Die VDI 4645: Wärmepumpen in Wohngebäuden (2023)

Titel
Heizungsanlagen mit Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern – Planung, Errichtung, Betrieb

Erscheinung
Weißdruck April 2023 (bisher März 2018)

Umfang, Kostem
Die VDI 4645 hat im Original 208 Seiten (deutsch/englisch) und kostet 345,90 € (www.beuth.de)

Zielgruppen
Fachplaner, Anlagenbauer, SHK- und Kälte-/Klima-Fachbetriebe, Energieberater, Architekten, Hersteller und Betreiber im Bereich Wärmepumpen

Inhalte, Bedeutung und Resümee

Die VDI 4645 enthält in zwölf Kapiteln und zwölf Anhängen Informationen und Festlegungen, die zur Planung, zum Errichten und zum Betrieb von elektrisch oder mit Gas betriebenen Wärmepumpenanlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern benötigt werden. Dazu gibt sie auch Empfehlungen zu empfohlenen hydraulischen Schaltungen, zur Dimensionierung von Anlagenkomponenten, zur Dokumentation, zur Inbetriebnahme der Anlage, zur Unterweisung des Betreibers und zu Kostenbetrachtungen. Hinzu kommen Hinweise zu Bilanzgrenzen und Effizienzbetrachtungen in Bezug auf die verschiedenen Wärmepumpengruppen und Tätigkeiten im Rahmen der Voruntersuchung und der Grundlagenermittlung. Dabei geht sie auch auf etwaige ergänzende Energiesysteme ein. Rollen und Verantwortlichkeiten sowie rechtliche Rahmenbedingungen werden ebenfalls erläutert.
Die Richtlinie geht detailliert auf alle Aspekte der Anlagenplanung ein und liefert den Anwendenden eine Vielzahl von Werten, Übersichten und Planungshilfen inklusive Diagramme, Tabellen und Grafiken. Neben Planung und Ausführung werden auch die Inbetriebnahme sowie die Inspektion und Wartung der Anlagen behandelt. Ergänzend dazu enthält die VDI 4645 unterstützende Hinweise zur Angebotserstellung und zur Auftragsvergabe. In den zwölf Anhängen gibt es zum Beispiel ergänzende Checklisten, Ablaufpläne, Beispielrechnungen und ein Anlagenbuch gemäß der F-Gase-Verordnung.
Somit ist die VDI 4645 eine zentrale technische Regel für alle Aspekte zum Einsatz von Wärmepumpen in Wohngebäuden. Dabei steht die Richtlinie im Kontext zur VDI 4650 „Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen – Elektrowärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung“ (Weißdruck März 2019) und zur DIN EN 15450 „Planung von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen“ (Dezember 2007). Hinzu kommt die ebenfalls als überarbeiteter Weißdruck im April 2023 erschienene VDI-MT 4645 Blatt 1, die Vorgaben zu Schulungen, Prüfungen und Qualifizierungsnachweisen für einen „Sachkundigen für Wärmepumpensysteme nach VDI 4645“ enthält.

Die folgende Zusammenfassung dient als Orientierungshilfe. Auf dieser Basis kann der Nutzer schnell beurteilen, welche Bedeutung die behandelte technische Norm für seinen beruflichen Alltag hat.

Wichtige Vorbemerkung

Die Neufassung der VDI 4645 basiert auf dem bisherigen Weißdruck der Richtlinie von März 2018. Es gab zur Novelle keinen wie sonst üblichen Entwurf, die Richtlinie wurde sofort „weiß auf weiß“ aktualisiert. Das bedeutet: Die Neufassung der VDI 4645 von 2023 wurde im Vergleich zur Vorausgabe nur leicht überarbeitet und enthält nur geringe Änderungen. Diese betreffen überwiegend redaktionelle Aspekte, geringfügige Updates und einige Aktualisierungen. Alle wesentlichen Inhalte wurden unverändert von der Fassung von März 2018 in die Neufassung übernommen. Hätte es dabei bedeutende Änderungen gegeben, wäre die vorherige Veröffentlichung eines Entwurfs der Richtlinie zwingend notwendig gewesen. Einige der Änderungen sind in der nachfolgenden Zusammenfassung aufgeführt.

