Wärmepumpenheizung

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Luft/Wasser-Wärmepumpenheizung in einem Einfamilienhaus
Sole-Wasser-Wärmepumpe im Keller eines energetisch sanierten Zweifamilienhauses
Erste erdgekoppelte Wärmepumpenheizung in Deutschland von Klemens Oskar Waterkotte aus dem Jahr 1972

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

Allgemeines[Bearbeiten]

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

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. Durch neuere Technologien (Gaskühlung) können Wärmepumpen, die der Außenluft die Wärme entziehen, derzeit bis −25 °C Außentemperatur effektiv eingesetzt werden. Eine Wärmepumpe, die einem Wasserspeicher in 10 m Tiefe (ca. 5 °C Erdtemperatur) die Wärme entzieht, kann unabhängig von der Außentemperatur betrieben werden (unter dem Gefrierpunkt von Wasser, weil Eis leichter als Wasser ist und somit an der Oberfläche schwimmt).

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

Die Energie kann mittels elektrischem Strom oder Brennstoffen zugeführt werden. Die Verbrennung von Brennstoffen kann eine Absorptions- oder Adsorptionskältemaschine betreiben, oder in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, der wie der Elektromotor eine Kompressionskältemaschine antreibt.

Technische Einzelheiten[Bearbeiten]

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 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  \Delta T ) 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.

Wahl des Kältemittels[Bearbeiten]

Entscheidend für die Effizienz von Wärmepumpen ist vor allem aber die Wahl des Kältemittels.[1] Heute auf dem europäischen Markt erhältliche Wärmepumpen sowohl für Haushalt und Industrie werden fast ausschließlich mit FKW (fluorierten Kohlenwasserstoffen) betrieben. Systeme mit für die Umwelt weniger problematischen Kältemitteln wie z. B. CO2[2] oder Propan haben bislang keine weite Verbreitung gefunden.[3] Mit CO2 lassen sich laut Studien hohe Vorlauftemperaturen erzeugen und höhere Jahresarbeitszahlen als mit klassischen Systemen erzielen.[4] Zudem ist es nicht brennbar und mindergiftig. In Japan sind bereits seit 2001 CO2-Luft-Wasser-Wärmepumpen auf dem Markt erhältlich;[5] seit einiger Zeit werden diese auch vereinzelt in Europa angeboten.[6] Bei der Verwendung von CO2 benötigt man Komponenten, die mit größeren Drücken betrieben werden können. Hierzu laufen Forschungsprojekte z. B. an der Technischen Universität Braunschweig (Lehrstuhl Thermodynamik)[7] und der Technischen Universität Dresden. CO2-Luft-Wasser-Wärmepumpen können teils sehr teure Konkurrenzsysteme (Erdsonden-, Eissonden-, Solewärmepumpen etc.) in Anwendungsnischen verdrängen.[4] Aufgrund der hohen darstellbaren Vorlauftemperaturen (≥ 90 °C) sind CO2-Luft-Wasser-Wärmepumpen bei geeigneter Auslegung zur Sanierung von Heizungsanlagen in Altbauten (ohne wesentliche Vergrößerung der Heizflächen) geeignet.

Sperrzeiten[Bearbeiten]

Bei Nutzung eines günstigen Heizstromtarifs können die Energieversorger die Wärmepumpen zu Zeiten hohen Stromverbrauchs, 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[Bearbeiten]

Für den Fall, dass die Leistung der Wärmepumpe bei niedrigen Umgebungstemperaturen und gleichzeitig hohem Wärmebedarf nicht ausreicht, verfügen die meisten Wärmepumpenheizungen zur Ergänzung über eine einfache Elektroheizung (Heizstab) im Warmwasserkreislauf oder -speicher.

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 \Phi 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}

Wenn die Schalthysterese 1 K, die Heizstableistung 1 kW und das Wasser 1 kg beträgt, wird der Heizstab nach 4,176 s abgeschaltet.

