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Am Ende bestimmt das Gesamtsystem die Effizienz …

Abgestimmter Systemansatz von Kermi

Abgestimmter Systemansatz von Kermi

Differenzierte Auslegung von Wärmepumpenanlagen

Am Ende bestimmt das Gesamtsystem die Effizienz …

Autor: Dipl.-Ing. Harald Fonfara, Leiter Vorentwicklung und Patente, Kermi GmbH Plattling

Vor dem Hintergrund hoch gedämmter Gebäudehüllen mit entsprechend geringem Heizwärmebedarf setzen sich zunehmend elektrobetriebene Wärmepumpen als zentrale Wärmeerzeuger durch. Um die höchst mögliche Effizienz dieser Systeme zu gewährleisten, muss aber bei der Auslegung die Anlagentechnik in ihrer Gesamtheit – also beginnend bei der Wärmegewinnung über die Wärmeerzeugung und Speicherung bis zur Wärmeübergabe und Warmwasserbereitung – differenziert betrachtet und dann entsprechend geregelt werden. Darauf zielt auch die neue VDI 4645 ab, die aktuell in Arbeit ist.

Die Effizienz von Wärmpumpen wird über die Leistungszahl und/oder die Jahresarbeitszahl verglichen. Die erste Größe beschreibt das theoretische Potenzial des Gerätes in einem definierten Arbeitspunkt, die zweite stellt den erwarteten (Wärme-)Nutzen ins Verhältnis zum erwarteten (Strom-)Aufwand: Effizienz versus Effektivität. Beide Werte hängen zwar im Wesentlichen vom Temperaturhub ab – mit entsprechenden Vorteilen für die Wasser/Wasser-, eingeschränkter die Sole/Wasser-Wärmepumpen.
Mindestens genauso entscheidend für die Effizienz ist aber die Feinabstimmung des Gesamtsystems aus Wärmeerzeugung, Wärmeverteilung und Wärmenutzung, so das Fraunhofer ISE Freiburg nach entsprechenden Feldstudien: Vor allem auf Seiten der Wärmesenke besteht in der Auslegung erhebliches Optimierungspotenzial, das durch eine ganzheitliche Planung des Wärmesystems sowie durch ebenfalls verbrauchsreduzierende Installationen weiter gesteigert werden kann.
Dazu gehört neben Hocheffizienzpumpen oder abgestimmten Speichern auch die optimierte Positionierung von Temperaturfühlern, eine lückenlose Dämmung und nicht zuletzt – insbesondere im Bestand – die einwandfreie Funktionalität der hydraulischen Bauteile.

 

Wärmeübergabe optimieren

Die Optimierung der Wärmeübergabe ist als erster Schritt grundlegend notwendig, um unabhängig von der Wärmequelle den Temperaturhub zu reduzieren. Klassischerweise geschieht dies – auf Basis einer Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 – durch eine großflächige Wärmeübergabe an den Raum, also mit geringen Vorlauftemperaturen und damit über eine Flächenheizung. Diese ist raumbezogen auszulegen.

Wird die pauschale Gebäude-Heizlast nur um 15 Prozent falsch eingeschätzt, kann es im Vergleich zur präzise raumbezogenen Berechnung der Heizlasten massive Differenzen geben. Sie betragen je nach Raum zwischen 25 und 60 Prozent – zu Ungunsten der Schätzung! Das entspricht einer von 45 auf 55 °C gegenüber der Auslegung zu verschiebenden Vorlauftemperatur.

 

Im Bestand, wo Flächenheizsysteme eher die Ausnahme sind, kann der gewünschte Effekt alternativ teilweise über den Austausch konventioneller Heizkörper durch solche mit energetisch optimierter, serieller Zwangsdurchströmung erreicht werden. Der Heizenergiebedarf des so aufgebauten und patentierten Kermi-Heizkörpers „therm-x2“ liegt beispielsweise um bis zu elf Prozent niedriger. Die Aufheizzeit des zwangsdurchströmten Flachheizkörpers verringert sich außerdem um ein Viertel, während sich der Anteil der Strahlungswärme gleichzeitig fast verdoppelt.

