raumtemperatur, sinkt zwangsläufig die Energieeffizienz der Anlage. Das lässt sich anhand von Grafiken anschaulich präsentieren.
Anlagen lassen sich zudem einfach optimieren, indem man sie mit unterschiedlichen Randbedingungen wie Betriebsweise, Quellenart und -größe oder Speichervolumen und Wärmepumpenmodell durchrechnet. Werden die Alternativen nach-
einander berechnet und als kommentierte Anlagenvarianten nebeneinandergestellt, lassen sich Systeme und Konfigurationen einfach vergleichen. Auch Auslegungsfehler können vermieden werden, etwa bei der Dimensionierung von Erdsonden. Wird der Wärmeentzug in kritischen Phasen simuliert und überprüft, kann man einer Vereisung des Erdreichs vorbeugen.
Welche Programme es gibt
Planungsprogramme gibt es für unterschiedliche Zielgruppen. Bauende und Hauseigentümer:innen können über einfache Online-Planer oder JAZ-Rechner eine Anlage überschlägig auslegen, respektive Fördermöglichkeiten ausloten. Die Internetseite des Bundesverbands Wärmepumpe bietet unter der Rubrik „Für Handwerker“ verschiedene Online-Planungstools (siehe auch Beitrag auf Seite 24).
Von Herstellern für Installationsbetriebe und Fachhandelsfirmen zur Verfügung gestellte kostenfreie Berechnungs- und Auslegungsprogramme dagegen bieten ähnliche Berechnungsfunktionen wie die in der tabellarischen Marktübersicht vorgestellten herstellerübergreifenden Programme. Allerdings enthalten die Datenbanken der Firmensoftware nur die Gerätedaten des jeweiligen Herstellers. Teilweise handelt es sich um Firmenversionen der Programme GeoT*SOL oder WP-OPT. Die Marktübersicht stellt deshalb beispielhaft nur die Software planSOFT von Vaillant vor.
Herstellerübergreifende Simulationsprogramme ermöglichen eine unabhängige Planung und Optimierung. Sie berechnen die für Förderprogramme relevante JAZ nach VDI 4650-1 und per Simulationsrechnung, machen einen Betriebskostenvergleich mit anderen Energieträgern beziehungsweise Heizsystemen, ermitteln die jährlichen Kosten unter Berücksichtigung der Lebensdauer der Komponenten, der Zinsen und jährlicher Energiepreissteigerungen sowie den Stromverbrauch und die Stromkosten gemäß den Tarifen der verschiedenen Stromanbieter.
Außerdem berechnen sie – unterteilt nach Heizung und Warmwasser – unter anderem die Heizleistung, den Temperaturverlauf in der Wärmequelle und den durchschnittlichen monatlichen Wärmebedarf. Thermische Gebäudesimulationsprogramme wie DK-Integral, IDA ICE oder Polysun Designer sind nicht speziell für die Wärmepumpenplanung ausgelegt, ermöglichen dafür aber gekoppelte Simulationen in beliebigen Zeitschritten von Gebäuden und komplexen Anlagenkombinationen, auch unter Berücksichtigung benutzerdefinierter Regelstrategien.
Bild: Valentin Software
weise – unterstützen die Eingabe.
Worin sich die Programme unterscheiden
Unterschiede zeigen sich bereits bei den Produktdaten für die Anlagenkomponenten. Realistische Berechnungen bei kritischen Betriebsbedingungen sind nur mit exakten Daten möglich. Je mehr Betriebspunkte, Kenngrößen und Leistungsdaten berücksichtigt werden, desto genauer ist das Berechnungsergebnis. Ebenso wichtig sind präzise Boden- und Klimadaten, wobei erweiterte, respektive weltweite Standortdaten teilweise zusätzlich erworben werden können. Während sich gängige Anlagentypen für Heizung oder Trinkwarmwasser mit allen Programmen planen lassen, berücksichtigen sie Betriebsweisen unterschiedlich.
Auch bei der Art und Qualität der Simulation gibt es Unterschiede: Zum Standard von Simulationsprogrammen gehören Berechnungen der Wärmepumpe, der Wärmequelle sowie der Gebäudenutzung in der gewünschten zeitlichen Auflösung. Kritische Betriebsbedingungen, etwa die Auskühlung/Vereisung des Erdreichs, lassen sich allerdings teilweise nur optional anhand zusätzlicher, detaillierter Simulationsrechnungen untersuchen.
Welchen Stromertrag eine Photovoltaikanlage bei der Eigenstromnutzung einbringt, lässt sich entweder über einen integrierten PV-Rechner oder eine Schnittstelle zu einem externen Programm in Abhängigkeit von Ausrichtung, Dachneigung und Standort relativ präzise ermitteln. Damit kann der Autarkiegrad einer bestehenden Energieversorgung sowohl für die Stromversorgung als auch für die Wärmeversorgung eines Gebäudes bestimmt werden. Die Software berücksichtigt den zeitlichen Verlauf der solaren Stromerzeugung und gibt an, wie viel selbst erzeugter Strom für Warmwasser und Heizung genutzt, respektive Überschüsse an einen Elektrospeicher abgegeben werden können. Beim Wirtschaftlichkeitsvergleich kann die anteilige Eigenstromnutzung unter Berücksichtigung der Stromtarife sowie der Einspeisevergütung einbezogen werden.
