Wärmepumpenheizung

Eine Wärmepumpenheizung entzieht der Umwelt (umgebende Luft, Grundwasser oder Erdreich) Wärmeenergie und hebt diese mittels einer Wärmepumpe auf ein verwertbares höheres Temperaturniveau an, um damit Gebäude oder andere Einrichtungen beheizen zu können.

Luft/Wasser-Wärmepumpenheizung in einem Einfamilienhaus

Sole-Wasser-Wärmepumpe im Keller eines energetisch sanierten Zweifamilienhauses

Allgemeines

Die Wärmepumpe entzieht einem Reservoir (Luft, Grundwasser, Erdreich) bei tieferen Temperaturen Wärme und kühlt somit die Wärmequelle. Solange die absolute Temperatur der Quelle über dem absoluten Nullpunkt von –273,15 °C liegt, kann der Quelle Wärme entzogen werden, allerdings nur entlang eines Temperaturgradienten. Die Effizienz der Wärmepumpe – ausgedrückt in der Leistungszahl – sinkt allerdings, wenn die Temperatur der Quelle geringer wird.

Die Wärmepumpe ist technisch wie ein Kühlschrank aufgebaut, mit dem Unterschied, dass bei der Wärmepumpe die warme Seite (Verflüssiger der Wärmepumpe) zum Heizen genutzt wird. Der Einsatz ist umso effizienter, je geringer die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmereservoir (zum Beispiel Grundwasser von 7 °C) und der "Vorlauf-Temperatur" ist (= „Heizungs-Vorlauf“ = die Temperatur, mit der das Wasser in den Heizkreis eingespeist wird). Mit steigendem Temperaturhub sinkt die Leistungszahl der Wärmepumpe. Die meisten Wärmepumpen sind für Vorlauftemperaturen bis maximal 60 °C ausgelegt.

Wärmequellen für Wärmepumpen sind Wasser, feuchtes Erdreich oder feuchte Luft. Wenn die Verdampfungstemperatur 0 °C unterschreitet, bildet sich Eis auf den Wärmetauscherflächen. Eis ist eine Isolierschicht und verschlechtert den Wärmeübergang deutlich. Daher kann eine Wärmepumpe, die der Außenluft die Wärme entzieht, nur bei einigen Grad über dem Gefrierpunkt von Wasser effektiv eingesetzt werden. Dagegen kann eine Wärmepumpe, die einem Wasserspeicher in 10 m Tiefe (ca. 10°C Erdtemperatur) die Wärme entzieht, auch unter dem Gefrierpunkt von Wasser betrieben, weil Eis leichter als Wasser ist und somit an der Oberfläche schwimmt.

Für den Wärmeertrag muss Energie aufgebracht werden („Input“). Das Verhältnis Energieertrag („Output“) zu Input wird Leistungszahl genannt. Eine Leistungszahl größer als 4 gilt als wirtschaftlich.

Diese Energie kann durch Strom oder Gas zugeführt werden. Das Gas kann bei der Verbrennung eine Absorptions- oder Adsorptionskältemaschine antreiben oder in einem Motor eingesetzt werden, der wie der Elektromotor eine Kompressionskältemaschine antreibt.

Technische Einzelheiten

Zur Beheizung von Gebäuden werden im unteren Leistungsbereich meist Elektro-Kompressions-Wärmepumpen verwendet, bei höheren Leistungen auch Gasmotorwärmepumpen. Verwendet werden auch Absorptions- bzw. Adsorptions-Wärmepumpen. Wärmepumpen, die den Vuilleumier-Kreisprozess nutzen, sind noch nicht marktreif.

Das Funktionsprinzip lässt sich gut mit einem Kühlschrank vergleichen, der innen kühlt und außen heizt. Viele dieser Systeme können im Umkehrbetrieb auch zur Kühlung eingesetzt werden. Da Wärmepumpen zum Teil erhebliche Anlaufströme haben, die zu Netzrückwirkungen (Spannungseinbrüchen) führen können, muss der Anschluss vom Energieversorgungsunternehmen genehmigt werden. Die Genehmigung wird im Regelfall mit bestimmten Auflagen (Anlaufstrombegrenzung, Anläufe/Stunde beschränkt) erteilt.

Das verdichtete Kältemittel kondensiert im Verflüssiger. Dies ist ein Wärmeübertrager, der auf der Gegenseite mit einem Wärmeträger, in der Regel Wasser oder einem Wasser-Sole-Gemisch (Frostschutz), beaufschlagt wird. Die bei der Verflüssigung des Kältemittels frei werdende Wärme wird vom Wärmeträger aufgenommen und auf die Heizkörper oder Heizflächen übertragen. Die Wärmeleistung, die, bezogen auf die eingesetzte elektrische Leistung des Verdichtermotors, am Verflüssiger genutzt werden kann, steigt mit abnehmender Differenz zwischen der Verdampfungs- und der Verflüssigungstemperatur im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe.

Das Verhältnis der Wärmeleistung („Output“) zur elektrischen Leistung („Input“) wird als Leistungszahl einer Wärmepumpe (engl. Coefficient of Performance, abgekürzt COP) bezeichnet.

Eine niedrige Wärmeträgertemperatur (Vorlauftemperatur) kann insbesondere mit Fußbodenheizungen umgesetzt werden, da die Wärmeübertragungsfläche sehr groß ist. Außerdem muss eine sehr gute Wärmedämmung für das zu beheizende Gebäude angestrebt werden, um bei geringem Wärmebedarf eine geringe Vorlauftemperatur des Wärmeträgers fahren zu können.

Heizfläche und mittlere Übertemperatur (Temperaturdifferenzen ΔT) eines Heizkörpers oder einer Fußbodenheizung verhalten sich indirekt proportional zueinander. Dies ist mit der veränderten Leistungsabgabe von Speichern bei steigenden Primärtemperaturen zu vergleichen. Diese Problematik verursacht zudem, dass mittels Wärmepumpe die Speichertemperatur nur auf eine bestimmte Temperatur angehoben werden kann. Die maximal erzeugbare Warmwassertemperatur ist vom maximalen Verdichter-Hochdruck abhängig. Bei der Beheizung von Speichern mittels Erdsonden muss darauf geachtet werden, dass die Erdsonde nicht mit mehr als 100 W(therm.)/m Sonde belastet wird, um eine zu starke Vereisung der Sonde zu vermeiden. Da Eis ein schlechter Wärmeleiter ist, sinkt die Sondentemperatur zu weit ab und die Leistungszahl fällt in den unwirtschaftlichen Bereich unter 2,5.

