Die bedeutende Rolle von Heizkörpern in einem Wärmepumpensystem

In den nordischen Ländern werden bereits seit Jahren Wärmepumpen erfolgreich eingesetzt. Die Kombination aus gut gedämmten Gebäuden und Wärmepumpensystemen, die bei Temperaturen von 55/45 °C betrieben werden, ist daher nichts Neues. Wenn jedoch ein alter Heizkessel durch eine Wärmepumpe ersetzt wird oder bereits eine Wärmepumpe installiert ist, aber die Systemtemperaturen weiter gesenkt werden sollen, z. B. auf 45/35 °C, ist es wichtig, alle Elemente des Wärmepumpensystems zu überprüfen, einschließlich der Wärmeverteilung und der Heizkörper. Für eine optimale Energieeffizienz ist daher ein Austausch der alten Heizkörper häufig erforderlich.

Ein komplettes Wärmepumpensystem

Damit ein Wärmepumpensystem effizient arbeitet, müssen alle Komponenten vollständig aufeinander abgestimmt sein. Erst dann kann das System sein volles Potenzial ausschöpfen und eine optimale Effizienz gewährleisten. Daher ist eine sorgfältige Planung und Auslegung des gesamten Wärmepumpensystems, einschließlich der Wärmequelle, Wärmepumpe, Speicher, Wärmeverteilung und der Heizkörper von entscheidender Bedeutung.

Im Einzelnen geht es darum, die Heizlast des Gebäudes und der einzelnen Räume zu ermitteln, geeignete hydraulische Komponenten auszuwählen, die Auslegung der vorhandenen Heizkörper zu überprüfen und ggf. unterdimensionierte oder ungeeignete Heizkörper auszutauschen oder zusätzliche Heizflächen zu schaffen. Darüber hinaus muss das vorhandene Rohrleitungssystem gespült, Armaturen und Ventile überprüft und ggf. ausgetauscht und das Heizungssystem hydraulisch abgeglichen werden.

Gesteigerte Effizienz

Wenn alle Komponenten sowohl auf die Wärmepumpe als auch auf das Gebäude abgestimmt sind, erhöht sich automatisch der Wirkungsgrad eines Wärmepumpensystems. Wenn wir nach Möglichkeiten suchen, diese Effizienz weiter zu optimieren, wird deutlich, wie wichtig Heizkörper im System sind.

Eine erste Möglichkeit, den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe zu steigern, besteht darin, die Systemtemperaturen von 55/45 °C auf 45/35 °C zu senken. Dies kann zu Energieeinsparungen von etwa 25 % führen (1). Niedrigere Systemtemperaturen verbessern den SCOP-Wert (Saisonal Coefficient of Performance) – den saisonalen Leistungskoeffizienten – der Wärmepumpe, d. h. ihren jährlichen Leistungsfaktor in verschiedenen Betriebszuständen, die nach Klimazonen gewichtet werden. Je höher der SCOP-Wert, desto geringer der Energieverbrauch. Das ist insofern sinnvoll, als eine Wärmepumpe umso wirtschaftlicher arbeitet, je geringer der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle (sei es Luft, Wasser oder Erdwärme) und dem Wärmeüberträger (z. B. einem Heizkörper) ist.

Zweitens ist der hydraulische Abgleich des Heizungssystems wichtig, um den Wirkungsgrad zu steigern. Alle Heizkörper im System müssen hydraulisch abgeglichen werden, um sicherzustellen, dass auch der am weitesten von dem Wärmequelle entfernte Heizkörper noch warm ist. In der Vergangenheit war die Heizwasserumwälzpumpe oft größer dimensioniert und/oder die Vorlauftemperaturen waren höher eingestellt als tatsächlich notwendig. Beides verursacht unnötige Energieverluste. Der hydraulische Abgleich trägt zur Schaffung eines effizienten Heizungssystems bei und führt zu Energieeinsparungen von 7 bis 11 %(2).

Ein weiterer Schritt zur Verbesserung der Effizienz eines Wärmepumpensystems ist der Einsatz eines dynamischen Heizkörper-Ventileinsatzes. Insbesondere in bestehenden Gebäuden kann die unsichtbare Verrohrung ein Problem darstellen, wenn die Unterlagen unvollständig oder nicht verfügbar sind. Rohrlängen und -durchmesser bleiben dann unklar, so dass die Auslegung auf Annahmen und Erfahrungswerten beruht. Ein dynamischer Ventileinsatz löst dieses Problem. Wenn die erforderliche Wassermenge unter Berücksichtigung der Heizkörperleistung und der Systemtemperaturen eingestellt ist, sorgt der Ventileinsatz für einen konstanten Volumenstrom. Die Einstellung muss nur einmal mit dem im Lieferumfang enthaltenen Skalenschlüssel vorgenommen werden. Die Skalierung in l/h macht die Einstellung schnell und unkompliziert. Voraussetzung für den Einsatz des dynamischen Ventileinsatzes ist jedoch ein schmutzfreies Anlagenwasser.