Die Kapitel 1 bis 4

Wie jede technische Regel startet auch die VDI 4645 mit einer Einleitung, der Definition des Anwendungsbereichs (Wärmepumpen für kleine und mittlere Wohngebäude), Verweisen auf begleitende Normen und Erläuterungen von Begriffen, Formelzeichen und Indizes, die in der Richtlinie verwendet werden. Hier wurde in der Neufassung im Bereich „Abkürzungen“ das Kürzel GWP = Global Warming Potenzial als Treibhauspotenzial des in der Wärmepumpe eingesetzten Kältemittels ergänzt.

Anmerkung: Aufgrund der Verschärfung der F-Gase-Verordnung (inklusive Kältemitteln) und damit einhergehenden Verboten geht der Trend bei jeglichen Bauarten von Wärmepumpen sehr stark zum Einsatz von Kältemitteln mit sehr geringen GWP-Werten unter 150 und besonders zu natürlichen Kältemitteln wie zum Beispiel Propan. Siehe dazu den Beitrag „EU-Parlament und EU-Rat: Wichtige Änderungen zur Neufassung der F-Gase-Verordnung“ in cci Wissensportal vom 18. April 2023 unter der Artikelnummer cci201149.

Kapitel 5: Bilanzgrenzen und Effizienzbetrachtung

Die Richtlinie fordert zur Vergleichbarkeit von Ergebnissen zu Leistungs- und Arbeitszahlen von Wärmepumpenanlagen eine Festlegung der Bilanz- und Systemgrenze (Betrachtungsgrenze). Diese berücksichtigt zum Beispiel auch die Antriebsleistung zur Nutzung der Wärmequelle (Pumpe), den Pufferspeicher (Speicherverluste) und einen möglichen zweiten ergänzenden Wärmeerzeuger (bivalente Systeme).

Kapitel 6: Die Voruntersuchungen

Bei der Projektierung einer Wärmepumpenanlage sollten unter anderen folgende technische, verordnungsgemäßen und normativen Aspekte berücksichtigt werden:

• Verordnungen: zum Beispiel GEG, F-Gase-Verordnung, Ökodesign-Verordnungen und Energiekennzeichnung für Heizgeräte, TA Lärm (Außengerät), Trinkwasserverordnung.
• Energiebezug: bei Neuinstallationen von Elektrowärmepumpen muss eine Anmeldung beim Netzbetreiber erfolgen.

Die Voruntersuchungen betreffen auch Prüfungen und Anforderungen an thermisch (Sorptionssysteme) und verbrennungsmotorisch angetriebene Wärmepumpen.
Wichtig sind die Anforderungen an den Aufstellraum der Wärmepumpe. Diese sind besonders dann von hoher Bedeutung, wenn Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln der Kategorie A2L „schwer entflammbar“ (zum Beispiel R32, HFO wie R1234yf, Mischungen) und A3 „leicht entzündlich“ (zum Beispiel Propan, Butan) betrieben wird. Dazu enthält die Richtlinie in Anlehnung an die DIN EN 378 „Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen“ eine Gleichung und die Tabelle 2. In dieser Tabelle stehen für acht Kältemittel die auf Basis der Kältemittelfüllmenge zu berechnenden erforderlichen Mindestflächen für Aufstell- und Wohnräume in Abhängigkeit von der Positionierung des Innengeräts (Decke, Wand, Standgerät). Dadurch soll die Gefahr der Bildung eines zündfähigen Gemisches in der Raumluft ausgeschlossen werden.

Kapitel 7: Zuständigkeiten

Im Hinblick auf die Zuständigkeiten bei der Projektierung einer Wärmepumpenanlage enthält die Richtlinie Tabelle 3, in der den Projektbeteiligten (zum Beispiel EVU, Architekt, Fachplaner, Bauherr, SHK-Fachfirma, Kälteanlagenbauer, Elektrohandwerker) verschiedene Tätigkeiten und Verantwortlichkeiten zugeordnet werden (Voruntersuchung, Detailplanung, Ausführung, Inbetriebnahme, Inspektion/Wartung).

