Bei der Planung eines Luft-Wasser-Wärmepumpensystems ist eine wichtige Entscheidung, wie die Wärmepumpe hydraulisch an die Heiz- und Kühlendgeräte des Gebäudes angebunden werden soll.
Für relativ einfache Wohn- und leichte Gewerbeanwendungen wird häufig ein hydraulisches Einkreissystem, auch bekannt als direkt angebundenes Wärmepumpensystem, verwendet.
Sein Prinzip ist unkompliziert:
Wärmepumpe → Umwälzpumpe → Heiz-/Kühlendgeräte → Wärmepumpe
Die Wärmepumpe und die Endgeräte teilen sich denselben zirkulierenden Wasserkreislauf ohne hydraulische Entkopplung zwischen Wärme- und Lastseite.
Diese Anordnung bietet klare Vorteile: weniger Komponenten, einfachere Verrohrung, geringere Anschaffungskosten und potenziell ein niedrigerer Pumpenenergiebedarf.
Die Einfachheit bringt jedoch auch eine wesentliche ingenieurtechnische Herausforderung mit sich:
Da sich Wärmepumpe und Endgeräte denselben Volumenstrom teilen, wirkt sich eine Änderung auf der Lastseite direkt auf die Betriebsbedingungen der Wärmepumpe aus.
Das Verständnis dieses Kompromisses ist essenziell, bevor entschieden wird, ob ein Einkreissystem die richtige Lösung für ein Projekt ist.
In einem Einkreissystem verbindet ein gemeinsamer Wasserkreislauf die Wärmepumpe direkt mit Endgeräten wie:
Fußbodenheizung
Fußbodenheizzonen
Niedertemperatur-Heizkörper
Heiz-/Kühlregister von Lüftungsgeräten
Andere hydraulische Heiz- oder Kühlendgeräte
In vielen Installationen stellt eine einzige Umwälzpumpe den erforderlichen Volumenstrom sowohl durch die Wärmepumpe als auch durch das Verteilnetz bereit.
Das bedeutet:
Wärmepumpen-Volumenstrom ≈ Endgeräte-Volumenstrom
Dies unterscheidet sich grundlegend von einem hydraulisch getrennten oder Primär-Sekundär-System, bei dem der Wärmepumpenkreis und der Endgerätekreis mit unterschiedlichen Volumenströmen betrieben werden können.
Die Einfachheit der Einkreisanordnung ist sowohl ihr größter Vorteil als auch ihre Haupteinschränkung.
Der erste wesentliche Vorteil ist die Einfachheit.
Ein fachgerecht ausgelegtes Einkreissystem benötigt unter Umständen nur:
Wärmepumpe + Umwälzpumpe + Verteilnetz + Endgeräte
Zusätzliche Komponenten für Sicherheit, Ausdehnung, Filtration und Regelung sind weiterhin erforderlich, aber die grundlegende hydraulische Architektur bleibt unkompliziert.
Im Vergleich zu komplexeren Systemen kann dies bedeuten:
Weniger Umwälzpumpen
Weniger Rohrleitungen
Weniger Regelungskomponenten
Einfachere Installation
Einfachere Inbetriebnahme
Geringere Anfangsinvestition
Weniger potenzielle Probleme durch hydraulische Wechselwirkungen zwischen Pumpen
Für ein kleines Wohnprojekt mit einem Hauptheizkreis kann diese Einfachheit sehr attraktiv sein.
Die Effizienz einer Wärmepumpe sollte niemals allein anhand des Verdichter-COP bewertet werden.
Das Gebäude bezahlt letztlich für den Strom, der vom Gesamtsystemoptimalem/Auslegungsvolumenstrom
Dazu gehören:
Wärmepumpe + Umwälzpumpen + Regelung + Zusatzheizungen + weiteres Zubehör
Die Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe spielt daher eine wichtige Rolle.
Stellen Sie sich beispielsweise vor:
Aufnahmeleistung der Wärmepumpe = 4,0 kW
und:
Aufnahmeleistung der Umwälzpumpe = 0,3 kW
Das Gesamtsystem verbraucht tatsächlich etwa:
4,3 kW
Werden unnötige Pumpen hinzugefügt, sinkt die Gesamtsystemeffizienz, selbst wenn der angegebene COP der Wärmepumpe unverändert bleibt.
Dies wird umso wichtiger, je effizienter moderne Inverter-Wärmepumpen werden.
Mit steigender Verdichtereffizienz macht der Hilfsenergieverbrauch einen größeren Anteil am gesamten Stromverbrauch des Systems aus.
In der Praxis ist der genaue hydraulische Widerstand des Endgerätenetzes nicht immer bekannt.
Planer oder Installateure wählen daher unter Umständen eine größere Umwälzpumpe, um einen ausreichenden Volumenstrom sicherzustellen.
Die Überlegung ist verständlich:
„Es ist sicherer, zu viel Volumenstrom zu haben als zu wenig.“
Aus energetischer Sicht ist dies jedoch nicht immer richtig.
Eine überdimensionierte Umwälzpumpe kann Folgendes verursachen:
Übermäßigen Stromverbrauch
Höheren Differenzdruck
Zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten
Strömungsgeräusche an Rohren und Ventilen
Reduziertes System-ΔT
Schlechte Ventilautorität
Unnötigen Bypass-Volumenstrom
Eine Umwälzpumpe sollte daher nicht einfach nach dem Prinzip gewählt werden, ein größeres Modell einzubauen.
Der korrekte ingenieurtechnische Ansatz lautet:
Erforderlicher Volumenstrom + Systemdruckverlust → Pumpenbetriebspunkt
Die meisten Heizsysteme arbeiten nicht während der gesamten Heizperiode unter voller Auslegungslast.
Die Außentemperatur ändert sich.
Räume erreichen ihre Solltemperaturen.
Solare Wärmegewinne steigen.
