VDI 4650 Blatt 2 – Gas-Wärmepumpen (2013)

• VDI 4650 Blatt 2 – Gas-Wärmepumpen (2013)
• Anwendungsbereich / Verweise auf weitere technische Regeln / Begriffe
• Grundlagen der Berechnung / Berechnung von Jahresheizzahlen und Jahresnutzungsgraden
• Jahresheizzahl und Jahresnutzungsgrad für Raumheizung
• Gesamt-Jahresheizzahl und Gesamt-Jahresnutzungsgrad / Messunsicherheiten
• Beispielrechnungen
• Anhänge

Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresheizzahl und des Jahresnutzungsgrads von Sorptionswärmepumpenanlagen – Gas-Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung

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Die nachfolgende Zusammenfassung, Analyse und Kommentierung der Norm wurde für cci Wissensportal von Dr.-Ing. Manfred Stahl erstellt und im Mai 2019 überprüft.

Erscheinung
Januar 2013 (ersetzt den Entwurf von November 2010)

Umfang/Kosten
Mitglieder von cci Wissensportal können die 5-seitige Zusammenfassung für 9,70 € im Anhang kaufen.
Die VDI 4650 Blatt 2 hat im Original 40 Seiten (deutsch/englisch) und kostet zirka 95 €. Sie kann beim Beuth Verlag bestellt werden (www.beuth.de).

Zielgruppen
Fachplaner Lüftung, Klima, Heizung und Sanitär; TGA-Anlagenbauer, Energieberater, Architekten, Wärmepumpenhersteller, Prüfinstitute

Vorsitzender
Dipl.-Ing. Peter Göricke, Essen

Inhalt, Resümee, Bedeutung
In Ergänzung zur VDI 4650 Blatt 1 “Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen. Elektro-Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung“ (Weißdruck März 2009, Entwurf 2014) geht es im Blatt 2 um gasbetriebene Wärmepumpen mit Heizleistungen bis 70 kW, die die erzeugte Wärme an ein zentrales Warmwasser-Heizsystem abgeben. Die Richtlinie enthält Grundlagen zur Auslegung solcher Gas-Wärmepumpen, die mit Sole, Wasser, Außenluft und Kollektoren als Wärmequellen betrieben werden. Im Mittelpunkt stehen Verfahren zur Berechnung der Jahresheizzahlen und der Jahresnutzungsgrade der Wärmepumpen mit und ohne solare Unterstützung.

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

Anwendungsbereich / Verweise auf weitere technische Regeln / Begriffe

Anwendungsbereich
Die VDI 4605 Blatt 2 betrachtet gasmotorisch angetriebe Sorptionswärmepumpenanlagen (Gerät plus Peripherie zur Raumheizung und Warmwasserbereitung sowie Aufwand zur Nutzung der Wärequelle) bis zu einer maximalen Heizleistung von 70 kW. Als Wärmequellen, die die Wärmepumpe nutzen kann, werden Grundwasser, Erdreich (Erdwärmesonden), Luft und Solarstrahlung (Kollektoren) genannt. Die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme wird an eine Warmwasser-Zentralheizung abgegeben (Wärmesenke).

Verweise auf weitere technische Regeln
Die Richtlinie verweist zum Beispiel auf folgende technische Regeln:

• DIN V 4701 Teil 10 „Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen. Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung“
• DIN EN 14511 „Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern für die Raumbeheizung und Kühlung. Teil 2: Prüfbedingungen“
• VDI 4640 Blatt 2 „Thermische Nutzung des Untergrunds. Erdgekoppelte Wärmepumpen-Anlagen“
• VDI 4650 Blatt 1 „Berechnungen von Wärmepumpen. Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen. Elektro-Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung“

Begriffe
Hier werden die in der Richtlinie verwendeten Begriffe definiert, zum Beispiel Heizzahl, Jahresheizzahl und Jahresnutzungsgrad.
 

Grundlagen der Berechnung / Berechnung von Jahresheizzahlen und Jahresnutzungsgraden

Grundlagen der Berechnung

Hier werden verschiedene Einflussfaktoren genannt, von denen die Jahresheizzahl und der Jahresnutzungsgrad abhängig sind. Dazu gehören unter anderem die Wärmequellentemperatur und deren Verlauf während der Nutzungszeit (Winter – Sommer), die für das Heizsystem benötigten Heizwassertemperaturen (Vor- und Rücklauf) im Auslegungspunkt und im Verlauf der Nutzungszeit, die Verdampfungstemperatur sowie der Anteil der Warmwasserbereitung am Jahreswärmebedarf.
Bei einer Betrachtung der Wärmequellen kann laut Richtlinie bezüglich der Quellentemperatur von folgenden Annahmen ausgegangen werden:
– Grundwasser: recht konstante Temperatur über die Nutzungszeit
– Erdreich: die Temperatur verändert sich in der Nutzungszeit (Verweise auf Kapitel 6.1.1. und Anhang B).
– Außenluft: hier ergibt sich eine sehr starke Veränderung der Temperatur in der Nutzungszeit. Daher werden zur Auslegung einer mit Außenluft als Wärmequelle betriebenen Wärmepumpenanlage konkrete Klimadaten berücksichtigt.