Kapitel 8: Grundlagenermittlung

Die Grundlagenermittlung umfasst zum Beispiel die Berechnung der Heizlast für das Projekt (Basis: DIN EN 12831 „Energetische Bewertung von Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast – Teil 1: Raumheizlast“ von 2017) und das Festlegen der Art der Wärmeübergabe vom Wärmeerzeuger an die Zonen und Räume. Hierzu enthält die Richtlinie Tabelle 4 mit den Möglichkeiten Flächenheizung, Heizkörper, Gebläsekonvektoren und freie Konvektoren sowie Aussagen, welche Wärmeübergabearten sich besonders in Neubau- oder Modernisierungsprojekten eignen. Diese verschiedenen Systeme werden anschließend in einzelnen Unterkapiteln ausführlich beschrieben (inklusive Erläuterungen zum ergänzenden Kühlbetrieb). Ein weiteres Unterkapitel betrachtet die Trinkwassererwärmung mit einer Wärmepumpe (inklusive Speicherung).
Im Abschnitt „Dimensionierung der Wärmepumpe“ wird in die verschiedenen Betriebsarten (monovalent, bivalent) unterschieden und auf Basis der Ergebnisse der Heizlastermittlung anhand von Gleichungen die erforderliche Leistung der Wärmepumpe berechnet. Im Anschluss daran werden ausführlich verschiedene Speichersysteme und deren Dimensionierung erläutert.
Im Abschnitt 8.9 geht es um Auswahlkriterien für die Wärmequellen Erdwärmesonden, Erdwärmekollektoren, Grundwasser und Außenluft und deren Einsatzmöglichkeiten und Eigenschaften, die auch in Tabelle 6 zusammengefasst sind (Verfügbarkeit, Eigenschaften, Kosten).
Den Abschluss des Kapitels 8 bilden Aussagen zur Innen- und Außenaufstellung von Wärmepumpen sowie zur ergänzenden Nutzung von Solarenergie (Solarthermie und Photovoltaik) und deren Einbindung in die Systemtechnik.
Die aus der Grundlagenermittlung erhaltenen Informationen bieten die Basis zur Entscheidung für eine für das Projekt geeignete Wärmepumpenanlage. Dazu wird auch auf eine vierseitige „Checkliste – Konzept- und Detailplanung von Wärmepumpenanlagen“ im Anhang D verwiesen.

Im Kapitel 8 gab es in der Neufassung der Richtlinie ausschließlich geringfügige redaktionelle Änderungen (zum Beispiel Ersatz von „Speicherwärmepumpe“ durch „Pumpe“) und mehrere Aktualisierungen, zum Beispiel bei Verweisen auf andere technische Regeln.

Kapitel 9: Detailplanung der Komponenten der Gesamtanlage

Im Kapitel 9 werden die im Kapitel 8 „Grundlagenermittlung“ behandelten Punkte und Aspekte ausführlicher dargestellt (Arten der Wärmeübergabe, Gebäudekühlung, Trinkwassererwärmung mit Bedarfsermittlung und Speichervolumen, Dimensionierung der Wärmepumpe auch unter Berücksichtigen der Betriebsweise und der Wärmequelle). Hinzu kommen zum Beispiel die MSR-Technik für das Gesamtsystem Wärmeerzeuger, Speicherung und Wärmeübergabe sowie Betrachtungen zu Schallemissionen und Anforderungen an die Umwälz- und Förderpumpen.

Kapitel 10 und 11: Auftragsvergabe, Inbetriebnahme und Unterweisung

Auf Basis der Ergebnisse des Kapitels 9 soll ein Leistungsverzeichnis für das Projekt erstellt und dieses zur Angebotserstellung (Ausschreibung) eingesetzt werden.
Einhergehend mit der Inbetriebnahme der Anlage ist zwingend ein hydraulischer Abgleich des Gesamtsystems durchzuführen. Weitere Aussagen in Kapitel 12 betreffen das Einstellen der Regelung der Systemkomponenten und der gesamten Anlage, das Erstellen der Anlagendokumentation und die Unterweisung des Nutzers in seine neue Heizungsanlage.

Kapitel 12: Inspektion und Wartung der Anlage

Das abschließende Kapitel unterscheidet bei Inspektions- und Wartungsarbeiten an der neuen Heizungsanlage in allgemeine Tätigkeiten (Pumpen, Heizkreise, Endgeräte) und in Tätigkeiten, die speziell die Wärmepumpe betreffen (Regelung, Dichtheitsprüfungen, Füllmenge, Reinigung des Verdampfers bei Luft-Wärmepumpen).

Anlage A: Gesetze, Verordnungen, Normen

In dieser Anlage werden ausführlich Anforderungen an Wärmepumpenanlagen erläutert (Mindestanforderungen, Effizienz, Labelling, Kontrollen zur Dichtheitsprüfung), die zum Beispiel aus dem Gebäudeenergiegesetz, der Ökodesign-Verordnung für Wärmeerzeuger, dem Wasserhaushaltsgesetz und der F-Gase-Verordnung folgen.