 

Präzise Grundlagenermittlung

Von entscheidender Bedeutung ist im Zusammenhang der Wärmeübertragung an den Raum aber ebenso die Frage, inwieweit die Flächenheizung respektive der Flachheizkörper verlustfrei direkt von der Wärmepumpe aus angefahren werden kann oder ob ein Pufferspeicher zwischengeschaltet werden sollte. Letzteres verbessert die Laufzeiten, weil es das unwirtschaftliche Takten der Wärmepumpe verhindert, bringt aber zwangsläufig gewisse Speicherverluste mit sich. In der Praxis lassen sich diese reduzieren, wenn die Speicher konstruktiv eine temperaturgenaue Einschichtung des Wärmepumpenvorlaufes mit einem Minimum an Verwirbelungen gewährleisten. Kermi erreicht die temperaturgenaue Einschichtung bei dem „x-buffer Schichtenpufferspeicher“ zum Beispiel über einen Einströmdämpfer. Dieser entzieht dem von der Wärmepumpe kommenden Lademassenstrom beim Heizbetrieb die Bewegungsenergie und sorgt gleichzeitig dafür, dass der Vorlauf zum Heiznetz praktisch die gleiche Temperatur aufweist, wie der Lademassenstrom von der Wärmepumpe. Ein zweiter Einströmdämpfer weiter oben im Speicher sichert auch bei Trinkwassererwärmung eine verwirbelungsarme Beladung.

Die intelligente Speicher-Lösung als solche ist zugleich eng verknüpft mit der Frage der Trinkwassererwärmung. Soll die Wärmepumpe beide Funktionen (Heizwärme plus Trinkwassererwärmung) erfüllen, ist sie mit entsprechend größerer Heizleistung auszulegen.

Bei der Dimensionierung der Speicher sind darüber hinaus gegebenenfalls noch

·       eventuelle Mindestlaufzeiten der Wärmepumpe,

·       die möglicherweise bereitzustellende Abtauenergie bei Luft/Wasser-Wärmepumpen, und

·       eventuelle Sperrfristen des Energieversorgers

zu berücksichtigen. Zur Dimensionierung des Speichers wie auch zum notwendigen Zuschlag zur Leistung der Wärmepumpe wird es daher in der VDI 4645 geeignete Berechnungsverfahren geben.

Die präzise Grundlagenermittlung des Wärmebedarfs ist für die Auslegung von Wärmepumpenanlagen entscheidend, da jede spätere „Korrektur“ durch Erhöhung der Heizkurve automatisch mit erheblichen Effizienzeinbußen verbunden ist.

 

Alternativ: Wärmepumpe nur für Warmwasser

Um die schnell unwirtschaftliche Überdimensionierung der Wärmepumpe bei kombinierter Wärme-/Warmwasserbereitung zu vermeiden, bietet sich als Alternative die Installation einer gesonderten Trinkwasserwärmepumpe an. Besonders geeignet sind dabei speziell für solche Anwendungen optimierte Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Speicher als installationsfertige Einheit. Hoch effizient werden sie durch die Luft des Aufstellraumes oder die Abluft von KWL-Anlagen gespeist und reichen mit 150 bis 300 l Inhalt zur Versorgung von Ein- und Zweifamilienhäusern völlig aus.

Welches Konzept letztlich optimal geeignet ist, muss also im Einzelfall zwischen Nutzer/Auftraggeber und Planer und/oder ausführendem Fachhandwerker abgewogen werden, da speziell bei größeren oder öffentlich gewerblichen Objekten zudem Fragen der Trinkwasserhygiene und der „Gleichzeitigkeiten“ hineinspielen. Sie sind unter anderem in der VDI 6023 und den DVGW-Arbeitsblättern W 551 und W 553 (Trinkwasserhygiene) sowie in der EN 15450 (Zapfprofile) beschrieben.