Berechnung von Jahresheizzahlen und Jahresnutzungsgraden

Grundsätzlich sind folgende Werte vom Hersteller der Wärmepumpe anzugeben:

– für Raumheizung: Jahresheizzahl ξN,h und Jahresnutzungsgrad ηN,h
– für Warmwasserbereitung: Jahresheizzahl ξN,w und Jahresnutzungsgrad ηN,h
– elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe _Pel (Durchschnittswert in W).

Wird bei der Wärmepumpenanlage die Raumheizung und die Warmwasserbereitung solar unterstützt, müssen die zuvor genannten Jahresheizzahlen und Jahresnutzungsgrade auf Basis von in der VDI 4650 Blatt 2 angegebenen Gleichungen umgerechnet werden. So ergeben sich neue Bezeichnungen bei solar unterstützter (jeweils ein Zusatz„S“ zum Index)

– Raumheizung: Jahresheizzahl ξN,h,S und Jahresnutzungsgrad ηN,h,S
– Warmwasserbereitung: Jahresheizzahl ξN,w,S und Jahresnutzungsgrad ηN,w,S

Auf Basis dieser und weiterer Daten können die Berechnungen zur Gesamt-Jahresheizzahl ξN,WP und zum Gesamt-Jahresnutzungsgrad ηN,WP der Wärmepumpe erfolgen. Dabei ist zu beachten, dass die Jahresheizzahl und der Jahresnutzungsgrad der Wärmepumpe stets mit den zugehörigen Heiznetztemperaturen gemäß Tabelle 1 anzugeben sind (siehe nächstes Kapitel).

Berechnung von Jahresheizzahlen und Jahresnutzungsgraden

Grundsätzlich sind folgende Werte vom Hersteller der Wärmepumpe anzugeben:

– für Raumheizung: Jahresheizzahl ξN,h und Jahresnutzungsgrad ηN,h
– für Warmwasserbereitung: Jahresheizzahl ξN,w und Jahresnutzungsgrad ηN,h
– elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe _Pel (Durchschnittswert in W).

Wird bei der Wärmepumpenanlage die Raumheizung und die Warmwasserbereitung solar unterstützt, müssen die zuvor genannten Jahresheizzahlen und Jahresnutzungsgrade auf Basis von in der VDI 4650 Blatt 2 angegebenen Gleichungen umgerechnet werden. So ergeben sich neue Bezeichnungen bei solar unterstützter (jeweils ein Zusatz„S“ zum Index)

– Raumheizung: Jahresheizzahl ξN,h,S und Jahresnutzungsgrad ηN,h,S
– Warmwasserbereitung: Jahresheizzahl ξN,w,S und Jahresnutzungsgrad ηN,w,S

Auf Basis dieser und weiterer Daten können die Berechnungen zur Gesamt-Jahresheizzahl ξN,WP und zum Gesamt-Jahresnutzungsgrad ηN,WP der Wärmepumpe erfolgen. Dabei ist zu beachten, dass die Jahresheizzahl und der Jahresnutzungsgrad der Wärmepumpe stets mit den zugehörigen Heiznetztemperaturen gemäß Tabelle 1 anzugeben sind (siehe nächstes Kapitel).

Jahresheizzahl und Jahresnutzungsgrad für Raumheizung

Basis zur Berechnung von ξN,WP und ηN,WP ist der Norm-Nutzungsgrad von modulierenden Brennwertgeräten gemäß DIN 4702 Teil 8. Hiernach gilt, dass der Norm-Nutzungsgrad der Wärmepumpe vom Hersteller bei fünf Teillastzuständen mit Wärmeleistungen von 13 %, 30 %, 39 %, 48 % und 63 % der Nennleistung ermittelt wird. Dabei sind zusätzlich auch noch die Temperaturen des Heiznetzes zu berücksichtigen. Diese sind in Tabelle 1 der Richtlinie angegeben für Heiznetz-Vorlauftemperaturen von 35 °C, 55 °C und 70 °C. Zur Prüfung enthält die Tabelle 1 für die drei Heiznetze und die fünf Teillastzustände jeweils anzusetzende Vorlauf- und Rücklauftemperaturen. Diese sehen zum Beispiel beim Heiznetz 35/28 °C wie folgt aus:

Aus den jeweiligen Teillastwerten ξh,i, die bei den relativen Leistungen und dem anzusetzenden Heiznetz ermittelt wurden, ergibt sich dann durch Mittelwertbildung die Jahres-Heizzahl Raumheizung ξN,h und der Jahres-Nutzungsgrad Raumheizung ηN,h. Hierbei werden auch noch die im jeweiligen Teillastpunkt aufgenommene Brennstoffleistung, die aufgenommene elektrische Leistung und die erzeugte Wärmeleistung berücksichtigt. Diese Daten müssen vom Hersteller der Wärmepumpe angegeben werden, wobei auch die Art der Wärmequelle eine wichtige Rolle spielt, die nachfolgend betrachtet wird.

Erdreich als Wärmequelle
Hier werden für Sole-Wärmepumpen in Tabelle 2 der VDI 4650 Blatt 2 Verdampfer-Eintrittstemperaturen in Abhängigkeit von den fünf Teillaststufen definiert, die zwischen 5 °C (bei 63 % Leistung) und 9 °C (bei 13 % Leistung) liegen.

Grundwasser als Wärmequelle
Bei dieser Wärmequelle gilt eine Verdampfer-Eintrittstemperatur von 10 °C, die bei Verwendung eines Zwischenwärmeübertragers um 3 K auf 7 °C verringert wird. Zur Ermittlung der Nutzungsgrade für die fünf Teillaststufen der Wärmepumpe von wie zuvor 13 bis 63 % werden für die beiden Betriebszustände des Verdampfers von 7 °C und 10 °C Umrechnungsfaktoren angegeben, die bei 7 °C zwischen 0,98 (13 % Teillast) und 1,05 (63 % Teillast) und bei 10 °C zwischen 1,01 (13 % Teillast) und 1,07 (63 % Teillast) liegen. Zu berücksichtigen ist noch die elektrische Leistung der Brunnenpumpe (Jahresmittelwert), für deren Berechnung eine Gleichung angegeben wird.

Luft als Wärmequelle
Wie für die Wärmequellen Erdreich und Grundwasser müssen auch bei der Wärmequelle Außenluft verschiedene Betriebszustände berücksichtigt werden. Hierzu findet man erstens einen Verweis auf den Anhang A der Richtlinie. Zweitens sind in Tabelle 4 in der VDI 4650 Blatt 2 die anzusetzenden Außenlufttemperaturen in Abhängigkeit von den fünf Teillastzuständen und von vier Norm-Außenlufttemperaturen -10 °C, -12 °C, -14 °C und -16 °C angegeben. Danach gelten zum Beispiel für eine Norm-Außenlufttemperatur von -10 °C folgende Prüftemperaturen:
Teillast 63 % => 1,2 °C
Teillast 48 % => 5,7 °C
Teillast 39 % => 8,4 °C
Teillast 30 % => 10,9 °C
Teillast 13 % => 16,2 °C
Durch diese Annahmen der Prüftemperaturen wird berücksichtigt, dass die von der Wärmepumpe zu erbringende thermische Leistung mit sinkender Außentemperatur steigt.

Solarstrahlung als Wärmequelle
Wird Umgebungs- und Solarwärme aus Solarkollektoren als Wärmequelle genutzt, gelten zur Berechnung der Leistungszahlen zunächst die gleichen Außentemperaturen wie bei der Wärmequelle Luft. Diese Temperaturen werden aber in Abhängigkeit von der Bauart des Kollektors (Flachkollektor/Röhrenkollektor) und von der Größe der Kollektorfläche um 2,1 K (Flachkollektor 2 m²) bis 5,6 K (Flachkollektor 8 m²) beziehungsweise um 3,0 K (Röhrenkollektor 2 m²) bis 8,0 K (Röhrenkollektor 8 m²) angehoben.

