Wie dimensioniert man den Ausdehnungsgefäß für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe?

Ein falsch dimensioniertes Ausdehnungsgefäß ist die häufigste Ursache für Druckprobleme bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe: undichtes Sicherheitsventil, Druckabfall bei Kälte, kurze Zyklen, die den Kompressor verschleißen. Die Dimensionierung folgt einer präzisen normativen Methode, der NF EN 12828, die es ermöglicht, das Nennvolumen des Gefäßes aus dem Wasservolumen des Kreislaufs und den Betriebdrücken zu berechnen. Dieser Leitfaden erklärt Ihnen Schritt für Schritt, wie Sie ein Ausdehnungsgefäß für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe dimensionieren, mit einem vollständigen Berechnungsbeispiel.

Rolle des Ausdehnungsgefäßes in einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Das Ausdehnungsgefäß nimmt Volumenänderungen des Wassers auf, wenn es sich erwärmt und abkühlt, um einen stabilen Druck im geschlossenen Hydraulikkreislauf aufrechtzuerhalten. Ohne ein richtig dimensioniertes Gefäß führt die Ausdehnung des Wassers bei hohen Temperaturen zu einem Überdruck, der das Sicherheitsventil auslöst, gefolgt von einem Druckabfall bei Kälte, wenn der Kreislauf teilweise entleert wird (Hellowatt).

Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe wird das Wasser des Heizkreislaufs in der Regel zwischen 1 und 1,5 bar kalt gehalten und kann bei Wärme (60-65 °C) auf 1,5 bis 2 bar ansteigen. Ein Druck, der 2,8 bar überschreitet, weist auf ein unterdimensioniertes Gefäß oder einen falschen Vordruck hin (Artisan Vérifié).

Die zu sammelnden Daten vor der Berechnung

Vor der Dimensionierung des Gefäßes müssen fünf Größen bekannt sein, gemäß der Dimensionierungsmethode des Ausdehnungsgefäßes (DTU 65-16 — Anhang D):

1. Wasservolumen des Kreislaufs (Vcircuit): Wasser in der Wärmepumpe, den Rohrleitungen, Heizkörpern oder der Fußbodenheizung und dem eventuellen Pufferspeicher.
2. Minimale Temperatur des Kreislaufs (beim Befüllen, oft 10 °C).
3. Maximale Betriebstemperatur (60 bis 65 °C für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe).
4. Ausdehnungskoeffizient (Cexp) des Wassers zwischen diesen beiden Temperaturen.
5. Statische Höhe (Hs) zwischen dem Anschluss des Gefäßes und dem höchsten Punkt des Kreislaufs.

Schritt 1 — Schätzung des Wasservolumens des Kreislaufs

Das tatsächliche Wasservolumen hängt von Ihrer Anlage ab (Rohrleitungslängen, Art der Wärmeübertrager). Als erste Annäherung wird 10 bis 15 Liter Wasser pro kW Leistung der Wärmepumpe angenommen (Le Moniteur). Eine gängige Schätzung besteht darin, die Leistung in kW mit 12 zu multiplizieren:

Für ein 100 m² großes Haus mit einer 8 kW Wärmepumpe rechnet man so mit etwa mindestens 50 Litern Wasser im Kreislauf (Viessmann). Bei einer Fußbodenheizung beträgt der Inhalt der in den Estrich integrierten Rohre weitere 60 bis 80 Liter.

Schritt 2 — Bestimmung des Ausdehnungskoeffizienten

Der Ausdehnungskoeffizient drückt die Volumenvergrößerung des Wassers zwischen der Fülltemperatur und der maximalen Betriebstemperatur aus. Er kann einer normativen Tabelle entnommen werden (Energie Plus):

Für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, die bei 60 °C arbeitet, beträgt der gewählte Ausdehnungskoeffizient somit etwa 0,0167. Enthält der Kreislauf Glykol, ist der Koeffizient höher und muss einer speziellen Tabelle für das Wärmeträgermedium entnommen werden (Caleffi).

Schritt 3 — Berechnung des Ausdehnungsvolumens

Das Ausdehnungsvolumen entspricht der Volumenvergrößerung des Wassers bei maximaler Temperatur. Es wird berechnet durch:

oder, in der häufig verwendeten vereinfachten Formulierung: Ve = Vi × Ce / 100, wobei Ce der Ausdehnungskoeffizient in Prozent ist (ABC Clim).