Sperrzeiten

Bei Nutzung eines günstigen Heizstromtarifs können die Energieversorger die Wärmepumpen zu Zeiten hohen Gesamtenergiebedarfs aus dem Stromnetz, beispielsweise Vormittags und am Frühabend, nach den Technischen Anschlussbedingungen (TAB) bis zu dreimal täglich für je zwei Stunden (auch ferngesteuert) abschalten.

Allerdings können viele Energieversorgungsunternehmen (EVU) von dieser Möglichkeit nach unten abweichen, da sie die Sperrzeiten mittels der Rundsteuerempfänger bezogen auf die tatsächliche Last steuern.

Die Sperrzeiten sind dann relativ kurz, so dass ein erhöhter technischer Aufwand (beispielsweise Pufferspeicher) für eine Sperrzeitüberbrückung in der Regel nicht notwendig wird.

Pufferspeicher sind für die Überbrückung von Sperrzeiten auch nur bedingt einsetzbar, da für die Abschaltzeit der Wärmepumpe vom EVU kein Vorsignal gegeben wird. Daher könnte der Temperaturfühler im Pufferspeicher bei Eintritt der Sperrzeit gerade das „Ein“-Signal zum Anlauf der WP geben. Tritt dieser Fall ein, befindet sich im Pufferspeicher kein oder nur ein geringes nutzbares Temperaturgefälle. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gebäude durch eine Sperrzeit abkühlt, ist relativ gering, aber in begrenztem Umfang möglich (Abkühlung 1–2 K).

• Ein Gebäude mit nur wenig Speichermassen kühlt schneller aus als eines mit großen Speichermassen;
• ein schlecht isoliertes Gebäude kühlt schneller aus als ein gut isoliertes;
• ein großes Gebäude kühlt langsamer aus als ein kleines (bessere Relation von Gebäudeoberfläche zu umbautem Raum).

Heizstabsteuerung

Die Technischen Anschlussbedingungen (TAB 2007) schreiben im Kapitel 10.2.4 vor, dass Verdichter und Heizstab nur sechs Mal pro Stunde eingeschaltet werden dürfen. Hersteller setzen diese Vorschrift um, indem nach dem Ausschaltvorgang eine zehnminütige Pause eingelegt wird. Bei der Planung und Auslegung muss dieser Sachverhalt berücksichtigt werden.

Der Temperaturhub $\Delta\vartheta$ des Heizstabes wird durch den Massenstrom $\frac{m}{t}$, die spezifische Wärmekapazität c des Fluids und die Heizstableistung Φ bestimmt.

$\Delta\vartheta = \frac {\Phi} {c \cdot \frac{m}{t}}$

Mit Wasser als Fluid $c = 1{,}16\, \frac {\mathrm{Wh}} {\mathrm{K \cdot kg}}$ beträgt der Temperaturhub $\Delta\vartheta = 0{,}86\, \mathrm{K}$ je kW Heizstableistung und je $\frac {to}{h}$ Massenstrom.

Bei kleiner Schalthysterese und großem Temperaturhub ist der Heizstab nur wenige Minuten ein- und mindestens zehn Minuten ausgeschaltet. Die vermeintlich hohe Anschlussleistung des Heizstabes kann sich nicht entfalten. Durch Umstellen der obigen Formel nach der Zeit gilt:

$t = \frac {c \cdot m \cdot \Delta\vartheta} {\Phi}$

Die Abschaltung erfolgt nach 4,176 s, wenn die Schalthysterese 1 K, die Heizstableistung 1 kW und das Wasser 1 kg beträgt.

Kennzahlen

Leistungszahl und Gütegrad

Zur Beurteilung von Wärmepumpen ist die auf die eingesetzte Energie bezogene Leistungszahl ε, auch Coefficient of Performance (COP) genannt, besser geeignet als der Wirkungsgrad, der auf die gesamte zugeführte Energie, einschließlich der entzogenen Umgebungswärme, bezogen ist. Die erreichbare Leistungszahl ist in Abhängigkeit von den verwendeten Temperaturen entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt auf den Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrades für eine verlustfrei arbeitende Kraftwärmemaschine, die Carnot-Leistungszahl:

$\varepsilon_{C} = \frac{T_\text{warm}}{T_\text{warm} - T_\text{kalt}}$

Das Verhältnis von tatsächlicher zu Carnot-Leistungszahl ist der Gütegrad η = ε / ε_C. Damit errechnet sich die Leistungszahl

$\varepsilon = \eta \cdot \frac{T_\text{warm}}{T_\text{warm} - T_\text{kalt}}$

Elektro-Kompressions-Wärmepumpen für die Gebäudeheizung erreichen im Dauerbetrieb unter festgelegten Normbetriebsbedingungen Gütegrade von rund 50 %. Dieser Wert dient hauptsächlich zur Beurteilung der Qualität der Wärmepumpe selbst. Er berücksichtigt nicht den Rest des Heizungssystems.

Für eine Wärmepumpe mit Erdwärmesonde (Verdampfungstemperatur $T_\text{kalt} = 273\ \mathrm{K}$, etwa 0 °C) und Fußbodenheizung ($T_\text{warm} = 308\ \mathrm{K}$, etwa 35 °C Vorlauftemperatur) errechnet man beispielsweise:

$\varepsilon \approx 0{,}5 \cdot \frac{308\ \mathrm{K}}{308\ \mathrm{K}-273\ \mathrm{K}} = 4{,}4$

Wenn an dem gleichen Wärmepumpenkreislauf eine Radiatorenheizung mit 55 °C ($T_\text{warm} = 328\ \mathrm{K}$) Vorlauftemperatur (Verdampfungstemperatur –0 °C) angeschlossen wird, ergibt sich eine deutlich niedrigere Leistungszahl:

$\varepsilon \approx 0{,}5 \cdot \frac{328\ \mathrm{K}}{328\ \mathrm{K}-273\ \mathrm{K}} = 3{,}0$

Beim Einsatz einer Erdwärmesonde als Wärmequelle ist die Verdampfungstemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur.