Kennzahlen[Bearbeiten]

Leistungszahl und Gütegrad[Bearbeiten]

Zur Beurteilung von Wärmepumpen wird die Leistungszahl ε – auch Coefficient of Performance (COP) genannt – herangezogen. Sie ist das Verhältnis von abgegebener Heizwärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Antriebsleistung des Verdichters (auch Kompressor). 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 \eta = \varepsilon / \varepsilon_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 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)[Bearbeiten]

Zur Bewertung der energetischen Effizienz eines Wärmepumpenheizungssystems wird die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ), auch Seasonal Performance Factor (SPF) genannt, verwendet. Sie gibt das Verhältnis der über das Jahr abgegebenen Wärme zur aufgenommenen elektrischen Energie an und ist nicht mit der unter standardisierten Laborbedingungen ermittelten Leistungszahl zu verwechseln. Um Vergleichbarkeit zu gewähren ist es wichtig sich über die Systemgrenze im klaren zu sein. Die Jahresarbeitszahl kann den zusätzlichen Energieaufwand für die Nebenantriebe (Solepumpen, Grundwasserpumpen bzw. Luft-Ventilatoren etc.,) enthalten, die bei falscher Auslegung einen beachtlichen Teil ausmachen.

Die Jahresarbeitszahl berechnet sich nach folgender Formel:

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

Vielerlei Faktoren beeinflussen die Jahresarbeitszahl. Hersteller liefern beispielsweise Hard- und Software unterschiedlicher Qualität. Ähnliches gilt für die Arbeit von Installateursbetrieben. Weiterhin ändern sich im Jahresverlauf die Temperaturen, unter denen die Wärmepumpe arbeiten muss. Auf der Senkenseite dominiert beispielsweise im Winter üblicherweise die Gebäudeheizung mit vergleichsweise niedriger Temperatur, im Sommer hingegen die Trinkwarmwasserbereitung mit vergleichsweise hohen Temperaturen. Auch die gesamte Auslegung eines Wärmepumpen-Heizungssystems, z. B. die Tiefe der Erdsonde, die Wahl von Speichern oder Wärmeverteilsystem, hat einen Einfluss auf seine Effizienz. Auf der Quellseite sind ebenfalls Temperaturschwankungen zu beobachten, diese jedoch in starker Abhängigkeit der Quelle. So schwankt die Lufttemperatur stark im täglichen und saisonalen Verlauf, die Erdreich- und Grundwassertemperatur jedoch kaum. Der Standort und das Klima ist ebenfalls relevant.

Die JAZ liegt in Deutschland in der Größenordnung von 3 bis 4,5, bei Grundwassersystemen auch über 5. Ausreißer in beide Richtungen sind möglich.

Ökologische Bilanz[Bearbeiten]

Die Umweltverträglichkeit einer Elektro-Kompressions-Wärmepumpe 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

für das Gesamtsystem Wärmepumpe relevant.

Eine Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von 3 erzeugt – bezogen auf die Aufnahme elektrischer Energie – die dreifache Wärme. 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 %[8] (Stand 02/2011). Hinzu kommen noch Leitungsverluste, die im Durchschnitt bei einer Größenordnung von etwa 7 % liegen.[9] 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.

Eine Studie von Ulrich Wagner von der Technischen Universität München kam zu dem Ergebnis, dass bereits beim Strommix des Jahres 2008 zwischen 25 % und 50 % an Primärenergie eingespart werden können.[10]

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Zu verminderten Kohlendioxidemissionen verglichen mit dem Referenzsystem Brennwerttherme kommt es bei dem Strommix von 2008 bereits bei einer JAZ von 2,0.

Gemäß[11] ist die primärenergiebezogene Leistungszahl, d. h. das Verhältnis der gewonnenen Wärme 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.

Wärmepumpen können klimaschädliche Kältemittel wie R134a (1,1,1,2-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 R744, R290, R600a oder R1270.

Systemtypen und Wärmequellen[Bearbeiten]

Sollen Wärmepumpen nach ihrer Wärmequelle kategorisiert werden, so werden üblicherweise drei Gruppen unterschieden:

  • Luftwärmepumpe (genauer: Außenluft)
  • Erdwärmepumpe (z. B. über Erdsonden oder -kollektoren, s. u.)
  • Wasserwärmepumpe (z. B. Grundwasser, Seen, Fließgewässer)
  • Solarer Solespeicher (Solaranlage erwärmt Solespeicher)

Diese klassische Dreiteilung spiegelt sich u. a. im Logo der European Heat Pump Association wider (Hellblau, Dunkelblau, Braun für Luft, Wasser und Erde).[12] Tatsächlich können für Wärmepumpenheizungen auch andere Niedertemperatur-Quellen genutzt werden. So entspricht es dem Stand der Technik, Abluft (z. B. Lüftungskompaktgeräte in Passivhäusern), Abwasser,[13] (gewerbliche / industrielle) Prozesswärme oder Solarenergie[14] als Quelle zu erschließen. Bezüglich Literatur und Normen, vor allem aber bezüglich der jährlichen Installationszahlen, sind all diese Optionen heute eher Nischenprodukte. Zu Beachten ist ferner, dass in einem Wärmepumpensystem mehrere Quellen kombiniert werden können, beispielsweise über einen gemeinsamen quellseitigen Solekreislauf.