Darüber hinaus sorgt ein moderner Thermostatventilkopf mit einer Proportionalabweichung von 1K anstelle von 2K für weniger Schwingungen und gewährleistet so die exakte Einhaltung der gewünschten Raumtemperatur (Sollwerttemperatur). Mit dem 1K-Thermostatkopf kann die Raumtemperatur präziser geregelt werden, was wiederum schnell zu Energieeinsparungen führt, da jedes Grad weniger einer Einsparung von ca. 6 % entspricht (3). Es ist jedoch zu beachten, dass dieser Vorteil nur gegeben ist, wenn das Rohrnetz mit einer 1K-Proportionalabweichung ausgelegt wurde.

Schließlich wird die Effizienz der Heizkörper auch durch den Zustand beeinflusst, in dem sie sich befinden. Alte Heizkörper weisen häufig Korrosionsrückstände auf, die durch die Reaktion von Stahl auf Feuchtigkeit und Sauerstoff entstehen. Diese Korrosion wirkt wie eine Isolierschicht im Inneren des Heizkörpers und beeinträchtigt folglich dessen Effizienz. Um Korrosion zu vermeiden, ist eine regelmäßige Entlüftung der Heizkörper erforderlich.

Niedertemperatur- und Wärmepumpenheizkörper

Wie bereits erwähnt, tragen niedrigere Vorlauftemperaturen zur Optimierung des SCOP-Wertes einer Wärmepumpe bei. Vorlauftemperaturen im Bereich von 35 bis 50 °C haben sich als kompatibel mit einem Heizkörpersystem erwiesen, das mit einer Wärmepumpe verbunden ist. Die Temperaturen beeinflussen jedoch die Leistung des Heizkörpers. Normalerweise kombiniert der Heizkörper Konvektionswärme – d. h. er erwärmt den Luftstrom in seiner Umgebung, um den Raum allmählich zu heizen – mit Strahlungswärme, die direkt am Ort des Auftreffens spürbar ist. Sinkt die Vorlauftemperatur jedoch unter 40 °C, verringert sich der Anteil der Konvektionswärme erheblich. Unterhalb dieser Temperatur werden gebläseunterstützte Heizkörper oder Konvektoren empfohlen, da sie einen erzwungenen Luftstrom im Heizkörper erzeugen und auf diese Weise die Luft weiterhin durch Konvektionswärme aufheizen.

Um die Heizungsanlage mit niedrigeren Vorlauftemperaturen betreiben zu können, müssen eventuell die Heizflächen vergrößert werden. Da Strahlungswärme auch bei niedrigen Temperaturen wirksam ist, sind Heizkörper mit ausreichend großen Strahlungsflächen entscheidend, wenn es um die Erwärmung im Temperaturbereich unter 50 °C geht. Dies steigert auch das angenehme Wärmeempfinden.

Heizkörpergröße

In der Vergangenheit wurde immer darüber diskutiert, ob die Heizkörper kleiner oder größer werden müssen, wenn die Wärmedämmung optimiert und die Systemtemperaturen verändert werden. Tatsache ist, dass eine geringere Heizlast infolge von Verbesserungen an der Gebäudehülle in Verbindung mit Änderungen an der Anlagentechnik effizientere und wirtschaftlichere Wärmeerzeuger ermöglicht.

Generell kann festgehalten werden, dass vorhandene Heizkörper in jedem Einzelfall unter Berücksichtigung der niedrigeren Systemtemperatur rechnerisch zu prüfen und ggf. auszutauschen sind. Auch wenn einige Heizkörper ausreichend dimensioniert sind, sollten ihr Alter und ihr Zustand berücksichtigt werden. Darüber hinaus ist der hydraulische Abgleich ein wichtiger Faktor, da er eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Rohrnetz gewährleistet und sicherstellt, dass jeder Heizkörper die erforderliche Menge an Warmwasser erhält.

Quellenangaben
(1) Gemäß den Daten, die innerhalb der Purmo Group mit der Wärmepumpe MIRAI-SMI 4.0 EH1218DC zusammengetragen wurden.
(2) Gemäß Forschungsbericht 2019 der ITG Dresden „Energetische Einsparpotentiale und wirtschaftliche Bewertung des hydraulischen Abgleiches für Anlagen der Gebäudeenergietechnik“.
(3) Unter anderem kommuniziert von der Internationalen Energieagentur (IEA) und der Europäischen Kommission.