Eine Wärmepumpe, die als Wärmequelle die Umgebungsluft nutzt, hat eine deutlich niedrigere Verdampfungstemperatur als die Anlage mit einer Erdwärmesonde. Mit steigendem Wärmebedarf sinkt die Umgebungstemperatur und damit auch die Leistungszahl. Zudem ist die Wärmeübergangszahl von Luft zu den Verdampferflächen niedrig. Es finden daher möglichst großflächige, verrippte Rohre im Verdampfer Anwendung. Es ist ein Lüfter oder Ventilator notwendig, der die Luft durch die Verdampferflächen drückt.

Wird im Verdampfer häufig der Taupunkt unterschritten, so muss das sich bildende Kondensat (Wasser) abgeführt werden. Wird im Verdampfer der Gefrierpunkt des Kondensats unterschritten, sinkt der Ertragsfaktor wegen der isolierenden Wirkung des Eismantels auf null. Enteisungseinrichtungen sind energetisch unsinnig, es wird die gleiche Menge an Energie zugeführt, die zuvor dem gefrorenen Kondensat entzogen wurde.

In der folgenden Berechnung der Leistungszahl wird eine Außentemperatur von zirka 7 °C unterstellt bei einer Temperaturdifferenz von 12 °C zwischen Lufteintrittstemperatur und Verdampfungstemperatur des Kältemittels, so dass für kalte Seite ($T_\text{kalt} = 268\ \mathrm{K}$, etwa -5 °C) angesetzt wird:

$\varepsilon \approx 0{,}5 \cdot \frac{328\ \mathrm{K}}{328\ \mathrm{K}-268\ \mathrm{K}} = 2{,}7$

Es wird deutlich, dass die Leistungszahl einer Wärmepumpe durch die Bauart der Wärmeübertrager, Verflüssiger und Verdampfer stark beeinflusst wird. Unbetrachtet bleibt die stattfindende Vereisung des Verdampfers. Die Anlage der Beispielrechnung ist nur sinnvoll bei Außentemperaturen größer als +12 °C einsetzbar.

Mit der Erdwärmesonde steht unabhängig von der herrschenden Außentemperatur eine Wärmequelle mit relativ hoher Temperatur zur Verfügung, während die Außenluft eine ungünstige Wärmequelle darstellt. Auf der Seite der Wärmesenke sollte mit einer möglichst großen Fläche eine kleine Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur und Wärmeträgervorlauftemperatur angestrebt werden. In den dargestellten Beispielen variiert die Leistungszahl um den Faktor 1,8 zwischen der Erdwärmesonde/Fußbodenheizungswärmepumpe und der Außenluft/Radiatorwärmepumpe.

Jahresarbeitszahl (JAZ)

Über das Jahr verteilt ändern sich die Temperaturen, unter denen die Wärmepumpe arbeiten muss. Auch die gesamte Auslegung eines Wärmepumpen-Heizungssystems hat Einfluss auf seine Effizienz. Außerdem schwankt die von der Wärmepumpe abgegebene Wärmeleistung sehr stark mit der Änderung der Temperatur der Wärmequelle (Luft, Erdwärme, Grundwasser).

Daher wird für das gesamte Wärmepumpenheizungssystem die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) verwendet. Sie gibt das Verhältnis der über das Jahr abgegebenen Heizenergie zur aufgenommenen elektrischen Energie an und liegt in der Größenordnung von 3 bis 4,5. Wärmepumpenhersteller geben in der Regel den unter standardisierten Laborbedingungen ermittelten COP-Wert (Coefficient of Performance) an, die Jahresarbeitszahl beinhaltet den zusätzlichen Energieaufwand für die Nebenantriebe (Solepumpen, Grundwasserpumpen bzw. Luft-Ventilatoren etc., die bei falscher Auslegung einen beachtlichen Teil ausmachen).

Die Jahresarbeitszahl berechnet sich nach folgender Formel:

• $JAZ = \frac{\int\limits_{t1}^{t2} \dot{Q}_\text{Heiz}\,dt}{\int\limits_{t1}^{t2} P_\mathrm{el}\,dt}$

Ökologische Bilanz

Die Umweltverträglichkeit einer Elektro-Kompressions-Wärmepumpe ist umstritten^[1] und wird durch mehrere Faktoren beeinflusst:

• Art der Stromerzeugung (CO₂-Bilanz, Schadstoffemission),
• Verluste bei der Leitung des elektrischen Stroms,
• Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe,
• Treibhauspotenzial des Kältemittels.

Bei der Betrachtung von Treibhausgasvermeidungskosten sind weiterhin die

• direkten und
• indirekten Investitionen

für das Gesamtsystem Wärmepumpe relevant.

Eine Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von 3 erzeugt – bezogen auf die Aufnahme elektrischer Energie – die dreifache Wärmeenergie. Entscheidend für die Öko-Bilanz der Wärmepumpen ist die Art und Weise, wie der für den Betrieb nötige Strom produziert wurde. Stammt der Strom vorwiegend aus konventionellen Energiequellen, so wird mit einer Wärmepumpe derzeit nur wenig Primärenergie eingespart. Der durchschnittliche Wirkungsgrad der Stromerzeugung in Deutschland liegt bei 42,1%^[2] (Stand 02/2011). Hinzu kommen noch Leitungsverluste, die im Durchschnitt bei einer Größenordnung von etwa 7 % liegen^[3]. Damit ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad der Stromerzeugung von etwa 39 % und man benötigt daher ca. 2,55 Einheiten Primärenergie, um eine Einheit Strom zu erzeugen. Wärmepumpen mit JAZ kleiner 2,55 verbrauchen demnach mehr Primärenergie pro Wärmeeinheit als eine direkte Beheizung über eine Feuerung. Wenn berücksichtigt wird, dass auch Heizöl- oder Gasheizungskessel nicht die gesamte Energie der Brennstoffe ausnutzen, kann eine Wärmepumpe auch mit entsprechend geringeren JAZ eine bessere primärenergetische Effizienz als diese aufweisen. Zu berücksichtigen ist jedoch die Art des verwendeten Brennstoffes in Kraftwerken und Hausheizungen, sodass selbst bei gleichem Primärenergiebedarf die Emissionen bei der Stromerzeugung höher (z.B. bei Schwerpunkt auf Kohleverstromung) oder niedriger (z.B. durch hohen Kernkraftanteil) ausfallen können.

