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: Fabian.Ochs@uibk.ac.at

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.

Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University

- 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)

Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University

- 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

Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University

- 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

Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University

- 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

Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University

- 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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