Anlage B und C: Auslegungsbeispiele für ein Flächenheizsystem und ein Heizkörpersystem

In diesen beiden Anlagen wird die Projektierung einer Wärmepumpenanlage für eine Musterwohnung betrachtet mit folgenden Annahmen:
Wohnen, Essen, Kochen: Fläche 45 m², Heizlast 2.266 W
Schlafen: Fläche 18 m², Heizlast 925 W
Bad: Fläche 9 m², Heizlast 700 W
Für dieses Beispiel werden ein Flächenheizsystem (Fußbodenheizung, Vorlauftemperatur 40 °C) und ein Heizkörpersystem (Vorlauftemperatur 50 °C) angenommen, dafür die Berechnungen durchgeführt und Maßnahmen zur Optimierung vorgeschlagen.

Anlage D: Checkliste zur Konzept- und Detailplanung

Anlage D enthält eine vierseitige Checkliste zur Konzept- und Detailplanung einer Wärmepumpenanlage.

Anlage E: Ablaufplanfestlegung von Betriebsweisen und Wahl der Wärmepumpe

In dieser Anlage befinden sich vier Fließdiagramme zur Projektierung von Wärmepumpenanlagen bei den Betriebsweisen Heizung, aktive Kühlung, passive Kühlung und Trinkwassererwärmung.

Anlage F: Hydraulische Schaltungen

Anlage F enthält insgesamt 15 Varianten zu verschiedenen hydraulischen Schaltungen von Wärmepumpen mit den Variablen mit/ohne elektrische Zusatzheizung, mit/ohne Pufferspeicher, Anzahl der Heizkreise, Art der Speicherbeladung, mit/ohne Solaranlage. Alle Varianten werden anhand von Tabellen und Grafiken dargestellt und im Hinblick auf die Funktionsbeschreibungen sowie Planungs- und Installationshinweise erläutert.

Anlage G: Effizienzbewertung von Elektro-Wärmepumpen

Diese Anlage fasst kompakt die Inhalte der VDI 4650 zusammen. Darin geht es um Berechnungen von Jahresarbeitszahlen verschiedener Wärmepumpensysteme in Abhängigkeit von der Wärmequelle, vom Betrieb (monovalent, bivalent, mit/ohne Trinkwassererwärmung), was auch anhand eines Beispiels für eine Luft/Wasser-Wärmepumpe erläutert wird.

Anlage H: Kostenrechnung für eine Elektrowärmepumpe

Hier wird unterschieden in die Investitionen, betriebsgebundene und verbrauchsgebundenen Kosten und mögliche Preissteigerungen. Mehrere Tabellen helfen dabei, aus den verschiedenen Faktoren eine Wirtschaftlichkeitsberechnung zu erstellen.

Anhang I: Beispiel für ein Anlagenbuch gemäß F-Gase-Verordnung

Für kältemittelbetriebene Anlagen fordert die F-Gase-Verordnung, dass der Betreiber ein Anlagenbuch führt. In diesem müssen zum Beispiel die Kältemittelfüllmenge, die nachgefüllten Kältemittelmengen und die regelmäßig durchzuführenden Dichtheitskontrollen protokolliert werden.

Anhang J: Zapfprofile

Bei den Zapfprofilen geht es um durchschnittliche Verbrauchsmengen an Trinkwarmwasser zum Beispiel für Duschen, Baden, Bodenreinigung, Geschirrspülen und deren Lastprofile im Tagesgang.

Anhang K: Berechnungsbeispiel zur Auswahl der Wärmepumpe

Als Beispiel dient ein Mehrfamilienhaus mit zehn Wohneinheiten (Heizlast 25 kW), das mit einer Wärmepumpe (Vorlauftemperatur 38 °C) beheizt und mit Trinkwarmwasser versorgt werden soll (inklusive Speicher). Aus den Berechnungen ergibt sich eine Wärmepumpe mit einer Nennleistung von 33 kW.

Anhang L: Checklisten

In diesem Anhang befinden sich Checkliste für die Inbetriebnahme, zur Fehlersuche, zu Sicherheitsüberprüfungen sowie Wartungs-/Inspektionsarbeiten an Wärmepumpen.

