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.

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.

Ökologische Bilanz

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

  • 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% (Stand 02/2011). Hinzu kommen noch Leitungsverluste, die im Durchschnitt bei einer Größenordnung von etwa 7 % liegen.[2] 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.

.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).

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.

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-Studiedennoch 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.

Wir empfehlenBrenner & Heizsysteme