Gemäß ^[4] ist die primärenergiebezogene Leistungszahl, d.h. das Verhältnis der gewonnenen Wärmeenergie zu eingesetzter chemischer Energie in Gas, Kohle, Öl oder zu Kernenergie, wie folgt:

Verfahren	Leistungzahl
Elektrowärmepumpe	1,2
Gasabsorptionswärmepumpe	1,25
Gasmotorwärmepumpe	1,5

Unabhängig von dieser primärenergetischen Betrachtung, können Wärmepumpen auch zu einer Verringerung bestimmter Schadstoffemissionen (Kohlendioxid, Stickoxide, Feinstaub, Schwefelverbindungen, etc.) beitragen, da bei Nutzung der Brennstoffe im Kraftwerk eine hocheffektive Rauchgasreinigung (zumindest bei gleichem Brennstoff) i. d. R. spezifisch geringere Emissionen als die lokale Verbrennung verursacht.

Auch ist zu berücksichtigen, dass die Stromerzeugung tendenziell immer umweltfreundlicher wird. Mit steigendem Anteil der Erneuerbaren Energien am Strommix, vermehrtem Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung in der Stromerzeugung, dem Bau von effizienteren Kraftwerken sowie dem Ersatz von Kohlendioxidintensiven Kohlekraftwerken durch deutlich weniger umweltschädliche Kraftwerke wie z.B. gasbefeuerte GuD-Kraftwerke steigt die Umweltbilanz von Wärmepumpen sukzessive an. Die gesetzliche Verpflichtung der Energieversorgungsunternehmen (EVU), die Herkunft ihres Stromes anzugeben, erleichtert eine ökologische Bewertung.

Wärmepumpen können klimaschädliche Kältemittel wie R134a (Tetrafluorethan), R404A (Ersatzkältemittel für R502 und R22 (Chlordifluormethan)), R407C (Ersatz des Kältemittels R22) oder R410A enthalten. Ein Kilogramm dieser Kältemittel entwickelt das gleiche Treibhauspotential wie 1,3 bis 3,3 Tonnen CO₂. Bei nicht sachgerechtem Recycling kann es zur Freisetzung dieser Stoffe und zu entsprechenden Treibhausgasemissionen kommen. Es gibt jedoch auch klimafreundliche Alternativen wie R290, R600a oder R1270.

Systemtypen und Wärmequellen

Grundsätzlich lassen sich drei Wärmepumpenarten unterscheiden:

• Luftwärmepumpe
• Erdwärmepumpe
• Hybrid-Wärmepumpe

Luftwärmepumpe

hierbei wird Luft direkt aus der Umgebung verwendet. Dieses System hat den Vorteil, dass die Umgebung nicht einfrieren kann, da stets genügend Wärmeenergie in der Luft zur Verfügung steht. Zudem sind hier die Investitionskosten relativ gering, und die Montage ist unproblematisch. Der Begriff Luftwärmepumpe wird für verschiedene Systeme verwendet. Daher wird meist noch differenzierter eingeteilt:

• Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen der Umgebungsluft über einen Wärmetauscher Wärme und geben diese an die bestehenden Heizungs- und/oder Warmwasserkreisläufe ab (Fußbodenheizung, Radiatoren o. ä.).
• Luft-Luft-Wärmepumpen entziehen der Luft Wärme und stellen sie einem Luft-Heizungssystem (Lüftung) zur Verfügung. Dazu muss das Gebäude ein solches System bereits haben bzw. es muss nachträglich eingebaut werden.

Luftwärmepumpen sind in der Anschaffung günstiger als deren Alternativen, da die Komponente zur Aufnahme der Bodenwärme (teure Erdsondenbohrung bzw. Erdwärmekollektoren) entfällt. Luft-Wasser-Wärmepumpen werden ohne großen Aufwand an der Außenwand montiert und entziehen der Außenluft Energie für Heizung und/oder Brauchwasser. Die Luftwärmepumpe hat bei sehr tiefen Außentemperaturen eine geringere Effizienz. Je kälter die Außentemperatur, desto höher muss die Vorlauftemperatur der Heizung sein, um die gewünschte Raumtemperatur zu erreichen. Die Luftwärmepumpe muss eine große Temperaturdifferenz „hochpumpen“, benötigt viel Strom für den Kompressor, der Wirkungsgrad sinkt und es entstehen höhere Stromkosten. Dagegen können an etwas wärmeren Tagen gute COP-Werte erzielt werden. Luft-WP lassen sich bei Altbauten, Sanierungen und in Neubauten installieren und sowohl in monovalentem als auch in bivalentem Betrieb gut anwenden. Relevant ist auch die meist erhebliche Geräuschbelastung der Umgebung, die eine Aufstellung in Gebäudenähe häufig problematisch macht. Ein typischer Schalldruckpegel von zum Beispiel 51 bis 62 dB(A) (Datenblatt Vissmann Vitocal 300-A) wird als sehr störend empfunden. Die Rechtsprechung akzeptiert in ruhigen Wohngebieten nachts nur bis zu 35 dB(A)(Urteil des Amtsgerichts München: AZ 123 C 3000/03).

Die Jahresarbeitszahl der modernen LW-WP wird durch die Verwendung der Invertertechnologie verbessert und ermöglicht gegenüber früheren Luft-Wasser-Wärmepumpen nach Herstellerangaben mittlerweile gleichwertige Leistungszahlen (COP, Coefficient of Performance) wie die Erdwärmepumpen. Die Werten nach der VDI 4650 können abweichen.^[5]

Orientierungswerte:

• Fußbodenheizung Vorlauftemperatur 30 bis 35 °C
• Heizkörper/Radiatoren Vorlauftemperatur 50 bis 55 °C

In Deutschland nehmen die Berechnungen üblicherweise eine Temperatur von 0 °C für Erdwärmekollektoren bzw. Erdwärmesonden und von 8 °C für Grundwasser an.