Eingabeassistenten, Schemapläne und Vorgabewerte oder Hilfetexte unterstützen bei der Eingabe. Plausibilitätskontrollen prüfen Eingabewerte auf Fehler und Unstimmigkeiten. Zu den Ausgabedaten zählen die Betriebskosten, die simulierte beziehungsweise nach VDI 4650-1 [1] oder DIN EN 14825 [2] berechnete Jahresarbeitszahl, die Nutzenergie und die Wirtschaftlichkeit. Darüber hinaus geben die Programme teilweise auch die CO₂-Einsparung gegenüber konventionellen Systemen, die Laufzeiten oder die Maximalwerte der Quellentemperatur als Grafiken oder Tabellen in der gewünschten zeitlichen Auflösung aus. Auch Schallemissionen von Luft/Wasser-Wärmepumpen und die Anforderung der Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) überprüfen einige Programme mithilfe eines Schallrechners (zum Beispiel planSOFT).
Berichte und Reporte mit anschaulichen Diagrammen und Vergleichen unterstützen bei der Kundenberatung. Je nach Anwendungsfall – Gutachten, Kaufentscheidung, Systemvergleich, technische Hilfestellung – sind unterschiedliche Informationen wichtig. Deshalb sollten Berichtsinhalte individuell anpassbar sein. Exportschnittstellen wie ASCII, DOC, PDF, RTF, oder XLS ermöglichen die Weiterbearbeitung und den digitalen Austausch von Text- und Bildinformationen. Die Preise für herstellerunabhängige Simulationsprogramme für Wärmepumpen liegen zwischen 400 und 500 Euro. Komplettversionen und Gebäudesimulationsprogramme kosten deutlich mehr.
Bild: EQUA Solutions
Software setzt Fachwissen voraus
In der Praxis werden Wärmepumpen von SHK-Installationsbetrieben häufig sowohl montiert und eingebaut als auch ausgelegt und geplant. Hersteller offerieren deshalb zunehmend intuitiv und auch ohne Expertenwissen bedienbare Auslegungsprogramme.
So hat beispielsweise Vaillant kürzlich ein Online-Schnellauslegungstool vorgestellt, das vor allem Fachhandelsfirmen bei der Auslegung und Installation, aber auch bei der Einstellung der Anlagen unterstützten soll. Analysen in Betrieb genommener Wärmepumpenanlagen haben nämlich gezeigt, dass sie häufig zwar korrekt geplant, anschließend aber nicht oder falsch eingestellt wurden. Das führt in der Praxis zu nicht erfüllten Ertragsvorhersagen, zu hohen Betriebskosten und unzufriedenen Kunden.
Neben einer fachgerechten Auslegung und Installation ist deshalb auch die projektspezifische Einstellung für einen energieeffizienten und störungsfreien Betrieb unerlässlich. Bei der Planung größerer Anlagen – insbesondere in Verbindung mit anderen Energiegewinnungssystemen, der Eigenstromnutzung, Batteriespeichern oder ausgefeilten Anlagenkombinationen und Regelungstechniken – sollte man zudem bedenken, dass die Systeme ein profundes Ingenieurswissen zwingend voraussetzen. Erfahrung und Know-how kann auch das beste Planungsprogramm nicht ersetzen.
Richtlinien und Literaturhinweise
[1] VDI 4650 Blatt 1. Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen – Elektrowärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung; Beuth Verlag; Berlin, März 2019
[2] DIN EN 14825: Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern zur Raumbeheizung und -kühlung – Prüfung und Leistungsbemessung unter Teillastbedingungen und Berechnung der saisonalen Arbeitszahl. Beuth Verlag, Berlin, Juli 2019
[3] Bonin, J.: Handbuch Wärmepumpen – Planung und Projektierung, Beuth Praxis, Beuth-Verlag, Berlin, 2016
[4] Keller, L, Heigele, M.: Leitfaden für Wärmepumpenanlagen, Beuth Praxis, Recknagel online/ITM InnoTech Medien, Kleinaitingen, 2021
[5] Schellhorn, M.: Alle Basisdaten sorgfältig ermitteln, aus: SBZ 9/18, Stuttgart: Gentner-Verlag; Webcode: 821547
[6] Schellhorn, M.: Technikpartnerschaften erweitern das Anwendungsspektrum, aus: SBZ 12/18, Stuttgart: Gentner-Verlag; Webcode: 831065
[7] Schellhorn, M.: Planung und Technologien von Luft/Wasser-Wärmepumpen, Teile 1–3, aus: de 3,4,5/2022, Hüethig, Heidelberg
[8] Schmid, W.: Viele Faktoren bremsen Erdreich-Wärmepumpen, aus: TGA-Fachplaner 8/22, Stuttgart: Gentner-Verlag
GEB Dossier
Grundlegende Informationen zu Wärmepumpen -finden Sie auch in -unserem Dossier Erneuerbare Energien mit -Beiträgen und News aus dem GEB:
www.geb-info.de/-erneuerbare-energien
Weitere Programme
Alphacheck (www.alpha-innotec.de), Aquarea Desinger (www.aircon.panasonic.eu), Heizungsplaner (www.broetje.de), JAZ-Rechner (www.waermepumpe.de), NIBE DIM (www.nibe.de), Novelan Konzept (www.novelan.com), Terra-Opt (www.idm-energie.at), WP-Planer (www.viessmann.de), Wärmepumpentool (www.stiebel-eltron.de), WP Ultimate (www.erfurth-braunholz.de, i. V.)
Weitere Informationen
Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz: www.fws.ch
Bundesverband Geothermie: www.geothermie.de
Bundesverband Wärmepumpe: www.waermepumpe.de
Wärmepumpe Austria: www.waermepumpe-austria.at