Wärmepumpenarten nach Wärmequellen[Bearbeiten]

Luftwärmepumpe[Bearbeiten]

Eine Luftwärmepumpe nutzt die von der Sonne erwärmte Außenluft zum Heizen und Aufbereiten des Warmwassers. Bei besonders tiefen Außentemperaturen sinkt der Wirkungsgrad stark ab. Durch bivalenten - parallelen Betrieb von Wärmepumpen mit bestimmten Kombisystemen lässt sich die Effizienz steigern, indem in diesen Fällen ein alternatives Heizungssystem zugeschaltet wird, um die benötigte Spitzenlast zu liefern. 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 oder einer Lüftungsanlage zur Verfügung.
  • Bei der Direktwärmepumpe wird der Luft Wärme entzogen, welche ohne zusätzliche Wärmetauscherverluste mittels Direktkondensation in die im Heizestrich verlegten Fußbodenheizungsrohre, eingeleitet wird. Anders als bei anderen Luftwärmepumpen fließt ein Kältemittel direkt durch die Kupferrohre der Bodenheizung. Die Direktwärmepumpe hat keine Umwälzpumpe und keinen Sekundärwärmetauscher. Eine Direktwärmepumpe eignet sich nur für den Neubau. Nachteilig ist, dass die Regelung einzelner Heizkreise fast unmöglich ist.

Luftwärmepumpen sind im Vergleich zu anderen Wärmepumpen in der Anschaffung meist günstiger. Luft-Wasser-Wärmepumpen können je nach Fabrikat außerhalb und innerhalb von Gebäuden aufgestellt werden. Der Wirkungsgrad der Luftwärmepumpe sinkt um so tiefer die Außentemperaturen werden. Luft-WP lassen sich bei Altbauten, Sanierungen und in Neubauten installieren und sowohl in monovalentem als auch in bivalentem Betrieb gut anwenden (s. o. Abschnitt Kältemittel). Relevant ist auch die Geräuschbelastung der Umgebung, die eine Aufstellung in Gebäudenähe häufig problematisch macht. Ein typischer Schalldruckpegel, in einem Meter Abstand, von zum Beispiel 51 bis 62 dB(A) (Datenblatt Viessmann Vitocal 300-A) wird als sehr störend empfunden. Die Rechtsprechung akzeptiert in ruhigen Wohngebieten, an der Grundstücksgrenze, 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 Werte nach der VDI 4650 können abweichen.[15]

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.[16] Dem widerspricht jedoch das Förderungsformular des Landes Oberösterreich in dem steht, dass Luftwärmepumpen mit einer (JAZ) 3,5 gefördert werden.[17] Eindeutige Aussagen sind schwierig und es gibt durchaus unterschiedliche Standpunkte.[18] Das BAFA in Deutschland gibt COP Werte von 3,1 vor.[19]

Auch die Lokale Agenda 21 in Lahr (Schwarzwald) kam nach einem zweijährigen Feldtest (2006–2008) zu dem Ergebnis, dass der Staat Luft-Wärmepumpen für die Heizung und das Brauchwasser in Niedrigenergiehäusern und sanierten Altbauten wegen ihrer Energie-Ineffizienz nicht mehr fördern sollte.[20]

Orientierungswerte:

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

Erdwärmesonden[Bearbeiten]

Erdwärmesonden nutzen die fühlbare Wärme eines Erdkörpers als Energiequelle. Die entnommene fühlbare Wärme wird über die Wärmeleitung jeweils etwa zur Hälfte

  • aus dem Erdinneren und
  • der Aufheizung des Erdkörpers aus der Solarstrahlung

nachgefüllt.

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

Erdwärmesonden mit Erdwärmekollektoren[Bearbeiten]
sind in geringer Tiefe (zirka 1 bis 1,5 m, Abstand zirka 1 m) im Erdboden verlegte „Heizschlangen“. Diese können bei mangelhafter Auslegung 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 dennoch auch im Sommer meist vollständig auf. Die Wärme wird im Wesentlichen durch versickerndes Regenwasser oder durchströmendes Grundwasser eingetragen, weshalb oberflächennahe Kollektoren nicht unter versiegelten Flächen verlegt werden sollten.