Schritt 4 — Berechnung des Nennvolumens des Ausdehnungsgefäßes (Formel NF EN 12828)

Das Nennvolumen des Ausdehnungsgefäßes wird aus dem Ausdehnungsvolumen, einer Sicherheitsreserve und dem Verhältnis der Drücke berechnet (Organilog; Nexylo):

Dabei gilt:

• Vn: Nennvolumen des Ausdehnungsgefäßes (in Litern)
• Ve: Ausdehnungsvolumen, berechnet in Schritt 3
• Vr: Sicherheitsreserve, ca. 0,5 % des Gesamtwasservolumens, mindestens jedoch 3 Liter (Nexylo)
• Pinitial: Vordruck des Ausdehnungsgefäßes (statischer Druck + 0,1 bis 0,2 bar)
• Pfinal: Ansprechdruck des Sicherheitsventils abzüglich 0,5 bar Sicherheitsmarge

Das Ergebnis wird dann auf das nächstgrößere handelsübliche Gefäß aufgerundet.

Schritt 5 — Die praktische 8- bis 12-%-Regel

Mangels einer vollständigen Berechnung gilt im Einfamilienhaus, dass das Volumen des Ausdehnungsgefäßes etwa 8 bis 12 % des Wasservolumens des Kreislaufs (Heizkörper + Rohrleitungen + Wärmepumpe + Fußbodenheizung) betragen sollte (Discount Plomberie).

Korrespondenztabelle Wasservolumen / Ausdehnungsgefäß

Mit der gleichen Berechnungsmethode wie im obigen Beispiel (reines Wasser, maximale Temperatur 60 °C, Pinitial 1,2 bar, Pfinal 2,5 bar, Mindestreserve 3 L) finden Sie hier eine indikative Tabelle der Korrespondenz zwischen Wasservolumen des Kreislaufs und empfohlenem handelsüblichen Gefäß:

Indikative Tabelle, berechnet nach den obigen Annahmen; das tatsächliche Ergebnis hängt von der Betriebstemperatur, dem Vorhandensein von Glykol und den spezifischen Drücken Ihrer Anlage ab.

Für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe von 8 bis 12 kW in einem Haus von 100 bis 150 m² wird in der Praxis ein Ausdehnungsgefäß von 12 bis 18 Litern gewählt, das je nach tatsächlichem Wasservolumen des Kreislaufs bestätigt werden muss (Artisan Vérifié).

Sonderfall Luft-Wasser-Wärmepumpen

Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe beeinflussen mehrere Besonderheiten die Dimensionierung:

• Höherer Betriebsdruck als bei einem herkömmlichen Heizkessel: Der Vordruck muss auf den statischen Druck + 0,1 bis 0,2 bar eingestellt werden (Forum Chauffage).
• Häufiges Vorhandensein eines Pufferspeichers, der das Wasservolumen des Kreislaufs und damit das benötigte Volumen des Ausdehnungsgefäßes erhöht.
• Risiko von Glykol: Wenn der Kreislauf Frostschutzmittel enthält, ist der Ausdehnungskoeffizient größer und erfordert ein größeres Ausdehnungsgefäß (Caleffi).
• Kaltdruck, empfohlen zwischen 1 und 1,5 bar für aerothermische Wärmepumpen (Savelys; Hellowatt).

Fehler bei der Dimensionierung, die vermieden werden sollten

1. Verwechslung von Sanitär- und Heizungsgefäß: Ein Heizungsgefäß darf niemals am Warmwasserkreislauf installiert werden, der Drücke von 2,5 bis 3 bar erfordert (Hellowatt).
2. Vordruck bei Inbetriebnahme nicht prüfen: Ein im Werk vordruckbeaufschlagtes Gefäß muss an den statischen Druck der Anlage angepasst werden.
3. Volumen des Pufferspeichers bei der Berechnung des Gesamtwasservolumens vernachlässigen.
4. Das Vorhandensein von Glykol ignorieren, das den Ausdehnungskoeffizienten erhöht.
5. Ein Gefäß gerade noch an der Grenze wählen: Planen Sie eine Sicherheitsmarge ein und runden Sie auf das nächsthöhere Modell auf.

Fazit

Die Dimensionierung eines Ausdehnungsgefäßes für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe basiert auf einer normativen Methode (NF EN 12828), die das Wasservolumen des Kreislaufs, den Ausdehnungskoeffizienten, die Sicherheitsreserve und die Betriebdrücke berücksichtigt. Für die meisten Wohngebäudeinstallationen (Wärmepumpe 8 bis 12 kW, Haus 100 bis 150 m²) eignet sich ein 12- bis 18-Liter-Gefäß – wie das Gitral MB18 – nach Überprüfung des tatsächlichen Wasservolumens des Kreislaufs. Bei mehr als 300 Litern Wasser wechselt man zu einem 25-Liter-Modell vom Typ MB25.