Einige Zonen schließen.
Die Wärmepumpe reduziert die Verdichterfrequenz.
Infolgedessen benötigt das Gebäude über lange Zeiträume hinweg oft nur einen Bruchteil seiner Auslegungsheizlast.
Angenommen, das Gesamtsystem wurde ausgelegt für:
3 m³/h
unter Teillastbedingungen benötigen die aktiven Endgeräte jedoch nur:
1 m³/h
Eine ungeregelte oder schlecht gesteuerte überdimensionierte Umwälzpumpe fördert möglicherweise weiterhin einen wesentlich höheren Volumenstrom, als das Endgerätesystem tatsächlich benötigt.
Die Pumpe verbraucht dann Strom, um Wasser zirkulieren zu lassen, das kaum zusätzlichen Nutzen für die Wärmeübertragung bringt.
Dies verringert die saisonale Effizienz des Gesamtsystemsoptimalem/Auslegungsvolumenstrom
Ein weiterer wichtiger Vorteil eines direkt angebundenen Systems besteht darin, dass normalerweise keine hydraulische Entkopplung zwischen Wärmepumpe und Endgeräten vorhanden ist.
Das aus dem Gebäude zurückfließende Wasser gelangt direkt zurück zur Wärmepumpe.
Dadurch wird die Durchmischung vermieden, die bei manchen Primär-Sekundär-Anordnungen auftreten kann, wenn Primär- und Sekundärvolumenströme unterschiedlich sind.
Dies ist für Wärmepumpen besonders relevant, da deren Effizienz stark von der Wassertemperatur beeinflusst wird.
Generell gilt:
Geringere erforderliche Heizwassertemperatur → Geringerer Verdichtungshub → Bessere Wärmepumpeneffizienz
Eine unnötige Durchmischung, die die Rücklauftemperatur anhebt oder eine höhere Wärmepumpen-Vorlauftemperatur erfordert, kann daher die Effizienz verringern.
Ein korrekt ausgelegtes, direkt angebundenes System kann einen thermisch sehr direkten Pfad bieten:
Wärmepumpe → Endgerät → Wärmepumpe
ohne unnötige Zwischendurchmischung.
Einkreissysteme eignen sich besonders gut für die Fußbodenheizungoptimalem/Auslegungsvolumenstrom
Fußbodenheizungen erfordern in der Regel relativ niedrige Vorlauftemperaturen, die oft deutlich unter denen traditioneller Heizkörpersysteme liegen.
Dies ist für Luft-Wasser-Wärmepumpen von großem Vorteil.
Beispielsweise ermöglicht ein System, das mit ca.:
35°C Vorlaufwasser
arbeitet, im Allgemeinen einen effizienteren Betrieb der Wärmepumpe als ein System, das:
55°C Vorlaufwasser
unter vergleichbaren Außenbedingungen benötigt.
Eine einfache Direktverbindung zwischen einer Inverter-Wärmepumpe und einem fachgerecht dimensionierten Niedertemperatur-Fußbodenheizungsnetz kann daher eine hocheffiziente Lösung sein.
Es gibt jedoch eine wichtige Bedingung:
Die Strömungscharakteristik der Endgeräte muss mit dem erforderlichen Betriebsvolumenstrom der Wärmepumpe kompatibel bleiben.
Dies ist das wichtigste Konzept, das es zu verstehen gilt.
In einem Einkreissystem gilt:
Wärmepumpen-Volumenstrom = Verteil-Volumenstrom
oder genauer gesagt: Beide Seiten sind Teil desselben hydraulischen Kreislaufs.
Dies bedeutet, dass der Planer den Wärmepumpen-Volumenstrom und den Endgeräte-Volumenstrom nicht unabhängig voneinander optimieren kann.
Betrachten Sie ein einfaches Beispiel.
Bei einem Betriebszustand gilt:
Optimaler Wärmepumpen-Volumenstrom = 3 m³/h
und alle Endgerätekreise sind geöffnet.
Das System arbeitet einwandfrei.
Später erreichen die meisten Räume ihre Solltemperatur.
Nur noch eine Endgerätezone bleibt aktiv.
Diese Zone benötigt möglicherweise nur:
1 m³/h
Nun entsteht ein Konflikt.
Die Wärmepumpe bevorzugt möglicherweise:
3 m³/h
während das Gebäude aktuell nur:
1 m³/h
benötigt.
Ein direkt angebundenes System kann naturgemäß nicht gleichzeitig zwei unterschiedliche Volumenströme bereitstellen.
9. Warum variable Gebäudeanforderungen ein Problem darstellen
Reale Gebäude verändern sich ständig.
Ein System kann beispielsweise sechs Heizzonen umfassen.
Bei Volllast:
6 Zonen geöffnet → Hoher Endgeräte-Volumenstrom
Bei mittlerer Last:
3 Zonen geöffnet → Geringerer Endgeräte-Volumenstrom
Bei Minimallast:
1 Zone geöffnet → Sehr geringer Endgeräte-Volumenstrom
Die Wärmepumpe hat jedoch weiterhin eine Mindestvolumenstrom-Anforderung.
Deshalb:
Endgeräte-Volumenstrom ↓
bedeutet nicht zwingend:
Erforderlicher Wärmepumpen-Volumenstrom ↓ um denselben Betrag
Diese Diskrepanz wird besonders gravierend bei unabhängig geregelten:
Fußbodenheizzonen
Gebläsekonvektoren
Thermostatischen Heizkörperventilen
10. Die Wärmepumpe hat ihren eigenen optimalen Betriebsvolumenstrom
Es ist wichtig zu unterscheiden zwischen:
Einkreis = Einfach / Günstig
undoptimalem/Auslegungsvolumenstrom
.
Der Mindestvolumenstrom dient normalerweise als Schutzgrenze.