Die Entzugsleistung hängt sehr von oberflächlichen Gegebenheiten ab, wie zum Beispiel Sonneneinstrahlung, Regen, Frost, etc. Oberflächennahe Kollektoren sollten so geplant sein, das die Sensible Bodenwärme für die Versorgung ausreichend ist. Eine Vereisung der Umgebung stellt dann eine Art „Reserve“ dar, die zusätzlich erhebliche Wärmemengen (Latenzwärme) liefern kann, allerdings bei fallender Soletemperatur (Mit jedem Grad weniger Soletemperatur steigt der Strombedarf um ca. 2,5 %)

Erdwärmesonden mit Bohrlöchern als Wärmetauscher[Bearbeiten]
(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 berechneten Entzugsleistung gesetzt. Bohrungen sind eine einfache und zuverlässige 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.
Erdwärmesonden mit Spiralkollektor oder Erdwärmekörben als Wärmetauscher in großer Tiefe[Bearbeiten]
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.

Erdwärmegewinnung aus Tunneln[Bearbeiten]

Vermehrt werden Tunnel zur Gewinnung von Geothermie benutzt. Entweder ausfließendes Wasser direkt[21] oder über Wärmepumpen.[22][23] Auch die Tunnelwände werden zum Sammeln von Erdwärme genutzt.[24][25] Laut einer Untersuchung des schweizerischen Bundesamtes für Energie aus 1995 könnten aus 130 der 600 Tunnel und Stollen der Schweiz rund 30 MW an Wärme gewonnen werden.[26]

Grundwasserwärmepumpe (Wasser-Wasser-Wärmepumpen)[Bearbeiten]

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.

Mitunter wird Geothermie aus Schwimmteichen, sogenannten „Energieteichen“[27] als Wärmequelle genutzt oder aus salzwassergefüllten „Solarteichen“.[28]

Abwasserwärmepumpe[Bearbeiten]

Eine Abwasserwärmepumpe wird in der Kanalisation installiert und nutzt die Wärme von Abwässern. Für die Nutzung eignen sich vor allem größere Abwasserrohre, mit diesen lassen sich dann jedoch auch hohe Leistungen erzielen. In der Kanalisation liegen die Temperaturen im Jahresverlauf weitgehend gleichmäßig zwischen 12 und 20 Grad Celsius, zudem isoliert das Erdreich um die Rohre, wodurch Lastspitzen abgepuffert werden können. Als wirtschaftlich gelten vor allem größere Anlagen, die Verwaltungszentren, Krankenhäuser, Schulen, Wohnsiedlungen oder Hallenbäder mit relativ konstantem Wärmebedarf beheizen. Perspektivisch ist geplant, in der Kanalisation Abwärme von Industrieprozessen oder Kraftwerken gezielt zwischenzuspeichern und diese per Wärmepumpe bei Bedarf wieder abzurufen.[29]

Solar-Eis-Speicher-Wärmepumpe[Bearbeiten]

Beim Solar-Eis-Speicher besteht der Speicher in einem großen Wassertank, der beim Gefrieren auf 0 °C durch ein Kühlmittel (z. B. ein Wasser-Glykol-Gemisch) die sogenannte Kristallisationswärme zur Wärmenutzung verfügbar macht.

Der bei weiterer Wärmeentnahme entstehende Vereisungsprozess ist gewollt, denn der Phasenwechsel von Wasser zu Eis bringt einen weiteren Energiegewinn. Hierbei bleibt die Temperatur zwar konstant bei 0 °C, doch es werden weitere 93 Wh/(kg K) Kristallisationsenergie frei, die von der Wärmepumpe genutzt werden können. Das ist die gleiche Energiemenge, die frei wird, wenn Wasser von 80 auf 0 °C abgekühlt wird.

Das System entspricht weitgehend der Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Das ausgekühlte Wasser fließt hier jedoch nicht als Grundwasser einfach weiter, sondern dient im Sommer auch direkt als Kühlmedium, das ohne erneuten energetischen kostenintensiven Wärmetauscherprozess im Umkehrbetrieb (Klimakühlanlage) einfach über eine Umwälzpumpe in der Hausheizung genutzt werden kann und so den Speicher teils wieder regeneriert.