Jahresheizzahl und des Jahresnutzungsgrads für solarunterstützte Raumheizung
Hierfür werden zwei Gleichungen angegeben. Die Jahresheizzahl für Wärmepumpenanlagen mit direkter solarer Heizungsunterstützung ξN,h,S ergibt sich zu

Der Jahresnutzungsgrad ηN,h,S einer solchen Wärmepumpenanlagen ergibt sich dann zu

Berechnung der Jahresheizzahl und des Jahresnutzungsgrads für die Warmwasserbereitung

In ähnlicher Form wie zuvor erläutert enthält das Kapitel 6.3 der VDI 4650 Blatt 2 Gleichungen zur Berechnung der Jahresheizzahl und des Jahresnutzungsgrads zur Warmwasserbereitung für Anlagen

– ohne solare Unterstützung: Jahresheizzahl ξN,h, Jahresnutzungsgrad ηN,w
– mit solarer Unterstützung: Jahresheizzahl ξN,w,S, Jahresnutzungsgrad ηN,w,S
 

Gesamt-Jahresheizzahl und Gesamt-Jahresnutzungsgrad / Messunsicherheiten

Gesamt-Jahresheizzahl und Gesamt-Jahresnutzungsgrad

Hierzu gelten folgende Gleichungen:

Gesamt-Jahresheizzahl:

Gesamt-Jahresnutzungsgrad:

Dabei sind in die Gleichungen die jeweiligen Werte für ξ und η gemäß den vorherigen Angaben (mit / ohne solare Unterstützung) einzusetzen. Der Faktor y berücksichtigt den Anteil des Warmwasserbedarfs am gesamten Wärmebedarf.

Messunsicherheiten
Diese werden für diverse Temperaturen, Volumenströme und Leistungen in VDI 4650 Blatt 2 in Kapitel 8 in einer Tabelle 6 angegeben.
 

Beispielrechnungen

In zwei Beispielrechnungen im Kapitel 9 der Richtlinie werden die Angaben und Forderungen der VDI 4650 Blatt 2 zur Berechnung der Gesamt-Jahresheizzahl und des Gesamt-Jahresnutzungsgrads verdeutlicht:

Beispiel 1:
Wärmepumpenanlage mit der Wärmequelle Erdwärmesonde (35 m) ohne solare Unterstützung für Heizung und Warmwasser (Heiznetz 55 / 45 °C, Anteil Warmwasser y = 18 %):
=> Gesamt-Jahresheizzahl: ξN,WP=1,23
=> Gesamt-Jahresnutzungsgrad: ηN,WP=1,25

Beispiel 2:
Wärmepumpenanlage mit Wärmequelle Solarstrahlung (Kollektor 4,6 m²) mit solarer Unterstützung für Heizung und Warmwasser (Heiznetz 35 / 28 °C, Warmwasseranteil 18 %):
=> Gesamt-Jahresheizzahl: ξN,WP=1,34
=> Gesamt-Jahresnutzungsgrad: ηN,WP=1,36
 

Anhänge

Anhang A
Der Anhang A besteht aus zwei Teilen:
Anhang A1: Ableitung der Heizungsvorlauf- und -rücklauftemperaturen in Abhängigkeit von der relativen Wärmeleistung der Sorptionswärmepumpenanlage, der Raumsolltemperatur, den Norm-Vor- und -Rücklauftemperaturen des Heiznetzes und dem Heizflächenexponenten.
Anhang A2: Berechnung der Außentemperaturen in Abhängigkeit von der relativen Wärmeleistung der Sorptionswärmepumpenanlage, der Raumsolltemperatur und der Norm-Außentemperatur.

Anhang B
In diesem Anhang befinden sich Simulationsrechnungen für Sole-Wärmepumpen im Hinblick auf die Länge und die Verläufe der Sole-Rücklauftemperaturen aus den Erdwärmesonden (inklusive mehrerer Tabellen für Heizlastcharakteristika bei Altbauten und Neubauten, Entzugsleistungen von Erdwärmesonden und für benötigte Sondenlängen).

Anhang C:
Ermittlung der Verdampfereintrittstemperatur bei Wärmepumpen mit Solarstrahlung (Kollektoren).

Anhang D
Im Anhang D wird in drei Teilen beschrieben, welche Angaben, Prüfungen und Berechnungen bei einem Wärmepumpenprojekt von welchen Stellen erfolgen müssen:
Tabelle D1: Hersteller (Lieferung von Angaben an das Prüflabor und an den Planer).
Tabelle D2: Prüflabor.
Tabelle D3: Anlagenplaner (Angaben vom Hersteller, zu ermitteln sind Rand- und Betriebsbedingungen und verschiedene Berechnungen durchzuführen).

Diese Zusammenfassung wurde im Februar 2013 von Dr.-Ing. Manfred Stahl für cci Wissensportal erstellt und im Mai 2019 überprüft.

Artikelnummer: cci2173