Der Auslegungsvolumenstrom ist der Volumenstrom, bei dem die Wärmepumpe ihre angegebene thermische Leistung unter einer bestimmten Test- oder Auslegungsbedingung erreichen soll.
Für eine gegebene Wärmeleistung gilt:
Q ≈ 1,163 × V × ΔT
wobei:
Q = thermische Leistung, kW
V = Wasservolumenstrom, m³/h
ΔT = Spreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur, K
Eine Änderung des Volumenstroms ändert das ΔT und die Betriebsbedingungen des Wärmeübertragers.
Daher sollte das Ziel nicht einfach lauten:
„Genug Wasser in Bewegung halten, damit die Maschine keine Störung meldet.“
Ein besseres Ziel ist:
11. Auch die Lastseite hat einen optimalen Volumenstrom
Dasselbe Prinzip gilt für die Endgeräte im Gebäude.
Ein Fußbodenheizkreis, Heizkörper oder Gebläsekonvektor benötigt nicht zu jeder Zeit den maximalen Wasservolumenstrom.
Sein erforderlicher Volumenstrom hängt ab von:
Aktueller Raumlast
Vorlauftemperatur
Erforderlicher Wärmeleistung
Wärmeübertragungseigenschaften des Endgeräts
Regelventilstellung
Raum-Solltemperatur
Bei reduzierter Last profitiert die Endgeräteseite oft von einem geringeren Volumenstrom.
Wenn sich Wärmepumpe und Endgerätesystem jedoch denselben Zirkulationskreis teilen, verringert eine Drosselung des Endgeräte-Volumenstroms auch den Wärmepumpen-Volumenstrom.
12. Der fundamentale Einkreis-Kompromiss
Anforderung der Wärmepumpe
Anforderung der Endgeräte
Einkreissystem
„Ihr müsst euch denselben hydraulischen Volumenstrom teilen.“
13. Warum eine Überdimensionierung der Pumpe das Problem nicht vollständig löst
Eine häufige Notlösung ist der Einbau einer größeren Umwälzpumpe.
Dies kann einen ausreichenden Wärmepumpen-Volumenstrom gewährleisten, wenn viele Endgeräte geöffnet sind.
Sinkt der Bedarf der Endgeräte jedoch, wälzt die Pumpe möglicherweise deutlich mehr Wasser um als nötig.
Dies kann führen zu:
Höherer Pumpenleistung → Höherem Hilfsenergieverbrauch → Geringerer Gesamtsystemeffizienz
Es kann auch zu übermäßigem Differenzdruck führen, wenn Endgeräteventile schließen.
14. Drehzahlgeregelte Pumpen verbessern die Situation
Moderne drehzahlgeregelte ECM-Umwälzpumpen bieten eine bessere Lösung als überdimensionierte Pumpen mit fester Drehzahl.
Je nach System kann die Pumpenregelung über folgende Verfahren erfolgen:
Konstanter Differenzdruck
Proportionaler Differenzdruck
PWM-Signal
0–10-V-Signal
In die Wärmepumpe integrierte Regelung
Dadurch kann die Pumpendrehzahl sinken, wenn die Systemlast zurückgeht.
Mögliche Vorteile sind:
Geringerer Pumpenstromverbrauch
Reduzierte Strömungsgeschwindigkeit
Niedrigerer Differenzdruck
Weniger Geräuschentwicklung
Bessere Teillasteffizienz
Eine drehzahlvariable Pumpe beseitigt die grundlegende Einschränkung jedoch nicht vollständig.
Das System verfügt nach wie vor nur über einen einzigen hydraulischen Kreis.
Die Pumpe muss weiterhin einen Kompromiss finden zwischen:
Einkreis = Einfach / Günstig
und
15. Warum Pumpenstrom in die Systemeffizienz einbezogen werden sollte
Beim Vergleich verschiedener hydraulischer Konfigurationen ist es sinnvoll, über den reinen COP der Wärmepumpe hinauszudenken.
Betrachten Sie folgendes Szenario:
Nutzwärmeleistung = 12 kW
Stromverbrauch der Wärmepumpe:
3,0 kW
Stromverbrauch der Umwälzpumpe:
0,3 kW
Betrachtet man nur die Wärmepumpe:
COP = 12 ÷ 3,0 = 4,0
Wird jedoch die Pumpenleistung einbezogen:
System-COP = 12 ÷ (3,0 + 0,3)≈
3,64
Dieses vereinfachte Beispiel verdeutlicht einen wichtigen Punkt:
Der Hilfsstromverbrauch kann die Effizienz des Gesamtsystems erheblich beeinflussen.
16. Einkreissysteme können unter den richtigen Bedingungen sehr effizient sein
Keine dieser Einschränkungen bedeutet, dass ein Einkreissystem ineffizient ist.
Ganz im Gegenteil.
Ein gut ausgelegtes, direkt angebundenes System kann eine der effizientesten Lösungen sein, wenn:
Der hydraulische Widerstand vorhersehbar ist
Der Endgeräte-Volumenstrom relativ stabil bleibt
Die Auslegungsvolumenströme von Wärmepumpe und Endgeräten kompatibel sind
Nur wenige unabhängige Zonen verwendet werden
Die Wassertemperaturanforderungen ähnlich sind
Eine korrekt dimensionierte drehzahlgeregelte Pumpe eingesetzt wird
Der Mindestvolumenstrom der Wärmepumpe stets gewährleistet werden kann
17. Wann ist ein Einkreissystem am besten geeignet?
Kleine Wohngebäudesysteme
Fußbodenheizungen
Niedertemperatur-Heizkörper
Einfache Gebläsekonvektor-Systeme
Projekte, bei denen Einfachheit wichtig ist
18. Wann ist ein Einkreissystem weniger geeignet?
Ein direkt angebundenes System erfordert eine sorgfältigere Prüfung, wenn:
Viele unabhängige Zonen vorhanden sind
Der Endgeräte-Volumenstrom stark schwankt
Die meisten Ventile gleichzeitig schließen können
Verschiedene Endgerätekreise stark voneinander abweichende Volumenströme benötigen
Fußbodenheizung, Heizkörper und Gebläsekonvektoren kombiniert werden
Unterschiedliche Vorlauftemperaturen erforderlich sind
Der Druckverlust im Verteilnetz hoch ist
Mehrere Umwälzpumpen erforderlich sind
Mehrere Wärmepumpen in Kaskade betrieben werden
Der Mindestvolumenstrom der Wärmepumpe schwer zu garantieren ist
19. Einkreis vs. Primär-Sekundär ist keine Frage von „Gut vs. Schlecht“
Ein häufiger Fehler besteht darin, die Entscheidung wie folgt zu betrachten:
Einkreis = Einfach / Günstig
und
Primär-Sekundär = Professionell / Besser
Das ist nicht korrekt.
Beide Architekturen haben ihre berechtigten Einsatzbereiche.
Die richtige Frage lautet:
Benötigt die Wärmequelle über den gesamten erwarteten Betriebsbereich denselben Volumenstrom wie die Lastseite?
Lautet die Antwort im Wesentlichen Ja, kann eine Direktverbindung eine hervorragende Lösung sein.
| 20. Vor- und Nachteile auf einen Blick | Einkreissystem |
|---|---|
| Ingenieurtechnische Auswirkung | Einfache Verrohrung |
| Einfachere Installation und Inbetriebnahme | Meist weniger Pumpen |
| Geringere Anschaffungskosten und potenziell geringerer Hilfsenergiebedarf | Keine unnötige hydraulische Durchmischung |
| Kann dem Niedertemperaturbetrieb der Wärmepumpe zugutekommen | Direkte Wärmeübertragung |
| Einfacher thermischer Pfad | Wärmepumpe und Endgeräte teilen sich einen Volumenstrom |
| Eingeschränkte hydraulische Unabhängigkeit | Endgeräteventile beeinflussen den Wärmepumpen-Volumenstrom |
| Erfordert eine sorgfältige Zonenplanung | Pumpe muss möglicherweise das gesamte Netz versorgen |
| Pumpendimensionierung wird kritisch | Variable Lasten verändern den Systemwiderstand |
| Teillastbetrieb muss evaluiert werden | Volumenstrom-Kompromiss kann erforderlich sein |
21. Was sollten Ingenieure vor der Wahl eines Einkreissystems prüfen?
Wärmepumpenseite
Auslegungswasservolumenstrom
Zulässiger Mindestwasservolumenstrom
Zulässiger Maximalvolumenstrom
Erforderliches ΔT
Wasserseitiger Druckverlust
Verteilseite
Auslegungs-Endgerätevolumenstrom
Mindest-Endgerätevolumenstrom
Anzahl der Zonen
Rohrleitungsdruckverlust
Ventildruckverlust
Endgeräte-Druckverlust
Umwälzpumpe
Auslegungsvolumenstrom
Verfügbare Förderhöhe
Pumpenwirkungsgrad
Drehzahlregelbarkeit
Systembetrieb
Volllast-Volumenstrom
Teillast-Volumenstrom
Minimallast-Volumenstrom
Heizbetrieb
Kühlbetrieb
Abtauvorgang
22. Das wichtigste ingenieurtechnische Prinzip
Die Vorteile und Einschränkungen eines Einkreissystems resultieren aus exakt derselben Eigenschaft:
Wärmepumpe und Endgerätesystem sind durch einen gemeinsamen Wasserkreislauf hydraulisch miteinander verbunden.
Dies bietet:
Einfachheit + Weniger Pumpen + Weniger Durchmischung
erzeugt aber zugleich:
Volumenstromkopplung + Eingeschränkte hydraulische Unabhängigkeit
Hier liegt kein Widerspruch vor.
FazitEin hydraulisches Einkreis-Wärmepumpensystem
kann einfach, zuverlässig und hocheffizient sein, wenn Wärmepumpe und Endgerätesystem kompatible hydraulische Anforderungen aufweisen.
Zu den Hauptvorteilen zählen:
Einfache Architektur + Weniger Pumpen + Geringerer Hilfsenergieverbrauch + Keine unnötige hydraulische Durchmischung
Die Haupteinschränkung ist ebenso eindeutig:
Wärmepumpe und Gebäudeendgeräte können ihren Wasservolumenstrom nicht unabhängig voneinander regeln.
Wenn sich die Gebäudelast ändert, kann der von den Endgeräten benötigte optimale Volumenstrom erheblich von dem der Wärmepumpe abweichen.
Aus diesem Grund sind die Pumpenauswahl, die Zonierungsstrategie und die hydraulische Teillastanalyse so entscheidend.
Für einfache Wohngebäude-Fußbodenheizungen und andere relativ stabile hydraulische Anwendungen kann die Direktverbindung eine ausgezeichnete Wahl sein.
Für komplexe Mehrzonensysteme mit stark variablen Volumenströmen, mehreren Endgerätetypen oder unterschiedlichen Temperaturanforderungen kann eine hydraulische Entkopplung oder eine Primär-Sekundär-Architektur eine bessere Systemregelung bieten.
Das Ziel des Ingenieurs sollte niemals darin bestehen, das System so einfach – oder so kompliziert – wie möglich zu gestalten.
Es sollte lauten:
Ist ein Einkreis-Wärmepumpensystem effizienter?
Warum ist die Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe wichtig?
Ist eine größere Umwälzpumpe sicherer?
Warum ist eine Fußbodenheizung für ein Einkreis-Wärmepumpensystem geeignet?
Was ist der größte Nachteil eines Einkreissystems?
Wann sollte ein Primär-Sekundär-System in Betracht gezogen werden?