Die Regeneration erfolgt konstant durch alle Energiequellen die wärmer als 0 Grad sind.

Die Enthalpie – also der „Wärme“-Inhalt des „Eisspeichers“ liegt bei 333,5 kJ/kg oder 85 kWh/m³ Eis. Dies sind gut 8 Liter Heizöl pro Kubikmeter, dementsprechend muss die Anlage um die Kälteschlangen, um die sich mit der Zeit ein Eismantel legt der den weiteren Energieentzug behindert, dimensioniert werden.

Gängige Modelle mit einem Solar-Eis-Speicher von ca. 12 m³ und 5 Solar-Luft-Kollektoren (á 2 m²) auf dem Dach, bieten im monovalenter Betrieb etwa 1800 Volllaststunden im Jahr für den Heizbetrieb mit einer maximalen Heizlast von 7,5 kW.

Damit ist theoeretisch eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe zum ganzjährigen Heizen inklusive Trinkwassererwärmung immer noch die erste Wahl, allerdings ist im Sommer der Energieaufwand zum Kühlen vermutlich mit dem Eisspeicher-System lukrativer. Die Systeme konkurrieren daher miteinander um den gesamt-energetischen Wirkungsgrad.

Saisonaler Erdspeicher plus Wärmepumpe[Bearbeiten]

Beim Erdspeicher besteht die Möglichkeit diesen als Langzeitenergiespeicher zu nutzen. Dieser besteht aus einem gedämmten Erdspeicher, der von einem definierten System aus Kunststoffleitungen durchzogen ist. Es werden Überschüsse aus anderen Wärmequellen wie der Solarthermie gepuffert. Dadurch ergibt sich eine Anhebung der Quelltemperatur für die Wärmepumpe um durchschnittlich 10 °C im Vergleich zu Erdflächenkollektoren. Dabei können dem Erdspeicher auch Wärmequellen mit relativ niedrigen Temperaturen zugeführt werden die nicht unmittelbar für Heizung genutzt werden können. Als Wärmeträger kommt neben (Sole) oder einem Wasser-Glykol-Gemisch auch reines Wasser in Frage.

Der Betrieb ohne Frostschutzmittel ermöglicht den Einsatz in Trinkwasserschutzgebieten. Basis hierfür ist das kontrollierte Temperaturniveau im Erdspeicher, welches über den saisonalen Wechsel ungefähr zwischen +5 °C und +23 °C liegt.

Das System entspricht weitgehend der Sole-Wasser-Wärmepumpe mit spezieller Regelungstechnik, kann wie vergleichbare Systeme heizen und kühlen. Als Wärmequellen kommen in erster Line Überschüsse aus Solaranlagen oder Prozesswärme in Frage.

Ein Erdspeicher von ca. 100–120 m³, einer abgestimmtem Wärmepumpe und ca.12-14 m² Solarthermie-Flachkollektoren, decken im Heizbetrieb eine Heizlast von ca. 10 kW ab.

Das Erdspeichersystem wird bei Neubauten i.d.R. unter der Bodenplatte eingebaut, um Synergien mit ohnehin anfallende Arbeiten wie Gründung, Frostschürze, Fundamente, Dämmung der Bodenplatte, etc. zu nutzen. Problematisch erscheint der Einsatz bei Bestandsgebäuden, sowie im innerstädtischen Bereich, da notwendige Flächen dort nicht zur Verfügung stehen könnten. Der Bereich in dem der Erdspeicher eingebaut wird sollte möglichst auch nicht von Grundwasser durchströmt werden, da sonst erhöhte Anforderungen an die Abdichtung gestellt werden.

Langezeitenergiespeicher sind gegenüber den unteren Wasserbehörden nur anzeigepflichtig, da üblicherweise der Einbau nur 1,20–1,50 m unter der Bodenplatte stattfindet und das Erdreich nicht als Wärmequelle genutzt wird. Durch die geringe Einbautiefe werden in der Regel keine grundwasserführenden Schichten durchstoßen.

Luft/Wasser-Sole/Wasser-Wärmepumpe (Hybrid-Wärmepumpe)[Bearbeiten]

Die Luft/Wasser-Sole/Wasser-Wärmepumpe ist eine Hybrid-Wärmepumpe, die in ihrer Ausführung ausschließlich regenerative Energiequellen nutzt. Sie kombiniert Luftwärme und Erdwärme in einem kompakten Gerät. Damit unterscheidet sich dieses Hybridsystem von anderen Systemen, die auch mindestens zwei Wärmequellen nutzen. Diese bilden zumeist einen Mix aus konventioneller Heiztechnik (Gasbrennwert-Technik) und erneuerbaren Energiequellen.