 

Zwingend: Abgestimmte Steuerung

Komplett wird diese anlagentechnische Wärmeoptimierung im Heizungskeller letztlich aber erst durch eine Steuerung, die abgestimmt auf die temperaturentscheidenden Einflussgrößen das System aus Wärmeerzeugung, -speicherung und -übergabe an den Raum hoch effizient in einem sich permanent selbstoptimierenden Regelkreis fährt.

Bei konventionellen Regelungen erfolgt die Wärmebereitstellung allein über den Außentemperaturfühler. Sie ist damit zwar wetter-, aber nicht wirklich bedarfsgerecht. Deutlich effizienter ist die Kermi-Regelung „x-center x30“, die auf die aktuellen Referenzwerte der einzelnen Räume zurückgreift und auf der Grundlage einer hinterlegten Matrix die Vorlauftemperatur der Heizkreise auf den jeweils ungünstigsten Raumbedarf abstimmt. Wird dabei auch noch die Menge der im Speicher vorgehaltenen Wärmeenergie berücksichtigt, führt dies indirekt bis hin zu einer „Kesselbeeinflussung“, also ebenfalls optimierten Wärmepumpe-Laufzeiten. In der Summe bringt das eine zusätzliche Energieeinsparung von etwa 14 Prozent, ermittelt durch eine Studie in Verbindung mit realem Betrieb einer Wärmepumpe an  der TU Dresden.

 

Fazit

Angesichts immer besser gedämmter Objekte mit reduziertem Wärmebedarf, zudem der Forderung nach intensiverer Nutzung regenerativ erzeugten und damit volatilen Stroms werden Elektro-Wärmepumpen (Luft/Wasser bzw. Sole/Wasser) die markt-bestimmenden Wärmeerzeuger. Ihre Effizienz hängt aber entscheidend von einem ganzheitlichen Planungsansatz ab, bei dem sämtliche Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind – im Heizungskeller mit seiner Hydraulik genauso wie in der Wärmeübergabe. Ziel ist es dabei, den tatsächlichen Bedarf der Wärmeübergabe zu ermitteln, um einen möglichst niedrigen Temperaturhub zu erreichen. Wesentliche Einflussgrößen sind dabei die Wärmespeicherung und die Wärmeübertragung an den Raum. Im ersten Fall können konstruktiv entsprechend ausgelegte Pufferspeicher den energetischen Aufwand für die Bereitstellung der Wärme verringern. Im zweiten Fall sind es Wärmeverteilsysteme, die mit einer niedrigeren Vorlauftemperatur gefahren werden. Auf diese Systemkomponenten abgestimmte, spezielle Regelungen tragen zusätzlich zu einer Verringerung des Aufwandes bei der Wärmebereitstellung bei, beispielsweise durch eine direkte Beeinflussung der Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der jeweiligen Raumtemperatur.

Weitere Informationen unter www.kermi.de.

 

Abgestimmter Systemansatz von Kermi

Kermi trägt dem geforderten ganzheitlichen Ansatz in der Wärmeerzeugung, -speicherung, -übergabe und -regelung mit dem innovativen „Kermi Wärmesystem x-optimiert&quot; Rechnung. Im Vordergrund steht dabei der Systemgedanke aus garantiert zusammenpassenden und perfekt aufeinander zugeschnittenen Komponenten

Kermi trägt dem geforderten ganzheitlichen Ansatz in der Wärmeerzeugung, -speicherung, -übergabe und -regelung mit dem innovativen „Kermi Wärmesystem x-optimiert" Rechnung. Im Vordergrund steht dabei der Systemgedanke aus garantiert zusammenpassenden und perfekt aufeinander zugeschnittenen Komponenten:

·       Die „x-change“ Wärmepumpen decken mit einem großen Leistungsspektrum und idealen Abmessungen so gut wie jede mögliche Einbausituation in Ein- und Zweifamilienhäusern ab.
Sie sind in den Betriebsarten Luft/Wasser und Sole/Wasser in jeweils verschiedenen Leistungsstufen erhältlich. Verschiedene Modelle sind modulierend, d.h. im überwiegenden Einsatzbereich sind diese Wärmepumpen selbstregelnd je nach Wärmebedarf. Für die Trinkwassererwärmung mit Wärmepumpe stehen Varianten der Reihe „x-change fresh“ zur Verfügung.