Bei der Planung eines Luft-Wasser-Wärmepumpensystems ist eine wichtige Entscheidung, wie die Wärmepumpe hydraulisch an die Heiz- und Kühlendgeräte des Gebäudes angebunden werden soll.
Für relativ einfache Wohn- und leichte Gewerbeanwendungen wird häufig ein hydraulisches Einkreissystem, auch bekannt als direkt angebundenes Wärmepumpensystem, verwendet.
Sein Prinzip ist unkompliziert:
Wärmepumpe → Umwälzpumpe → Heiz-/Kühlendgeräte → Wärmepumpe
Die Wärmepumpe und die Endgeräte teilen sich denselben zirkulierenden Wasserkreislauf ohne hydraulische Entkopplung zwischen Wärme- und Lastseite.
Diese Anordnung bietet klare Vorteile: weniger Komponenten, einfachere Verrohrung, geringere Anschaffungskosten und potenziell ein niedrigerer Pumpenenergiebedarf.
Die Einfachheit bringt jedoch auch eine wesentliche ingenieurtechnische Herausforderung mit sich:
Da sich Wärmepumpe und Endgeräte denselben Volumenstrom teilen, wirkt sich eine Änderung auf der Lastseite direkt auf die Betriebsbedingungen der Wärmepumpe aus.
Das Verständnis dieses Kompromisses ist essenziell, bevor entschieden wird, ob ein Einkreissystem die richtige Lösung für ein Projekt ist.
In einem Einkreissystem verbindet ein gemeinsamer Wasserkreislauf die Wärmepumpe direkt mit Endgeräten wie:
Fußbodenheizung
Fußbodenheizzonen
Niedertemperatur-Heizkörper
Heiz-/Kühlregister von Lüftungsgeräten
Andere hydraulische Heiz- oder Kühlendgeräte
In vielen Installationen stellt eine einzige Umwälzpumpe den erforderlichen Volumenstrom sowohl durch die Wärmepumpe als auch durch das Verteilnetz bereit.
Das bedeutet:
Wärmepumpen-Volumenstrom ≈ Endgeräte-Volumenstrom
Dies unterscheidet sich grundlegend von einem hydraulisch getrennten oder Primär-Sekundär-System, bei dem der Wärmepumpenkreis und der Endgerätekreis mit unterschiedlichen Volumenströmen betrieben werden können.
Die Einfachheit der Einkreisanordnung ist sowohl ihr größter Vorteil als auch ihre Haupteinschränkung.
Der erste wesentliche Vorteil ist die Einfachheit.
Ein fachgerecht ausgelegtes Einkreissystem benötigt unter Umständen nur:
Wärmepumpe + Umwälzpumpe + Verteilnetz + Endgeräte
Zusätzliche Komponenten für Sicherheit, Ausdehnung, Filtration und Regelung sind weiterhin erforderlich, aber die grundlegende hydraulische Architektur bleibt unkompliziert.
Im Vergleich zu komplexeren Systemen kann dies bedeuten:
Weniger Umwälzpumpen
Weniger Rohrleitungen
Weniger Regelungskomponenten
Einfachere Installation
Einfachere Inbetriebnahme
Geringere Anfangsinvestition
Weniger potenzielle Probleme durch hydraulische Wechselwirkungen zwischen Pumpen
Für ein kleines Wohnprojekt mit einem Hauptheizkreis kann diese Einfachheit sehr attraktiv sein.
Die Effizienz einer Wärmepumpe sollte niemals allein anhand des Verdichter-COP bewertet werden.
Das Gebäude bezahlt letztlich für den Strom, der vom Gesamtsystemoptimalem/Auslegungsvolumenstrom
Dazu gehören:
Wärmepumpe + Umwälzpumpen + Regelung + Zusatzheizungen + weiteres Zubehör
Die Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe spielt daher eine wichtige Rolle.
Stellen Sie sich beispielsweise vor:
Aufnahmeleistung der Wärmepumpe = 4,0 kW
und:
Aufnahmeleistung der Umwälzpumpe = 0,3 kW
Das Gesamtsystem verbraucht tatsächlich etwa:
4,3 kW
Werden unnötige Pumpen hinzugefügt, sinkt die Gesamtsystemeffizienz, selbst wenn der angegebene COP der Wärmepumpe unverändert bleibt.
Dies wird umso wichtiger, je effizienter moderne Inverter-Wärmepumpen werden.
Mit steigender Verdichtereffizienz macht der Hilfsenergieverbrauch einen größeren Anteil am gesamten Stromverbrauch des Systems aus.
In der Praxis ist der genaue hydraulische Widerstand des Endgerätenetzes nicht immer bekannt.
Planer oder Installateure wählen daher unter Umständen eine größere Umwälzpumpe, um einen ausreichenden Volumenstrom sicherzustellen.
Die Überlegung ist verständlich:
„Es ist sicherer, zu viel Volumenstrom zu haben als zu wenig.“
Aus energetischer Sicht ist dies jedoch nicht immer richtig.
Eine überdimensionierte Umwälzpumpe kann Folgendes verursachen:
Übermäßigen Stromverbrauch
Höheren Differenzdruck
Zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten
Strömungsgeräusche an Rohren und Ventilen
Reduziertes System-ΔT
Schlechte Ventilautorität
Unnötigen Bypass-Volumenstrom
Eine Umwälzpumpe sollte daher nicht einfach nach dem Prinzip gewählt werden, ein größeres Modell einzubauen.
Der korrekte ingenieurtechnische Ansatz lautet:
Erforderlicher Volumenstrom + Systemdruckverlust → Pumpenbetriebspunkt
Die meisten Heizsysteme arbeiten nicht während der gesamten Heizperiode unter voller Auslegungslast.
Die Außentemperatur ändert sich.
Räume erreichen ihre Solltemperaturen.