Die Luft/Wasser-Sole/Wasser-Wärmepumpe (Hybrid-Wärmepumpe) ist mit zwei Verdampfern ausgestattet (einem Außenluft-Verdampfer und einem Sole-Verdampfer), die beide an den Wärmepumpenkreislauf angeschlossen sind. Das ermöglicht es, im Abgleich mit den äußeren Bedingungen (z.B. Lufttemperatur) die zum aktuellen Zeitpunkt jeweils wirtschaftlichste Wärmequelle vorrangig einzusetzen. Das Hybridsystem wählt automatisch die effektivste Betriebsart (Luftwärme oder Erdwärme). Je nach Betriebsweise können die Energiequellen Luft- und Erdwärme parallel oder alternativ genutzt werden.

Betriebsarten[Bearbeiten]

Es wird in der Regel zwischen drei Betriebsarten unterschieden:

  • Dem monovalenten Betrieb = nur Wärmepumpe
  • Dem bivalenten Betrieb = Wärmepumpe und Brennstoffkessel oder zusätzliche Solarkollektoren und dergleichen
  • Dem monoenergetischen Betrieb = Wärmepumpe und elektrische Zusatzheizung (zumeist bei preiswerten Modellen)

Aufbau der Kreisläufe[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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. Das Entfallen der 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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Wassertank einer Luft-Wasser-Wärmepumpenheizung in einem Einfamilienhaus

Sollte die von der Wärmepumpe gelieferte Wärme zeitweise nicht ausreichend abgenommen/gebraucht werden, so 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[Bearbeiten]

Jährlich neu installierte Wärmepumpenheizungen in Deutschland (DE) und Österreich (AT)[30]
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  ?
2010  ?  ?
2011 57.000[31]  ?
2012 70.200[32]  ?

Deutschland[Bearbeiten]

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 %.[33] Durch neuere Techniken und effizienteren Bauweisen und Funktionsprinzipien sind Wärmepumpen als Alternativen zu herkömmlichen Systemen auf Basis fossiler Brennstoffe sehr stark im Zuwachs begriffen. 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. 2012 erreichten Luft-Wasser-Wärmepumpen einen Marktanteil von 62,7 Prozent aller elektrisch angetriebenen Kompressions-Wärmepumpen ausschließlich Kühlaggregaten mit zusätzlicher Gebäudeheizungsfunktion.[34] Vor allem bei Neubauten und Sanierungen werden immer häufiger diese Systeme den herkömmlichen Kesseln bevorzugt.

Österreich[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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.[35]

Kosten[Bearbeiten]

Direkte Investitionen[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Heizöl[Bearbeiten]

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, das das zerstäubte Öl mit Luft mischt.

Erdgas[Bearbeiten]

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[36] 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[Bearbeiten]

Bei einem derzeitigen Brutto-Strompreis von 22,51 Cent/kWh (Wärmepumpenstromtarif, Stand 04/2013, 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 4,5 Eurocent/kWh (brutto).

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[Bearbeiten]

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

Alternativen bieten die angeführten verschiedenen Systeme von Wärmepumpen. Je nach Leistungszahl und Strommix entfallen jedoch CO2-Emissionen nicht, sondern verlagern sich nur von der Hausfeuerung zu fossil befeuerten Wärmekraftwerken. 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. Mit zunehmendem Anteil Erneuerbaren Energien (Anteil 2012: 23 %) sinkt diese Schwelle jedoch ab.