Auch aus ökologischer Sicht sind die Luftwärmepumpen nach Angaben des österreichischen Gütesiegels für Erdwärme nur eingeschränkt empfehlenswert, da diese die Vorgabe einer Jahresarbeitszahl (JAZ) größer 4 nicht erfüllen, und dadurch keine staatlichen Förderungen möglich sind.^[6]

Auch die Lokale Agenda 21 in Lahr kam nach einem zweijährigen Feldtest (2006-2008) zu dem Ergebnis, dass der Staat aufgrund der Energie-Ineffizienz von Luft-Wärmepumpen für die Heizung und das Brauchwasser in Niedrigenergiehäusern und sanierten Altbauten keine Förderung mehr durchführen sollte.^[7]

Als Wärmequelle aus dem Erdreich (Erdwärmepumpen, Hybridsysteme) dienen:

Erdwärmekollektoren

sind in geringer Tiefe (zirka 1 bis 1,5 m, Abstand zirka 1 m) im Erdboden verlegte „Heizschlangen“. Diese können jedoch im Winter massive Schäden hervorrufen, da bei lange anhaltendem Wärmeentzug sich um die Schlangen ein Eisklotz (eine Art Permafrost) bildet. Bei zu sehr beanspruchten Kollektoren taut das Kollektorfeld auch im Sommer nicht mehr vollständig auf. Die Entzugsleistung hängt sehr von oberflächlichen Gegebenheiten ab, wie zum Beispiel Sonneneinstrahlung, Regen, Frost, etc.

Erdwärmesonden

(z.B. CO₂-Sonden) sind Bohrungen in den Boden bis zu mehreren 100 Metern. Die meisten Bohrungen werden bis 50 Meter ausgeführt. Reicht die Leistung einer Erdwärmesonde nicht aus, werden mehrere Bohrungen auf Basis der gewünschten Entzugsleistung durchgeführt. Die Bohrungen sind die einfachste und zuverlässigste Methode, eine Wärmepumpe zu betreiben, da nicht der ganze Garten umgegraben werden muss (wie bei Kollektoren) und auch die Entzugsleistung am höchsten ist. Nachteilig sind die hohen Kosten für die Bohrungen.

Spiralkollektor oder Erdwärmekörbe

Spiralkollektoren

vereinen den Vorteil der Erd(wärme)sonden (geringer Flächenbedarf) mit denen der Flächenkollektoren/Erdwärmekollektoren (preiswerter als Tiefenbohrung). Besonders bei kleineren Grundstücken, die weder freien Platz für Flächenkollektoren noch eine breite LKW-Zufahrt für ein darauf montiertes Erdsonden-Tiefenbohrgerät haben, sind Spiralkollektoren daher eine Alternative.

Trinkwasserversorgungssystem

Ein zweiter Anschluss an die Versorgungsleitung und ein Wärmetauscher sind dafür erforderlich. Wesentlicher Vorteil sind die geringen Investitionskosten von rd. 2.000 Euro. Das System steckt jedoch noch im Entwicklungsstadium.

Grundwasserwärmepumpe

hierbei wird Grundwasser aus einem Förderbrunnen entnommen und durch einen so genannten Schluckbrunnen zurückgeführt. Hier ist die Qualität des Wassers von entscheidender Bedeutung für die Zuverlässigkeit des Systems. Es gibt Systeme, die das Grundwasser direkt durch den Verdampferwärmetauscher (aus Edelstahl) der Wärmepumpe führen können, und Systeme, die das Grundwasser erst durch einen vorgeschalteten Wärmetauscher (aus Edelstahl) leiten, bevor die Energie an den Verdampferwärmetauscher (oft aus Kupfer) abgegeben wird. Vor der Installation sollte eine Wasserprobe gezogen werden und mit den Anforderungen des Herstellers der Wärmepumpe abgeglichen werden. Durch die hinzukommenden etwas höheren Grundwasser-Temperaturen im Jahresmittel (ca. 9-11°C) können Grundwasser-Wärmepumpen so mit Jahresarbeitzahlen bis über 5 arbeiten, jedoch mit erhöhten Ansprüchen an den Wärmetauscher gegen Verockerung bzw. Oxidierung bei eisen- und manganhaltigem Wasser. Außerdem bedarf es in der Regel einer wasserrechtlichen Genehmigung (Wasserbehörde), da der Betrieb einen Eingriff in den Grundwasserhaushalt bedeutet.

Hybridsysteme

Seit Jahren gibt es Systeme, die neben einer Wärmepumpe mindestens eine weitere – häufig regenerative – Wärmequelle nutzen. Der Markt bietet mittlerweile mehrere Lösungsansätze an, wobei sich grundsätzlich zwei Systemtypen unterscheiden lassen. Nahezu alle Anbieter setzen auf eigenständige und räumlich getrennte Komponenten, die über eine Regelungseinheit vernetzt sind. Seit 2008 gibt es auch Vollhybridsysteme, bei denen die unterschiedlichen Wärmeerzeuger in einem Gerät vereint sind. Beide Ansätze basieren aber auf demselben Grundsatz: Indem die unterschiedlichen Wärmequellen einander unterstützen, soll die Effizienz der Anlage insgesamt erhöht werden.

Eine erste Überlegung dabei ist, dass die Effizienz einer Wärmepumpenanlage umso höher ist, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizung ist. Diesen Effekt nutzen beispielsweise geo-solarthermische Systeme. Anhand einer in den Erdwärmekreis eingebundene Solaranlage wird überschüssige Solarenergie im Untergrund gespeichert. Dadurch steigt dann die Quellentemperatur und somit auch die Effizienz der Wärmepumpe. Die Entwickler des Systems sprechen von Energieeinsparungen durch geringeren Stromverbrauch der Wärmepumpe von mehr als 30 Prozent gegenüber einer Erdwärmesondenanlage ohne 'solare Regeneration'. Bei der Verwendung horizontaler Erdkollektoren kann zudem durch die aktive Regeneration des Erdreichs die nötige Entzugsfläche reduziert werden, was Platz und Kosten spart.