Weitere wichtige technische Regeln für Wärmepumpen

Eine weitere wichtige technische Regel zur Projektierung von Wärmepumpenanlagen ist die VDI 4650 „Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen“ mit dem Blatt 1 „Elektrowärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung“ (März 2019), dem Blatt 2 „Gas-Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung“ (Januar 2013) und dem Blatt 3 „Grundlagen und allgemeine Begriffe multifunktionaler Lüftungsgeräte mit Wärmepumpen“ (Entwurf Oktober 2022). Im Mittelpunkt dieser Richtlinien stehen Grundlagen und Verfahren zu Berechnungen der Jahresarbeitszahlen von verschiedenen Arten (Wasser-, Luft- und Sole-Wärmepumpen) und Betriebsweisen von Wärmepumpenanlagen (monovalent, monoenergetisch, bivalent). Diese Jahresarbeitszahlen sind ein entscheidendes Kriterium zur Förderung von Wärmepumpenanlagen. Zu diesen Richtlinien gibt es Redaktions-Zusammenfassungen in cci Wissensportal (Link am Ende des Beitrags).

Hinzu kommt die bereits 2007 erschienene DIN EN 15450 „Heizungsanlagen in Gebäuden. Planung von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen“. Sie enthält Kriterien zur Planung von Heizungsanlagen in Gebäuden, die mit elektrisch betriebenen Wärmepumpen oder mit Wärmepumpen in Verbindung mit anderen Wärmeerzeugern arbeiten. Die Norm behandelt Wärmepumpenbauarten mit den Wärmequellen Abluft, Außenluft, Oberflächen-/Grundwasser, Erdboden und Untergrund (Sonden), den Wärmeträgermedien Luft, Wasser, Sole, Kältemittel sowie den Wärmesenken (Energieabgabe) Wasser und Raumluft. Darüber hinaus werden auch die Themen Stromversorgung, Positionierung, Geräuschemissionen, Wärmezufuhr und Dimensionierung von Wärmepumpen erläutert. Dabei berücksichtigt die Norm aber ausdrücklich nicht die Planung dieser Systeme. Sie gilt nur für die Wärmepumpe selbst, die Schnittstellen zum Wärmeverteilungs- und Wärmeübergabesystem (zum Beispiel Puffersystem) und für die Regelung der gesamten Anlage. Auch Systeme, die hauptsächlich zur Kühlung ausgelegt sind, und Systeme, die gleichzeitig im Kühl- und Heizbetrieb laufen können, werden in der Norm nicht bearbeitet. Zu dieser Norm gibt es ebenfalls eine Redaktions-Zusammenfassung (Link am Ende des Beitrags).

Insofern spielt die VDI 4645, die sich wesentlich mit der Planung und Dimensionierung von Heizwärmepumpen beschäftigt, eine wichtige Rolle im Bereich der technischen Regeln für Wärmepumpen. Allerdings ist die Richtlinie auf Wärmepumpenanlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern beschränkt und berücksichtigt keine Wärmepumpen in Gewerbe- und Zweckbauten.

Verweise auf begleitende Normen-Zusammenfassungen in cci Wissensportal

VDI 4650 „Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen“:
Blatt 1 „Elektrowärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung“ als Artikelnummer cci76395 (https://cci-dialog.de/vdi_4650-1_2019/)
Blatt 2 „Gas-Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung“ als Artikelnummer cci2173 (https://cci-dialog.de/vdi_4650-2/)
Blatt 3 „Grundlagen und allgemeine Begriffe multifunktionaler Lüftungsgeräte mit Wärmepumpen“ als Artikelnummer cci187962 (https://cci-dialog.de/vdi-4650-blatt-3-entwurf-2022-cci_wissensportal/)
DIN EN 15450 „Heizungsanlagen in Gebäuden. Planung von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen“ als Artikelnummer cci2171 (https://cci-dialog.de/din_en_15450/)

Eine aktualisierte Übersicht zu mehr als 350 Normen, Richtlinien, Verordnungen und Gesetzen aus der LüKK mit Stand Juni 2023 finden Sie unter der Artikelnummer cci248787. In dieser nach Themenbereichen gegliederten Tabelle sind die Neuerscheinungen des Jahres 2022 in blau und die über 100 technischen Regeln, zu denen die Redaktion Zusammenfassungen erstellt hat, in grün gekennzeichnet (mit zugehörigen Artikelnummern).

Die Zusammenfassung, Analyse und Kommentierung der Richtlinie wurde für cci Wissensportal von Dr.- Ing. Manfred Stahl erstellt. (Stand: April 2023)

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