Darüber hinaus kam eine Studie im Auftrag des Bundeswirtschaftsministeriums zu dem Ergebnis, dass Wärmepumpenheizungen zur besseren Netzintegration der Erneuerbaren Energien, insbesondere von Windenergie, sowie dem Lastmanagement im Strommarkt beitragen können.[37]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. http://www.bine.info/fileadmin/content/Publikationen/Projekt-Infos/2000/Projekt-Info_10-2000/projekt_1000internetx.pdf
  2. http://r744.com/news/view/1559
  3. Volker Quaschning: Renaissance der Wärmepumpe, erschienen in Sonne Wind & Wärme 09/2006 S. 28-31
  4. a b Wärmeversorgungssystem mit CO2-Wärmepumpe (PDF; 4,1 MB). Internetseite des Instituts für Thermodynamik, Technische Universität Braunschweig. Abgerufen am 8. März 2012.
  5. http://www.ejarn.com/newslist.asp?ProID=4
  6. http://imperia.mi-verlag.de/imperia/md/upload/article/484_90_rieberer.pdf
  7. http://www.dbu.de/projekt_24572/01_db_799.html
  8. Umweltbundesamt: Umweltdaten
  9. Stadtwerke Unna: http://www.unna.de/stadtwerke+unna/stadtwerke-unna/service/energielexikon/uebertragungsverluste.html
  10. Energiewirtschaftliche Bewertung der Wärmepumpe in der Gebäudeheizung Abgerufen am 12. November 2011.
  11. Kriterien, Kennzahlen, Wirtschaftlichkeit und Hinweise zur Auswahl von Wärmepumpen.
  12. Homepage der European Heat Pump Association, Abgerufen am 23. Oktober 2012.
  13. [www.dbu.de/phpTemplates/publikationen/pdf/10110609025715.pdf Energie aus Kanalabwasser – Leitfaden für Ingenieure], Abgerufen am 23. Oktober 2012.
  14. Homepage des Forschungsprojektes „Task 44 - Solar and Heat Pump Systems“, Abgerufen am 23. Oktober 2012.
  15. Zusammenhang der Berechnung der Jahresarbeitszahl (JAZ) von Wärmepumpenanlagen (WPAnlagen).
  16. Voraussetzungen für einen Umstieg auf Wärmepumpe.
  17. http://www.land-oberoesterreich.gv.at/cps/rde/xchg/ooe/hs.xsl/13877_DEU_HTML.htm
  18. http://www.klimaaktiv.at/article/articleview/84037/1/12069 Neuer Wärmepumpen Feldtest
  19. http://www.bafa.de/bafa/de/energie/erneuerbare_energien/publikationen/energie_ee_waermepumpe_liste_ab_2012.pdf COP Werte für Förderungsfähige WP in Deutschland
  20. Schlussbericht: Zweijähriger Feldtest Elektro – Wärmepumpen am Oberrhein … (PDF; 857 kB)
  21. Eine lokale Energiequelle, die es zu fassen gilt, bei geothermie.ch
  22. Warmwasser Furkatunnel. Ein Projekt der Gemeinde Obergoms (Oberwald): Wärme aus dem Furkatunnel
  23. Erdwärme aus Tunnel „heizt“ Schule in Penzing
  24. GeoTU6, Universität Stuttgart
  25. "Wärme und Kälte aus dem Tunnel" Leonie Seng: Stuttgarter Zeitung, Wissenschaft.
  26. Schweizerische Vereinigung für Geothermie
  27. Projekt Energieteich
  28. Solarteiche aus Achmed Khammas:Das Buch der Synergie, online
  29. Wärme aus Abwasser. Heizen aus dem Gully . In: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 17. Juli 2013. Abgerufen am 18. Juli 2013.
  30. BWP, Stiebel-Eltron (Deutschland), Fanninger Gerhard – IFF-Universität Klagenfurt (Österreich)
  31. Wärmepumpen-Absatz legt 2011 um 12 Prozent zu
  32. Absatzzahlen 2012: 70.000 neue Wärmepumpen in Deutschland installiert, Pressemitteilung des Bundesverbandes Wärmepumpe e.V. (BWP) vom 21. Januar 2013
  33. Energieverbrauch in Deutschland. Daten für das 1. Quartal 2011 Website der AG Energiebilanzen, Abgerufen am 6. November 2011.
  34. Absatzzahlen 2012: 70.000 neue Wärmepumpen in Deutschland installiert, Pressemitteilung des Bundesverbandes Wärmepumpe e.V. (BWP) vom 21. Januar 2013
  35. Daniel Hug: Hochdruck bei den Wärmepumpen. In: NZZ am Sonntag. 15. Juli 2007, S. 29.
  36. Dietlinde Quack: Gas-Brennwertheizkessel als EcoTopTen-Produkt. (PDF; 364 kB) Freiburg, Dezember 2004.
  37. Potenziale der Wärmepumpe zum Lastmanagement im Strommarkt und zur Netzintegration erneuerbarer Energien (PDF; 1,7 MB). Studie von Ecofys Germany GmbH und Prognos AG im Auftrag des BMWi. Abgerufen am 7. Dezember 2011.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]