Ein zweiter grundlegender Vorteil von Hybridsystemen liegt darin, dass durch die Kombination verschiedener Wärmequellen jährliche Temperaturschwankungen aufgefangen werden können. Das wird am Beispiel eines Wärmepumpen-Hybridsystems (ThermSelect) deutlich. Diese neue Wärmepumpengattung kombiniert Erd- und Luftwärmepumpe in einem Gehäuse und ermöglicht zudem die Einbindung von Solarthermie. Je nach Betriebsweise können die Energiequellen Luft und Erdwärme parallel oder alternativ genutzt werden. Erstmalig ist eine Wärmepumpe mit zwei Verdampfern ausgestattet (einem Außenluft-Verdampfer und einem Sole-Verdampfer), die an den Wärmepumpenkreislauf angeschlossen sind. Ziel ist, passend zu den äußeren Bedingungen (wie der Außentemperatur) die jeweils wirtschaftlichste Wärmequelle einzusetzen. Das Gerät wählt die wirtschaftlich sinnvolle Betriebsart (Luft- oder Erdwärme). In Zeiten in denen nur die Luftwärmepumpe arbeitet regeneriert sich das Erdreich um die Kollektoren herum. Auch beim Wärmepumpen-Hybridsystem reduziert sich folglich die Zahl notwendiger Erdkollektoren im Vergleich zu einer reinen Erdwärmepumpe. Laut Anbieter sind je nach Anlagenkonzeption Jahresarbeitszahlen über 4,5 und Heizkosteneinsparungen von bis zu 60 Prozent möglich.

Die vergleichsweise hohe Komplexität von Hybridsystemen erfordert ein reibungsloses, energieoptimiertes Zusammenwirken der verschiedenen Anlagenkomponenten. Daher haben alle Hybridlösungen intelligente Steuerungssysteme, die das Zusammenspiel der Wärmequellen regeln. ^[8]

Aufbau der Kreisläufe

Die Systemtypen können an der Anzahl der Fluidkreise unterschieden werden. Die Entkopplung der Kreise durch indirekte Zuführung der Verdampfungswärme aus der Umgebung und die Abfuhr der Verflüssigungsenergie über ein Warmwasserheizungsnetz sind regelungstechnisch vorteilhaft (jedoch energetisch verlustbehaftet), die Kältemittelmenge und die Wahrscheinlichkeiten von Leckagen sind gering.

3-Kreis-System

Lange nutzten die Wärmepumpenheizungen diese Systemform. Sole wird genutzt, in Form einer Tiefenbohrung oder eines Flächenkollektors. Hierbei zirkuliert als Übertragungsmedium Sole in einem geschlossenen Kreislauf und nimmt die Wärme des Erdreichs auf, um sie in der Wärmepumpe an den Kältemittelkreislauf abzugeben. Im dritten Kreis, der Raumheizung, zirkuliert Wasser, das über einen Wärmetauscher durch die Wärmepumpe erwärmt wird. Bei dieser Systemart kann auch eine CO2-Sonde in einer Tiefenbohrung als Kollektor zum Einsatz kommen. Der Vorteil (vom Wirkungsgrad her gesehen) gegenüber der Sole in einer Tiefenbohrung ist die nicht notwendige Energie zum Umwälzen des Mediums im Kollektor.

2-Kreis-System

Sie werden auch Direktsysteme genannt, weil sie auf den separaten Solekreis verzichten. Es entfällt der Wärmeübergang vom Kollektorkreis (Sole) auf den Arbeitskreis der Wärmepumpe. Das Kältemittel nimmt die Wärme direkt auf (Direktverdampfung). Dies bringt einen energetischen Vorteil von wenigstens 5 Grad. Die entfallende Solezirkulationspumpe reduziert den Stromverbrauch. Beim Einsatz von Erdspießen als Wärmequelle ist die direkte Verdampfung nicht möglich; es muss ein Solekreis verwendet werden.

1-Kreis-System

Hierbei zirkuliert das Kältemittel in den Rohren der Raumheizung, in der Wärmepumpe und im Kollektor im Garten in einem gemeinsamen geschlossenen Kreis. Der Wärmeübergang auf Wasser als Heizmedium im Haus entfällt somit. Dieses System hat energetische Vorteile, da die Umwälzpumpe und der Temperaturabfall an dem Wärmeübertrager zum Heizkreis entfallen. Das Kältemittel wird in der Regel als Heißgas zu den Kollektoren der Fußbodenheizung geführt und kondensiert in dem Verflüssigersystem. Problematisch an dieser Anordnung sind:

• deutlich höhere Kältemittelfüllmengen,
• die aufwändige Verrohrung bedingt höhere Wahrscheinlichkeiten von Leckagen,
• problematische Ölrückführung aus dem Fußbodenkollektor,
• lastabhängige Kältemittelverteilung in dem Gesamtsystem,
• schwierige Regelung und gegenseitige Beeinflussung der Fußbodenkollektorflächen.

An die Realisierung dieses Systemtyps trauten sich 2007 nur wenige (etwa zwei bis drei) Hersteller heran, weil er systemtechnisch (Druck und Temperatur des Kältemittels und Laufzeit der Wärmepumpe) schwierig zu steuern war.

Heizwasserverteilung/Zwischenlagerung

Wassertank einer Luft-Wasser-Wärmepumpenheizung in einem Einfamilienhaus

Sollten Wärmepumpen nicht genügend Leistung abgeben können, um den Heizwasserkreislauf direkt zu erwärmen, kann das Warmwasser zwischengelagert werden; dieses geschieht in einem großen wärmeisolierten Tank, einem Pufferspeicher. Dieser Tank fasst i.d.R. mehrere hundert Liter Wasser. Zur Erwärmung zirkuliert nun der Wasserstrom zwischen dem Tank und den Radiatoren bzw. der Fußbodenheizung. Die Wärmepumpe erwärmt das Wasser im Tank.

Verbreitung

Jährlich neu installierte Wärmepumpenheizungen in Deutschland (DE) und Österreich (AT)^[9]

Jahr	DE	AT
1995	1.200	~5.300
1996	2.300	~5.400
1997	3.600	~5.100
1998	4.400	~5.000
1999	4.800	~4.830
2000	5.700	4.890
2001	8.200	4.840
2002	8.300	~5.400
2003	9.890	~6.000
2004	12.900	8.061
2005	18.900	9.883
2006	44.000	?
2007	44.600	?
2008	62.500	?
2009	54.800	?