·       Die „x-buffer“ Wärmespeicher bevorraten besonders lange die Wärmeenergie – für behagliche Heizungswärme und/oder hygienisch einwandfreies Trinkwasser. Durch die im Rahmen eines Forschungsvorhabens entwickelten Einströmdämpfer werden beim „x-buffer Schichtenpufferspeicher“ unerwünschte, weil zu Wärmeverlusten führende Verwirbelungen im Speicher verhindert und die temperaturgenaue Einschichtung unterstützt.

·       Die „x-center“ Regelungen steuern gezielt die einzelnen Elemente und sorgen für ein reibungsloses Zusammenspiel. Bei der bedarfsgeführten Vorlauftemperaturregelung „x-center x30“ werden neben der Außentemperatur auch die Raumtemperatur und äußere/innere Wärmeeinträge wie Sonneneinstrahlung o.Ä. berücksichtigt, um energiesparend die Vorlauftemperatur entsprechend beeinflussen zu können.

·       Die „x-net Flächenheizung/-kühlung“ und die „therm-x2“ Flachheizkörper wiederum übertragen die Wohlfühlwärme besonders effizient in die Räume. Ausgelegt für niedrige Vorlauftemperaturen und feinfühlige Regelbarkeit eignen sie sich in idealer Weise für die Kombination mit regenerativen Wärmeerzeugern.

·       Die x-well Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung leitet kontrolliert CO2 sowie Feuchtigkeit nach außen und führt Frischluft zu.

Das "Kermi Wärmesystem x-optimiert" ist so ausgelegt, dass jede eingesetzte Komponente für sich bereits maximale Wirtschaftlichkeit erfüllt. Im Zusammenspiel aller Geräte aber beweist das Wärmesystem seine ganze Stärke und holt durch gekonntes Schnittstellenmanagement das Optimum an Energieeffizienz heraus.

www.kermi.de/Wärmesysteme

„Flüsterleise“ Luft/Wasser-Wärmepumpen können mittlerweile selbst in verdichteter Bebauung installiert werden – und werden allein dadurch die Marktdurchdringung dieser Variante der Wärmeerzeugung weiter vorantreiben. Modelle wie die „x-change compact cool“ (Abb.) sind sowohl für die Wärmeerzeugung als auch für den aktiven Kühlbetrieb im Sommer nutzbar.  

„Flüsterleise“ Luft/Wasser-Wärmepumpen können mittlerweile selbst in verdichteter Bebauung installiert werden – und werden allein dadurch die Marktdurchdringung dieser Variante der Wärmeerzeugung weiter vorantreiben.
Modelle wie die „x-change compact cool“ (Abb.) sind sowohl für die Wärmeerzeugung als auch für den aktiven Kühlbetrieb im Sommer nutzbar.

 

„Flüsterleise“ Luft/Wasser-Wärmepumpen können mittlerweile selbst in verdichteter Bebauung installiert werden – und werden allein dadurch die Marktdurchdringung dieser Variante der Wärmeerzeugung weiter vorantreiben. Modelle wie die „x-change compact cool“ (Abb.) sind sowohl für die Wärmeerzeugung als auch für den aktiven Kühlbetrieb im Sommer nutzbar.  

Intelligente Speichertechnik trägt dazu bei, die „energiefressende“ Wärmesenke deutlich abzufedern. Hier ein Puffer- und Warmwasserspeicher des Typs „x-buffer combi“ – hydraulisch und elektrisch komplett vorkonfektioniert, einfach aufstellen und fertig. Diese kompakte Systemeinheit erleichtert die gesamte Installation der Wärmepumpe, spart Platz und Zeit bei der Montage und reduziert somit die Gesamtinvestitionskosten.