Solare Wärmegewinne steigen.
Einige Zonen schließen.
Die Wärmepumpe reduziert die Verdichterfrequenz.
Infolgedessen benötigt das Gebäude über lange Zeiträume hinweg oft nur einen Bruchteil seiner Auslegungsheizlast.
Angenommen, das Gesamtsystem wurde ausgelegt für:
3 m³/h
unter Teillastbedingungen benötigen die aktiven Endgeräte jedoch nur:
1 m³/h
Eine ungeregelte oder schlecht gesteuerte überdimensionierte Umwälzpumpe fördert möglicherweise weiterhin einen wesentlich höheren Volumenstrom, als das Endgerätesystem tatsächlich benötigt.
Die Pumpe verbraucht dann Strom, um Wasser zirkulieren zu lassen, das kaum zusätzlichen Nutzen für die Wärmeübertragung bringt.
Dies verringert die saisonale Effizienz des Gesamtsystemsoptimalem/Auslegungsvolumenstrom
Ein weiterer wichtiger Vorteil eines direkt angebundenen Systems besteht darin, dass normalerweise keine hydraulische Entkopplung zwischen Wärmepumpe und Endgeräten vorhanden ist.
Das aus dem Gebäude zurückfließende Wasser gelangt direkt zurück zur Wärmepumpe.
Dadurch wird die Durchmischung vermieden, die bei manchen Primär-Sekundär-Anordnungen auftreten kann, wenn Primär- und Sekundärvolumenströme unterschiedlich sind.
Dies ist für Wärmepumpen besonders relevant, da deren Effizienz stark von der Wassertemperatur beeinflusst wird.
Generell gilt:
Geringere erforderliche Heizwassertemperatur → Geringerer Verdichtungshub → Bessere Wärmepumpeneffizienz
Eine unnötige Durchmischung, die die Rücklauftemperatur anhebt oder eine höhere Wärmepumpen-Vorlauftemperatur erfordert, kann daher die Effizienz verringern.
Ein korrekt ausgelegtes, direkt angebundenes System kann einen thermisch sehr direkten Pfad bieten:
Wärmepumpe → Endgerät → Wärmepumpe
ohne unnötige Zwischendurchmischung.
Einkreissysteme eignen sich besonders gut für die Fußbodenheizungoptimalem/Auslegungsvolumenstrom
Fußbodenheizungen erfordern in der Regel relativ niedrige Vorlauftemperaturen, die oft deutlich unter denen traditioneller Heizkörpersysteme liegen.
Dies ist für Luft-Wasser-Wärmepumpen von großem Vorteil.
Beispielsweise ermöglicht ein System, das mit ca.:
35°C Vorlaufwasser
arbeitet, im Allgemeinen einen effizienteren Betrieb der Wärmepumpe als ein System, das:
55°C Vorlaufwasser
unter vergleichbaren Außenbedingungen benötigt.
Eine einfache Direktverbindung zwischen einer Inverter-Wärmepumpe und einem fachgerecht dimensionierten Niedertemperatur-Fußbodenheizungsnetz kann daher eine hocheffiziente Lösung sein.
Es gibt jedoch eine wichtige Bedingung:
Die Strömungscharakteristik der Endgeräte muss mit dem erforderlichen Betriebsvolumenstrom der Wärmepumpe kompatibel bleiben.
Dies ist das wichtigste Konzept, das es zu verstehen gilt.
In einem Einkreissystem gilt:
Wärmepumpen-Volumenstrom = Verteil-Volumenstrom
oder genauer gesagt: Beide Seiten sind Teil desselben hydraulischen Kreislaufs.
Dies bedeutet, dass der Planer den Wärmepumpen-Volumenstrom und den Endgeräte-Volumenstrom nicht unabhängig voneinander optimieren kann.
Betrachten Sie ein einfaches Beispiel.
Bei einem Betriebszustand gilt:
Optimaler Wärmepumpen-Volumenstrom = 3 m³/h
und alle Endgerätekreise sind geöffnet.
Das System arbeitet einwandfrei.
Später erreichen die meisten Räume ihre Solltemperatur.
Nur noch eine Endgerätezone bleibt aktiv.
Diese Zone benötigt möglicherweise nur:
1 m³/h
Nun entsteht ein Konflikt.
Die Wärmepumpe bevorzugt möglicherweise:
3 m³/h
während das Gebäude aktuell nur:
1 m³/h
benötigt.
Ein direkt angebundenes System kann naturgemäß nicht gleichzeitig zwei unterschiedliche Volumenströme bereitstellen.
9. Warum variable Gebäudeanforderungen ein Problem darstellen
Reale Gebäude verändern sich ständig.
Ein System kann beispielsweise sechs Heizzonen umfassen.
Bei Volllast:
6 Zonen geöffnet → Hoher Endgeräte-Volumenstrom
Bei mittlerer Last:
3 Zonen geöffnet → Geringerer Endgeräte-Volumenstrom
Bei Minimallast:
1 Zone geöffnet → Sehr geringer Endgeräte-Volumenstrom
Die Wärmepumpe hat jedoch weiterhin eine Mindestvolumenstrom-Anforderung.
Deshalb:
Endgeräte-Volumenstrom ↓
bedeutet nicht zwingend:
Erforderlicher Wärmepumpen-Volumenstrom ↓ um denselben Betrag
Diese Diskrepanz wird besonders gravierend bei unabhängig geregelten:
Fußbodenheizzonen
Gebläsekonvektoren
Thermostatischen Heizkörperventilen
10. Die Wärmepumpe hat ihren eigenen optimalen Betriebsvolumenstrom
Es ist wichtig zu unterscheiden zwischen:
Einkreis = Einfach / Günstig
undoptimalem/Auslegungsvolumenstrom
.
Der Mindestvolumenstrom dient normalerweise als Schutzgrenze.