Deutschland

Der Marktanteil von Wärmepumpenheizungen im Neubau ist sehr landesspezifisch und betrug 2005 bundesweit durchschnittlich 10 %, wobei damals die erdgekoppelte Wärmepumpe mit einem Anteil von etwa 40 % am erfolgreichsten war. 2010 betrug der Anteil an Wärmepumpenheizungen im Neubau in Deutschland 23,4%.^[10] Durch innovative Technologien und effizienteren Bauweisen und Funktionsprinzipien sind Wärmepumpen als Alternativen zu herkömmlichen Systemen auf Basis fossiler Brennstoffe sehr stark im Kommen. Gerade der Marktanteil der Luft-Wasser-Wärmepumpen ist stark gestiegen, da staatliche Zuschüsse, ein fester und begünstigter Wärmepumpen-Strompreis und nicht zuletzt die geringeren Investitionskosten diese Anlagen attraktiv machen. Vor allem bei Neubauten und Sanierungen werden immer häufiger diese Systeme den herkömmlichen Kesseln bevorzugt.

Österreich

Insgesamt wurden in Österreich von 1975 bis 2005 190.200 Wärmepumpenanlagen errichtet. Die meisten Wärmepumpen jährlich wurden in den Jahren 1986 und 1987 (mit über 13.000 Wärmepumpen pro Jahr) installiert.

Schweiz

In der Schweiz beträgt der Marktanteil bei Neubauten rund 75 %. Die spez. Kosten für die Heizwärme betragen mit einer Erdwärme nutzenden Wärmepumpe 3,9 Rp/kWh. (etwa 3,2 Cent/kWh), während eine konventionelle Ölheizung mit spez. Kosten von 7,9 Rp./kWh (etwa 6,6 Cent/kWh) zu veranschlagen ist. Eine staatliche Förderung ist somit überflüssig.^[11]

Kosten

Direkte Investitionen

Die anfänglichen Investitionen in Wärmepumpenanlagen sind höher als in herkömmliche Kessel, in denen Gas oder Öl verfeuert wird. Dafür entfallen im Neubau Zusatzkosten wie ein Schornsteineinbau. Auch ein Lagerraum für den Brennstoff bei Öl, Pellets oder Holz entfällt.

Wärmepumpenheizungen auf Erdkollektor- bzw. Erdsonden-Basis sind aufgrund ihrer Installation (mehrere Bohrungen bis mind. 50 Meter, bzw. großflächiger Bodenaushub) recht kostenintensiv und können wirtschaftlich nur bei einem Neubau Verwendung finden. Speziell Erdkollektoren benötigen relativ große Grundstücke, was in Ballungsgebieten kaum zu verwirklichen ist. Bei kleinen Grundstücksflächen und für den Bestandsbau sind Spiralkollektoren/Erdwärmekörbe eine Alternative, dort zum Beispiel im Zuge einer energetischen Sanierung des alten Gebäudes.

Auch bei Wärmepumpen, die Grundwasser als Energiequelle benutzen, ist der Investitionsaufwand und die Anforderungen an die Grundstücksfläche hoch. In der Regel muss man einen Förderbrunnen und einen Schluckbrunnen (in einem Abstand von mindestens etwa 15 m annähernd in Grundwasserfließrichtung, Tiefe bis ausreichend unter Grundwasserspiegel) sowie die erdverlegte Verbindungsleitung zur Anlage errichten. Die Brunnen werden mit einem Durchmesser von 15 bis 30 cm gebohrt oder bei hohem Grundwasser bis etwa 4 m als Brunnenschacht ausgeführt. Statt des Schluckbrunnens wird auch teilweise nur ein preiswerterer Sickerschacht gebaut, der allerdings die Grundstückswasserhaltung verändert und somit meist nicht zulässig ist. Weiterhin ist eine etwas höhere Pumpleistung der Förderpumpe notwendig, da die Höhenenergie des heraufgepumpten Wassers verloren geht. In einigen Gebieten ist aber die gleichzeitige Nutzung des Grundwassers zur sommerlichen Gartenbewässerung genehmigungsfähig. Die Kosten variieren sehr stark in Abhängigkeit von den baulichen Gegebenheiten. Zusätzlich fallen weitere Kosten für ein Bodengutachten und das Genehmigungsverfahren an.

Geringere Investitionskosten fallen bei Systemen an, die auf Luft-Wasser oder Luft-Luft basieren, denn die Kosten für Anschaffung sowie Installation sind deutlich geringer. Allerdings ist bei Luft-Wasser- oder Luft-Luft-Systemen mit einer erheblich schlechteren Leistungszahl im Winter zu rechnen, wodurch die Betriebskosten höher ausfallen als mit Erdsystemen. Daher eignet sich eine Luft-Wasser-Wärmepumpe gut zum bivalenten Betrieb mit einem bestehenden fossilen Heizsystem, das Spitzenlast und sehr niedrige Außentemperaturen abdeckt.

Als weitere Investition ist bei der Verwendung des günstigeren Heizstroms die Installation eines zweiten Stromzählers zu berücksichtigen, was bei Bestandsgebäuden eine Erweiterung des Stromkastens zur Folge haben kann.

Betriebskosten

Heizöl

Ein Liter Heizöl kostet derzeit (Stand 31. Oktober 2011) um 87 Cent und beinhaltet etwa 9 bis 10 kWh thermisch nutzbare Energie. Somit ergibt sich ein Preis von etwa 8,7 bis 9,6 Cent/kWh für Öl. Öl-Brennwertthermen weisen im Betrieb gemittelte Wirkungsgrade von etwa 90 % auf. Damit ergibt sich für die Erzeugung der Nutzwärme ein Preis von 9,6 bis 10,6 Cent/kWh Wärme. Nicht inbegriffen ist der Energiebedarf der zum Ölbrenner gehörigen Verdichtungspumpe sowie des Gebläses, welches das zerstäubte Öl mit Luft mischt.

Erdgas

Der Brennstoffpreis für Erdgas betrug im Februar 2009 bei 20.000 kWh/a Jahresbedarf umgerechnet 7,6 ct je kWh. Allerdings benötigen Gas-Brennwertheizungen mit auf den Heizwert bezogenen Wirkungsgraden von über 100 % laut einer Öko-Institut-Studie^[12] dennoch 1,114 kWh Primärenergie pro kWh Nutzenergie. Inbegriffen ist dann ebenfalls der Strom, der zusätzlich für das Abgasgebläse benötigt wird. Sie verursachen daher Kosten in Höhe von etwa 9 Cent/kWh Nutzwärme.

