Validierung

WP-OPT© ist ein Simulationsprogramm für Wärmepumpenheizungen, mit dem z.B. der Stromverbrauch, die Jahresarbeitszahl oder der Jahresverlauf der Temperaturen in der Wärmequelle berechnet werden können.

Die Berechnungsergebnisse solcher Simulationsprogramme lassen sich überprüfen (validieren), indem sie mit den Betriebsergebnissen bestehender Anlagen verglichen werden. Die Ergebnisse dieses Vergleichs sollen hier vorgestellt werden.

1. Vergleich mit einem bestehenden und anerkannten Verfahren zur Bestimmung der Jahresarbeitszahl (VDI 4650)

In der RWE wurden zahlreiche Messergebnisse zusammengetragen, aus deren Ergebnissen ein "Arbeitsblatt zur überschlägigen Bestimmung der Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpenanlage" entstand, das Grundlage der VDI-Richtlinie 4650 (2003) ist. Diese Berechnungsmethode erfordert einigen Aufwand und die Kenntnis technischer Parameter. Da es sich nur um ein überschlägiges Verfahren handelt, muss die Quellentemperatur bei Soleanlagen vorgegeben werden. Mit Ausnahme der Luftanlagen geht der jeweilige Standort des Gebäudes nicht in die Berechnung ein. Die Übereinstimmung der überschlägig bestimmten Jahresarbeitszahlen mit der WP-OPT©-Simulation im Heizbetrieb ist gut.

VDI 4650 wurde 2008 und 2009 um bivalenten bzw. monoenergetischen Betrieb sowie die Warmwasserbereitung erweitert. Diese Erweiterung dient analog zur EnEV nicht der Prognose der tatsächlichen Jahresarbeitszahl, sondern dient als Kriterium zum Anlagenvergleich. Die Warmwasserbereitung berücksichtigt nicht das verwendete Speicherkonzept, die angestrebten Temperaturen im Speicher oder elektrische Zuheizer ab einer bestimmten Temperatur. Alternative und teilparallele monoenergetische Anlagen liefern nach VDI 4650 das gleiche Ergebnis. Eine Übereinstimmung mit simulierten oder gemessenen Ergebnissen ist deshalb nicht immer zu erwarten. VDI 4650 schreibt selbst über sich:

"Die Richtlinie soll ausführliche Simulationsrechnungen nicht ersetzen, sie kann auch nicht als Dimensionierungsanleitung dienen."

 

2. Messung bestehender Anlagen

Der tatsächliche Wärmeverbrauch sowie die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpenheizung ist zusätzlich zur Berechnung nach Normbedingungen von vielen Faktoren abhängig:

Daher ist es schwierig, ohne aufwendige Messtechnik zu überprüfen, ob die Prognosen einer Computersimulation auch wirklich zutreffen.
Wir haben uns bei der Validierung für ein Projekt (Einfamilienhaus Familie Heidecke, Dresden-Weixdorf) entschieden, welches aus folgenden Gründen sehr geeignet ist:

Günstig an der Lüftungsanlage ist, daß keine durchschnittlichen Verbrauchswerte für die Lüftung angenommen werden müssen, sondern Lüftungswärmeverluste rechnerisch gut erfasst werden können. Eine zusätzliche Fensterlüftung erfolgte nicht.

Der rechnerische Wärmebedarf des Hauses unter Berücksichtigung solarer Gewinne durch die Fenster, interner Gewinne sowie der Lüftungsanlage beträgt 9306 kWh. Die Warmwasserbereitung wurde ebenfalls definiert vorgenommen: 1x wöchentlich auf 45° C (sehr geringer Warmwasseranteil). Die Solaranlage ist mit einem Wärmemengenzähler ausgestattet.

Vergleich für den Zeitraum 10/1999 bis 9/2000
(Die Mehrwertsteuer ist berücksichtigt; Berechnung mit durchschnittlichen Wetterdaten)

  berechnet mit WP-OPT© tatsächliche Verbräuche/Kosten
Hochtarif961 kWh72,00 EUR701 kWh52,07 EUR
Niedertarif1494 kWh90,14 EUR1544 kWh93,15 EUR
Zählergebühr 49,82 EUR 49,82 EUR
Hilfsaggregate290 kWh19,65 EUR   
Korrektur für Nutzung der thermischen Solaranlage zur Warmwasserbereitung (70%)  29,05 EUR  
... zur Heizungsunterstützung (Mai bis Mitte Oktober vollständige Heizung)  15,07 EUR  
Gesamtkosten187,72 EUR195,04 EUR

Mit 4,2% ist die Abweichung zwischen gemessenen und berechneten Werten sehr gering.

Jetzt kann jeder Skeptiker rufen: Das ist mal wieder ein Beweis, daß man alles stimmend rechnen kann - in Wirklichkeit war in dem betrachteten Winter ein um 18 % geringerer Heizverbrauch!
Genau das haben wir auch gesagt.

Da der Winter 1999/2000 sehr mild war, hätte das Messergebnis günstiger als die Simulation ausfallen müssen. Aus diesem Grund haben wir für eine zweite Simulation die tatsächlichen Temperaturwerte der Heizperiode 1999/2000 verwendet und den monatsweisen Stromverbrauch mit den abgelesenen Elektorenergieverbrauchswerten des Bauherren verglichen.
Hierbei ergab sich folgendes Resultat:

In den ersten Monaten liegen die Verbrauchswerte stark über den erwarteten Werten. Ursache hierfür sind die Restfeuchte im Gebäude sowie noch fehlende Dämmstellen zum Dachboden. Diese Abweichung nimmt im Heizjahr immer mehr ab. Später gleichen sich diese Werte an. Die Abweichung liegt zwischen 2 und 6%.

Bild: Monatlicher Vergleich

Die Simulation berechnet unter Berücksichtigung der solaren Gewinne (Warmwasserbereitung und Heizung) einen Verbrauch von 1601 kWh. Berücksichtigt man die Anfangsabweichung ist der Verbrauch im untersuchten Objekt bei 1764 kWh, d.h. 10% schlechter als das Simulationsergebnis.
Der Vergleich der berechneten und gemessenen Soletemperaturen ergab eine gute Übereinstimmung. Es liegen allerdings wenige aufgezeichnete Werte vor (0°C Dezember, 5°C Mai).

Zusätzlich erfolgte ein Vergleich mit verschiedenen in der Literatur aufgeführten Objekten: z.B. Haus 80 m² mit Radiatoren, 2 Sonden 80 m in Schiefer, 10 kW (Quelle: Wiss. Techn. Mitteilungen der Fachhochschule Erfurt, Heft 2).

  berechnet mit WP-OPT© tatsächliche Verbräuche/Kosten
Elektroenergie 20462 kWh 18023 kWh (1995)/
20690 kWh (1996)
Jahresarbeitszahl 3,6 3,8

Das Simulationsergebnis ist ca. 6 % schlechter als die gemessenen Werte.

Die Erfahrung der Nutzer (z.B. Messergebnisse von Energieberater Stampe) bestätigt die Simulationsergebnisse ebenso wie Experten (z.B. Dr. Enkelmann vom Forschungszentrum Rossendorf oder die Wärmepumpeninitiative Ostsachsen).

2. Evaluierung von WP-OPT beim Arsenal Research Wien

Der Bericht vom 29.6.05 weist eine gute Übereinstimmung mit einem vermessenen Objekt nach. Hervorgehoben werden folgende Vorteile:

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß WP-OPT© eine gute Übereinstimmung mit der Realität erzielt, und daß damit Prognosen zu den Betriebskosten möglich sind.