Der Auslegungsvolumenstrom ist der Volumenstrom, bei dem die Wärmepumpe ihre angegebene thermische Leistung unter einer bestimmten Test- oder Auslegungsbedingung erreichen soll.
Für eine gegebene Wärmeleistung gilt:
Q ≈ 1,163 × V × ΔT
wobei:
Q = thermische Leistung, kW
V = Wasservolumenstrom, m³/h
ΔT = Spreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur, K
Eine Änderung des Volumenstroms ändert das ΔT und die Betriebsbedingungen des Wärmeübertragers.
Daher sollte das Ziel nicht einfach lauten:
„Genug Wasser in Bewegung halten, damit die Maschine keine Störung meldet.“
Ein besseres Ziel ist:
11. Auch die Lastseite hat einen optimalen Volumenstrom
Dasselbe Prinzip gilt für die Endgeräte im Gebäude.
Ein Fußbodenheizkreis, Heizkörper oder Gebläsekonvektor benötigt nicht zu jeder Zeit den maximalen Wasservolumenstrom.
Sein erforderlicher Volumenstrom hängt ab von:
Aktueller Raumlast
Vorlauftemperatur
Erforderlicher Wärmeleistung
Wärmeübertragungseigenschaften des Endgeräts
Regelventilstellung
Raum-Solltemperatur
Bei reduzierter Last profitiert die Endgeräteseite oft von einem geringeren Volumenstrom.
Wenn sich Wärmepumpe und Endgerätesystem jedoch denselben Zirkulationskreis teilen, verringert eine Drosselung des Endgeräte-Volumenstroms auch den Wärmepumpen-Volumenstrom.
12. Der fundamentale Einkreis-Kompromiss
Anforderung der Wärmepumpe
Anforderung der Endgeräte
Einkreissystem
„Ihr müsst euch denselben hydraulischen Volumenstrom teilen.“
13. Warum eine Überdimensionierung der Pumpe das Problem nicht vollständig löst
Eine häufige Notlösung ist der Einbau einer größeren Umwälzpumpe.
Dies kann einen ausreichenden Wärmepumpen-Volumenstrom gewährleisten, wenn viele Endgeräte geöffnet sind.
Sinkt der Bedarf der Endgeräte jedoch, wälzt die Pumpe möglicherweise deutlich mehr Wasser um als nötig.
Dies kann führen zu:
Höherer Pumpenleistung → Höherem Hilfsenergieverbrauch → Geringerer Gesamtsystemeffizienz
Es kann auch zu übermäßigem Differenzdruck führen, wenn Endgeräteventile schließen.
14. Drehzahlgeregelte Pumpen verbessern die Situation
Moderne drehzahlgeregelte ECM-Umwälzpumpen bieten eine bessere Lösung als überdimensionierte Pumpen mit fester Drehzahl.
Je nach System kann die Pumpenregelung über folgende Verfahren erfolgen:
Konstanter Differenzdruck
Proportionaler Differenzdruck
PWM-Signal
0–10-V-Signal
In die Wärmepumpe integrierte Regelung
Dadurch kann die Pumpendrehzahl sinken, wenn die Systemlast zurückgeht.
Mögliche Vorteile sind:
Geringerer Pumpenstromverbrauch
Reduzierte Strömungsgeschwindigkeit
Niedrigerer Differenzdruck
Weniger Geräuschentwicklung
Bessere Teillasteffizienz
Eine drehzahlvariable Pumpe beseitigt die grundlegende Einschränkung jedoch nicht vollständig.
Das System verfügt nach wie vor nur über einen einzigen hydraulischen Kreis.
Die Pumpe muss weiterhin einen Kompromiss finden zwischen:
Einkreis = Einfach / Günstig
und
15. Warum Pumpenstrom in die Systemeffizienz einbezogen werden sollte
Beim Vergleich verschiedener hydraulischer Konfigurationen ist es sinnvoll, über den reinen COP der Wärmepumpe hinauszudenken.
Betrachten Sie folgendes Szenario:
Nutzwärmeleistung = 12 kW
Stromverbrauch der Wärmepumpe:
3,0 kW
Stromverbrauch der Umwälzpumpe:
0,3 kW
Betrachtet man nur die Wärmepumpe:
COP = 12 ÷ 3,0 = 4,0
Wird jedoch die Pumpenleistung einbezogen:
System-COP = 12 ÷ (3,0 + 0,3)≈
3,64
Dieses vereinfachte Beispiel verdeutlicht einen wichtigen Punkt:
Der Hilfsstromverbrauch kann die Effizienz des Gesamtsystems erheblich beeinflussen.
16. Einkreissysteme können unter den richtigen Bedingungen sehr effizient sein
Keine dieser Einschränkungen bedeutet, dass ein Einkreissystem ineffizient ist.
Ganz im Gegenteil.
Ein gut ausgelegtes, direkt angebundenes System kann eine der effizientesten Lösungen sein, wenn:
Der hydraulische Widerstand vorhersehbar ist
Der Endgeräte-Volumenstrom relativ stabil bleibt
Die Auslegungsvolumenströme von Wärmepumpe und Endgeräten kompatibel sind
Nur wenige unabhängige Zonen verwendet werden
Die Wassertemperaturanforderungen ähnlich sind
Eine korrekt dimensionierte drehzahlgeregelte Pumpe eingesetzt wird
Der Mindestvolumenstrom der Wärmepumpe stets gewährleistet werden kann
17. Wann ist ein Einkreissystem am besten geeignet?
Kleine Wohngebäudesysteme
Fußbodenheizungen
Niedertemperatur-Heizkörper
Einfache Gebläsekonvektor-Systeme
Projekte, bei denen Einfachheit wichtig ist
18. Wann ist ein Einkreissystem weniger geeignet?
Ein direkt angebundenes System erfordert eine sorgfältigere Prüfung, wenn:
Viele unabhängige Zonen vorhanden sind
Der Endgeräte-Volumenstrom stark schwankt
Die meisten Ventile gleichzeitig schließen können
Verschiedene Endgerätekreise stark voneinander abweichende Volumenströme benötigen
Fußbodenheizung, Heizkörper und Gebläsekonvektoren kombiniert werden
Unterschiedliche Vorlauftemperaturen erforderlich sind
Der Druckverlust im Verteilnetz hoch ist
Mehrere Umwälzpumpen erforderlich sind
Mehrere Wärmepumpen in Kaskade betrieben werden
Der Mindestvolumenstrom der Wärmepumpe schwer zu garantieren ist
19. Einkreis vs. Primär-Sekundär ist keine Frage von „Gut vs. Schlecht“
Ein häufiger Fehler besteht darin, die Entscheidung wie folgt zu betrachten:
Einkreis = Einfach / Günstig
und
Primär-Sekundär = Professionell / Besser
Das ist nicht korrekt.
Beide Architekturen haben ihre berechtigten Einsatzbereiche.
Die richtige Frage lautet:
Benötigt die Wärmequelle über den gesamten erwarteten Betriebsbereich denselben Volumenstrom wie die Lastseite?
Lautet die Antwort im Wesentlichen Ja, kann eine Direktverbindung eine hervorragende Lösung sein.
| 20. Vor- und Nachteile auf einen Blick | Einkreissystem |
|---|---|
| Ingenieurtechnische Auswirkung | Einfache Verrohrung |
| Einfachere Installation und Inbetriebnahme | Meist weniger Pumpen |
| Geringere Anschaffungskosten und potenziell geringerer Hilfsenergiebedarf | Keine unnötige hydraulische Durchmischung |
| Kann dem Niedertemperaturbetrieb der Wärmepumpe zugutekommen | Direkte Wärmeübertragung |
| Einfacher thermischer Pfad | Wärmepumpe und Endgeräte teilen sich einen Volumenstrom |
| Eingeschränkte hydraulische Unabhängigkeit | Endgeräteventile beeinflussen den Wärmepumpen-Volumenstrom |
| Erfordert eine sorgfältige Zonenplanung | Pumpe muss möglicherweise das gesamte Netz versorgen |
| Pumpendimensionierung wird kritisch | Variable Lasten verändern den Systemwiderstand |
| Teillastbetrieb muss evaluiert werden | Volumenstrom-Kompromiss kann erforderlich sein |
21. Was sollten Ingenieure vor der Wahl eines Einkreissystems prüfen?
Wärmepumpenseite
Auslegungswasservolumenstrom
Zulässiger Mindestwasservolumenstrom
Zulässiger Maximalvolumenstrom
Erforderliches ΔT
Wasserseitiger Druckverlust
Verteilseite
Auslegungs-Endgerätevolumenstrom
Mindest-Endgerätevolumenstrom
Anzahl der Zonen
Rohrleitungsdruckverlust
Ventildruckverlust
Endgeräte-Druckverlust
Umwälzpumpe
Auslegungsvolumenstrom
Verfügbare Förderhöhe
Pumpenwirkungsgrad
Drehzahlregelbarkeit
Systembetrieb
Volllast-Volumenstrom
Teillast-Volumenstrom
Minimallast-Volumenstrom
Heizbetrieb
Kühlbetrieb
Abtauvorgang
22. Das wichtigste ingenieurtechnische Prinzip
Die Vorteile und Einschränkungen eines Einkreissystems resultieren aus exakt derselben Eigenschaft:
Wärmepumpe und Endgerätesystem sind durch einen gemeinsamen Wasserkreislauf hydraulisch miteinander verbunden.
Dies bietet:
Einfachheit + Weniger Pumpen + Weniger Durchmischung
erzeugt aber zugleich:
Volumenstromkopplung + Eingeschränkte hydraulische Unabhängigkeit
Hier liegt kein Widerspruch vor.
FazitEin hydraulisches Einkreis-Wärmepumpensystem
kann einfach, zuverlässig und hocheffizient sein, wenn Wärmepumpe und Endgerätesystem kompatible hydraulische Anforderungen aufweisen.
Zu den Hauptvorteilen zählen:
Einfache Architektur + Weniger Pumpen + Geringerer Hilfsenergieverbrauch + Keine unnötige hydraulische Durchmischung
Die Haupteinschränkung ist ebenso eindeutig:
Wärmepumpe und Gebäudeendgeräte können ihren Wasservolumenstrom nicht unabhängig voneinander regeln.
Wenn sich die Gebäudelast ändert, kann der von den Endgeräten benötigte optimale Volumenstrom erheblich von dem der Wärmepumpe abweichen.
Aus diesem Grund sind die Pumpenauswahl, die Zonierungsstrategie und die hydraulische Teillastanalyse so entscheidend.
Für einfache Wohngebäude-Fußbodenheizungen und andere relativ stabile hydraulische Anwendungen kann die Direktverbindung eine ausgezeichnete Wahl sein.
Für komplexe Mehrzonensysteme mit stark variablen Volumenströmen, mehreren Endgerätetypen oder unterschiedlichen Temperaturanforderungen kann eine hydraulische Entkopplung oder eine Primär-Sekundär-Architektur eine bessere Systemregelung bieten.
Das Ziel des Ingenieurs sollte niemals darin bestehen, das System so einfach – oder so kompliziert – wie möglich zu gestalten.
Es sollte lauten:
Ist ein Einkreis-Wärmepumpensystem effizienter?
Warum ist die Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe wichtig?
Ist eine größere Umwälzpumpe sicherer?
Warum ist eine Fußbodenheizung für ein Einkreis-Wärmepumpensystem geeignet?
Was ist der größte Nachteil eines Einkreissystems?
Wann sollte ein Primär-Sekundär-System in Betracht gezogen werden?