 

Die Kombination von Wärmepumpen mit Fußbodenheizung gilt als Ideallösung. Für den Einsatz bei Renovierung und Sanierung entwickelt, bieten Systeme wie das „x-net C13 Trockensystem“ – hier mit „x-net Wärmeleitblech Alu“ und spezieller Verteilerplatte – geringe Konstruktionshöhe, geringes Gewicht und kurze Trockenzeiten.  

Die Kombination von Wärmepumpen mit Fußbodenheizung gilt als Ideallösung.
Für den Einsatz bei Renovierung und Sanierung entwickelt, bieten Systeme wie das „x-net C13 Trockensystem“ – hier mit „x-net Wärmeleitblech Alu“ und spezieller Verteilerplatte – geringe Konstruktionshöhe, geringes Gewicht und kurze Trockenzeiten.

 

Auch moderne Flachheizkörper lassen sich gut mit Niedertemperaturheizsystemen wie Wärmepumpe kombinieren. Ein wichtiger Aspekt, wenn bspw. bei Renovierung/ Sanierung der Einbau einer Fußbodenheizung nur sehr schwierig oder sogar gar nicht möglich ist.

Hier die „x-change WPS“ Sole/Wasser-Wärmepumpe“ mit „therm-x2“ Energiespar-Heizkörper von Kermi. 

Hier die „x-change WPS“ Sole/Wasser-Wärmepumpe“ mit „therm-x2“ Energiespar-Heizkörper von Kermi.

 

Durch die patentierte x2-Technologie der seriellen Durchströmung ist der „therm-x2“ Flachheizkörper idealer Partner der Wärmepumpe.

Durch die patentierte x2-Technologie der seriellen Durchströmung ist der „therm-x2“ Flachheizkörper idealer Partner der Wärmepumpe.

 

 

Für die Warmwassererwärmung und –speicherung sind spezielle Trinkwasserwärmepumpen, wie bspw. hier die „x-change fresh“ und Warmwasserspeicher erhältlich.  

Für die Warmwassererwärmung und –speicherung sind spezielle Trinkwasserwärmepumpen, wie bspw. hier die „x-change fresh“ und Warmwasserspeicher erhältlich.

 

Bei Lösungen wie dem „x-buffer Schichtenpufferspeicher“ mit patentiertem Temperaturschichtungsverfahren, ist die Einbindung einer Frischwasserstation möglich – für „just in time“ erwärmtes Trinkwasser bei Abruf.  

Bei Lösungen wie dem „x-buffer Schichtenpufferspeicher“ mit patentiertem Temperaturschichtungsverfahren, ist die Einbindung einer Frischwasserstation möglich – für „just in time“ erwärmtes Trinkwasser bei Abruf.

 

Energieeffiziente Regelungstechnik, wie „x-center x30“ von Kermi, arbeitet nicht nur mit der Außentemperatur als Stellgröße, sondern berücksichtigen ebenso die Temperatur in den einzelnen Räumen und sorgt dann über die Stellantriebe der Heizkreise für eine bedarfsgeführte Vorlauftemperaturregelung. 

Energieeffiziente Regelungstechnik, wie „x-center x30“ von Kermi, arbeitet nicht nur mit der Außentemperatur als Stellgröße, sondern berücksichtigen ebenso die Temperatur in den einzelnen Räumen und sorgt dann über die Stellantriebe der Heizkreise für eine bedarfsgeführte Vorlauftemperaturregelung.

 

Die integrierte Planung und Auslegung kompletter Wärmesysteme unterstützt Kermi nicht zuletzt durch die Bereitstellung der notwendigen Daten auch für BIM-Anwendungen. Neben der Geometrie beinhalten sie technische Attribute wie Abmessungen, Anschlusspositionen, Leistungsdaten oder die Energiebewertung. 

Die integrierte Planung und Auslegung kompletter Wärmesysteme unterstützt Kermi nicht zuletzt durch die Bereitstellung der notwendigen Daten auch für BIM-Anwendungen. Neben der Geometrie beinhalten sie technische Attribute wie Abmessungen, Anschlusspositionen, Leistungsdaten oder die Energiebewertung.

 

Quelle aller Bilder: Kermi GmbH

 

 

 


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