Niedertarifstrom

Bei einem derzeitigen Brutto-Strompreis von 14 Cent/kWh (Wärmepumpenstromtarif, Stand 01/2009, inkl. aller Steuern und Abgaben) und einer Jahresarbeitszahl JAZ der Wärmepumpenheizung von im besten Fall 4,0 kostet die Erzeugung der Nutzwärme mittels Luft-Wasser-Wärmepumpe günstigstenfalls 3,5 Eurocent/kWh (brutto). Hierin liegt also ein Einsparpotential der Heizkosten von etwa 50 %. Bei einer JAZ von 2,5 liegt der Nutzwärmepreis bei 5,6 Eurocent/kWh (brutto) und nähert sich somit dem der Ölheizung an.

Die Kosten für den Schornsteinfeger entfallen, wenn kein zusätzlicher Kachelofen o.ä. vorhanden ist.

Der vom Stromversorger angebotene Wärmepumpentarif ist erheblich günstiger als der verwendete Haushaltstarif. Bei wirtschaftlicher Betrachtung müssen die höheren Investitionskosten der Wärmepumpe gegenüber einem Öl- oder Gasbrenner, der angebotene Strompreis für Wärmepumpe und dessen Laufzeiten und die Leistungszahl der Wärmepumpe wie bei jeder Wirtschaftlichkeitsrechnung berücksichtigt werden.

Volkswirtschaftliche Bedeutung

Gas- und Ölheizungen bringen aus volkswirtschaftlicher Sicht größere Abhängigkeit vom Ausland. Zudem sind diese Ressourcen endlich und von stetigen und zum Teil drastischen Preissteigerungen betroffen.

Alternativen bieten die angeführten verschiedenen Systeme von Wärmepumpen.

Allerdings werden oft die nur verlagerten CO₂-Emissionen der mehrheitlich fossil befeuerten Wärmekraftwerke übersehen. Auch unter Berücksichtigung der in solchen Kraftwerken verfeuerten qualitativ geringwertigen Brennstoffe und trotz innovativer Wärmepumpentechnologien sowie deren gesteigerter Effizienz können nur bei Leistungszahlen von größer 4 auch volkswirtschaftlich Einsparungen erzielt werden. Erst dann werden die gesamtwirkungsgradbedingten Erzeugungs- und Verteilverluste von elektrischem Strom als vergleichsweise edle Energieform, und damit die CO₂-Emission von lokal verfeuerten fossilen Brennstoffen aufgehoben.

Einzelnachweise

1. ↑ Erdwärme: Gar nicht so öko – … Die Bundesregierung will die Wärmepumpe als erneuerbare Energie fördern. Doch die Ökobilanz der Erdwärme-Heizung ist umstritten. auf: Zeit online, 20. Mai 2009.
2. ↑ Quelle: http://www.umweltbundesamt-daten-zur-umwelt.de/umweltdaten/public/theme.do;jsessionid=2120426219851BF1BD0AA0DDCA684EFD?nodeIdent=2849
3. ↑ Stadtwerke Unna: http://www.unna.de/stadtwerke+unna/stadtwerke-unna/service/energielexikon/uebertragungsverluste.html
4. ↑ [1]
5. ↑ Zusammenhang der Berechnung der Jahresarbeitszahl (JAZ) von Wärmepumpenanlagen (WPAnlagen).
6. ↑ Voraussetzungen für einen Umstieg auf Wärmepumpe.
7. ↑ Schlussbericht: Zweijähriger Feldtest Elektro – Wärmepumpen am Oberrhein …
8. ↑ Quelle: http://www.thermselect.de/
9. ↑ Quelle: BWP, Stiebel-Eltron (Deutschland), Fanninger Gerhard – IFF-Universität Klagenfurt (Österreich)
10. ↑ Energieverbrauch in Deutschland. Daten für das 1. Quartal 2011 Website der AG Energiebilanzen, Abgerufen am 6. November 2011.
11. ↑ Daniel Hug: Hochdruck bei den Wärmepumpen. In: NZZ am Sonntag. 15. Juli 2007, S. 29.
12. ↑ Dietlinde Quack: Gas-Brennwertheizkessel als EcoTopTen-Produkt. Freiburg, Dezember 2004.

Siehe auch

Geothermie, Wärmepumpe, Kältemaschine

Literatur

• Recknagel, Sprenger, Schramek: Taschenbuch für Heizung Klimatechnik. ISBN 3-486-26214-9.
• Stiftung Warentest: test Nr. 6 vom 6. Juni 2007, ISSN 0040-3946
• Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. 2. Auflage. 2009, ISBN 978-3-446-41961-2.
• IKZ-FACHPLANER 7/2008
• IKZ-HAUSTECHNIK 18/2008

Weblinks

• GtV-Bundesverband Geothermie e. V.
• Bundesverband WärmePumpe (BWP) e. V.
• Wärmepumpen-Marktplatz NRW (Energieagentur NRW)
• Stiftung Warentest: Test von Wärmepumpenheizungen
• Der BUND zu Wärmepumpenheizungen (PDF, April 2008; 248 kB)
• Wärmepumpenheizung
• BAFA: Förderung von effizienten Wärmepumpen
• Livedaten von Jahresarbeitzahlen einiger Anlagen der Firma Heliotherm
• Informationen zur Umweltverträglichkeit von Wärmepumpen
• Animation der Bestandteile und Funktionsweise einer Wärmepumpenheizung
• Lokale Agenda 21: Schlussbericht Zweijähriger Feldtest Elektro–Wärmepumpen am Oberrhein
• "Checkliste Wärmepumpen 2011/12" der Verbraucherzentrale
• Kriterien, Kennzahlen, Wirtschaftlichkeit und Hinweise zur Auswahl von Wärmepumpen
• Vortrag zur 9. geothermischen Fachtagung, 17. November Karlsruhe
• BINE Informationsdienst basis Energie 10
• Energiewirtschaftliche Bewertung der Wärmepumpe in der Gebäudeheizung Studie von Ulrich Wagner, Technische Universität München.